泥岩超压能力的原理
1 与沉积作用有关的不均衡压实增压机理 不均衡压实(欠压实)主要存在于持续埋深的沉积盆地中.如果盆地演化后期或近期遭受过构造抬升作用的影响,则不均衡压实作用形成的超压就可能减弱或消失.它主要是由泥页沉积物的压实作用所引起的,与快速沉积和沉积物的低渗透性有关,尤其是泥质含量为主的砂泥剖面中.在正常压实作用过程中,随着孔隙容积的减小,地层中多余的流体将被排出,压实与流体排出达到平衡,不会形成异常高压.但在快速沉积过程中,上覆负荷急剧增加,孔隙容积趋向于快速减小,流体的排出速度无法平衡孔隙容积的减少,于是部分流体将滞留于孔隙中,即相对来说,孔隙流体排出受阻,压实作用受到抑制或减弱.当继续埋深时,上覆地层载荷增加,地层中的流体将承担一部分负荷压力,岩石颗粒有效应力减小,从而流体压力高于静水压力形成超压.不均衡压实作为异常高压形成机理之一早已提出它被用来解释许多盆地中异常超压的形成.Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ(1953)较早利用美国墨西哥湾岸盆地中新生界的压力数据,提出碎屑层序中的高压是沉积物不完全脱水的结果.大量的压力测量数据和一维数值模型表明不平衡压实是快速埋藏的厚泥岩中形成异常超压的主要机制,所以,这种作用产生的异常高压主要出现于泥岩或厚泥岩中的砂岩中,在大套储集层中一般难以通过这种作用产生异常高压.该机理目前较为流行,其存在具有普遍性,世界上许多沉积盆地中的异常高压形成多与此机理有关.2 与油气生成作用有关的增压机理干酪根生烃过程实际上是一个有机质总体积增加的过程.所以,在密闭体系中,烃类的形成对增压极为有利.干酪根在向液态、气体、残留物和副产品的转变过程中,伴随的体积膨胀达25%[14].甲烷及其他低分子量烃类的生成是异常压力的重要来源[15].Ｈａｒｗｏｏｄ(1977)[16]曾计算了含1%有机碳的生油母岩因生成烃类和水,净增的液体体积大约是44～50ｍ3/ｔ,相当于孔隙度为10%的页岩总孔隙体积的4.5%～5.0%,因此引起页岩孔隙流体压力大幅度的提高.尤其是烃类和非烃类气体的生成,它们先在水中饱和而后形成大量游离气体,这些气体不仅堵塞孔隙通道而且当温度升高时进一步膨胀,气体的膨胀体积将明显高于岩石孔隙体积的膨胀[17].所以,当温度升高时,由于气体的膨胀,将使生油层中的异常高压进一步提高.Ｏｓｂｏｒｎｅ(1997)[13]认为在封闭体系中,流体不能逃逸,在干酪根降解过程中泥岩流变学上的变化能导致不平衡压实而引起异常超压.但压力的增加对干酪根的降解起抑制作用,对美国落基山地区地层超压的研究[18,19]发现,对于区域性超压顶面,倾向于生油的烃源岩Ｒｏ约为±0.69%,而倾向于生气的则为±0.79%;假如有机质贫乏,一般不存在着高压现象.莺琼盆地超压的研究[20]也显示,烃源岩Ｒｏ=±0.79%的深度(±3000ｍ)与目前已发现的区域性超压顶面的位置相一致,说明在烃源岩热成熟期产生的新生流体是超压形成的重要原因.来自低渗透烃源岩的烃类的初次运移也提供了有机质成熟期间孔隙压力增加的证据[21],由于烃源岩的孔隙压力很高,使生成的油气能通过烃源岩的微孔隙或微裂缝释放出来.Ｈｕｎｔ(1994)[22]将天然气的生成作为墨西哥湾岸地区油气田的一种超压机理.Ｍｅｉｓｓｎｅｒ(1978)[14]曾以威利斯顿盆地的巴肯页岩为例加以说明,该页岩是主要烃源岩,同时也是超压带.如果有机质热演化达到成气阶段,干酪根成气或石油裂解成气都可使气态烃的体积增大,增压现象更为显著.可见,这种异常高压形成机理的前提条件是厚层泥岩中含有大量有机质,并且有机质演化达到了大量生油气阶段.这就决定了由此引起的超压只能主要出现于有机质丰富的成熟—高过成熟烃源岩中,在储层中一般不会引起超压.3 与流体热膨胀作用有关的增压机理一般情况下,地层中的流体以地层水为主,但生油岩和油气藏中的流体则以油、气为主,各种流体在热力作用下均有膨胀的性质.在孔隙容积不变时,温度提高必然导致孔隙压力增大,形成异常高压.这种机理主要涉及地热作用、流体性质、孔隙空间的封闭性.在地质历史过程中,随着埋深的增加,流体的温度将增大,如果孔隙空间处于封闭状态,则在更高的温度下,必然造成孔隙流体压力的升高.但地层中绝对的封闭条件是不存在的,任何地层或封闭层都或多或少地存在渗透性.这样在地温梯度较低时,因温度升高引起的膨胀体积就可能通过微弱的渗透性而消耗,无法形成超压.所以,这种高压形成机理,应主要出现在异常高的地温环境中,如岩浆活动或盆地底部异常的热流体活动区.一般的正常沉积盆地中,单纯的热膨胀作用很难成为有效的超压原因.热作用引起地层超压的研究,许多学者都进行过探讨.在美国墨西哥湾岸盆地中新生界碎屑层序中的高压与沉积物不完全脱水有关的认识[2]提出后,有些学者又提出了其他解释.有人认为该地区的地层超压主要与地层水的热膨胀作用有关[23].在超压形成机理方面,Ｂａｒｋｅｒ(1972)最早论述了温度对孔隙压力的影响[23],其依据是根据水和二氧化碳的压力—温度—体积图改编的水的压力—温度—密度关系图.除泥岩外,水是比大多数沉积岩要大3倍的隔热体[24],因此,被封闭的水体是非常有效的隔热体.这与许多异常高压带温度升高的情况一致.据研究[12],引起超压的水体积极小,短期内释放的水量正好在水力传导率和所观测到的泥岩渗透率范围内.如果水从高水位能流向低水位能快于或等于压力恢复的速率,那么,就没有净压力梯度的增加;如果压力恢复速率非常迅速,就可能使泥岩中水力传导率过剩,导致净压力梯度增加.Ｌｕｏ等(1992)[25]通过对一巨厚泥岩进行的数值模拟表明,与不均衡压实相比,即使在非渗透性的岩石中,水热增压的贡献也很小.华保钦等(1995)[26]利用Ｂａｒｋｅｒ的压力—温度—密度图计算,得到在封闭条件下埋深每增加1ｋｍ,地温增加35℃时,将使压力增加49.686ＭＰａ,产生超压约40ＭＰａ,水热增压仅4ＭＰａ.付广等(1999)[27]认为,水热增压和流体增加承压是异常孔隙流体压力形成的2种机制,松辽盆地三肇地区青山口组泥岩的水热增压对异常孔隙流体压力的贡献大于流体增加承压的贡献,而嫩江组泥岩的流体增加承压对异常孔隙流体压力的贡献大于水热增压的贡献.现在一般认为,这种异常高压形成机理需要快速升温的地质条件,同样也需要相对封闭的地质环境.它可以对异常高压的形成起一定作用,但不是一种主要的异常高压形成机理,它只在一些特殊的地质情况下才会起较为明显的作用,如岩浆侵入、热流体上拱的地质环境中.4 与矿物成岩作用有关的增压机理在成岩作用过程中,有些矿物会脱出层间水和析出结晶水,增加储层流体的数量,引起压力升高.如黏土矿物常常含有大量的蒙脱石,而这些蒙脱石则含有大量的晶格层间水和吸附水,随着沉积物不断地增加,埋深不断加大,地层温度也不断升高,当温度达到蒙脱石的脱水门限时,蒙脱石将释放大量的晶格层间水和吸附水,并向伊利石转化.石膏向硬石膏转化时也排出多余水.如果这种排水被限制在一个封闭的体系内,必然造成孔隙压力的升高,形成异常高压.据研究,在超高孔隙压力岩石中,蒙脱石性质较稳定.而在有效应力高的岩石中,蒙脱石性质不稳定,温度小于60℃时排出第一层水,67～81℃时失去第二层水,172～192℃第三层水排出.这似乎与岩石超压矛盾,它们之间应存在某种平衡.黏土矿物脱水转化是异常高压形成的原因之一,黏土表面结构水的密度大于孔隙水,高密度水进入孔隙会使流体体积增大,导致高压产生[28 30].Ｏｓｂｏｒｎｅ(1997)[13]认为,蒙脱石脱水量最大可增加4%体积的水.Ｂｒｕｃｅ(1984)[30]的计算认为蒙脱石脱水理论上能使孔隙水含量增加6.6%.Ｂｒａｄｌｅｙ(1987)[31]认为,蒙脱石晶体结构中有大量的层间水;当层间水被排出变成孔隙水时,就存在一个体积膨胀的过程,而这种密度的变化导致了异常高压的形成.但Ｍａｇａｒａ(1993)[32]及其他人认为黏土的脱水作用对沉积物中原始烃类的再分布起很大作用,但不一定是产生异常孔隙压力的一种主要力量.Ａｎｄｅｒｓｏｎ(1993)[33]等的研究也认为,结构水的密度并不大或仅稍大,难以形成异常高压.尽管对黏土转化导致增压的原因尚有不同认识,但黏土转化带与超压带之间在墨西哥湾区存在明显相关性的事实,使许多研究者[33]认为,至少在海湾地区,黏土转化无疑是超压带形成的重要机理之一.可见,黏土矿物脱水能否产生异常高压还得视不同的地质条件具体分析.石膏转化为硬石膏时也存在束缚水的损失,它是蒸发岩剖面形成超压的一种重要机制.Ｆｅｒｔｌ(1973)[34]认为石膏矿物的转化对于碳酸盐岩异常高压的形成可能具有重要作用,是一种可能的超压形成机理.
