熊偉，陳冬霞，王翹楚，王福偉，安天下

(中石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015)(油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(北京))，北京 102249)(中石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015)

目前，在世界上已發(fā)現(xiàn)的含油氣盆地和地區(qū)中，絕大部分呈現(xiàn)為常壓-超壓的流體壓力特征，壓力系數(shù)為0.95～1.5[1]。但也有少數(shù)盆地或地區(qū)呈現(xiàn)為異常低壓特征(壓力系數(shù)<0.95)。根據(jù)前人統(tǒng)計(jì)，在已發(fā)現(xiàn)的180多個(gè)異常壓力油氣田中，僅有12個(gè)油氣田呈現(xiàn)為異常低壓特征[2]，但其中不乏大型的油氣田或含油氣區(qū)，如加拿大Alberta盆地、美國(guó)圣胡安盆地、美國(guó)Palo Duro盆地，都是典型的異常低壓發(fā)育的沉積盆地。而在我國(guó)的鄂爾多斯盆地古生界、松遼盆地十屋斷陷、百色盆地東部凹陷、吐哈盆地紅南構(gòu)造帶、東營(yíng)凹陷邊緣凸起帶、惠民凹陷臨南洼陷中央隆起帶等地區(qū)也都表現(xiàn)為不同程度、不同規(guī)模的異常低壓[3～10]。

由于研究實(shí)例的缺乏，有關(guān)異常低壓的研究十分薄弱。然而異常低壓作為一種特殊的異常流體壓力，其形成與演化必然與油氣的生成和運(yùn)移有著密切的關(guān)聯(lián)，明確異常低壓的地質(zhì)成因以及異常低壓油氣藏的形成機(jī)理，不僅有利于從流體動(dòng)力的角度闡明油氣形成及運(yùn)聚過(guò)程，有效指導(dǎo)勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐，同時(shí)也是對(duì)異常流體壓力成因理論的豐富和補(bǔ)充。

筆者從引起異常低壓的地質(zhì)因素出發(fā)，系統(tǒng)全面地分析了含油氣盆地異常低壓形成的地質(zhì)原因、研究現(xiàn)狀以及最新進(jìn)展，并結(jié)合具體實(shí)例闡述了異常低壓油氣藏的形成機(jī)理，以期對(duì)該類(lèi)油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供有力的理論支持。

1 異常低壓地質(zhì)成因

1.1 剝蝕卸載作用

當(dāng)上覆地層由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升并遭受剝蝕時(shí)，巖石骨架受到的上覆壓力降低，發(fā)生如彈性固體一般的反彈作用，導(dǎo)致巖石骨架的擴(kuò)容，從而可能使流體壓力降低。剝蝕卸載作用對(duì)儲(chǔ)層壓力影響可以定量計(jì)算[11]：

(1)

式中： Δp為儲(chǔ)集層壓力的變化，Pa；υ為巖石泊松比，1；Cr為巖石壓縮系數(shù)，Pa-1；Cw為水的壓縮系數(shù),Pa-1；ρr為遭受剝蝕地層巖石的平均密度，g/cm3；g為重力加速度，9.8m/s2; Δh為構(gòu)造抬升中的地層剝蝕厚度，m。

圖1 加拿大Alberta盆地剝蝕卸載作用下的異常低壓成因模式

一般而言，剝蝕卸載作用是否能夠最終導(dǎo)致異常低壓取決于2個(gè)因素。第一，巖石骨架的反彈幅度需大于骨架內(nèi)部流體的反彈幅度。對(duì)于砂巖儲(chǔ)層而言，前人測(cè)定的砂巖壓縮系數(shù)為1×10-9Pa-1，水的壓縮系數(shù)為3×10-10Pa-1[12]，說(shuō)明在地層抬升剝蝕過(guò)程中，砂巖骨架的擴(kuò)容程度遠(yuǎn)大于骨架內(nèi)地層水的擴(kuò)容程度。姜振學(xué)等[13]通過(guò)砂巖回彈物理模擬試驗(yàn)證明，在巖石彈性范圍內(nèi)，剝蝕卸載造成的砂巖體積回彈量可達(dá)2.5%以上。而對(duì)于泥頁(yè)巖層，由于泥頁(yè)巖的擴(kuò)容率高于砂巖[14]，當(dāng)發(fā)生上覆地層剝蝕時(shí)，砂巖層周?chē)哪囗?yè)巖層中流體壓力降低的幅度會(huì)更大，砂巖儲(chǔ)層中的地層水會(huì)向周?chē)囗?yè)巖滲透，進(jìn)一步降低砂巖層中的流體壓力。第二，上覆地層剝蝕后，盆地的后續(xù)沉降過(guò)程和沉積層特征。后續(xù)的沉積過(guò)程決定了由于地層抬升剝蝕產(chǎn)生的異常低壓能否有效地保存。若地層在遭受剝蝕后，盆地迅速沉降，厚層沉積物或巨厚泥巖層將低壓系統(tǒng)封閉，阻隔低壓系統(tǒng)與外界的流體交換，形成低壓封存箱，使之得以保存。反之，若盆地遭受剝蝕后，沉降緩慢，粗碎屑大量供應(yīng)和沉積，低壓系統(tǒng)與外界存在物質(zhì)交換和流體運(yùn)移，則下伏地層中的低壓難以保存。前人的研究結(jié)果表明，世界上多數(shù)的異常低壓含油氣盆地或地區(qū)都經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的地層抬升剝蝕過(guò)程，如加拿大Alberta盆地(見(jiàn)圖1)[15～17]、美國(guó)阿巴拉契亞地區(qū)及北高加索地區(qū)[12,18]、我國(guó)的鄂爾多斯盆地等[4,11]。

1.2 地層降溫作用

地質(zhì)歷史的過(guò)程伴隨著地層溫度的不斷變化，當(dāng)?shù)貙拥臏囟扔捎诟黝?lèi)地質(zhì)作用而降低時(shí)，巖石骨架和骨架內(nèi)的流體必然發(fā)生體積的收縮，當(dāng)骨架內(nèi)流體的收縮幅度大于巖石骨架的收縮幅度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致流體壓力的降低。根據(jù)Hodgman的研究數(shù)據(jù)，巖石的平均熱膨脹系數(shù)為9×10-6K-1，而地層鹵水的熱膨脹系數(shù)為400×10-6K-1[19]，因而地層溫度的降低會(huì)使地層流體體積相對(duì)于地層骨架空間縮小，形成異常低壓[20]。其單位地層體積降壓幅度可以由液體狀態(tài)方程和帕斯卡定律聯(lián)立計(jì)算[11]：

ΔV=Δt[awφ+ar(1-φ)]

(2)

V=V0[1-Cw(p-p0)]

(3)

Δp=p-p0

(4)

式中： ΔV為單位地層體積變化量,1;Δt為溫度變化量，K；aw為地層鹵水膨脹系數(shù)，10-6K-1；ar為巖石膨脹系數(shù)，10-6K-1；φ為孔隙度，%；V0為降溫、降壓作用前的單位地層體積,1；V為降溫、降壓作用后的單位地層體積,1；p0為降溫、降壓作用前的孔隙壓力，MPa;p為降溫、降壓作用后的孔隙壓力，MPa;Δp為降壓幅度，MPa。

圖2 惠民凹陷地溫梯度演化

在地質(zhì)歷史過(guò)程中，溫度的降低分為空間域和時(shí)間域上的降低?？臻g域的溫度降低是指由于構(gòu)造抬升地層埋深變淺，地層溫度隨之降低。該類(lèi)降溫作用常伴隨剝蝕卸載作用一同發(fā)生。如我國(guó)鄂爾多斯盆地在早白堊世以來(lái)地層大規(guī)模抬升剝蝕導(dǎo)致的持續(xù)降溫，降溫量達(dá)到60～75℃，使其地層壓力降低10～13MPa左右，對(duì)其異常低壓的形成有重要的貢獻(xiàn)[11]。時(shí)間域的溫度降低是指隨著地質(zhì)歷史時(shí)期的演變，盆地的地溫梯度或熱流值不斷降低，從而引起同一沉積深度地層的溫度隨時(shí)間推移降低的過(guò)程。我國(guó)渤海灣盆地自新近紀(jì)以來(lái)地溫梯度的不斷下降[21～23](見(jiàn)圖2)，是惠民凹陷臨南洼陷形成異常低壓的主要原因之一[10]。

1.3 成巖礦物轉(zhuǎn)化

在沉積儲(chǔ)層中，自生礦物的生成和轉(zhuǎn)化過(guò)程往往伴隨著地層流體體積和流體性質(zhì)的變化，其中，長(zhǎng)石的蝕變作用和黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用往往伴隨著大量地層水的消耗，是儲(chǔ)層流體體積減小的重要原因，也可能因此導(dǎo)致異常低壓的形成。

鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

鈉長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

高嶺石綠泥石化的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

伊利石綠泥石化的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)16+K++H4SiO4+H+

根據(jù)張善文[24]的計(jì)算，理論上，1000g鉀長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石需要耗水97.1g，1000g鈉長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石需耗水103.1g，1000g蒙脫石的高嶺石化、高嶺石綠泥石化和伊利石綠泥石化分別需耗水62、209、195g?？梢?jiàn)上述成巖礦物的轉(zhuǎn)化會(huì)消耗大量的地層水，使得流體體積減小，流體壓力降低。然而有學(xué)者[20]提出，該成因機(jī)制自身存在缺陷，該類(lèi)礦物轉(zhuǎn)化作用通常發(fā)生于淺層封閉性較差、地層水礦化度較低地區(qū)，與異常低壓所需的相對(duì)封閉的保存條件是相悖的。因此，成巖礦物轉(zhuǎn)化對(duì)異常低壓的貢獻(xiàn)大小仍有待商榷。

1.4 地下水穩(wěn)態(tài)流動(dòng)

某些盆地中存在由于地形高差引起的地下水注水區(qū)和泄水區(qū)，在地層分布均勻、物性不存在較大區(qū)域性差異的情況下，地層水由注水區(qū)流向泄水區(qū)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，地層壓力不存在異常。而當(dāng)泄水區(qū)與注水區(qū)的地層中分布有滲透性差異較大的巖層時(shí)，則會(huì)發(fā)生區(qū)域性的地下水供給與流失的差異，造成地層流體體積的變化，進(jìn)而導(dǎo)致異常壓力的形成[14]。具體而言，北美的Denver盆地和Palo Duro盆地中，均存在一個(gè)區(qū)域，其與泄水區(qū)之間分布著高滲透性巖層，而與注水區(qū)之間分布著低滲透性巖層，地下水的供水量漸漸小于泄水量，最終導(dǎo)致了該地區(qū)的異常低壓(見(jiàn)圖3)[4,25]。

圖3 Palo Duro盆地地下水穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的異常低壓形成模式

1.5 二氧化碳溶解作用

在美國(guó)，許多二氧化碳含量較高的儲(chǔ)層內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了異常低壓的現(xiàn)象，其中最為典型的是位于新墨西哥州的Bravo Dome氣田。Daria 和Marc等[26]研究發(fā)現(xiàn)，由于二氧化碳大量溶解于地層鹵水，可以縮小地層孔隙流體的體積，造成Bravo Dome氣田儲(chǔ)層流體壓力下降1MPa左右，由于該類(lèi)儲(chǔ)層上覆有封閉性較強(qiáng)的膏巖層，阻隔了低壓系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換，異常低壓得以保存(見(jiàn)圖4)。

圖4 Bravo Dome氣田地層壓力剖面

1.6 輕烴逸散作用

在油氣生成的過(guò)程中，輕烴分子的擴(kuò)散現(xiàn)象是普遍存在且持續(xù)發(fā)生的，一般認(rèn)為，由氣體濃度差導(dǎo)致的分子擴(kuò)散作用能夠驅(qū)使輕烴組分通過(guò)蓋層，由此引發(fā)的儲(chǔ)層內(nèi)部流體體積和能量的損失會(huì)引發(fā)儲(chǔ)層流體壓力的下降，造成異常低壓[1,27]。該類(lèi)作用通常發(fā)生在上覆蓋層封蓋能力較差、埋深較淺的氣藏儲(chǔ)層中。渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷的東營(yíng)凹陷邊緣許多埋深較淺的氣藏呈現(xiàn)出異常低壓的特征，以及松遼盆地十屋斷陷油氣藏的異常低壓即是輕烴逸散的典型實(shí)例[9,28]。

1.7 斷裂及不整合面的泄壓作用

圖5 飽和天然氣深埋作用地層壓力模式圖

一些學(xué)者[29]認(rèn)為，發(fā)育在斷陷盆地深部的異常低壓可能是由于斷層活動(dòng)及不整合面?zhèn)鲗?dǎo)，使得儲(chǔ)層流體沿著該類(lèi)優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道快速大量運(yùn)移，在沒(méi)有流體增補(bǔ)的情況下，導(dǎo)致地層流體壓力的不斷降低，最終形成異常低壓。另外，有學(xué)者[30]認(rèn)為諸如渤海灣盆地的斷裂系統(tǒng)，由于其內(nèi)部的張性斷裂-裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，并且由深而淺，斷裂及裂隙的密度不斷加大，導(dǎo)致地層深部流體有不斷向淺部運(yùn)移的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致近斷層區(qū)域的深部地層呈現(xiàn)異常低壓特征。

1.8 飽和天然氣深埋作用

在一些區(qū)域地層傾斜的背景上，氣藏位于儲(chǔ)層下傾方向，上覆為含水層，該類(lèi)氣水倒置的氣藏在致密儲(chǔ)層中較為常見(jiàn)。由于天然氣的密度小于地層水的密度，其壓力梯度亦小于地層水壓力梯度。當(dāng)氣藏深埋時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致由于壓力梯度差異而產(chǎn)生的測(cè)壓異常低值(見(jiàn)圖5)[1,21,31]。

2 低壓油氣藏形成機(jī)理

沉積盆地中的異常低壓發(fā)育與油氣成藏有著密切的關(guān)系。從成藏動(dòng)力學(xué)的角度，異常低壓區(qū)域通常流體勢(shì)能較低，是油氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)方向和潛在油氣聚集區(qū)。然而流體相態(tài)、油氣運(yùn)聚過(guò)程與流體壓力演化的差異，使得低壓油氣藏的類(lèi)型、規(guī)模、分布及成藏過(guò)程等方面存在很大差別，并最終形成了如加拿大Alberta盆地Colorado群氣藏、美國(guó)Amarillo隆起Keyes氣田、美國(guó)阿拉巴契亞地區(qū)砂巖透鏡體油藏、鄂爾多斯盆地蘇里格氣田、渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷沙河街組三段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“沙三段”)油藏等成因機(jī)理各異的低壓油氣藏。

2.1 低壓氣藏形成機(jī)理

在現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的異常低壓油氣田或油氣藏中，多數(shù)為低壓巖性氣藏和深盆氣藏，如加拿大Alberta盆地白堊系深盆氣藏、北美落基山地區(qū)巖性氣藏和鄂爾多斯上古生界氣藏。該類(lèi)含油氣盆地大多經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升剝蝕作用，導(dǎo)致氣藏儲(chǔ)層骨架的回彈，同時(shí)由于地層抬升，溫度降低，儲(chǔ)層流體收縮，烴源巖生烴作用減弱，導(dǎo)致壓力下降。此外，輕烴通過(guò)擴(kuò)散作用不斷散失，最終形成了大規(guī)模的低壓氣藏[14,32，33]。

2.2 低壓油藏形成機(jī)理

相較于低壓氣藏而言，低壓油藏較為少見(jiàn)，較為典型的是阿巴拉契亞地區(qū)的砂巖透鏡體油藏和渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷沙三段的低壓油藏。上述2類(lèi)低壓油藏的形成機(jī)理存在一定的差異。對(duì)于阿巴拉契亞地區(qū)的砂巖透鏡體油藏而言，其形成主要分為2個(gè)階段。第1階段為地層深埋過(guò)程，砂巖透鏡體周?chē)鄮r進(jìn)入排烴門(mén)限并將生成的烴類(lèi)流體排出到砂巖透鏡體中，此時(shí)砂巖透鏡體呈現(xiàn)為常壓或異常高壓。第2階段為地層抬升剝蝕階段，由于上覆巖層壓力的降低，砂巖透鏡體及周?chē)鄮r均發(fā)生巖石骨架回彈，流體壓力降低，而由于泥巖的回彈幅度大于砂巖，會(huì)導(dǎo)致砂巖透鏡體周?chē)鄮r的壓力降幅大于砂巖透鏡體內(nèi)部，此時(shí)，砂巖透鏡體內(nèi)的地層水會(huì)排出至周?chē)鄮r，最終形成含油飽和度較高、含水飽和度較低的異常低壓砂巖透鏡體油藏[14,18]。臨南洼陷沙三段的低壓油藏主要以構(gòu)造油藏為主，分布于洼陷北部的中央隆起帶及洼陷邊緣地區(qū)，其形成也可分為2個(gè)階段。第1階段為地層抬升剝蝕，伴隨著地溫梯度以及地層溫度的下降，地層內(nèi)部流體壓力降低，此時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)部還未發(fā)生烴類(lèi)充注和油氣運(yùn)移[10]。第2階段為地層再次沉降，洼陷中心的烴源巖達(dá)到排烴門(mén)限，由于源儲(chǔ)壓差的驅(qū)動(dòng)，油氣進(jìn)入低壓儲(chǔ)層，但充注的油氣造成的增壓并不足以抵消由于地層抬升剝蝕和溫度降低造成的降壓，最終形成低壓油藏[34，35]。

3 異常低壓研究存在的問(wèn)題

隨著勘探程度的加深和理論技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于含油氣盆地異常低壓及異常低壓油氣藏的研究得到了不斷地充實(shí)和完善。但對(duì)于目前的研究現(xiàn)狀，仍有一些有待商榷的問(wèn)題及有待進(jìn)一步印證的觀點(diǎn)：①雖然前人提出了多種造成地層或油氣藏異常低壓的成因，但諸如儲(chǔ)層成巖作用、斷層泄壓作用等不僅在機(jī)理上過(guò)于簡(jiǎn)單，缺乏對(duì)實(shí)際復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的綜合考量，亦沒(méi)有通過(guò)物理試驗(yàn)等方式進(jìn)行驗(yàn)證，缺乏一定的說(shuō)服力；②目前對(duì)于異常低壓的分析多數(shù)建立在以地質(zhì)條件和地球物理原理為基礎(chǔ)的理論分析上，對(duì)于各類(lèi)低壓成因的定量判識(shí)方法較為缺乏，因而在實(shí)際研究中，各類(lèi)低壓成因?qū)δ骋谎芯繀^(qū)的異常低壓貢獻(xiàn)值難以得出；③流體壓力的形成經(jīng)歷了漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期的演化，而目前對(duì)于流體古壓力演化史的恢復(fù)方法較為缺乏，因而異常低壓的成因是否真正可靠往往缺乏時(shí)間域的印證，削弱了其說(shuō)服力。

4 結(jié)論

1)含油氣盆地的異常低壓是一種特殊且重要的流體壓力狀態(tài)，其形成和演化可以反映油氣生成和運(yùn)移的過(guò)程。異常低壓的地質(zhì)成因解釋較多，其中，地層抬升剝蝕導(dǎo)致的剝蝕卸載作用和降溫作用是導(dǎo)致異常低壓的最主要因素。

2)對(duì)應(yīng)各個(gè)沉積盆地不同的沉積背景和構(gòu)造過(guò)程，地下水穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、輕烴逸散、斷層及不整合面的壓力釋放及二氧化碳溶解作用也是導(dǎo)致局部地區(qū)異常低壓的重要因素。此外，飽和天然氣深埋作用是致密氣藏或深盆氣藏異常低壓的主要成因之一。儲(chǔ)層成巖作用轉(zhuǎn)化導(dǎo)致異常低壓在理論上存在壓力系統(tǒng)封閉與成巖轉(zhuǎn)化所需的開(kāi)放環(huán)境之間的矛盾，因而是否能夠造成異常低壓有待商榷。

3)低壓氣藏的形成主要與地層抬升剝蝕、降溫作用以及輕烴逸散作用有關(guān)。低壓巖性油藏的形成過(guò)程主要依靠地層抬升剝蝕以及砂巖與泥巖降壓幅度的差異，是一個(gè)先增壓后降壓的過(guò)程；而低壓構(gòu)造油藏的形成是通過(guò)地層抬升和降溫先形成異常低壓區(qū)域，而后油氣充注，最終成藏，是先降壓后增壓的過(guò)程。不同的低壓油氣藏成因機(jī)制對(duì)應(yīng)著不同的成藏過(guò)程，對(duì)于研究低壓油氣藏的分布及成藏特征有著重要的意義。

4)目前對(duì)于異常低壓的研究仍然存在一些問(wèn)題和提升的空間，主要表現(xiàn)在某些異常低壓成因機(jī)制缺乏說(shuō)服力，對(duì)于異常低壓的研究缺乏定量判識(shí)的方法，以及由于古壓力恢復(fù)的較大難度導(dǎo)致現(xiàn)有的異常低壓成因機(jī)制缺乏時(shí)間域的印證等。