异常压力成因机制及其与油气成藏关系

1、异常压力成因及其与油气成藏关系汇报提纲汇报内容异常地层压力形成机制异常高压与油气成藏关系一、异常地层压力形成机制异常地层压力形成机制基础概念静岩压力是指覆盖在某一深度地层以上的地层基岩和岩石孔隙中流体的总重量所造成的对这个地层的压力。地层压力是指作用于岩层孔隙空间内流体上的压力叫做地层压力，它又称为孔隙流体压力。静水压力是指与岩石表面及地表连通的开放体系下的水柱压力。有效应力是指作用在地层岩石骨架颗粒上的应力。压力系数Pp为实测地层压力；Ph为静水压力。当p1 时，流体压力就称为异常流体压力异常地层压力形成机制异常压力分类异常压力在中国盆地的分布（据郝芳等，2007） 世界上有180多个沉积盆

2、地的油气分布与异常高压有关，高压油气田约占全球油气田的30%。异常地层压力形成机制异常地层压力形成机制1、异常低压成因机制 一般认为，异常低压主要发育于一些致密气层砂岩和发生较强烈剥蚀的盆地。地下深部地层的低压系统也是密闭系统，由于地层受构造拉伸或其他作用使孔隙空间扩容，流体压力下降，但同时由于体系的封闭性，其他含水系统中的流体又补充不过来，就形成了低压。（1）上覆地层的抬升和剥蚀（2）不同热效应（3）地下水流动的不平衡（4）封闭层的渗漏（5）岩石扩容作用（6）浓度差作用（7）气体饱和储集层的埋藏成因机制2、异常高压成因机制（1）欠压实；（2）生烃作用；（3）构造挤压；（4）断层作用；（5）底

3、辟作用；（6）水热增压；（7）粘土矿物转化；（8）渗透作用；（9）压溶作用；（10）超压传递。成因机制异常地层压力形成机制 但对具体盆地而言，起主导作用的往往是其中几个因素甚至一两个因素。 从世界范围看，异常高压的成因机制类型及分布范围都要超过异常低压，而且异常高压对钻井的危害也要胜过异常低压，所以对高压的研究程度远远超过低压。因此，超压的研究占主要地位。异常高压形成机制（1）欠压实 含有大量粘土矿物的沉积物在快速沉积埋藏过程中，沉积物的欠压实就可能发生（Rubey and Hubbert，1959；Wilson等，1977）。两个条件：细粒沉积物 ，快速沉积实例： 廊固凹陷始新世和渐新世经历

4、了一次快速沉积作用,平均沉积速率为0.35mm/a，快速的沉积导致孔隙流体排出受阻,形成异常高压，厚层泥岩的封闭使异常高压得以保持（据王志宏等，2008）。 琼东南盆地晚中新世以后,盆地大幅度沉降,在莺-黄组沉积过程中,陵水组地层埋深迅速增大,产生压实排液不均衡。直至陵水组埋深达3486m时，Ro达0.7%左右，地温达150,出现了异常地层超压（据王敏芳，2003）。异常高压形成机制特征：高孔隙度、低密度异常高压形成机制（2）生烃作用 在新沉积的泥岩中占有大部分比例的有机质（或干酪根）在成岩和后生作用过程中转化为液态或气态烃。在转化过程中生成的流体排出可能会产生或加剧正在压实的粘土沉积物的超压

5、、欠压实状态：（1）通过增加孔隙压力；（2）通过二次气-液相态的形成进一步阻止粒间孔隙水排出。 Jennifer Hansom等人通过对美国Delaware 盆地建模研究，发现生油可产生超压（大约425atm）超过压实作用产生的（大约300atm）40%。油和甲烷气同时生成的区域的超压最大值（大约750atm）超过压实作用产生的150%。实例： Mark R. P. Tingay等人对东南亚Malay盆地的研究表明该地区地层中的超压有1/2到2/3是由于干酪根成熟生气形成的，剩下的超压由同时发生的欠压实作用形成。异常高压形成机制特征：低孔隙度、 高密度 相比于欠压实，而对于由生烃作用形成的超压

6、地层，岩石颗粒间的垂直有效应力虽然减小，但孔隙度却不会变大，密度也不会变小。 郭小文，何生等（2011）用东营凹陷丰富的测井、测试和地质资料综合分析超压成因，在确定超压泥岩和砂岩均属于正常压实的基础之上，提出生油作用为超压的主要成因机制，烃源岩生油使孔隙流体膨胀，压力增加。异常高压形成机制（3）构造挤压 构造作用可使异常高压快速聚集（Osborne 和Swarbrick, 1997）。造山带的侧向挤压会造成异常高孔隙压力。实例： 北怀俄明（美国）白垩系泥岩遭受侧向挤压而变形，变形使得层内流体通过渗透性地层排出，地层孔隙度降低，封闭带内地层压力增高（Rubey和Hubbert，1959）。 罗晓

7、容（2004）利用数值盆地模型模拟了构造应力直接作用于沉积地层之上对地层压力的影响.他们发现,在地层完全封闭条件下作用于地层的构造应力的30%50%可转化为地层流体压力;随构造压力的增加,整个地层岩石柱的重量因孔隙度整体的减小而增加,平均的上覆静岩压力系数可达2.4以上;而随地层异常流体压力的增加,地层孔隙度相对增加,表明构造应力对沉积地层作用的方式与重力相似,是一种侧向上的压实作用。异常高压形成机制（4）断层作用 在美国路易斯安娜和德克萨斯州Gulf Coast地区的一些高压带明显是源于与断块伴生的同生沉积与压实作用的模式。该模式形成侧向封堵，连同覆盖在超压带上的巨厚的页岩，阻止了压实和别的

8、成岩作用过程期间沉积物中孔隙流体的散失。地层水穿过粘土流动的阻力是压实过程中孔隙度和渗透率降低的结果。在高压环境中，泥岩中水的渗透率是微乎其微的，粘土层可以覆盖在超压地层上达百万年之久而没有因流体穿过粘土层释放压力。条件：存在厚泥岩封闭层，侧向封堵，伴随压实过程 当开启断裂所连通的地层内超压程度不同时,这些地层间的流体压力就迅速调整,达到平衡,构成新的压力系统（罗晓容，2000）。异常高压形成机制(1)为正常地层压力;(2)中油藏因断层和剥蚀作用而抬高变浅,但由于此断层是封闭性的,故油藏仍保持原来的深度时的压力,这就形成了超压现象;(3)中油藏因断层和沉积作用而下降变深,但此断层的封闭性使其中

9、的地层压力仍保持原状,这就形成了低压异常。异常高压形成机制（5）底辟作用 在高压和高温条件下，盐体呈塑性，像粘稠的塑胶一样流动。当上覆沉积的密度大于盐体的密度时，盐体的低密度和低强度促使盐丘发育。盐丘在形成过程中，盐被向上挤压，刺穿上覆沉积构造，在部分盐丘的周围形成柔软的泥页岩鞘。 在美国Gulf Coast地区盐丘的形成与沉积作用是同时发生的（右图）。实例：异常高压形成机制 郝芳，董伟良等通过研究认为莺歌海盆地底辟构造带埋藏深度小于1500m的地层发育较强的超压,实际上是底辟构造引起的深部强超压再分配的结果。 廊固凹陷古近纪时期有火成岩侵入体，在廊固凹陷内的牛北斜坡、柳泉构造带、河西务构造带

10、及凤河营构造带钻井证实在沙四段上部普遍夹有玄武岩和辉绿岩，如柳泉构造带曹4井在沙四上段的玄武岩层达15层，累计厚度87 m。岩浆的侵入一方面使得孔隙流体温度升高,由于孔隙容积并不扩大，从而使孔隙流体压力增加；另一方面,岩浆的侵入，也使得烃源岩层段成熟度普遍增高，促进了油气的生成,从而进一步增加了孔隙流体压力（王志宏、柳广弟，2008）。异常高压形成机制（6）水热增压 当温度升高时,如果岩石系统处于一个近似完全封闭或维持在一个固定的体积时就会产生热液压力（Osborne 和 Swarbrick, 1997）。如果流体不能排出，则有效应力减小，孔隙压力增大；因此孔隙流体压力承担了更多的上覆岩层压力

11、。（7）粘土矿物转化 许多学者已经证明，地层埋深压实期间，随深度增加地温增加的同时，也发生蒙脱石向伊犁石，高岭石向绿泥石的成岩转化。 蒙脱石向伊利石的转化发生在80到120之间，同时释放出总量等于其一半体积的水（Powers，1967）。 杜彬等人认为蒙脱石转化为伊利石时，有三方面的因素可引起孔隙流体压力的增加:一是伊利石对孔隙孔道产生堵塞，从而增加了泥质岩的非渗透性;二是伴随这个过程有大量的水脱出，三是蒙脱石层间吸附水的密度一般高于自由孔隙水。异常高压形成机制（8）渗透作用 当离子浓度不同的两种溶液被半渗透膜隔开时，溶剂会从较稀的一侧通过渗滤作用穿过半渗透膜进入较浓的一侧，形成渗透压力。直到

12、半渗透性膜两边的扩散化学潜能相等以后，渗透流才停止。因此，如果溶剂持续进入一个浓度更高的封闭空间中时，其压力就会增加（下图）。 然而， Swarbrick 和Osbome （1998） 计算发现在北海岩石中，即使矿化度差异高达35%（质量分数）NaCl当量时，也只能形成约3MPa （435psi） 的渗透压力。异常高压形成机制（9）压溶作用 压溶作用会进一步减小沉积物孔隙体积和孔隙度，增加岩石的密度和强度，降低渗透率，形成成岩封闭。 Agus M. Ramdhan等人在对印尼Peciko油田的研究中发现，该地区形成的超压主要是生烃作用与压溶作用成因。通过对井资料的分析该地区的超压顶界位于化学压

13、实区，化学压实形成成岩封闭，下部生成的烃类得不到有效排除，从而产生异常压力。 沉积物随埋藏深度的增加，当上覆层的应力超过孔隙水所能承受的静水压时，或者受较强的构造应力作用时，颗粒接触处的应力和溶解度增高而导致的晶格变形和溶解作用的称压溶作用。压溶作用是一种复杂的物理-化学成岩作用，亦称化学压实作用。常常作为一种辅助增压作用。异常高压形成机制（10）超压传递 地下剩余孔隙压力的重新分布称为超压传递（Swarbrick 和Osbome ，1998）。超压传递本身并不是产生超压的主要机制，但是它对地下许多孔隙压力剖面的形成有着重要影响，且可能导致下伏超压的成因机制难以识别。 超压的水动力学现象在超压

14、传递的时候是一个重要的因素。由欠压实或流体膨胀产生的超压和后来的保存需要流体的有效封闭，因为超压本质上是不稳定的并且总是努力回到静水压力平衡状态（Neuzil, 1995）。因此，高级别的超压一般认为出现在产生超压的沉积物内部或者临近层系（Swarbrick and Osborne, 1998; Lee and Deming, 2002）。然而，另外一个方面的超压（狭义上并不是一种超压形成机制）是在一个或者更多水力连通的压力分隔体中的可能的超压传递（Traugott, 1997; Tingay et al., 2007）。超压在倾斜，孤立的储层中重新分配来保持一个类似静水压力梯度，导致超压横向

15、转移到构造高峰，这已被很好的证实（Traugott, 1997;Yardley and Swarbrick, 2000）。一些学者也已经证实如果超压分隔体与另一个更小并且孤立的压力分隔体存在水力连通（通过盖层裂缝和活动断层），那么超压可能发生垂直传递（Grauls and Baleix,1994; Finkbeiner et al., 2001; Tingay et al., 2007）。异常高压形成机制产生异常高压的类型有许多。其中，欠压实和生烃（气）作用是可独立产生盆地规模超压的主要机制。其它的一些成因机制一般对盆地内超压的形成起辅助作用。 小结：汇报提纲汇报内容异常地层压力形成机制异常高

16、压与油气成藏关系异常高压与油气成藏关系（1）异常高压对油气生成的影响1） 压力的增大抑制有机质热演化和生烃作用;2） 压力的增大促进有机质的转化；3） 压力对有机质热演化和生烃作用无明显影响。主要观点： McTavish首先报道了北海盆地超压地层内镜质体演化受到抑制的现象,随后，Price等相继报道了在超深井Ro=2.0%-5.0%的地层中仍有中-高浓度的液态烃（C15+）存在，即使当Ro高达7.0%-8.0%时，仍可检测到有液态烃（C15+）存在。超压抑制有机质的转化异常高压与油气成藏关系 郝芳等人通过对莺歌海盆地、琼东南盆地和渤海湾盆地东濮凹陷不同压力系统有机质热演化的综合对比分析, 识别

17、出超压抑制有机质热演化的4 个层次:（1） 超压抑制了有机质热演化的各个方面, 包括不同干酪根组分的热降解（生烃作用）和烃类的热演化; （2） 超压仅抑制了烃类的热演化和富氢干酪根组分的热降解, 而对贫氢干酪根组分的热演化不产生重要影响, 因此镜质体反射率未受到抑制; （3） 超压抑制了烃类的热裂解, 而对干酪根的热降解未产生明显影响; （4） 超压对有机质热演化的各个方面均未产生可识别的影响。 认为超压对有机质热演化的抑制作用层次取决于超压发育后有机质热演化反应的体积膨胀效应、产物浓度变化速率及超压的发育特征。异常高压与油气成藏关系超压促进有机质的转化卓勤功通过研究认为超压对富硫干酪根生烃起

18、促进作用,而对贫硫干酪根生烃起抑制作用。他在研究济阳凹陷时发现，对富硫的沙四上亚段烃源岩而言,流体超压有利于有机质的转化，沙三中下亚段烃源岩因为贫硫,超压对有机质生烃起抑制作用,烃类的转化速率减缓。异常高压与油气成藏关系（2）异常高压对储集性能的影响超压对储层物性的改善主要体现在以下几个方面：（1）超压有利于原生孔隙保存（2）超压有利于次生孔隙形成（3）超压有利于微裂缝发育（4）超压抑制储层胶结物的形成歌海盆地DF1-1井储层物性随深度变化特征异常高压与油气成藏关系廊固凹陷异常压力分布与孔隙度分布叠合图（据王志宏等）异常高压发育区带与高孔隙分布区带相吻合。异常高压与油气成藏关系（3）异常高压对

19、盖层封闭性的影响 泥岩发育超压可明显提高封闭能力，形成“压力封闭”。压力封闭不仅可以封闭游离相态的油气,而且还可以封闭住水溶相态的油气。它将油气阻止于泥岩层的下方,从而形成烃类聚集。 正常条件下油气能通过的各类岩石,在高温高压条件下可能成为封盖层。因为高温高压条件下的含烃（尤其是气）储集层的热导率大大低于含水储集层,在其边界处会出现负热动力梯度,此时覆盖气藏的岩层就成为“热”盖层（据查明等）。 如，莺歌海盆地超压泥岩层亦是良好的盖层，毛细管压力与压力封闭叠加，进一步增加了盖层封闭的有效性。（4）异常高压对油气运移的影响异常高压与油气成藏关系改善运移通道 TissotandWelte（1984）

20、指出,如果岩石内部的流体压力,或孔隙内的局部压力大于周围静水压力的1.42-2.40倍时,则将产生微裂缝。提供运移动力异常高压与油气成藏关系（5）异常高压对油气聚集和保存的影响在超压流体封存箱外，异常高压对油气具有封堵作用，影响油气的聚集在超压流体封存箱内，异常高压改善储集空间，利于油气储存过高的压力会造成油藏的破坏和漏失 根据传统的生烃模式，C15+液态烃在Ro=0.9%左右时开始发生热裂解，在Ro=2.0%左右时，液态烃和C2-C5重烃气基本被降解。但在一些深埋超压地层中，实测镜质组反射率已达到4%-5%，却仍发育较高丰度的液态烃（C15+）。异常高压延缓了有机质向油气的转化，从而提高了液

21、态窗的地温区间。 大港油田分公司勘探开发技术研究中心曾对黄骅坳陷中部歧北地区内C10井和T20井干酪根类型不同的两块样品进行了相同温度不同压力、相似压力不同温度条件下的油气产率对比分析热压模拟实验（下表）。实验表明：异常超压抑制了歧北地区深部液态烃的高温裂解,以致液态烃能在较高温度下保存下来,使该区深部液态烃成藏成为可能。异常高压与油气成藏关系（6）异常高压对油气分布的影响 在一个超压盆地中，油气的分布与超压体系有着直接或间接的联系。超压体是油气运移的动力、封存力,也是一个大的油气资源库。如：墨西哥湾陆架区内,油气田和油气储量集中分布在超压面附近,处于压力过渡带内;土库曼凹陷内,油气储量的89%分布在压力系数为1.1-1.4的压力带内;南里海盆地,大多数烃类聚集在压力系数为1.3以上的压力带内。异常高压与油气成藏关系廊固凹陷剩余压力等值线及油气分布图 王志宏，柳广弟通过对廊固凹陷的研究发现大多数第三系油气层都发育在超压带,且主要分布在高压流体释放带内以及邻近超压带的储集层中。平面上油气藏主要分布在廊东、柳泉曹家务等异常高压发育区,