含油氣盆地異常低壓成因及低壓油氣藏形成機理

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發研究院，山東 東營 257015)(油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249)(中石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營 257015)

目前，在世界上已發現的含油氣盆地和地區中，絕大部分呈現為常壓-超壓的流體壓力特征，壓力系數為0.95～1.5[1]。但也有少數盆地或地區呈現為異常低壓特征(壓力系數<0.95)。根據前人統計，在已發現的180多個異常壓力油氣田中，僅有12個油氣田呈現為異常低壓特征[2]，但其中不乏大型的油氣田或含油氣區，如加拿大Alberta盆地、美國圣胡安盆地、美國Palo Duro盆地，都是典型的異常低壓發育的沉積盆地。而在我國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、吐哈盆地紅南構造帶、東營凹陷邊緣凸起帶、惠民凹陷臨南洼陷中央隆起帶等地區也都表現為不同程度、不同規模的異常低壓[3～10]。

由于研究實例的缺乏，有關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移有著密切的關聯，明確異常低壓的地質成因以及異常低壓油氣藏的形成機理，不僅有利于從流體動力的角度闡明油氣形成及運聚過程，有效指導勘探開發實踐，同時也是對異常流體壓力成因理論的豐富和補充。

筆者從引起異常低壓的地質因素出發，系統全面地分析了含油氣盆地異常低壓形成的地質原因、研究現狀以及最新進展，并結合具體實例闡述了異常低壓油氣藏的形成機理，以期對該類油氣藏的勘探開發提供有力的理論支持。

1 異常低壓地質成因

1.1 剝蝕卸載作用

當上覆地層由于構造運動抬升并遭受剝蝕時，巖石骨架受到的上覆壓力降低，發生如彈性固體一般的反彈作用，導致巖石骨架的擴容，從而可能使流體壓力降低。剝蝕卸載作用對儲層壓力影響可以定量計算[11]：

(1)

式中： Δp為儲集層壓力的變化，Pa；υ為巖石泊松比，1；Cr為巖石壓縮系數，Pa-1；Cw為水的壓縮系數,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致異常低壓取決于2個因素。第一，巖石骨架的反彈幅度需大于骨架內部流體的反彈幅度。對于砂巖儲層而言，前人測定的砂巖壓縮系數為1×10-9Pa-1，水的壓縮系數為3×10-10Pa-1[12]，說明在地層抬升剝蝕過程中，砂巖骨架的擴容程度遠大于骨架內地層水的擴容程度。姜振學等[13]通過砂巖回彈物理模擬試驗證明，在巖石彈性范圍內，剝蝕卸載造成的砂巖體積回彈量可達2.5%以上。而對于泥頁巖層，由于泥頁巖的擴容率高于砂巖[14]，當發生上覆地層剝蝕時，砂巖層周圍的泥頁巖層中流體壓力降低的幅度會更大，砂巖儲層中的地層水會向周圍泥頁巖滲透，進一步降低砂巖層中的流體壓力。第二，上覆地層剝蝕后，盆地的后續沉降過程和沉積層特征。后續的沉積過程決定了由于地層抬升剝蝕產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封閉，阻隔低壓系統與外界的流體交換，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，粗碎屑大量供應和沉積，低壓系統與外界存在物質交換和流體運移，則下伏地層中的低壓難以保存。前人的研究結果表明，世界上多數的異常低壓含油氣盆地或地區都經歷過強烈的地層抬升剝蝕過程，如加拿大Alberta盆地(見圖1)[15～17]、美國阿巴拉契亞地區及北高加索地區[12,18]、我國的鄂爾多斯盆地等[4,11]。

1.2 地層降溫作用

地質歷史的過程伴隨著地層溫度的不斷變化，當地層的溫度由于各類地質作用而降低時，巖石骨架和骨架內的流體必然發生體積的收縮，當骨架內流體的收縮幅度大于巖石骨架的收縮幅度時，就會導致流體壓力的降低。根據Hodgman的研究數據，巖石的平均熱膨脹系數為9×10-6K-1，而地層鹵水的熱膨脹系數為400×10-6K-1[19]，因而地層溫度的降低會使地層流體體積相對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方程和帕斯卡定律聯立計算[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，10-6K-1；ar為巖石膨脹系數，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

在地質歷史過程中，溫度的降低分為空間域和時間域上的降低。空間域的溫度降低是指由于構造抬升地層埋深變淺，地層溫度隨之降低。該類降溫作用常伴隨剝蝕卸載作用一同發生。如我國鄂爾多斯盆地在早白堊世以來地層大規模抬升剝蝕導致的持續降溫，降溫量達到60～75℃，使其地層壓力降低10～13MPa左右，對其異常低壓的形成有重要的貢獻[11]。時間域的溫度降低是指隨著地質歷史時期的演變，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間推移降低的過程。我國渤海灣盆地自新近紀以來地溫梯度的不斷下降[21～23](見圖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 成巖礦物轉化

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

鉀長石蝕變為高嶺石的化學反應方程式為：

鈉長石蝕變為高嶺石的化學反應方程式為：

高嶺石綠泥石化的化學反應方程式為：

伊利石綠泥石化的化學反應方程式為：

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

根據張善文[24]的計算，理論上，1000g鉀長石蝕變為高嶺石需要耗水97.1g，1000g鈉長石蝕變為高嶺石需耗水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。可見上述成巖礦物的轉化會消耗大量的地層水，使得流體體積減小，流體壓力降低。然而有學者[20]提出，該成因機制自身存在缺陷，該類礦物轉化作用通常發生于淺層封閉性較差、地層水礦化度較低地區，與異常低壓所需的相對封閉的保存條件是相悖的。因此，成巖礦物轉化對異常低壓的貢獻大小仍有待商榷。

1.4 地下水穩態流動

某些盆地中存在由于地形高差引起的地下水注水區和泄水區，在地層分布均勻、物性不存在較大區域性差異的情況下，地層水由注水區流向泄水區，達到動態平衡，地層壓力不存在異常。而當泄水區與注水區的地層中分布有滲透性差異較大的巖層時，則會發生區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，進而導致異常壓力的形成[14]。具體而言，北美的Denver盆地和Palo Duro盆地中，均存在一個區域，其與泄水區之間分布著高滲透性巖層，而與注水區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，最終導致了該地區的異常低壓(見圖3)[4,25]。

圖3 Palo Duro盆地地下水穩態流動下的異常低壓形成模式

1.5 二氧化碳溶解作用

在美國，許多二氧化碳含量較高的儲層內都發現了異常低壓的現象，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]研究發現，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氣田儲層流體壓力下降1MPa左右，由于該類儲層上覆有封閉性較強的膏巖層，阻隔了低壓系統與外界的物質交換，異常低壓得以保存(見圖4)。

圖4 Bravo Dome氣田地層壓力剖面

1.6 輕烴逸散作用

在油氣生成的過程中，輕烴分子的擴散現象是普遍存在且持續發生的，一般認為，由氣體濃度差導致的分子擴散作用能夠驅使輕烴組分通過蓋層，由此引發的儲層內部流體體積和能量的損失會引發儲層流體壓力的下降，造成異常低壓[1,27]。該類作用通常發生在上覆蓋層封蓋能力較差、埋深較淺的氣藏儲層中。渤海灣盆地濟陽坳陷的東營凹陷邊緣許多埋深較淺的氣藏呈現出異常低壓的特征，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

一些學者[29]認為，發育在斷陷盆地深部的異常低壓可能是由于斷層活動及不整合面傳導，使得儲層流體沿著該類優勢運移通道快速大量運移，在沒有流體增補的情況下，導致地層流體壓力的不斷降低，最終形成異常低壓。另外，有學者[30]認為諸如渤海灣盆地的斷裂系統，由于其內部的張性斷裂-裂隙網絡發育，并且由深而淺，斷裂及裂隙的密度不斷加大，導致地層深部流體有不斷向淺部運移的趨勢，最終導致近斷層區域的深部地層呈現異常低壓特征。

1.8 飽和天然氣深埋作用

在一些區域地層傾斜的背景上，氣藏位于儲層下傾方向，上覆為含水層，該類氣水倒置的氣藏在致密儲層中較為常見。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。當氣藏深埋時，就會導致由于壓力梯度差異而產生的測壓異常低值(見圖5)[1,21,31]。

2 低壓油氣藏形成機理

沉積盆地中的異常低壓發育與油氣成藏有著密切的關系。從成藏動力學的角度，異常低壓區域通常流體勢能較低，是油氣運移的優勢方向和潛在油氣聚集區。然而流體相態、油氣運聚過程與流體壓力演化的差異，使得低壓油氣藏的類型、規模、分布及成藏過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Amarillo隆起Keyes氣田、美國阿拉巴契亞地區砂巖透鏡體油藏、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(以下簡稱“沙三段”)油藏等成因機理各異的低壓油氣藏。

2.1 低壓氣藏形成機理

在現今發現的異常低壓油氣田或油氣藏中，多數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、北美落基山地區巖性氣藏和鄂爾多斯上古生界氣藏。該類含油氣盆地大多經歷過強烈的構造抬升剝蝕作用，導致氣藏儲層骨架的回彈，同時由于地層抬升，溫度降低，儲層流體收縮，烴源巖生烴作用減弱，導致壓力下降。此外，輕烴通過擴散作用不斷散失，最終形成了大規模的低壓氣藏[14,32，33]。

2.2 低壓油藏形成機理

相較于低壓氣藏而言，低壓油藏較為少見，較為典型的是阿巴拉契亞地區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類低壓油藏的形成機理存在一定的差異。對于阿巴拉契亞地區的砂巖透鏡體油藏而言，其形成主要分為2個階段。第1階段為地層深埋過程，砂巖透鏡體周圍泥巖進入排烴門限并將生成的烴類流體排出到砂巖透鏡體中，此時砂巖透鏡體呈現為常壓或異常高壓。第2階段為地層抬升剝蝕階段，由于上覆巖層壓力的降低，砂巖透鏡體及周圍泥巖均發生巖石骨架回彈，流體壓力降低，而由于泥巖的回彈幅度大于砂巖，會導致砂巖透鏡體周圍泥巖的壓力降幅大于砂巖透鏡體內部，此時，砂巖透鏡體內的地層水會排出至周圍泥巖，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，其形成也可分為2個階段。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，地層內部流體壓力降低，此時儲層內部還未發生烴類充注和油氣運移[10]。第2階段為地層再次沉降，洼陷中心的烴源巖達到排烴門限，由于源儲壓差的驅動，油氣進入低壓儲層，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題

隨著勘探程度的加深和理論技術的發展，對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和完善。但對于目前的研究現狀，仍有一些有待商榷的問題及有待進一步印證的觀點：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，但諸如儲層成巖作用、斷層泄壓作用等不僅在機理上過于簡單，缺乏對實際復雜地質環境的綜合考量，亦沒有通過物理試驗等方式進行驗證，缺乏一定的說服力；②目前對于異常低壓的分析多數建立在以地質條件和地球物理原理為基礎的理論分析上，對于各類低壓成因的定量判識方法較為缺乏，因而在實際研究中，各類低壓成因對某一研究區的異常低壓貢獻值難以得出；③流體壓力的形成經歷了漫長地質歷史時期的演化，而目前對于流體古壓力演化史的恢復方法較為缺乏，因而異常低壓的成因是否真正可靠往往缺乏時間域的印證，削弱了其說服力。

4 結論

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，其形成和演化可以反映油氣生成和運移的過程。異常低壓的地質成因解釋較多，其中，地層抬升剝蝕導致的剝蝕卸載作用和降溫作用是導致異常低壓的最主要因素。

2)對應各個沉積盆地不同的沉積背景和構造過程，地下水穩態流動、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致局部地區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。儲層成巖作用轉化導致異常低壓在理論上存在壓力系統封閉與成巖轉化所需的開放環境之間的矛盾，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。低壓巖性油藏的形成過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，是一個先增壓后降壓的過程；而低壓構造油藏的形成是通過地層抬升和降溫先形成異常低壓區域，而后油氣充注，最終成藏，是先降壓后增壓的過程。不同的低壓油氣藏成因機制對應著不同的成藏過程，對于研究低壓油氣藏的分布及成藏特征有著重要的意義。

4)目前對于異常低壓的研究仍然存在一些問題和提升的空間，主要表現在某些異常低壓成因機制缺乏說服力，對于異常低壓的研究缺乏定量判識的方法，以及由于古壓力恢復的較大難度導致現有的異常低壓成因機制缺乏時間域的印證等。