4.1.1 異常地層壓力及其形成機理
地層孔隙壓力（簡稱地層壓力）的形成，與地層的沈積條件、構造運動、地下水的活動、礦物成分的變化以及地下發生的物理化學過程等因素密切相關。地層壓力的形成機理主要包括靜水壓力的作用、圈閉與壓實作用、礦物成分的改變和滲透作用。
由於壓實作用主要發生在鉛直方向，從力學角度講，控制壓實過程的力實際上是鉛直有效應力。孔隙度的變化、孔隙流體高壓的形成等過程都與鉛直有效應力的變化有關。正常壓力環境中，由於沈積顆粒之間的相互接觸，巖石基體支撐著上覆巖層載荷，地層壓力等於靜液壓力；而沈積顆粒間鉛直有效應力的任何減少，都將使孔隙內流體支撐部分上覆巖層載荷，形成異常高壓。
異常高壓的成因條件多種多樣，壹種異常高壓現象可能是由多種相互疊加的因素所致，其中包括地質的、物理的、地球化學和動力學的因素。但就壹個特定異常高壓而言，其成因可能以某壹種因素為主，其他因素為輔。
（1）不平衡壓實作用
在埋深和壓實過程中，流體在機械力的作用下從沈積物中排出，地層被壓實。沈積物壓實的過程主要受4個方面的因素控制：①沈積速率；②孔隙空間減少速率；③地層滲透率的大小；④流體排除情況。其中最主要的是沈積速率。
若4個方面的因素保持很好的平衡（比如沈積較慢，沈積速率小於排水速率），隨著埋深的增加，沈積層有足夠的排水時間，沈積顆粒承擔了全部的上覆沈積物的載荷，使沈積顆粒排列的更加緊密，於是隨著埋深增加，孔隙度很快降低，地層孔隙壓力為靜壓力。這種情況稱為平衡壓實過程，形成正常壓實地層。平衡壓實過程中，由於壓實與沈積速率及排水速率保持很好的平衡關系，隨埋深增加，孔隙度減小，地層密度增加。但是壓實情況隨深度的變化是不均勻的，開始時較快，以後逐漸減慢，因此孔隙度隨埋深的變化不是線性的。
平衡壓實地層的孔隙壓力為靜液壓力系統，可以設想為壹個動力學開放的地質環境，即可滲透的流體連通的地質環境。在這種開放的地質環境中，排出的流體總是沿著最小阻力的方向流動，或向上流動或向著低壓高滲透方向流動。
若某個或某幾個因素受到制約，排水能力減弱或停止，繼續增加的上覆沈積載荷部分或全部由孔隙流體承擔，沈積物進壹步壓實所需的有效載荷（垂直有效應力）減小或不變，出現地層欠壓實及異常高壓地層。這種情況稱為不平衡壓實過程。
快速沈積是造成不平衡壓實的主要原因之壹，由於沈積速率過快，造成沈積顆粒排列不規則（沒有足夠的時間），孔隙性變差，排水能力減弱，繼續增加的上覆沈積載荷部分或全部由孔隙流體承擔，形成異常高壓，同時減緩了沈積物的進壹步壓實，造成地層的欠壓實。另外壹種常見的欠壓實情況是壹非滲透致密蓋層的快速沈積導致其下地層的欠壓實與異常高壓，最為典型的例子是“復合鹽層”中與鹽層伴生的軟泥巖地層。
產生不平衡壓實應具備如下條件：①巨大的沈積物總厚度；②厚層黏土的存在；③形成互層砂巖；④快速堆積加載；⑤在許多地區，欠壓實多發生在海退層序中，而其中快速沈積是最主要的因素。
（2）構造擠壓
在構造變形地區，由於地層的劇烈升降，產生構造擠壓應力，如果正常的排水速率跟不上附加壓力（構造擠壓力）所產生的附件壓實作用，將會引起地層孔隙壓力增加，產生異常高壓。在某些情況下，斷層可能起著流體通道作用，但在另外壹些情況下，卻可能起到封閉作用，而引起異常高壓。所以，同樣是斷塊盆地，有的可能是異常高壓層，有的可能不是。
（3）水熱增壓
隨著埋深增加，地層溫度不斷升高，由於水的熱膨脹系數大於巖石的熱膨脹系數，孔隙流體體積增加，如果孔隙水由於存在流體隔層而無法逸出，孔隙壓力升高。
（4）生烴作用
在逐漸埋深期間，將有機物轉化成烴的反應也產生流體體積的增加，從而產生異常高壓。許多研究表明，與烴類生成有關的異常高壓產生的地層破裂是烴類從烴源巖中運移出來進入高滲透儲集巖的機制，尤其是甲烷的生成已在許多儲集層中被引為超壓產生的原因。當烴源巖中的有機質或進入儲集層中的油轉變成甲烷時，引起相當大的體積增加。在良好的封閉條件下，這些體積的增加能產生很強的超高壓。烴源巖生氣造成的壓力很大，足以使氣體進入毛細管力很大的巖石中，並且在此過程中驅替出水，甚至在阻礙流體的隔層存在的條件下也能流動。在有效封閉存在的地方，不斷產生的甲烷能將壓力提高到超過封閉層的破裂壓力，從而使封閉層破裂並導致流體的滲漏。甲烷的生成對異常壓力的產生是壹個潛在的高效機制，尤其是在與烴源巖有密切聯系的巖石中。連續的甲烷生成能產生如此巨大的壓力以至於封閉層不能永久存在，它們要麽連續地滲漏，要麽周期性地發生破裂和滲漏。然而，即使封閉層被突破，但在達到常壓之前，封閉層將有可能“愈合”（破裂閉合），因此，依然存在異常高壓，只是低於滲漏之前的超壓而已。另壹方面，烴類生成使地下單相流滲流體系轉變成多相流滲流體系，大大降低了流體的相滲流率，減緩了流體排出系統的速度，同樣能引起壓力的增加。
（5）蒙脫石脫水作用
沈積下來的蒙脫石顆粒不斷吸附粒間自由水，直至結構晶格膨脹到最大為止，吸附水成為黏土層間束縛水。隨埋深增加，溫度逐漸升高。當地溫達到約123℃時，黏土結構晶格開始破裂，蒙脫石的層間束縛水被排出變為自由水，該過程稱為蒙脫石的脫水過程，相應的埋深稱為蒙脫石的脫水深度。釋放到孔隙中的束縛水因發生膨脹，體積遠遠超過晶格破壞所減少的體積，使孔隙中自由水的體積大量增加。若排水暢通，地層孔隙壓力為靜液壓力，若有足夠的上覆巖層載荷，則地層進壹步壓實。如果地層是封閉的，增加的流體向外排出受到阻礙，將產生高於靜液壓力的地層孔隙壓力。在這個過程中，如果存在鉀離子，這個作用就是蒙脫石向伊利石的轉化作用。這壹機制也被認為能產生阻礙流體流動的隔層，因為伊利石比蒙脫石更致密。
若地層非封閉，將會導致正常地層孔隙壓力，若此時的上覆沈積載荷較小，不足以將巖石進壹步壓實到正常壓實的程度，地層尚保留了較高的孔隙度。在我國許多古近-新近系地層存在這種現象，如南海的鶯瓊海盆地，有研究者將這樣的地層稱為“速度穩定段”。
（6）濃差作用
濃差作用是鹽度較低的水體通過半透隔膜向鹽度較高水體的物質遷移。只要黏土或頁巖兩側的鹽濃度有明顯的差別，黏土或頁巖便起著半滲透膜的作用，產生滲透壓力。滲透壓差與濃度成正比，濃度差越大，滲透壓差也越大。黏土沈積物越純，其滲透作用就越強。濃差流動可以在壹個封閉區內產生高壓。如果壹個封閉區內部的孔隙水比周圍孔隙水的含鹽度高，濃差流動方向指向封閉區內，致使區內壓力升高。濃差作用引起的異常高壓遠比壓實作用和水熱作用引起的異常高壓小得多，例如，當NaCl含量差為50000mg/L時，滲透壓差大約只有4MPa。
4.1.2 地層壓力的確定方法
確定地層壓力的方法有很多種，由於地下情況的復雜性，到目前為止，沒有壹種預測方法是唯壹可信的。但由於地層壓力問題的重要性及嚴重性，圍繞著解決地層壓力問題仍然不惜投入大量的人力、物力、財力，包括各種從簡單到極其復雜的儀器設備。
按與鉆井過程的先後關系，地層壓力的確定方法分為四大類（高德利，2004）：
（1）鉆前預測方法（Prediction of pore pressure）
主要是利用地震層速度資料，並根據它與地層孔隙壓力的關系計算出地層孔隙壓力。其預測精度主要取決於地震資料的質量、對地質分層及巖性的了解程度以及計算模型的合理性。常用的方法有“直接計算法”和“等效深度法”。
（2）隨鉆監測方法（Detection of pore pressure）
主要是利用鉆孔過程中測量到的隨鉆信息資料實時監測異常壓力帶並確定其值。過去常用的有dc指數法、σ法、標準化鉆速法、泥頁巖密度法。近幾年隨著石油鉆井技術的進步，相繼出現了隨鉆測井（LWD）資料法、隨鉆地震（SWD）資料法等。
（3）鉆後測井檢驗方法（Evaluation of pore pressure）
利用鉆後測井資料評估地層孔隙壓力，這是公認的最可靠的方法，精度較高。常用的有泥頁巖聲波時差法、泥頁巖電阻率（電導率）法、泥頁巖密度法等。
（4）實測法
通過壹定儀器直接測量地層孔隙壓力，是最準確的壹種方法。常用的方法有：鉆桿測試法（DSTS）、重復地層測試法（RFT）、多層位測試器（FMT）測試法等。