异常高压与油气生成关系

异常高压与油气生成关系
高祥成;钟建华;查明;张卫海;陈中红
【摘要】目前全世界已发现超压盆地180多个,其中160多个为富含油气盆地.异常高压油气田约占全球油气田的30%左右.与正常压力环境相比,在相同条件下,异常高压烃源岩中有机质的成熟度和产气率明显偏低,而产油率明显较高.压力的增加延迟或抑制油气生成和有机质成熟.分析了异常高压系统中压力与有机质成熟度的关系,结合实例阐述了异常高压对油气形成的作用与影响.详细介绍了异常高压的类型、成因以及对未来油气勘探所起的指引作用.
【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2005(026)004
【总页数】4页(P441-444)
【关键词】异常压力;成因;油气生成;热成熟度;热演化
【作者】高祥成;钟建华;查明;张卫海;陈中红
【作者单位】中国石油大学,地球资源与信息学院,山东,东营,257061;中国石油大学,地球资源与信息学院,山东,东营,257061;中国石油大学,地球资源与信息学院,山东,东营,257061;中国石油大学,地球资源与信息学院,山东,东营,257061;中国石油大学,地球资源与信息学院,山东,东营,257061
【正文语种】中文
【中图分类】TE112.12
异常高压与有机质的热演化有着密切的关系，可能会抑制干酪根的热降解，不利于生烃；它还可以作为油气初次运移的主要动力，并对二次运移的相态、运移方式、聚集机理、油气成藏与分布规律等起着明显的控制作用[1，2]。

世界上有180多个沉积盆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%.我国的含油气盆地也发现了许多与异常高压有关的油气藏和有利的勘探目标，证实油气藏的分布与异常高压关系非常密切。

20世纪80—90年代，关于压力在有机质热演化和油气生成中的作用，各国学者根据模拟试验结果提出了3种相互矛盾的观点[3]，其内容分述如下。

（1）压力对有机质热演化和油气生成无明显影响Huck和Karweil(1955)、Hanbaba等以及Horvath认为，压力的作用可以忽略；Hunt指出，在烃生成过程中，压力不是重要的因素[4]；Tissot等认为，压力的作用次于温度，但并未指明具体起到什么作用。

（2）压力的增加促使油气的生成和石油裂解杨天宇等认为，压力使干酪根固体易于分解。

在他们的模拟实验中，二氧化碳的含量随压力的加大略微增加，因为干酪根分解可以产生二氧化碳，油裂解产生的二氧化碳则甚微，因而压力能促进干酪根分解生油，但是抑制油的裂解。

黄健全等对长兴灰岩和油页岩的高温高压模拟实验结果表明，在中等温度下高压可能有助于液态烃的生成；Braun等认为，压力增加促使石油裂解，裂解速率随压力增加而增加，至少延续至1×104Pa，因而在他们的石油形成、降解和排烃数学模型中给出了1个裂解压力系数，裂解速率在
4×104Pa时最大，是大气压下的16倍，但随后随压力的增大缓慢下降。

初步的自由基裂解估算还表明，裂解速率随压力增加而加大主要发生在高温下。

（3）压力增加延迟或抑制油气生成和有机质成熟在准噶尔盆地，盆参2井和盆4井高压段内的镜质体反射率（Ro）值比正常压力段明显偏低。

如盆4井4 000~ 4 514 m正常压力段镜质体反射率（Ro）值按正常趋势线随深度呈线性增加，而4
600 m以下高压段镜质体反射率（Ro）值明显偏离正常趋势线（图1）。

Cecil也注意到，温度和压力是热力学控制因素，而时间则是化学动力因素。

在有
机质成岩过程中只产生低分子量的烃，成岩期的低孔隙压力允许气态物质逃逸，加强了有机大分子继续成熟的可能性，但是当孔隙压力接近静岩压力时，轻烃的逃逸受到阻碍。

根据化学平衡原理，体积增大的烃生成反应在压力增加时受到抑制，从而延迟了有机质的成熟。

Cecil还对煤进行了高压釜热解，得出的结论是，压力增
大确实抑制了烃的生成。

尽管各种模拟实验结果相互矛盾，沉积盆地超压系统中有机质热演化的低异常证明，超压可以对有机质热演化和生烃过程产生强烈的抑制作用[5]。

郝芳等通过对莺歌海盆地超高压系统的研究，认为高压延迟了有机质的成熟（图2）。

莺歌海盆地乐东30-1-1A井发育3个压力系统：浅部常压系统、中部超压系统和
深部强超压系统。

在浅部常压系统，镜质体反射率随埋深增大而指数增大；在中部超压系统，特别是深部强超压系统，镜质体反射率梯度大大降低，明显偏离传统生烃模式的演化趋势，源岩成熟度明显低于根据传统模式的预测结果，二者之间的差值正是超压抑制有机质热演化和油气生成过程的结果[6]。

目前，超压抑制有机质热演化和生烃作用的热力学-化学动力学机理尚不十分清楚，可能因素包括地层水的作用、超压条件下有机质热演化过程中的有机-无机相互作
用及封闭-半封闭系统中有机质热演化产物的滞留效应等[7]。

北海盆地、美国Unita盆地、加拿大Sable盆地等，都充分证明至少在部分超压盆地中，生烃作用不是温度、时间2个因素控制的过程，而是温度、时间、压力（或超压）3个因素控制的过程。

由于超压对有机质热演化和生烃过程的抑制作用，在地温梯度较高、源岩年代较老的沉积盆地中，根据传统模式已进入准变质作用阶段的深层源岩可能仍然保持在有利的生排烃阶段，成为深层油气聚集的有效源岩。

查明教授指出：不同盆地具有不同的温-压关系，且地层温度和地层压力的关系也
有显著差别。

在异常高压系统地层中，深层和浅层的温度与压力随埋深的变化是连续的折线关系，而在低温地层剖面则为非连续的错断直线关系。

在高压型地层剖面的高压段内，温度增加的幅度变缓，压力增加的幅度变快[8]（图3）。

这种规律在东营凹陷、松辽盆地和准噶尔盆地等均存在，说明这一现象具有一定的普遍性。

压力系统的性质反映了地下流体的能量和系统内流体的封闭程度。

存在异常高压系统表明深部的地层流体动能较高，同时指示了盆地深、浅层流体的连通性差，不利于能量的交换，因此，异常高压的存在更有利于油气的封存。

在封闭的含水系统内，温度每变化0.56℃，压力可变化0.76~0.86 MPa,含淡水地层的温度升高4.4℃即可产生 6.9 MPa过剩压力（Baker，1972；Magara，1978；Bradley，1975）。

温度的增加促使有机质向油气转化，温度增高生成气
态烃后，可使系统内压力剧增，而高压环境的形成使烃分子相互碰撞的概率大为增加，为克服压力作用而消耗的热能，转而使温度的增加率明显减缓，结果使高压段内有机质成熟度与埋藏深度不对应，相对产气率下降而使产油率增加。

因此，在高压系统内，温度和压力是相互影响和彼此制约的2个重要参数，它们对烃类作用
的过程、机理和结果都是复杂的。

与正常压力环境相比，在相同温度条件下，较高的压力抑制了有机质成熟作用，使烃源岩成熟度降低，正是这种高压抑制成熟度的作用扩大了液态窗的深度区间[9]。

前人研究也表明，在相同温度下，较高的压力使产气率下降、产油率上升，如在模拟温度为300℃（相当于生油高峰阶段）时，异常高压层段产油率比正常压力段
高39%~120%，在400℃时高53%~471%.
为了从机理上探讨压力对有机质热演化的影响，选择了准噶尔盆地二叠系和侏罗系源岩样品所进行的高压模拟实验为例来说明。

样品选自南缘东部小1井上二叠统
芦草沟组和腹部马桥凸起盆4井中侏罗统头屯河组暗色泥岩，埋深分别为1 648
m、4 003 m，有机碳含量分别为4.9%、1.75%，镜质体反射率分别为0.74%、0.58%.模拟实验在高温、高压半封闭体系中进行。

选择低压（73.6 MPa）和高压（196.1MPa）2个压力体系，模拟温度分别为300℃和400℃，模拟时间为50 h. 模拟实验样品的油气产率和气体组成数据列于表1，并示于图4、图5中。

由图4可以看出，压力对产气率具有明显影响，虽然2个样品的变化率不同，但
其变化趋势是相同的，即相同温度下，高压引起产气率降低。

由图5可以看出，
压力对产油率的影响正好与对产气率的影响相反。

相同温度下，增加压力使产油率明显增加。

压力对模拟产物气体组分也有影响，可以看出，相同温度下，随压力升高，甲烷含量降低，重烃含量增加，使气体明显“湿化”。

这一结果说明，高压抑制了液态烃向气态烃的转化，即延缓了有机质的成熟作用。

准噶尔盆地盆参2井和盆4井异常高压资料显示，高压段内的镜质体反射率（Ro）值比正常压力段明显偏低（图1）。

周中毅（1997）对冀北的下马岭页岩、浙江的长兴灰岩和乌鲁木齐的芦草沟组油
页岩分别所作的模拟实验也表明，在300℃时镜质体反射率（Ro）值比正常压力
下低18%~32%；郝芳对莺歌-琼东南古近-新近系的研究也表明，在异常高压段内地层温度达240℃时的镜质体反射率（Ro）值为1.2%，而正常压力段地层温度为220℃时的镜质体反射率（Ro）值达2.4%，即高温高压层内的成熟度要比正常压力层内低50%[10]。

这一规律在国外也有过类似的报道。

准噶尔盆地二叠系和侏罗系源岩样品所进行的高压模拟实验也显示相似结果，从表2所列高压模拟实验产物的主要成熟度参数可明显看出，同一温度下，压力增加，镜质体反射率（Ro）值及最大热解峰温（Tmax）下降，而降解烃（S2）和氢指
数（IH）则有所增加[10，11]，而这一变化规律在低温下（300℃）表现得尤为突出。

在莺歌海、琼东南盆地中，异常高压的发育分为两种类型：一类是以泥岩为主的地层单元在有机质未成熟或低成熟阶段由于快速增载引起的异常压力，相对于有机质热演化和油气生成作用而言，属于早期自源异常压力。

莺歌海盆地各地层单元的超压基本属于此类；另一类是在源岩已达到相对较高的成熟度以后，在砂岩含量较高的地层中发育的超压，琼东南盆地崖19-1-1井深部层段的异常压力可能属于此类。

晚期超压对有机质热演化未产生明显的抑制作用。

Price和Wenger（1992）在恒温（350℃）变压热解实验中发现，只有压力为107.7 MPa的实验表现出明显的压力抑制效应，而低于107.7 MPa的压力未对有机质热演化产生明显的影响。

Price和Wenger据此认为，要使压力对有机质的热演化产生明显的抑制需达到某一门限压力值。

莺琼盆地的实例似乎支持了Price和Wenger的观点，并且暗示：产生明显抑制效应的门限压力值取决于源岩开始发
育异常压力时的成熟度。

在其他条件相同的情况下，源岩开始发育异常压力时的成熟度越高，门限压力值越大。

由此可见，异常压力的早期发育是能否产生明显的抑制效应的重要条件之一。

然而，国内外大量资料表明，并非所有早期发育的异常压力都对有机质的热演化产生明显的抑制作用，因此压力的早期发育并不是其引起热演化抑制的充分条件。

莺歌海盆地超压抑制作用发生是其特定的地质条件所决定的。

根据乐东30-1-1A井
的实际资料，莺歌海盆地可能发育在垂向上互相叠置的多个压力系统，深部高温超压系统之上亦是超压地层，且上覆常压地层以泥岩为主，结果导致深部强超压带内生成的烃类难以排出。

因此有机质热演化产物的滞留对能否产生超压抑制作用可能具有重要意义。

烃类被滞留在源岩中不仅使源岩长期保持较高的孔隙流体压力，而且使有机质热演化的产物具有较高的分压。

因此，保持较高的烃类分压是产生压力抑制作用的重要条件。

（1）在封闭的高压系统内，异常高压对有机质的成熟有明显的减缓甚至是抑制效
应。

（2）与正常压力环境相比，在相同温度条件下，较高的压力抑制了有机质成熟作用，使烃源岩成熟度降低，正是这种高压抑制成熟度的作用扩大了液态窗的深度区间。

（3）并非所有的超压都有抑烃作用，超压的抑制生烃作用是有条件的：早期发育的超压阻碍生成的烃类排出，保持较高的烃类分压是超压抑制生烃的条件。

（4）在相同温度下，较高的压力使有机质产气率下降、产油率上升。

（5）在超强压环境中，压力对有机质热演化和油气生成的抑制作用其重要地球化学意义在于减缓超压层段内有机质的成熟速率，使本来在无超压抑制作用进入准变质阶段的源岩保持在有利的生气带内，从而拓宽生烃窗的范围，扩大了油气勘探领域。

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