世界上约三分之二的沉积盆地中都存在地层超压^[1]，而我国半数以上的油气产出层均存在超压^[2]。超压与油气分布密切相关，因此其已成为油气成藏动力学研究的核心问题^[3-7]。超压对油气的作用是多方面的，例如有机质的生烃过程，油气的赋存状态，运移的动力及方向，对气藏的保存、破坏作用以及油气藏的空间分布规律等方面，超压还可以造成油气的高产^[8]。此外，超压还关系到钻井和地质工程的安全以及油气田开发方案的制定^[9-10]。因此，超压的分布及成因机制一直受到地质学家和勘探工作者的关注。

川西地区的陆相地层自20世纪中叶开始勘探以来，已经在上三叠统以及中、上侏罗统中发现了油气田和含油气构造20余个。钻探结果显示，川西地区侏罗系—上三叠统普遍存在地层超压（压力系数为1.1~2.1），超压中心位于川西北地区。关于四川盆地地层超压的成因机制，目前主要存在以下3种观点：①因川西地区发育良好的烃源岩，认为生烃作用主导了现今的流体压力^[11-14]；②着眼于地应力与流体压力的分布关系，发现二者存在明显的对应关系，从而主张水平应力是主要增压机制^{[15, 16]}；③川西至今存在欠压实现象，因此认为泥岩欠压实也是一种重要的增压机制^{[17, 18]}。这些研究观点考虑到了超压发展的阶段性特征，即单一机制在不同时期独立发挥增压的功效，但对超压发展的延变性特征（多种机制在地质历史时期中交叉、叠置增压）尚未做系统研究。笔者在系统梳理川西地区侏罗系—上三叠统地层超压发育特征的基础上，探讨不同阶段超压的成因机制及研究方法，并进一步分析沉积超压、构造挤压增压的延变性特征，以期确定川西地区前陆盆地超压的分布和不同成因机制的增压效应。

川西陆相盆地具有前陆性质，形成于印支晚期，于燕山早期—中期得到进一步发展，最终在燕山晚期—喜山中期定型。沉积的主要地层包括上三叠统须家河组（T₃x^1-5）、下侏罗统自流井组（J₁ z）、中侏罗统千佛岩组（J₂ q）和沙溪庙组（J₂ s）、上侏罗统的遂宁组（J₃ s）和蓬莱镇组（J₃ p）以及出露地表的白垩系（K）和古近系（E）。现今以绵竹低凸起带为界可分为南、北2个次级凹陷，与西北部的龙门山前缘冲断带均为川西地区油气勘探的重点区域（图 1）。研究区的上三叠统须一段、须三段、须五段含煤泥岩为主力烃源岩，其间夹持的须二段、须四段及上覆的沙溪庙组和蓬莱镇组是主要油气产层，须家河组互层状泥岩和遂宁组厚层泥岩为良好的盖层。由此可见，川西地区既有自生自储的组合也有下生上储的组合，加之上覆白垩系为区域性盖层，勘探前景较好。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 川西地区现今构造分布简图 Ⅰ.川西北凹陷带；Ⅱ.绵竹低凸起区；Ⅲ.川西南凹陷带 Fig. 1 Present structural map in western Sichuan Basin

为了消除埋深的影响并直观表述超压的程度，本文使用剩余压力（p_剩余= p_实测- p_静水）来反映地层超压。川西地区实测数据计算出的地层流体剩余压力数据显示，异常压力的发育层位和幅度在各区域均有所不同。按其垂向分布形态，可进一步划分为4种类型：钟形、纺锤形、阶梯形以及复合型。现以龙门山推覆体前缘区的中坝构造、川西南凹陷区的平落坝构造、川西北凹陷区的老关庙构造和绵竹低凸起区的新场构造为典型案例加以说明。

以中坝构造为代表的龙门山推覆体地区主要为钟形低幅超压（图 2）。这一地区的地层压力异常低，剩余压力普遍维持在5 MPa之下。以上三叠统顶部的不整合面为界，侏罗系及其以上地层中保持静水压力，不整合面之下逐渐出现低幅的剩余压力，在T₃x²中达到顶峰。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 川西地区现今地层的剩余压力分布 Fig. 2 Distribution of present formation residual pressure in western Sichuan Basin

纺锤形中、低幅高压主要出现于川西南部地区凹陷区（图 2）。以平落坝构造为代表，剩余压力在纵向上保持较平缓的变化趋势，曲线整体呈纺锤形。自J₃ p出现低幅剩余压力（4 MPa）开始，异常幅度向下逐渐增加，在厚层泥岩段T₃x⁵中达到峰值（13 MPa），其下伏地层（T₃x²）中剩余压力呈负增长趋势，须家河组底部剩余压力降低至5 MPa之下。

以老关庙构造为代表的川西北凹陷区的剩余压力在深层部位（J₁—T₃x）为阶梯形高、超高压。该种类型剩余压力曲线中出现明显的“阶跃”现象。下侏罗统以上剩余压力曲线为钟形中、低幅超压（剩余压力≤ 10 MPa），下侏罗统内剩余压力激增至35~40 MPa，并延续至须四段产层内，其下伏的T₃x^2-3内的剩余压力再次大幅度上涨，超压幅度超过50 MPa。由此可见，J₁—T₃x中剩余压力曲线出现2次明显的跳跃，形成阶梯形曲线。

以绵竹低凸起区的新场构造为代表的川中地区的剩余压力曲线是上述几种曲线的综合，形态较为复杂。蓬莱镇组出现钟形中、低幅超压。遂宁组底部和下侏罗统出现2次“阶跃”现象，呈明显的阶梯形，剩余压力增至30 MPa，并延续至须五段。须四段内的剩余压力再次增加，至较厚的泥岩段T₃x³剩余压力达到峰值（50 MPa），其后逐渐回落，表现为纺锤状形态。

综上所述，超压在四川盆地的分布极不均衡。平面上，上三叠统的剩余压力最大区域位于川西北地区（50 MPa），且波及到中部地区。越过中部的低凸起区后，剩余压力向南快速降低，南部地区为中、低幅异常区（10 MPa）。剩余压力自高压中心向西北方向的推覆体部位降低得更加迅速，与上三叠统有所不同，中部低凸起区横向隔断了川西南和川西北，成为侏罗系剩余压力中心（20 MPa）。川西北的异常幅度（±10 MPa）较川西南（5 MPa）高，而西北部的推覆体部位为常压。纵向上，剩余压力整体上具有向下递增的趋势，上三叠统的异常幅度高于侏罗系，异常压力峰值集中于须家河组中、下部。北部阶梯形超高压发育区被良好的盖层分隔成2个压力系统，即上三叠统和侏罗系，彼此难以连通。随着封闭体系的破碎，中部地区出现钟形、阶梯形和纺锤形压力曲线形态，并呈现“节节升高”的结构，且阶梯形结构中，压力“阶跃”幅度也减小，压力系统界限逐渐模糊。南部地区的纺锤形压力结构区，压力异常幅度降到中、低幅，以厚层泥岩为中心向上、下两侧递减，难以起到有效的压力封存作用。

异常压力是地质固体体系和流体体系相互制约、相互影响的产物^[19-20]。欠压实作用、生烃作用和构造挤压作用被认为是常见的3种增压机制^[21-26]。地质历史中，超压可始终由单一因素主导，也可在不同时期由不同因素引发；而在沉积后构造变动强烈的盆地，尽管在某一段时期内由某一种增压机制起主导作用，但其后的各增压机制也可能对前期已经存在的超压再次造成影响，形成相互交叉、叠置的延变性特征。明确增压阶段可减小非主控因素的干扰，便于选用适合的分析方法对主控因素进行分析。因此，准确地划分各机制的增压阶段对异常压力的研究具有重要意义。上述3种增压机制是在2种不同背景下发生的：欠压实作用和生烃作用均与地层沉积、地温升高有关；构造挤压作用则发生于强挤压的构造背景下，通常伴随着抬升、剥蚀活动。因此，可将异常压力分为沉积超压和构造超压两大类。沉积超压发生于地层连续沉积时期，泥岩压实曲线和地震层速度分析均是研究该类超压的有效手段。随着地层抬升时增压过程的终止，地层压力可能发生散失，前种研究方法的准确性受到质疑；当地层的水平挤压应力大于上覆负荷时，地层再次开始增压，该类增压多作用于沉积超压的残余封闭体系上，通常表现为对残余剩余压力的加强。

通过利用PetroMod盆地模拟软件，恢复了川西地区埋藏热演化史，并计算了上三叠统烃源岩不同时期的生排烃量，结果显示川西地区上三叠统在晚白垩世之前长期处于沉降过程（图 3）。随着地层深埋加大，地温逐渐升高，生烃作用逐渐加强，该阶段的地应力也较小（≤ 40 MPa）。晚白垩世中、后期，地层开始抬升，生烃中止，在此之后地层未发生大规模的沉降，而地应力却在不断增强，并在古近纪末期超过了上覆负荷。因此，可将川西地区的压力发展阶段划分为沉积超压发展阶段（晚三叠世—始新世）和构造超压发展阶段（渐新世—现今）。其中，晚三叠世—早白垩世为沉积超压增压阶段，晚白垩世—始新世为沉积超压消散阶段。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 川西地区超压控制因素及发展阶段 Fig. 3 Skeleton of controlling factors and stages of overpressure in western Sichuan Basin

构造挤压作用是地层超压形成的主要机制。当地层具备一定的封闭流体的能力时，构造挤压会造成岩石孔隙空间减小，从而进一步导致流体压力升高。构造应力导致的超压与地应力存在以下关系^[27]：

式中：p_tec为构造作用导致的压力（超压），MPa；σ为最大水平主应力，MPa；B为孔隙压力转化系数。

当超压存在沉积和构造等成因机制时，现今剩余压力则为多因素复合形成，可以用公式（2）表示：

式中：p_e为剩余压力，MPa；p_dep为沉积期产生的超压（如欠压实和生烃作用），MPa。

式（1）和（2）可合并为：

由此可见，当使用构造挤压应力与现今地层剩余压力进行相关关系投点分析时，其趋势线在横坐标上的截距即为沉积期体系内封存的剩余压力。

川西地区在喜山期的构造运动中遭受了强烈的构造挤压作用，夏新宇等^[28]通过实验分析得出，上三叠统的水平应力梯度与地层压力梯度存在明显的对应关系。因此，可以推断该地区流体压力同构造挤压作用关系密切。将川西地区各构造现今的构造应力与流体剩余压力进行相关关系投点可以发现（图 4），二者存在一定的相关性，且川西北与川西南存在明显的地域差异，川西北地区位于高应力、高剩余压力区域，趋势线截距为21 MPa，即须家河组在前期的残留剩余压力约为21 MPa；川西南地区主要位于低应力、低剩余压力区域，趋势线截距通过原点。上述2条趋势线的斜率均小于1，表明地质系统未完全封闭，存在流体压力的泄漏现象。综上所述，构造挤压作用主导了川西北地区流体压力的变化，北部尚存约21 MPa的沉积型残余剩余压力，约占现今剩余压力的40%~70%，即构造挤压增压占比约为30%~60%。南部在构造挤压增压之前基本保持静水压力，后期构造挤压增压幅度也较小。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 川西地区构造挤压应力与剩余压力的相关关系 Fig. 4 Relationship between overpressure and tectonic compression in western Sichuan Basin

川西地区北部尚存约21 MPa的残余沉积超压，主要为欠压实作用和生烃作用综合作用的结果。川西地区上三叠统完全具备产生欠压实的地质条件：①川西地区属龙门山前陆盆地沉积中心，上三叠统沉积厚度最大可达4 000 m；②上三叠统各段均发育厚层泥页岩沉积，累计厚度可达500 m以上；③须家河组沉积速率高达408 m/Ma，易造成欠压实。压实曲线表明川西地区尚有部分地层存在欠压实现象，具有欠压实增压的条件，但这些地质条件仅反映地层抬升之前的压力状态，地层的抬升会导致气藏压力降低，川西地区在喜山期发生大幅抬升，使用水力学方程计算^[29]，须家河组的抬升至少导致了15 MPa的剩余压力的损失，由压实曲线计算的欠压实增压难以弥补该损失。除此之外，川西地区上三叠统已普遍致密化^[30-32]，实测孔隙度为3%~5%，基本已达孔隙压实的极限（图 5），岩石平均密度约为2.6 g/cm³，机械压实和化学胶结作用导致岩石接近骨架密度，不利于欠压实增压。因此，泥岩欠压实增压难以成为川西地区现今残余沉积型超压的主要原因。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 川西地区实测孔隙度、岩石密度随深度变化曲线 Fig. 5 Variation curves of measured porosity and rock density with depth in western Sichuan Basin

烃源岩的生烃作用也是残余沉积型超压的主要成因。有机质热降解、热裂解过程中的相态变化可导致体系内压力增高，这常被用于解释地层中产生超压的重要原因^[33-34]，特别是那些烃源发育的层位。川西地区主力烃源岩为以Ⅲ型干酪根为主的煤系地层，煤层累计厚度达200 m，晚侏罗世—早白垩世，该套地层曾深埋至6 000 m，现今实测R_o值为2.0%，须家河组底界处部分R_o值超过2.5%。盆地数值模拟结果显示，在燕山中、晚期，须家河组致密岩石中含大量气态烃，物质相态转变可导致地层压力大幅上升，并在流体封闭条件较好的地区得以保存，如川西地区的中、北部。

地层的沉积速率和生烃强度控制了沉积型超压的增压幅度，地层体系的封闭-开放程度决定了压力的保存程度，从而影响了构造型超压在沉积型超压上的叠加效果。川西地区不同构造部位的沉积速率、生烃强度以及构造破坏程度均存在显著差异，这导致了不同地区纵向上不同层位压力分布的差异。位于龙门山推覆体前缘部位的中坝等构造，其三叠系沉积速率较慢，须家河组的沉积厚度较其他地区明显更薄，造成其较弱的欠压实状态，且随后在印支晚期因构造作用遭受破坏，缺失了须五段的部分地层，造成上三叠统压力封闭体系顶板被破坏。因此，该地区仅在上三叠统内部形成了低幅度的异常压力。

川西南凹陷区为三叠纪的沉积-沉降中心之一。快速的沉降-沉积导致其早期的欠压实和生烃作用形成的超压幅度较高。与推覆体前缘部位地层大规模剥蚀不同，该地区在仅发生小幅度的地层抬升，沉积型超压得到了部分释放。燕山运动期间，该地区主要通过形成断裂体系释放龙门山推覆作用的应力。断层的垂向破裂使得上三叠统压力封闭体系遭受部分破坏，流体压力向上传导至侏罗系，造成现今蓬莱镇组—须家河组的压力发生渐进变化，超压最高部位为泥岩厚度最大的须五段。

川西地区北部凹陷也为三叠系的沉积-沉降中心之一，欠压实与生烃作用在早期形成了较高幅度的超压。燕山运动期间，该区既未形成大量的跨层断裂，也未遭受抬升剥蚀，应力主要集中于上三叠统压力封闭体系中，构造应力有效地叠加在沉积残存超压体系中，使得其内部形成了超高的压力异常。

绵竹低凸起带位于上述南、北2个次级凹陷之间，兼具二者的特征，既发育沟通侏罗系和三叠系的断层，又具有一定的应力集中现象，从而形成了现今复合的垂向压力分布体系。

超压与油气藏的聚集和分布密切相关，超压不仅为烃源岩的排烃提供了重要的动力，而且可为高压泥岩层下伏油气藏起到封闭和遮挡作用，在储集层中形成压力封闭体系，有利于油气藏的富集和保存^[4-8]。川西地区不同区带在纵向上地层超压峰值主要出现在须家河组中、下部（须二、三段），这有助于形成超压封闭体系，利于天然气的保存，如新场地区，须二段剩余压力约为75 MPa，须三段剩余压力平均为90 MPa，超高的压力为下部须二气藏的保存提供了良好的封盖条件，钻探的新851井在须二段储集层中获得54万m³/d的高产工业气流。勘探实践证实，川西地区须家河组虽然具有普遍含气的特征，但天然气富集层段主要集中于须二段和须三段，这两段的天然气储量占须家河组总储量的97.4%，气藏也主要围绕超压中心发育（图 6）。在盆地边缘低压区也发育油气藏，主要是受超压驱动或低压吸拉作用控制，油气沿着断层或砂体等输导体系运移，由盆地中部压力高势区向盆地边缘低势区运聚成藏^[35]。盆地边缘的这些气藏，如中坝、平落坝等气藏在其形成过程中均曾有异常高压出现，中坝、平落坝等地区侏罗系地层压力系数为1.4，烃源岩层发育8~15 MPa的剩余压力^[36]，为油气从烃源岩排出、运移提供了动力。综上所述，川西地区现今的油气分布格局主要受地层超压控制，多围绕超压中心分布，在局部构造高部位富集。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 川西地区须二段地层压力系数与气藏分布 Fig. 6 Distribution of present formation pressure coefficient and gas reservoirs of the second member of Xujiahe Formation in western Sichuan Basin

（1）川西前陆盆地超压发育在垂向上的分布形态可分为4种类型：钟形、纺锤形、阶梯形和复合型。平面上，上三叠统超压中心主要分布于川西地区的中北部，侏罗系超压中心则位于中部，超压幅度向南北两侧递减。

（2）川西地区的压力发展过程经历了晚三叠世—早白垩世的沉积超压增压阶段、晚白垩世—始新世的沉积超压消散阶段以及渐新世—现今的构造超压发展阶段。现今的超压由残余沉积超压和构造挤压增压叠加而成，中部和北部地区的超压成因中，构造挤压增压的贡献占比为30%~60%，而南部地区大多由构造挤压增压所致。残余沉积超压主要由燕山中、晚期的生烃作用形成。