异常低压成因多种多样，包括地质、物理、地球化学和动力学的因素。一般认为异常低压主要发育于一些致密气层砂岩和发生较强烈剥蚀的盆地(Corbert，1992;Dickey等，1977)。地下深部地层的低压系统也是封闭系统，由于地层受构造拉伸或其他作用使孔隙空间扩容，流体压力下降，但同时由于体系的封闭性，其他含水体系中的流体又补充不足，形成负压。
图1-7 深盆气压力旋回示意图(据Meissner，1987)
早在19世纪70年代，Magra就在其专著中分析了异常流体压力的成因，并通过室内模拟实验和众多盆地的勘探经验，总结出多种形成机理，包括与应力有关的不均衡压实、新生流体源的生成以及流体的运动等。19世纪80年代末，Kenneth等总结了不同学者对低压成因的认识:①地形高差引起的地下水流动;②通过半渗透页岩的化学作用;③剥蚀卸载引起的应力和地温下降作用;④地下水流动过程中由于物性变好流出速度大与流入速度小;⑤埋深增加;⑥构造抬升。张义刚(1991)认为负压是流体的冷却收缩特别是气相冷凝为液相、部分流体排出封存箱外、由于地壳抬升而导致孔隙体积膨胀的结果。郝石生(1993)研究认为，由于天然气的运聚动平衡，抬升作用抑制了生烃过程，导致烃类散失量大于烃类补给量，结果造成地层压力低于静水压力。
一种异常压力现象可能由多种因素相互叠置所致，但就一个特定异常压力体而言，其成因可能以某一种因素为主。综合前人研究认为，异常低压的形成机制主要有:抬升-剥蚀反弹成因、地下水流动成因、渗透和过压实作用、断裂和不整合面的压力释放作用、轻烃的扩散作用、温度变化、承压面低于地表等。
1.抬升-剥蚀反弹成因
主要发生在地壳抬升岩层被剥蚀的地区。当上覆地层遭受剥蚀、垂向应力减小时，岩石骨架会类似弹性固体发生反弹，引起岩石孔隙体积的扩容，从而导致流体压力降低(图1-8)。Fatt和McLatchie等测定的砂岩储层孔隙的弹性收缩率为48.28×10-3Pa-1，认为当上覆地层被剥蚀时，砂岩储层孔隙的扩容率与收缩率相当。泥质岩的压实一般认为是不可逆的，但现在认为，埋深小于2000m、富含蒙脱石的泥岩也可能发生相当的孔隙扩容。因此，当上覆岩层被剥蚀时，与泥页岩相邻(互层或侧向过渡)的砂岩储层中的部分水(不是油或气)将在由低压产生的横向压力梯度驱动和毛细管力作用下向泥页岩渗透，进一步降低相邻砂岩的流体压力。姜振学等(2004)通过物理实验及成藏解剖认为，大庆长垣砂体回弹成藏贡献比例在13.43%～40.46%，砂体回弹效应是油气成藏的一种主要成藏机理和现象(表1-2)。
图1-8 异常低压形成机理示意图(据Swarbrick和Osborne，1998)
表1-2 大庆长垣明水组沉积末期砂体回弹油气成藏资源量统计
( 据姜振学等，2004)
负压的程度不但取决于孔隙的扩容量，还与卸载的速率和岩层的渗透率有关。显然，卸载速率越快、渗透率越低，负压越易形成和保持。Dobrynin 和 Serebryakov ( 1989) 通过研究给出了地层抬升幅度与异常低压产生的理论关系 ( 图1- 9) 。Alberta 盆地上白垩统Belly River 组的低渗透性地层中产生的横向水力梯度驱使流体侧向运移，运移的方向指向上覆岩层剥蚀量最大的区域，而与现今地表的地势形态无关，表明该区异常低压的形成与剥蚀反弹密切相关 ( 图1-10) 。
图1-9 块体的升降幅度决定水压封闭岩层的孔隙异常压力理论图
图1-10 Alberta 盆地地层水流动样式示意图( 据 Bachu S，1995)
2.温度降低
当完全封闭的器皿中水冷却后，流体的密度降低，相应地体积变小(图1-8)。如果岩石是完全封闭的话，由于温度降低导致水体积的减少可以导致低压，但水体积极小(<2%)，常常可以忽略不计(CotbetandBethke，1992)。相比而言，在抬升过程中，由于温度降低导致碳氧化合物体积变化更大，原因是油和气具有更大的可压缩性。因此，在具有良好封闭性的储层里，地温的降低可引起孔隙流体体积的收缩从而产生异常低压。Serebryakov和Chilingar(1994)分析了粉河盆地北部地区温度变化和剥蚀作用对孔隙压力的影响，结果表明温度降低是该地区异常低压形成的主要原因。
3.不稳定组分的水化作用
岩石学研究证明，酸性火山岩岩屑普遍有不同程度的水化作用特征，形成以蒙脱石、伊利石为主的粘土矿物组合。长石和岩屑的浊沸石化也十分明显。水化作用使得部分孔隙水转化为结晶水，减小孔隙流体的体积。这种孔隙水的消耗量大于矿物转变引起体积增大的数量，导致孔隙流体压力下降。
扶扬油层的砂岩是典型的不稳定砂岩，不稳定组分(长石、火山岩岩屑)的含量高达65%～90%，不稳定组分与孔隙水之间容易发生水化作用，消耗孔隙水，形成含结晶水的黏土矿物和沸石类矿物。
4.地下水流动成因
主要发生在重力流系统中，由于泄水区是高渗透率岩层，而补给区的岩层为低渗透率，结果泄水的速率大于补给的速率，使得岩层中水的流动不连续，造成孔隙的欠充满而产生异常低压(图1-8)。Karsten Michael和Stefan Bachu(2001)研究Alberta盆地中西部流体及流体压力的分布特征后发现，该地区低渗透性隔层严重影响了地层间的流体流动(图1-11)。另外，KennethBelitz和John D.Bredehoeft(1988)从流体动力学角度研究了美国丹佛盆地流体异常低压的形成机制，认为丹佛盆地内科罗拉多州和内布拉斯加州的狭长部分的异常低压的成因为:①白垩系连续的厚层低渗透性页岩将达科他砂岩及其底部的白垩系砂岩与潜水面的水头隔开;②区域性的断层将盆地内的地层与露头隔开。这两种因素导致盆地内流体的供给量小于排泄量，从而产生了低压异常(图1-12)。低压的这种成因机理本质上是潜水面作用的结果。
图1-11 Alberta盆地流体动力及压力分布图
5.渗透作用
在有明显盐度差(或盐度梯度)的透镜体砂岩中，由于渗透性砂层发育且连通性好，深部地层水的盐度较高，而浅部盐度明显降低，有利于渗透作用的进行，常由高压异常逐渐过渡到低压异常(图1-8)。如果一个封隔区中水的含盐度较高，毛细管力作用将使得高盐度封隔体中的水穿过半渗透膜流入到低盐度区，那么在高盐度封隔体中由于水的渗漏而形成低压，而低盐度封隔体中由于水的增加而形成超压。前人计算表明:页岩与砂岩盐度相差5%时，可产生4.25MPa的渗透压差;如果两者相差15%时，可产生22.7MPa的渗透压差。笔者认为这种由于浓度差异所造成的渗透作用只是水中盐类物质离子之间的交换，而不会发生水的流动，最终达到盐度上的平衡，因此，不会产生低压。
6.轻烃的扩散作用
轻烃分子的扩散作用是一种普遍存在的由于存在着浓度梯度而发生的质量传递的自然现象。在地壳抬升过程中，由于负荷和温度的降低，原来溶于储层流体中的气体将析出，并以扩散、渗流等方式从岩层中逸散(图1-8)。另外，油气藏中的轻烃通常通过盖层发生扩散，引起油气的组成、物化性质等发生与油气运移分异相反的变化。当烃类的逸散速率大于补给速率时，地层中易于形成异常低压。Law和Dickinson(1985)认为，这种机制是北美地区一些抬升盆地产生负压的一种原因。这种作用通常与构造运动有关，是油气藏遭受破坏的结果。
图1-12 PaloDuro盆地主要沉积系统空间关系东西向剖面(据Kenneth，1998)
7.断裂和不整合面的压力释放作用
由于沉积盆地地层中流体的生成、注入可以导致孔隙流体压力增高，相反，流体运移或散失也会相应地导致压力降低。断裂系统和不整合面作为油气运移的输导系统和通道，油气沿着这些输导系统发生运移、逸散及再分配;同时这些输导系统连通着各种压力系统和环境，尤其是在连通着高压环境与静水压力环境的情况下，压力差会驱赶着油气发生幕式的运移。如果在没有外来流体充注或增压作用的情况下，油气藏的压力会逐渐降低至正常压力及低压。实际上，在这一作用下不可能形成低压，因为在高压环境向静水环境释放压力时，即使这两种环境的压力达到平衡，地层压力也无论如何都不会低于静水压力。
8.过压实作用
根据定义，静岩压力可以分解为有效压应力和孔隙流体压力两部分，欠压实作用是指孔隙流体承担了部分有效压应力，导致流体压力大于静水压力，从而形成异常高压;过压实作用与欠压实作用恰恰相反，由于过压实作用使得地层岩石承担了本应由孔隙流体承担的部分上覆负荷，使孔隙流体压力降低，从而产生异常低压。吐哈盆地红南地区古近系鄯善群下部和火焰山群上部的泥岩(夹有砂岩)出现“过压实”现象(图1-13)，正对应于油气低压系统的顶板分布层位。但在沉积盆地中，尤其是在正常沉积地层的浅部，由于孔隙空间中流体相对丰富，这种过压实现象，虽然在理论上可信，但实际上是不可能出现的。
图1-13 吐哈盆地红南1井泥岩压实曲线
(据李廷钧等，1999)
9.潜水面下移
通常人们用地层压力与静水压力的比值，即压力系数来标定地层压力的异常情况，而静水压力计算都是基于水柱到达地表这一假设:某一目的层地下水承压面从地表算起，应该说，这种假设在大多数地表起伏不太强烈的地区或盆地，特别是我国东部地形平坦区，可以近似使用。而当受构造运动等影响，承压面与地表起伏不相协调时，如我国中西部盆地，由于承压面以上的地层不承压，会导致计算的静水压力大于实际的静水压力，自然导致计算出的压力系数、压力梯度等指标偏低，显示出明显的负压异常，而实际上这种低压可能是人们的一种习惯做法(压力的起算点均从地表开始)带来的。
10.断裂与岩性封闭作用
在厚层泥岩中所夹的砂岩透镜体油藏，原来埋藏较浅，原始地层压力较小。后来，在断块升降运动作用下，油藏所在断块下降，深度变大，但原始地层压力仍然保持下来，形成低压异常，这种现象在中国东部裂谷盆地中断裂发育的地区常见。美国Keyes气田的研究表明(图1-14)，当地层遭受剥蚀后，盆地迅速沉降，上覆层位沉积厚层或巨厚层的泥岩起到封闭作用，在剥蚀面上、下形成两个独立的系统，彼此间不能进行物质交换和流体的流动，形成的低压得以保存。这种低压成因的推断实际上忽视了油藏在构造升降过程中随着上覆载荷和油藏温度的改变储层孔隙空间和流体体积的变化。
图1-14 美国Keyes气田的地层压力与深度关系(据金博等，2004)
此外，在一些特殊的地区也会产生区域性低压，例如在东西伯利亚地区由于地表存在永久冻土层，导致该地区异常低压非常发育，其主要原因是:①永冻层地层水静水压面的降低;②由于温度的降低(冷却)而导致岩石及孔隙流体体积的缩小(图1-15)。
另外，还有许多异常低压是因为从储层中开采油气和水而人为诱发的，开采降低了孤立储层中的孔隙压力，而这样的储层又没有足够的流体流入以补偿被抽出的流体空间。在许多情况下，地层压力的减少导致地面沉降，有时会对地表构造产生巨大的破坏作用。由于流体被采出而导致的地面沉降的例子发生在意大利的PoDelta、委内瑞拉马拉开波湖的玻利瓦尔滨岸、美国田纳西的加尔维斯顿海湾和加利福尼亚长垣，以及日本等地区。
综上所述，异常低压在世界各地发育较为普遍，其成因是多样的，可能是物理的、化学的或者两者的综合作用。总的来说，异常低压的形成机制可分为以下3类:
(1)岩石孔隙体积变化:①抬升-剥蚀反弹;②过压实作用。
(2)孔隙流体体积变化:①温度降低;②轻烃的扩散作用;③断裂和不整合面的压力释放作用;④不稳定组分的水化作用。
图1-15 东西伯利亚Nepsko-Botuobin盆地地层孔隙压力预测曲线(据Chilingarian et al.，2002)
(3)流体压力:①渗透作用;②地下水流动;③潜水面下移;④断裂与岩性封闭作用;⑤油田开采;⑥永冻环境。
可以认为，前人对不同地区低压成因的认识也是比较初步的，有些甚至只是对于现象的描述和成因机制的推测。
根据定义，地层压力是指作用于岩层孔隙空间内流体上的压力，又称为孔隙流体压力。在正常情况下，也就是孔隙流体压力等于静水压力，即压力系数等于1的情况下，孔隙内流体的量会随着岩石孔隙的相对变化而变化，也就是当孔隙相对减小或者相对变大时，孔隙内流体可以自由地流入或者流出，从而保持孔隙内流体压力稳定，而当由于某种作用使得流体不能随着孔隙的相对变化而任意地流入或者流出时，就会导致孔隙内由于流体的相对增多或者相对减少而形成压力异常，从而产生异常高压或者异常低压。当孔隙相对减少而流体不能及时排出时，孔隙压力就会增大从而产生异常高压;当孔隙相对增大而流体不能及时流入补给时，孔隙压力就会减小从而产生异常低压。因此，低压形成的本质是孔隙流体的供排不平衡。笔者通过研究认为，引起这种不平衡的根本原因是构造作用和流体作用(表1-3)，因此，本书将重点研究构造抬升和流体动力场对地层压力的作用机理。
表1-3低压压力形成机理
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