異常壓力成因機(jī)制及其與油氣成藏關(guān)系

1、異常壓力成因及其與油氣成藏關(guān)系匯報(bào)提綱匯報(bào)內(nèi)容異常地層壓力形成機(jī)制異常高壓與油氣成藏關(guān)系一、異常地層壓力形成機(jī)制異常地層壓力形成機(jī)制基礎(chǔ)概念靜巖壓力是指覆蓋在某一深度地層以上的地層基巖和巖石孔隙中流體的總重量所造成的對(duì)這個(gè)地層的壓力。地層壓力是指作用于巖層孔隙空間內(nèi)流體上的壓力叫做地層壓力，它又稱為孔隙流體壓力。靜水壓力是指與巖石表面及地表連通的開放體系下的水柱壓力。有效應(yīng)力是指作用在地層巖石骨架顆粒上的應(yīng)力。壓力系數(shù)Pp為實(shí)測(cè)地層壓力；Ph為靜水壓力。當(dāng)p1 時(shí)，流體壓力就稱為異常流體壓力異常地層壓力形成機(jī)制異常壓力分類異常壓力在中國盆地的分布（據(jù)郝芳等，2007） 世界上有180多個(gè)沉積盆

2、地的油氣分布與異常高壓有關(guān)，高壓油氣田約占全球油氣田的30%。異常地層壓力形成機(jī)制異常地層壓力形成機(jī)制1、異常低壓成因機(jī)制 一般認(rèn)為，異常低壓主要發(fā)育于一些致密氣層砂巖和發(fā)生較強(qiáng)烈剝蝕的盆地。地下深部地層的低壓系統(tǒng)也是密閉系統(tǒng)，由于地層受構(gòu)造拉伸或其他作用使孔隙空間擴(kuò)容，流體壓力下降，但同時(shí)由于體系的封閉性，其他含水系統(tǒng)中的流體又補(bǔ)充不過來，就形成了低壓。（1）上覆地層的抬升和剝蝕（2）不同熱效應(yīng)（3）地下水流動(dòng)的不平衡（4）封閉層的滲漏（5）巖石擴(kuò)容作用（6）濃度差作用（7）氣體飽和儲(chǔ)集層的埋藏成因機(jī)制2、異常高壓成因機(jī)制（1）欠壓實(shí)；（2）生烴作用；（3）構(gòu)造擠壓；（4）斷層作用；（5）底

3、辟作用；（6）水熱增壓；（7）粘土礦物轉(zhuǎn)化；（8）滲透作用；（9）壓溶作用；（10）超壓傳遞。成因機(jī)制異常地層壓力形成機(jī)制 但對(duì)具體盆地而言，起主導(dǎo)作用的往往是其中幾個(gè)因素甚至一兩個(gè)因素。 從世界范圍看，異常高壓的成因機(jī)制類型及分布范圍都要超過異常低壓，而且異常高壓對(duì)鉆井的危害也要?jiǎng)龠^異常低壓，所以對(duì)高壓的研究程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低壓。因此，超壓的研究占主要地位。異常高壓形成機(jī)制（1）欠壓實(shí) 含有大量粘土礦物的沉積物在快速沉積埋藏過程中，沉積物的欠壓實(shí)就可能發(fā)生（Rubey and Hubbert，1959；Wilson等，1977）。兩個(gè)條件：細(xì)粒沉積物 ，快速沉積實(shí)例： 廊固凹陷始新世和漸新世經(jīng)歷

4、了一次快速沉積作用,平均沉積速率為0.35mm/a，快速的沉積導(dǎo)致孔隙流體排出受阻,形成異常高壓，厚層泥巖的封閉使異常高壓得以保持（據(jù)王志宏等，2008）。 瓊東南盆地晚中新世以后,盆地大幅度沉降,在鶯-黃組沉積過程中,陵水組地層埋深迅速增大,產(chǎn)生壓實(shí)排液不均衡。直至陵水組埋深達(dá)3486m時(shí)，Ro達(dá)0.7%左右，地溫達(dá)150,出現(xiàn)了異常地層超壓（據(jù)王敏芳，2003）。異常高壓形成機(jī)制特征：高孔隙度、低密度異常高壓形成機(jī)制（2）生烴作用 在新沉積的泥巖中占有大部分比例的有機(jī)質(zhì)（或干酪根）在成巖和后生作用過程中轉(zhuǎn)化為液態(tài)或氣態(tài)烴。在轉(zhuǎn)化過程中生成的流體排出可能會(huì)產(chǎn)生或加劇正在壓實(shí)的粘土沉積物的超壓

5、、欠壓實(shí)狀態(tài)：（1）通過增加孔隙壓力；（2）通過二次氣-液相態(tài)的形成進(jìn)一步阻止粒間孔隙水排出。 Jennifer Hansom等人通過對(duì)美國Delaware 盆地建模研究，發(fā)現(xiàn)生油可產(chǎn)生超壓（大約425atm）超過壓實(shí)作用產(chǎn)生的（大約300atm）40%。油和甲烷氣同時(shí)生成的區(qū)域的超壓最大值（大約750atm）超過壓實(shí)作用產(chǎn)生的150%。實(shí)例： Mark R. P. Tingay等人對(duì)東南亞Malay盆地的研究表明該地區(qū)地層中的超壓有1/2到2/3是由于干酪根成熟生氣形成的，剩下的超壓由同時(shí)發(fā)生的欠壓實(shí)作用形成。異常高壓形成機(jī)制特征：低孔隙度、 高密度 相比于欠壓實(shí)，而對(duì)于由生烴作用形成的超壓

6、地層，巖石顆粒間的垂直有效應(yīng)力雖然減小，但孔隙度卻不會(huì)變大，密度也不會(huì)變小。 郭小文，何生等（2011）用東營凹陷豐富的測(cè)井、測(cè)試和地質(zhì)資料綜合分析超壓成因，在確定超壓泥巖和砂巖均屬于正常壓實(shí)的基礎(chǔ)之上，提出生油作用為超壓的主要成因機(jī)制，烴源巖生油使孔隙流體膨脹，壓力增加。異常高壓形成機(jī)制（3）構(gòu)造擠壓 構(gòu)造作用可使異常高壓快速聚集（Osborne 和Swarbrick, 1997）。造山帶的側(cè)向擠壓會(huì)造成異常高孔隙壓力。實(shí)例： 北懷俄明（美國）白堊系泥巖遭受側(cè)向擠壓而變形，變形使得層內(nèi)流體通過滲透性地層排出，地層孔隙度降低，封閉帶內(nèi)地層壓力增高（Rubey和Hubbert，1959）。 羅曉

7、容（2004）利用數(shù)值盆地模型模擬了構(gòu)造應(yīng)力直接作用于沉積地層之上對(duì)地層壓力的影響.他們發(fā)現(xiàn),在地層完全封閉條件下作用于地層的構(gòu)造應(yīng)力的30%50%可轉(zhuǎn)化為地層流體壓力;隨構(gòu)造壓力的增加,整個(gè)地層巖石柱的重量因孔隙度整體的減小而增加,平均的上覆靜巖壓力系數(shù)可達(dá)2.4以上;而隨地層異常流體壓力的增加,地層孔隙度相對(duì)增加,表明構(gòu)造應(yīng)力對(duì)沉積地層作用的方式與重力相似,是一種側(cè)向上的壓實(shí)作用。異常高壓形成機(jī)制（4）斷層作用 在美國路易斯安娜和德克薩斯州Gulf Coast地區(qū)的一些高壓帶明顯是源于與斷塊伴生的同生沉積與壓實(shí)作用的模式。該模式形成側(cè)向封堵，連同覆蓋在超壓帶上的巨厚的頁巖，阻止了壓實(shí)和別的

8、成巖作用過程期間沉積物中孔隙流體的散失。地層水穿過粘土流動(dòng)的阻力是壓實(shí)過程中孔隙度和滲透率降低的結(jié)果。在高壓環(huán)境中，泥巖中水的滲透率是微乎其微的，粘土層可以覆蓋在超壓地層上達(dá)百萬年之久而沒有因流體穿過粘土層釋放壓力。條件：存在厚泥巖封閉層，側(cè)向封堵，伴隨壓實(shí)過程 當(dāng)開啟斷裂所連通的地層內(nèi)超壓程度不同時(shí),這些地層間的流體壓力就迅速調(diào)整,達(dá)到平衡,構(gòu)成新的壓力系統(tǒng)（羅曉容，2000）。異常高壓形成機(jī)制(1)為正常地層壓力;(2)中油藏因斷層和剝蝕作用而抬高變淺,但由于此斷層是封閉性的,故油藏仍保持原來的深度時(shí)的壓力,這就形成了超壓現(xiàn)象;(3)中油藏因斷層和沉積作用而下降變深,但此斷層的封閉性使其中

9、的地層壓力仍保持原狀,這就形成了低壓異常。異常高壓形成機(jī)制（5）底辟作用 在高壓和高溫條件下，鹽體呈塑性，像粘稠的塑膠一樣流動(dòng)。當(dāng)上覆沉積的密度大于鹽體的密度時(shí)，鹽體的低密度和低強(qiáng)度促使鹽丘發(fā)育。鹽丘在形成過程中，鹽被向上擠壓，刺穿上覆沉積構(gòu)造，在部分鹽丘的周圍形成柔軟的泥頁巖鞘。 在美國Gulf Coast地區(qū)鹽丘的形成與沉積作用是同時(shí)發(fā)生的（右圖）。實(shí)例：異常高壓形成機(jī)制 郝芳，董偉良等通過研究認(rèn)為鶯歌海盆地底辟構(gòu)造帶埋藏深度小于1500m的地層發(fā)育較強(qiáng)的超壓,實(shí)際上是底辟構(gòu)造引起的深部強(qiáng)超壓再分配的結(jié)果。 廊固凹陷古近紀(jì)時(shí)期有火成巖侵入體，在廊固凹陷內(nèi)的牛北斜坡、柳泉構(gòu)造帶、河西務(wù)構(gòu)造帶

10、及鳳河營構(gòu)造帶鉆井證實(shí)在沙四段上部普遍夾有玄武巖和輝綠巖，如柳泉構(gòu)造帶曹4井在沙四上段的玄武巖層達(dá)15層，累計(jì)厚度87 m。巖漿的侵入一方面使得孔隙流體溫度升高,由于孔隙容積并不擴(kuò)大，從而使孔隙流體壓力增加；另一方面,巖漿的侵入，也使得烴源巖層段成熟度普遍增高，促進(jìn)了油氣的生成,從而進(jìn)一步增加了孔隙流體壓力（王志宏、柳廣弟，2008）。異常高壓形成機(jī)制（6）水熱增壓 當(dāng)溫度升高時(shí),如果巖石系統(tǒng)處于一個(gè)近似完全封閉或維持在一個(gè)固定的體積時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱液壓力（Osborne 和 Swarbrick, 1997）。如果流體不能排出，則有效應(yīng)力減小，孔隙壓力增大；因此孔隙流體壓力承擔(dān)了更多的上覆巖層壓力

11、。（7）粘土礦物轉(zhuǎn)化 許多學(xué)者已經(jīng)證明，地層埋深壓實(shí)期間，隨深度增加地溫增加的同時(shí)，也發(fā)生蒙脫石向伊犁石，高嶺石向綠泥石的成巖轉(zhuǎn)化。 蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化發(fā)生在80到120之間，同時(shí)釋放出總量等于其一半體積的水（Powers，1967）。 杜彬等人認(rèn)為蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石時(shí)，有三方面的因素可引起孔隙流體壓力的增加:一是伊利石對(duì)孔隙孔道產(chǎn)生堵塞，從而增加了泥質(zhì)巖的非滲透性;二是伴隨這個(gè)過程有大量的水脫出，三是蒙脫石層間吸附水的密度一般高于自由孔隙水。異常高壓形成機(jī)制（8）滲透作用 當(dāng)離子濃度不同的兩種溶液被半滲透膜隔開時(shí)，溶劑會(huì)從較稀的一側(cè)通過滲濾作用穿過半滲透膜進(jìn)入較濃的一側(cè)，形成滲透壓力。直到

12、半滲透性膜兩邊的擴(kuò)散化學(xué)潛能相等以后，滲透流才停止。因此，如果溶劑持續(xù)進(jìn)入一個(gè)濃度更高的封閉空間中時(shí)，其壓力就會(huì)增加（下圖）。 然而， Swarbrick 和Osbome （1998） 計(jì)算發(fā)現(xiàn)在北海巖石中，即使礦化度差異高達(dá)35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl當(dāng)量時(shí)，也只能形成約3MPa （435psi） 的滲透壓力。異常高壓形成機(jī)制（9）壓溶作用 壓溶作用會(huì)進(jìn)一步減小沉積物孔隙體積和孔隙度，增加巖石的密度和強(qiáng)度，降低滲透率，形成成巖封閉。 Agus M. Ramdhan等人在對(duì)印尼Peciko油田的研究中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)形成的超壓主要是生烴作用與壓溶作用成因。通過對(duì)井資料的分析該地區(qū)的超壓頂界位于化學(xué)壓

13、實(shí)區(qū)，化學(xué)壓實(shí)形成成巖封閉，下部生成的烴類得不到有效排除，從而產(chǎn)生異常壓力。 沉積物隨埋藏深度的增加，當(dāng)上覆層的應(yīng)力超過孔隙水所能承受的靜水壓時(shí)，或者受較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，顆粒接觸處的應(yīng)力和溶解度增高而導(dǎo)致的晶格變形和溶解作用的稱壓溶作用。壓溶作用是一種復(fù)雜的物理-化學(xué)成巖作用，亦稱化學(xué)壓實(shí)作用。常常作為一種輔助增壓作用。異常高壓形成機(jī)制（10）超壓傳遞 地下剩余孔隙壓力的重新分布稱為超壓傳遞（Swarbrick 和Osbome ，1998）。超壓傳遞本身并不是產(chǎn)生超壓的主要機(jī)制，但是它對(duì)地下許多孔隙壓力剖面的形成有著重要影響，且可能導(dǎo)致下伏超壓的成因機(jī)制難以識(shí)別。 超壓的水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象在超壓

14、傳遞的時(shí)候是一個(gè)重要的因素。由欠壓實(shí)或流體膨脹產(chǎn)生的超壓和后來的保存需要流體的有效封閉，因?yàn)槌瑝罕举|(zhì)上是不穩(wěn)定的并且總是努力回到靜水壓力平衡狀態(tài)（Neuzil, 1995）。因此，高級(jí)別的超壓一般認(rèn)為出現(xiàn)在產(chǎn)生超壓的沉積物內(nèi)部或者臨近層系（Swarbrick and Osborne, 1998; Lee and Deming, 2002）。然而，另外一個(gè)方面的超壓（狹義上并不是一種超壓形成機(jī)制）是在一個(gè)或者更多水力連通的壓力分隔體中的可能的超壓傳遞（Traugott, 1997; Tingay et al., 2007）。超壓在傾斜，孤立的儲(chǔ)層中重新分配來保持一個(gè)類似靜水壓力梯度，導(dǎo)致超壓橫向

15、轉(zhuǎn)移到構(gòu)造高峰，這已被很好的證實(shí)（Traugott, 1997;Yardley and Swarbrick, 2000）。一些學(xué)者也已經(jīng)證實(shí)如果超壓分隔體與另一個(gè)更小并且孤立的壓力分隔體存在水力連通（通過蓋層裂縫和活動(dòng)斷層），那么超壓可能發(fā)生垂直傳遞（Grauls and Baleix,1994; Finkbeiner et al., 2001; Tingay et al., 2007）。異常高壓形成機(jī)制產(chǎn)生異常高壓的類型有許多。其中，欠壓實(shí)和生烴（氣）作用是可獨(dú)立產(chǎn)生盆地規(guī)模超壓的主要機(jī)制。其它的一些成因機(jī)制一般對(duì)盆地內(nèi)超壓的形成起輔助作用。 小結(jié)：匯報(bào)提綱匯報(bào)內(nèi)容異常地層壓力形成機(jī)制異常高

16、壓與油氣成藏關(guān)系異常高壓與油氣成藏關(guān)系（1）異常高壓對(duì)油氣生成的影響1） 壓力的增大抑制有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴作用;2） 壓力的增大促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化；3） 壓力對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴作用無明顯影響。主要觀點(diǎn)： McTavish首先報(bào)道了北海盆地超壓地層內(nèi)鏡質(zhì)體演化受到抑制的現(xiàn)象,隨后，Price等相繼報(bào)道了在超深井Ro=2.0%-5.0%的地層中仍有中-高濃度的液態(tài)烴（C15+）存在，即使當(dāng)Ro高達(dá)7.0%-8.0%時(shí)，仍可檢測(cè)到有液態(tài)烴（C15+）存在。超壓抑制有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化異常高壓與油氣成藏關(guān)系 郝芳等人通過對(duì)鶯歌海盆地、瓊東南盆地和渤海灣盆地東濮凹陷不同壓力系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)熱演化的綜合對(duì)比分析, 識(shí)別

17、出超壓抑制有機(jī)質(zhì)熱演化的4 個(gè)層次:（1） 超壓抑制了有機(jī)質(zhì)熱演化的各個(gè)方面, 包括不同干酪根組分的熱降解（生烴作用）和烴類的熱演化; （2） 超壓僅抑制了烴類的熱演化和富氫干酪根組分的熱降解, 而對(duì)貧氫干酪根組分的熱演化不產(chǎn)生重要影響, 因此鏡質(zhì)體反射率未受到抑制; （3） 超壓抑制了烴類的熱裂解, 而對(duì)干酪根的熱降解未產(chǎn)生明顯影響; （4） 超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的各個(gè)方面均未產(chǎn)生可識(shí)別的影響。 認(rèn)為超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的抑制作用層次取決于超壓發(fā)育后有機(jī)質(zhì)熱演化反應(yīng)的體積膨脹效應(yīng)、產(chǎn)物濃度變化速率及超壓的發(fā)育特征。異常高壓與油氣成藏關(guān)系超壓促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化卓勤功通過研究認(rèn)為超壓對(duì)富硫干酪根生烴起

18、促進(jìn)作用,而對(duì)貧硫干酪根生烴起抑制作用。他在研究濟(jì)陽凹陷時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)富硫的沙四上亞段烴源巖而言,流體超壓有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，沙三中下亞段烴源巖因?yàn)樨毩?超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴起抑制作用,烴類的轉(zhuǎn)化速率減緩。異常高壓與油氣成藏關(guān)系（2）異常高壓對(duì)儲(chǔ)集性能的影響超壓對(duì)儲(chǔ)層物性的改善主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）超壓有利于原生孔隙保存（2）超壓有利于次生孔隙形成（3）超壓有利于微裂縫發(fā)育（4）超壓抑制儲(chǔ)層膠結(jié)物的形成歌海盆地DF1-1井儲(chǔ)層物性隨深度變化特征異常高壓與油氣成藏關(guān)系廊固凹陷異常壓力分布與孔隙度分布疊合圖（據(jù)王志宏等）異常高壓發(fā)育區(qū)帶與高孔隙分布區(qū)帶相吻合。異常高壓與油氣成藏關(guān)系（3）異常高壓對(duì)

19、蓋層封閉性的影響 泥巖發(fā)育超壓可明顯提高封閉能力，形成“壓力封閉”。壓力封閉不僅可以封閉游離相態(tài)的油氣,而且還可以封閉住水溶相態(tài)的油氣。它將油氣阻止于泥巖層的下方,從而形成烴類聚集。 正常條件下油氣能通過的各類巖石,在高溫高壓條件下可能成為封蓋層。因?yàn)楦邷馗邏簵l件下的含烴（尤其是氣）儲(chǔ)集層的熱導(dǎo)率大大低于含水儲(chǔ)集層,在其邊界處會(huì)出現(xiàn)負(fù)熱動(dòng)力梯度,此時(shí)覆蓋氣藏的巖層就成為“熱”蓋層（據(jù)查明等）。 如，鶯歌海盆地超壓泥巖層亦是良好的蓋層，毛細(xì)管壓力與壓力封閉疊加，進(jìn)一步增加了蓋層封閉的有效性。（4）異常高壓對(duì)油氣運(yùn)移的影響異常高壓與油氣成藏關(guān)系改善運(yùn)移通道 TissotandWelte（1984）

20、指出,如果巖石內(nèi)部的流體壓力,或孔隙內(nèi)的局部壓力大于周圍靜水壓力的1.42-2.40倍時(shí),則將產(chǎn)生微裂縫。提供運(yùn)移動(dòng)力異常高壓與油氣成藏關(guān)系（5）異常高壓對(duì)油氣聚集和保存的影響在超壓流體封存箱外，異常高壓對(duì)油氣具有封堵作用，影響油氣的聚集在超壓流體封存箱內(nèi)，異常高壓改善儲(chǔ)集空間，利于油氣儲(chǔ)存過高的壓力會(huì)造成油藏的破壞和漏失 根據(jù)傳統(tǒng)的生烴模式，C15+液態(tài)烴在Ro=0.9%左右時(shí)開始發(fā)生熱裂解，在Ro=2.0%左右時(shí)，液態(tài)烴和C2-C5重?zé)N氣基本被降解。但在一些深埋超壓地層中，實(shí)測(cè)鏡質(zhì)組反射率已達(dá)到4%-5%，卻仍發(fā)育較高豐度的液態(tài)烴（C15+）。異常高壓延緩了有機(jī)質(zhì)向油氣的轉(zhuǎn)化，從而提高了液

21、態(tài)窗的地溫區(qū)間。 大港油田分公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心曾對(duì)黃驊坳陷中部歧北地區(qū)內(nèi)C10井和T20井干酪根類型不同的兩塊樣品進(jìn)行了相同溫度不同壓力、相似壓力不同溫度條件下的油氣產(chǎn)率對(duì)比分析熱壓模擬實(shí)驗(yàn)（下表）。實(shí)驗(yàn)表明：異常超壓抑制了歧北地區(qū)深部液態(tài)烴的高溫裂解,以致液態(tài)烴能在較高溫度下保存下來,使該區(qū)深部液態(tài)烴成藏成為可能。異常高壓與油氣成藏關(guān)系（6）異常高壓對(duì)油氣分布的影響 在一個(gè)超壓盆地中，油氣的分布與超壓體系有著直接或間接的聯(lián)系。超壓體是油氣運(yùn)移的動(dòng)力、封存力,也是一個(gè)大的油氣資源庫。如：墨西哥灣陸架區(qū)內(nèi),油氣田和油氣儲(chǔ)量集中分布在超壓面附近,處于壓力過渡帶內(nèi);土庫曼凹陷內(nèi),油氣儲(chǔ)量的89%分布在壓力系數(shù)為1.1-1.4的壓力帶內(nèi);南里海盆地,大多數(shù)烴類聚集在壓力系數(shù)為1.3以上的壓力帶內(nèi)。異常高壓與油氣成藏關(guān)系廊固凹陷剩余壓力等值線及油氣分布圖 王志宏，柳廣弟通過對(duì)廊固凹陷的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)第三系油氣層都發(fā)育在超壓帶,且主要分布在高壓流體釋放帶內(nèi)以及鄰近超壓帶的儲(chǔ)集層中。平面上油氣藏主要分布在廊東、柳泉曹家務(wù)等異常高壓發(fā)育區(qū),