（岩土工程专业论文）东营凹陷油气运移数值模拟研究.pdf

东营凹陷油气运移数值模拟研究 于来刚( 岩土工程) 指导老师：全兴华( 教授) ，薛世峰( 教授) 摘要 油气运移研究是盆地研究的重要内容之一，也是当代地质学的前沿 领域。本文以东营凹陷为例，在综合地质资料的基础上，应用构造地质、 连续介质力学理论建立了相关的数学地质模型，借助计算机技术模拟分 析了油气运移、聚集及地应力在油气运移过程中的作用等祠题。论文工 作包括以下几方面： l 、结合东营凹陷构造背景，从力学角度解释了地应力格局、断层疏 导性对油气运移的影响，进一步阐述了断层走向、断层面正应力和断层 活动性与输导性的关系； 2 、运用构造地质学、连续介质力学、热流固耦合理论，建立了油气 运移相关的数学地质模型，并给出了相应的g a l e r k i n 有限元公式； 3 、以东营凹陷及所属青南次凹陷为重点，应用有限元手段定量模拟 了东营凹陷馆陶一明化镇一现今各地质时段地应力大小方向以及烃源岩生 排烃过程。由d r u c k e r - p r a g e r 破裂准则和标定的东营凹陷临界失稳地层 压力极限数据，定量确定了馆陶一明化镇一平原组一现今各地质时段地层破 坏趋势，该结果对评价东营凹陷油气运移规律有重要意义。 关键词：东营凹陷，油气运移，耦合力学模型，地应力，f e m 数值模拟 l i t h ef e m s i m u l a t i n go fh y d r o c a r b o nm i g r a t i o n i n d o n g y i n gd e p r e s s i o n y u l a i - g a n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rt o n g x i n g - h u aa n dp r o f e s s o rx u es h i f e n g a b s t r a c t 1 1 他r e s e a r c ho nh y d r o c a r b o nm i g r a t i o ni sn o to n l yp l a y i n gi m p o r t a n tr o l e i nt h eb a s i ne v o l u t i o n , b u ta l s oo n eo ft h el a t e s ts u b j e c ti n g e o l o g yo f p e t r o l e u m ac o u p l e dh y d r o c a r b o nm i g r a t i o nm o d e lf o rd o n g y i n gd e p r e s s i o n , b a s e d0 nl o t so ff i e l dd a t a , t e c t o n i cg e o l o g y , a n dc o n t i n u u mt h e o r y , h a sb e e n d e v e l o p e d i nt h i s p a p e r t h e n as e r i e so fn u m e r i c a l s i m u l a t i n g o n h y d r o c a r b o nm i g r a t i o na n da c c u m u l a t i o n , a n dr e l e v a n te v a l u a t i o no fi n - s i t u s t r e s $ f o rd o n g y i n gd e p r e s s i o nw a sp r e s e n t e d n 圯m a i nc o n t e n t sa 咒 s 删z e da sf o l l o w ： ( 1 ) s o m ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a la r l a l y t i c s ，c o m b i n e dv v i t t l t h e t e c t o n i cb a c k g r o u n do fd o n g y i n gd e p r e s s i o n , w e r cu s e dt od e p i c tt h er o l eo f i n - s i t us t r e s s a n df a u kc o n n e c t i v i t yi n h y d r o c a r b o nm i g r a t i o n 1 1 1 ef u r t h e r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a u l tc o n n e c t i v i t ya n dt h ef a u l ts t r i k e ，f a u l tn o r m a l s t r e s s , w a se l u c i d a t e d ( 2 ) a c c o r d i n gt og e o l o g y , c o n t i n u u mt h e o r y , ac o u p l e dh y d r o c a r b o n m i g r a t i o nm o d e lf o rd o n g y i n gd e p r e s s i o nh a sb e e nd e v e l o p e d 1 1 碍g a l e r k i nf i n i t e e l e m e n tm e t h o dw i t hf u l li m p l i c i ta n d q u e n t i a li t e r a t i v ea l g o r i t h mh a sb e e n u s e dt od e v i s eaf e mc o d e ( 3 ) f o c u so nd o n 鲥n gd e p r e s s i o na n dq i n g n a ns u b - d e p r e s s i o n , a s e r i e so f f e ms i m u l a t i n gf i g u r e ss h o wt h ei n s i r es t r e s sp a t t e m , a n dt h em a i n i l l p e r i o d s o f h y d r o c a r b o ne x p u l s i o ns e g m e n t ss i n c e2 0m a s ot h e c o r r e s p o n d i n g t e n d e n c y o ff o r m a t i o n i n s t a b i l i t i e s ，p r e d i c a t e db y d r u c k e r - p r a g e rc r i t e r i aa n dc r i t i c a lp r e s s u r el i m i t sd e t e r m i n e db yh y d r a u l i c f r a c t u r et e s t ，m a yb eb e n e f i tt or e c o n s t r u c th y d r o c a r b o nm i g r a t i o nh i s t o r yo f d o n g y i n gd e p r e s s i o n k e yw o r d s ：d o n g y i n gd e p r e s s i o n , h y d r o c a r b o nm i g r a t i o n ，c o u p l e d g e o m e c h a n i c a lm o d e l ，i n - s i t us t r e s s ，f e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：岁月罗口日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：童丞旦1川年 & - - 月孑d 日 导师签名： 导师签名： 7 棚年f 月和日 一年f 月如日 f 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 第1 章绪论 沉积盆地研究一直是地质界研究的前沿课题。一方面，沉积盆地作 为人类能源的储集地，它蕴藏了丰富的煤、油、气等关系国计民生的重 要资源；另一方面，沉积盆地是人类地壳运动研究的教科书，它记录了 大量地壳演化的地质过程【i 。3 1 。近年来，随着多学科交叉渗透发展，特别 是数值模拟技术的引入，使沉积盆地的综合研究产生了一系列突破性进 展，沉积盆地研究逐渐从定性的静态描述转向以定量的动态的盆地动力 学过程研究。沉积盆地定量动力学模型和模拟技术研究成为当前盆地研 究领域的前沿，是跨世纪固体地球科学发展的主要领域之一【4 ”。 盆地动力学模拟是通过获得各种实际资料，依据地质原理和物理化 学定律建立相关问题的数学地质模型，借助计算机技术，对盆地的形成、 演化、成矿过程进行定量或动态分析。目前，盆地动力学和模拟研究发 展迅速，研究内容广泛，涉及盆地下的岩石圈应力状态及其演化、盆地 成因及其分析、盆地分析、盆地模拟、盆地流体分析等内容。众所周知， 由于大多数地质条件难以在实验室内实现，宏观的地质过程往往是无法 进行物理实验的。盆地模拟可以说是应用计算机做“实验”，旦建立合 理的模型，就可动态地再现各种地质过程及其结果。研究表明，盆地动 力学模拟具有揭示盆地成因机制和指导油气勘探的功能，体现出巨大和 深远的研究与应用前景。同时随着国际界的高度重视和研究的巨大投入， 无疑将会产生重大的突破 6 4 1 。 1 1 论文拟解决问题 盆地动力学研究是地质学家长期以来最感兴趣的问题之，也是当 代地学的前沿课题之一。沉积盆地作为油气生排和运聚成藏的最基本的 地质单元，盆地的形成与演化制约着油气的生排和运聚及成藏。同时， 沉积盆地也是一个流体不断循环流动、热传递、一物质迁移以及各种水一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 岩作用所复杂化的动态系统。研究己表明，盆地中的流体过程与盆地的 构造演化、热历史演化、沉降充填以及地层压实等过程密切相关，是盆 内成矿、成藏，如油气的运聚和金属矿床成矿作用的重要控制因素。如 o l i v e r 和b e t h k e 等的研究发现，造山作用和挤压应力可驱动盆内含烃含 矿流体横向运移数百公里。形成世界上最大规模的一些金属矿床和油气 藏1 9 ，。p e r s o nm 和g a r v e nc t 等的研究表明垂向地下流体活动引起的热 异常可以改变石油生成深度达1 0 0 0 多米，流体超压在断裂机制和石油初 次运移方面起着关键性的作用。盆地流体研究已引起国际界的高度重视， 在国内外跨世纪的地球科学研究规划中均列为最优先发展的领域。 同时人们日益清楚的认识到，沉积盆地中油气生成、运移、聚集、 保存和储层的演化等五大基本环节之间存在着密不可分的联系，这个过 程中任何个环节出了问题都会影响到整个过程的动力学演化。尤其油 气运移的研究，它发生在油气藏生成与破坏的全过程中，起着承前启后 的重要纽带作用；在任一沉积盆地中，油气运移问题是研究油气藏形成 及分布规律、探讨油气勘探部署及油田开发方案时不容忽视的重要研究 课题。因此油气运移研究不仅是石油与天然气地质学领域中一个极其重 要的理论问题，而且对油气田的勘探开发也具有明显的实用价值i i ”。 但是由于运移作用贯穿于油气生成、聚集、逸散、破坏等全过程， 涉及面广，制约因素众多。同时，它又是地质历史发展过程中出现的复 杂事件，无法直接观察测试，也难以在实验室准确模拟。因而多年来油 气运移一直是石油地质学领域中研究最为薄弱的环节。随着国际资源的 争夺日益激烈，国内资源需求的不断增加，已开发油田的日益老化，迫 切需求新油田的发现，油气运移的研究也越来越受到人们的重视。 因此，以油气勘探为实际背景，对与油气运移相关的构造应力、水 动力、热应力的耦合作用机制进行系统的理论研究和技术开发，是今后 一个时期提高我国油气勘探水平、油气产量的重要的基础性工作之一。 1 2 油气运移的研究现状 众所周知，石油和天然气都是地质历史时期沉积的富含有机质的物 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 质经过一个相当长的时间和一些特定的地质环境而形成的流体矿产，它 们受到外界某种动力的驱使在地壳内发生不同程度流动，这就是所谓的 流体运移。流体运移是油气从生成到聚集的中间环节，也是两者的重要 纽带。它的研究不仅具有重要的理论意义，而且对于提高勘探的准确度 也有重要的价值。但由于运移本身的复杂性，地质历史痕迹模糊，而且 是一个随时问变化的动态过程，很难在实验室重现，因此研究的难度很 大。很多观点建立在推理与假说的基础上。再加上长期以来，特别是石 油工业开发的初期，资源量相对充足，油气勘探以寻找储油构造为主， 对油气运移聚集过程重视不够，使得油气运移的研究相对于石油地质研 究中的其他领域更为薄弱一些。但人们一直没有放弃对它的探索，特别 是最近几年，随着开采需求的不断扩大，用过去的老思路和老办法显得 力不从心，再加上新技术新手段的应用及人们对石油地质认识的加深， 油气运移机理的研究是寻找新资源一个必不可少的内容 1 2 , 1 3 j 。 盆地数值模拟方法用于盆地的定量分析已有几十年的历史( y u l d e 、 c o r n f o r da n dw e r e1 9 7 8 ：w c l t ea n dy u l d e ，1 9 8 1 1 ，而对油气运移和聚集 过程的数值模拟只有近十年的时i 司( e n g l a n d ，e t 1 9 8 7 ：u n g e r e r ，e t ，1 9 9 0 ： d u r a n da n du n g e r e r , 1 9 8 4 ；n a k a y a m a h ea n dl e r c h e ，1 9 8 8 ) 。而数值模拟是 理论、方法和技术高度综合的、动态的定量分析，在研究运移方面比其 它方法更能体现解决复杂地质问题的优势。现在一部分流体运移的数值 模型是考虑油气以独立相态运移，模型是建立在流体势方程和达西定律 之上，同时将古水动力作为运移动力学的重要机制。 e n g l a n de ta 1 ( 1 9 8 7 ) 提出的油气运移、聚集是独立二相( 液态石油和天 然气) 二维( 侧向运移和垂向运移) ，基于流体势和达西定律的渗流运移模 型：运移驱动力是压实提供的水动力，而判断深部主要是浮力。 u n g e r e r e t a l0 9 8 6 , 1 9 9 1 ) 的“综合热传导、流体流动、烃类生成和运 移的二维模型”也是以油气独立相态运移为前提，用两相流体运移的达 西定律和流体势相结合，模拟二次运移的动力及方向( 剖面二维) ；与 e n g l a n d 模型不同的是在模拟热和超压发育史的基础上，还研究了油气的 聚集史、水力压裂和断层对运移、聚集的控制作用。 中国石油人学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 b e t h k ee t a l 0 9 8 6 ，1 9 9 1 ) 贝0 以盆地古水文模型和盆地演化史相结合， 模拟古水流的流量，然后根据计算的水势变化计算地下水排出速率和方 向；采用两相流的达西定律，分别以压实驱动流和重力驱动流模式建立 模型，模拟盆地剖面二维油气运移及聚集过程，特别强调了研究水动力 在盆地驱动油气作长距离侧向运移的重要性。 p e r s o nc ta l ( 1 9 9 3 ) 采用“准三维有限元模型”，首先模拟盆地主要含 水层的古水动力条件，然后根据流体势方程计算烃头以及油气的实际渗 流速度并以数学质点代表油运移的方向和聚集的浓度。该模型描述了盆 地古水动力条件和运载层的非均质对油气运移路径、速度和距离的影响； 水动力主要来源于储层上、下泥岩层压实的渗流量。然而，p e r s o n 数学 模型是平面二维稳定流方程，不能准确反映流体流动随时问的变化，且 假定油水完全分离。 y ua n dl e r e h ( 1 9 8 5 ) 应用二维三相可溶性流体运移模型模拟了盆地油 气在剖面上的运移和聚集过程，模型采用了超压、浮力和毛细管力作为 运移动力学机制，用单相流体方程( 达西定律) 和相对渗透率应用于多相 流；考虑了油和气的可溶性，模拟结果显示烃的溶解度和相对渗透率对 烃的运移有特别重要的影响，油气运移、聚集的时空分布不仅受到毛细 管力、混合相的浮力的影响，顽且还受特定的地质、地热和地球化学的 制约。 国内流体运移的数值模拟起步较晚，但发展较快。杨家琦( 1 9 8 9 ) 建立 的平面二维三相模型用里兹有限元法计算古水头，用流体势方程导出油、 气、水的运动速度和油气的饱和度分布；郝石生( 1 9 9 1 ) 建立的剖面二维三 相组分模型模拟了盆地油气的运移问题；石广仁( 1 9 9 4 ) 也提出用剖面二维 三相模型模拟油气的运移过程，并引入油藏数值模拟的技术思路模拟流 体饱和度的分布。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 1 3 地应力的国内外研究现状 1 3 1 初始地应力场的成因 地应力的来源，主要来自五个方面，即岩体自重、地质构造运动、 地形势、剥蚀作用和封闭应力 1 4 , 1 5 1 。 自重应力是地心对岩体的引力。地质构造运动引起的应力，包括古 构造运动应力和新构造运动应力。前者是地质史上由于构造运动残留于 岩体内部的应力，也称为构造残余应力；后者是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和最新地壳变形的应力。地 形势与剥蚀作用引起的应力仅限于局部的应力场受到影响，例如，高山 峡谷或者深切河谷底部的应力往往比较集中：地表剥蚀会使该处地应力 的垂向应力分量降低较多，而水平应力基本保持不变等等。封闭应力是 地壳经受高温高压引起岩石变形时，由于岩石颗粒的晶体之间发生摩擦， 部分变形受到阻碍而将应力积聚封闭于岩石之中，并处于平衡状态，即 使卸载，其变形往往不能完全恢复，故称封闭应力。 对上述地应力的组成成分进行分析，分清主次，突出重点，一般把 地应力的组成确立为由两个主要成分所组成：岩体自重应力和地质构造 应力。 1 3 , 2 地应力的影响因素 多年来的研究认为，形成初始地应力场的主要因素是岩体自重和地 质构造运动，二者影响效应不同会形成不同类型的地应力场。显然，岩 体的地质构造应力是与岩体的特性( 例如岩体中的裂隙发育密度与方向， 岩体的弹性、塑性、粘性等) 有密切关系，也与正在发生过程中的地质构 造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象( 例如断层，褶皱 等) 有密切关系。因此，岩体中每一个单元的初始应力状态都是随该单元 的位置不同而有所变化。此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、 地表剥蚀、岩浆入侵、岩体结构面、断层、岩石力学性质、温度等，现 分述如下。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 ( 1 ) 岩体力学性质对地应力的影响 在同一地区的相同条件下，由于岩体的力学性质不同，测得的地应 力往往是不相同的。根据李光煜、白世伟的统计资料了解到，在相同的 地初始地应力场拟合方法研究质构造环境中，岩体的应力大小是岩性因 素的函数，与岩石成因有密切的关系，并指出地应力值随岩石杨氏模量 增大而增大。 ( 2 ) 岩体结构面对地应力的影响 地层内存在着各种结构面，不论结构面的成因、空间分布、大小、 方位及其力学性质如何，都对地应力产生影响。结构面对应力分布状态 的影响，主要表现在：结构面端部、拐折处及交汇处附近都是应力容易 集中的部位。端部的应力集中程度与结构面长度有关，长度越大，应力 集中越高。拐折处的应力集中程度取决于拐角的大小与作用力的相互关 系。例如当作用力的方向与拐角的方向一致时，其外侧的应力大于内侧， 且随着拐角角度的增加，内侧应力亦增大，而外侧相应减小。 岩体中存在着结构面，它把岩体分割成一定的结构，不同结构类型 的岩体，具有独自的应力传播特性。由于结构面的扰动，其中的应力状 态并不是均匀分布的，一般结构体内部的应力具有相对的均匀性，而在 结构体的边界面附近岩体的应力状态常常受到某种程度的扰动。 应当指出，由于结构面的规模不同，对岩体应力分布状态的扰动范 围亦不相同，一般而言，其规模越大，扰动范围也越大，扰动程度也越 严重。 ( 3 ) 断层对地应力的影响 断层对地应力的影响，也符合结构面应力分布规律，但是它的影响 范围和程度，比小型结构面要大得多。由于大型断层具有一定的空间宽 度，所以断层的影响不仅对其端部、拐折处及复合部位等周围岩体应力 状态产生扰动，而且断层中亦有着复杂的应力状态，断层本身的力学性 质不同，其中的应力分布状态及其对周围岩体的应力影响亦截然不同。 在静应力场中，断层构造对地应力大小和方向的影响是局部的。 在同一个构造单元体内，被断层或其他大结构面切割的各个大块岩 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 体中的地应力方向、大小均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近，特 别是拐折处、交汇处及两端才是应力集中区，应力的大小和方向都有较 大的变化。 ( 4 ) 地形地貌对地应力的影响 地形对岩体地应力的影响有一定范围，一般越接近地表或谷坡影响 越明显，随着深度的增加而减弱。在深山峡谷地区，谷底是应力集中的 部位，越靠近谷底应力集中也越明显，最大主应力在谷底或河床中心近 乎水平，而在两岸岸坡则大致与坡面平行。 河谷区地应力分布表现出明显的分带性，即存在明显的应力释放区， 应力集中区，应力平稳区。 ( 5 ) 温度和地下水对地应力的影响 在地面一定深度以下( 通常仅几十米) ，岩体的温度是随埋深的增加 而增大的，梯度接近口= 3 0 c 1 0 0 m ，岩体的膨胀系数约为口= 1 0 - ，而 岩体的弹性模量一般在1 0 4 m p a 数量级，因此岩体的温度应力约为： 0 r r = 筇e h = o 0 0 3 h ( m p a l 。可见，岩体的温度应力随埋深h 的增加而增 大。在相同埋深情况下，自重应力约为吒= z h = 0 0 2 7 h ( m p a ) ，可见温 度应力仅为自重应力的1 9 左右，故对一般的地下工程，地温对岩体应力 的影响可以忽略。 地下水是岩体的主要赋存环境之一。地下水对地应力场的影响机理 非常复杂。首先，水对岩体有软化作用，会降低岩体中潜在结构面的抗 剪强度；其次，因孔隙中水的压力作用，使得岩石所受的真正作用，是 外界作用产生的应力与孔隙水压力之差，即有效应力；再次是岩体中的 渗流作用将对地应力场产生很大影响。现今，有不少学者开始将初始地 应力场和初始渗流场进行耦合计算。 在上述诸因素中，地表剥蚀、岩浆岩的侵蚀和岩体结构面等因素是 次要的自重和构造作用才是主要的，均以自重和构造作用的影响为主。 地形、断层、岩石力学性质、温度和渗流等因素对初始地应力场也有一 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 定的影响，但这些因素所产生的地应力，大都是次要的，只是在特定的 情况下才需考虑1 1 6 1 。 1 4 论文主要工作 本文在前人的基础上，借助于有限元数值模拟，对油气资源的运移、 聚集及其地应力对油气运移的影响进行了深入探讨。具体工作，包括以 下几方面： l 、结合东营凹陷构造背景，从力学角度解释了地应力格局、断层疏 导性对油气运移的影响，进一步阐述了断层走向、断层面正应力和断层 活动性与输导性的关系； 2 、运用构造地质学、连续介质力学、热流固耦合理论，建立了油气 运移相关的数学地质模型，并给出了相应的g a l e r k i n 有限元公式； 3 、以东营凹陷及所属青南次凹陷为重点，应用有限元手段定量模拟 了东营凹陷馆陶一明化镇一现今各地质时段地应力大小方向以及烃源岩生 排烃过程。由d r u c k e r - p r a g e r 破裂准则和标定的东营凹陷临界失稳地层 压力极限数据，定量确定了馆陶一明化镇一平原组一现今各地质时段地层破 坏趋势，该结果对评价东营凹陷油气运移规律有重要意义。 1 5 论文创新点 1 、本文以东营凹陷为背景，从力学角度解释了地应力格局、断层疏 导性对油气运移的影响，以及断层走向、断层面正应力和断层活动性与 输导性的关系。 2 、本文充分考虑了油藏开发过程中的热传导和流体在多孔岩石中流 动所导致的温度变化，温度变化导致流体压力变化，以及由于温度变化 和流体压力的变化所导致的应力变化，建立的油臧二维油气运移数学模 型。该模型包括油藏岩石的二维弹塑性数学模型、油藏二维热传导数学 模型和油藏二维单相流体的渗流数学模型，揭示了油藏内地应力场、流 体压力场、温度场之间的内在联系。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 3 、基于有限元理论，应用有限元软件f e p g 开发了油气运移研究的 相应程序，对东营凹陷的油气运移进行了定量分析。再现了东营凹陷排 烃过程、地层破裂趋势以及油气的运移过程，对油气勘探开发有重要的 指导意义。 9 生旦互垫丕兰! 兰丕! 堡堡窒箜2 章地应力对油气运移的影响 第2 章地应力场对油气运移的影响 油气运移是石油从生成到聚集的中间纽带，也是影响油气赋集的重 要环节。因此，对于运移的研究，不但具有理论意义，同时具有重要的 实际价值，但是，由于运移本身的复杂性，影响因素很多，长期以来， 人们对它的认识仍很肤浅。近年来，随着研究的进一步深入，越来越多 的人意识到，应力场是影响油气运移的重要因素之- - 1 1 - q 。 2 1 概述 石油和天然气都是流体矿产，它们受到某种动力的驱使在地壳内发 生流动成为油气的运移。尤其从生油岩中的分散状态到储集岩圈闭中的 聚集状态，其间必有一个运移的过程，i l i n g ( 1 9 3 3 ) 将油气运移大致分为初 次运移和二次运移两个阶段，即把油气自生油层向聚集层或运载层中的 运移叫做初次运移；而把油气进入储集层或运载层以后的一切运移，包 括油气在储集层或运载层内部的运移、油气沿断层、裂隙、不整合面等 通道的运移以及聚集起来的油气由于外界条件的变化而引起的再次运移 叫做二次运移【l s j 。本文主要研究后者。 油气运移归根结底是受地壳运动控制的，地壳运动不仅为油气运移 提供各种通道，而且还决定和影响构造应力、水压力、浮力、热动力等 各种天然动力和阻力的存在和发展，从而在盆地中产生相对高势区和相 对低势区，促使油气由相对高势区向相对低势区运移。 油气进入运载层后，主要在构造应力、浮力、水动力、热动力和毛 细管力等一种或几种力的作用下进行二次运移，然后在圈闭中聚集。研 究表明，构造应力、水动力是油气运移的重要影响因素。本文主要研究 前者对油气运移的影响。 j o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响 2 2 地应力对油气运移的影响 在沉积盆地中油气运移研究中，不少研究者由于模糊了岩体弹性模 量与骨架颗粒模量的概念，进而认为总应力全部f h ： l 隙中的流体所承受， 忽略了地应力的影响，这十分不利于问题的深入研究。众所周知，流体 压力梯度不仅是是油气运移的重要影响因素，而且是油气运移最重要的 动力。但随着研究的不断深入，越来越多的人意识到，应力场变化对油 气运移的影响也是不容忽视的。 地应力的变化对油气运移的影响可通过有效应力定律来描述。根据 有效应力定律，孔隙岩石承受的总应力f h 岩石骨架所承受的应力7 和孔隙流体压力只( o ) 两部分组成，若假定岩石边界上应力平衡，即 = 一吒0 。但这只适合于描述结构松散的砂子受力情况，对包含岩 石颗粒、颗粒间有弹性接触的岩石来讲，孔隙压力增加的一部分被颗粒 之间孔隙的弹性变形力所平衡，只有一部分与外加总应力平衡。b i o r ( 1 9 5 7 ) 在t e r z a g h i 岩土力学研究成果的基础上，建立了孔隙岩石弹性理论，给 出了岩石广义有效应力定律”9 1 仃“= 仃；一a p 毛 ( 2 - 1 ) 式中，“分别为岩层骨架的全应力、有效应力；户为流体系统压力， 对两相渗流系统，取为( b e a r , 1 9 9 3 ) p 2 瓯只+ s 。只 佗2 1 并规定：岩层介质受拉应力、孔隙流体压力为正号；口称为b i o t 系 数，根据z i n k i e w i e z ( 1 9 8 5 ) 的研究结论，对饱和流体，系数口可取作如下 形式： a = 1 一k | k |( 2 - 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响 式中，k ，k ，分别为岩层骨架、岩层颗粒的体积变形模量；占。为k r o n e k e r 符号，有毛= 器：主# 。 根据上述定义，则有： = c r o a p ，= c r 0 一a a p ( 2 - 4 ) 由上可以看出，孔隙岩石承受的总应力q ，的变化必然引起孔隙流体 压力p 的变化，进而影响油气运移的趋势。 传统的研究主要基于地层孑l 隙压力对地应力有较大影响，认为地层 孔隙压力的改变将显著地影响地应力。据t e u f u l ( 1 9 9 i ) 报导，北海e k o f i s k 油田生产2 0 年来已导致产层压力下降了2 1 2 4 m p a ，通过3 2 次水力压 裂测试了最小水平地应力随地层压力的变化情况，得出油藏所受的总的 水平应力随孔隙压力的减小而线性减少，最小水平应力的改变量大约为 孔隙压力改变量的o 8 倍，而有效应力却随地层压力的衰减而线性增加 了。 a d d i s ( 1 9 9 7 ) 统计了6 个油田油层地应力随地层压力衰减的变化情 况，认为所有油层最小水平地应力均随地层压力衰减产生较大的减小( 总 应力) ，并呈线性相关，应力减低的数值大部分在地层压力衰减值的 4 7 8 0 之间。 m t h i e r c e l i n ( 1 9 9 1 ) 根据加拿大s a b l es u b 盆地的地应力实例报道， 指出在正常压力层段= o “0 ，在超压层段= 厶0 。 c l e a r y 和g e e r t s m a 描述了储层压力降低对储层岩石应力的影响。 他们认为，当储层压力衰减时，地层孔隙压力减小，储层有发生体积收 缩的趋势，由于围岩的存在。产层变形受到限制，体积收缩的趋势转化 为应力减小，其结果是地应力减小。g e e r t s m a 通过假定在地层压力衰减 过程中，岩层所受垂向应力不变，其侧向应变为零，分析得出了最小水 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响 平应力的减小值为= 口o i - 厂z v ) q 。 由上式得：0 = 去二鼍了a ，从而岩体变形后的应力高值区必 “1 z j 然成为流体高压区，油气也就产生了由高应力区向低应力区运移的趋向。 同时，岩体受力变形后造成的局部应力大小可以改变岩体的渗透性 能。这反映在流体势方程的疋( x ) 、石，( y ) 和t 0 ) 项上，物理含义是： 同一种介质在不同的应力状态下渗透性能不相同，可分成压实固结阶段 和扩容破裂阶段，两个阶段介质的渗透系数和应力之问的物理关系完全 不同。 从微观机理来看，孔隙岩石骨架在构造应力场作用下产生各种变形。 当孔隙岩层在热流固耦合作用下达到岩石破裂条件即进入扩容破裂阶段 产生破裂时，应力值降低、地层的渗透率大幅提高，流体快速运移，随 着流体的快速运移，流体卸压、流体势降低，断裂趋于闭合，输导性能 降低，流体运移作用减弱，完成一次幕式充注作用；这样周而复始，形 成幕状的或脉冲状地震泵作用为主的垂向运移过程。 总之，在地应力场的作用下，油气从生油坳陷高压低孔隙地带向着 构造高部位的低压高孔隙带运移，构造应力不仅是初次运移的驱动力， 在再次运移中更是不可缺少的主要驱动力2 0 捌1 。 同时，由于地层的不断压实作用，不利于地层油气的向上运移。又 由于低渗地层高启动压力梯度的存在，使得断层的输导性能对他源性油 气藏的形成起着决定性的作用。 2 3 断层走向与断裂面正应力大小对断层输导性能的影响 断裂作为古构造应力场的产物，每一期古构造应力场中形成的若干 组断裂的力学性质由其应力方位、作用方式控制；后期应力场对先存断 裂具有改造和影响作用，变形又受前一期构造形变结果的影响。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响 因此在多期应力场的影响下，断裂组系的分布及发育程度非常复杂。 各组裂缝的地下开度和连通性也不同，造成原始断裂渗透率的差异。断 裂的地下开度和连通性受特定地质时期应力场控制，断裂面上的正应力 可表示为： o n = o hs i n z a + o h s i n zp 七o ，s i n z 8q - ” 式( 2 5 ) 两边对口求偏导得： 要= ( a h - 吒) s i n 2 a ( 2 6 ) “ 式中，为裂缝面正应力，m p a ；，为水平主应力构造应力。m p a ； q 为垂向主应力构造应力，m p a ；口，0 为主应力与裂缝的交角( o ) 。 由( 2 6 ) 式可见，在其它条件相同时，若断裂或裂缝方向若与某地质 时期最大主压应力方向垂直，受挤压作用开度最小、连通性最差；二者 若斜交，受剪切作用，开度和连通性居中，随交角变大开度变小，连通 性变差。若与最大主压应力方向平行，受拉张作用开度最大、连通性最 好，断裂就易于开启，对油气的运移起输导作用。 研究表明：在馆陶早期，近e w 向上的断裂与最大水平主压应力方 向一致，对东营末期沙四上烃源岩形成的油气再分布有着重要影响。馆 陶晚期n n e 向上的断裂与最大水平主应力方向一致；明化镇期至今， n e e 向上的断裂与最大水平主应力方向一致：直接控制着该阶段沙四上、 沙三下烃源岩生成油气的运移。 将断层面正应力写成另一种形式 吒= 南( 吒一口) + 口卜如2 口 w 妯“陋乃 + ( 1 - - s i n 2 伊) 听+ ( 听 ) s i n 2 口 对地层压力、泊松比求偏导，可得： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响 聂2 【1 。南j | - s m 2 0 j o q - 8 ， 斋2 南( q 叫p p o n e ) ( 1 - - s i n 2 t 7 ) 0 ( 2 9 ) 从式中可以看出，对于既存断裂( 走向、倾角) ，断层面上的正应力与 垂向应力，地层压力、构造活动强度、岩性有关。从馆陶早期至今，随 着地质体埋藏深度的增加，垂向应力、地层压力流体力是不断加大的， 这意味着断层的封闭能力有增加的趋势；而对于具“犁式”产状的主干 断层的下段变缓处，断层面上的正应力更大。这些都不利于断层对油气 的输导此时的构造活动强度对油气的运移具有重要影响幽。 2 4 断层的活动性与断层输导性的关系 2 4 1 东营凹陷馆陶一明化镇一至今断层的活动性 各地质时期地层破坏趋势研究表明1 2 ”，东营凹陷在馆陶早期断裂活 动普遍强于晚期，断裂活动逐渐减弱，到晚期部分断层停止活动。而明 化镇组沉积时期，断层活动速率已经很低，边界断层和一级、二级断层 活动比较强烈( 如图2 1 ，图2 2 ) 。在东营凹陷内的1 2 0 0 余条大小断层， 到了新近纪活动断层数比前期明显减少，馆陶组、明化镇组，各占总断 层数的约4 和3 ，反映了构造活动平稳的区域构造背景。 图2 - 1 东营凹陷5 9 7 地震解释剖面 生! i 互垫盔堂! 兰壅! 亟鲨皇篓2 章地应力对油气运移的影响 图2 - 2 东营凹陷6 1 0 地震解释剖面 2 4 2 断层活动对油气运移成藏的控制 在断裂发育地区，油气藏的形成，破坏和再形成与断裂活动紧密相 连。由断块运动产生的不同块体或同一块体不同部位的流体势差不同， 断裂成为不同块体或不同层系流体运移的通道，流体由高势区流向低势 区。这种运移伴随着构造运动产生或加剧，多期断裂活动导致油气多次 聚散，而每一次又是快速发生的。在断层活动期间，油气沿断裂垂向运 移、再分配，造成油气性质分异。而当构造运动结束，进入构造平缓期 后，多数断裂逐渐将失去通道性。因此，流体沿断裂的运移呈间歇性。 盆地内油气再分配是十分普遍的，有断块间、层间再分配，也有含油气 构造问油气平衡，因而造成赋集程度差异和复杂的原油性质。 在断裂活动期。随着地应力的释放，断层面正应力迅速降低，断层 表现为开启，油源区具有高压性质的流体势必向断裂带汇聚，顺着主断 裂的薄弱带向上“冒出”，在合适的部位聚集成藏或转储，致使己生成的 油气可在地史的这一瞬间运移或散失。这时断层的疏导作用表现为垂向 疏导和侧向疏导两个方面：垂向上断层沟通源岩与储层，是油气纵向运 移的主要通道；在储集层较发育的区域，断层两盘储层相接时，油气可 通过断层从下降盘进入上升盘。断层表现出较强的阶梯式侧向疏导作用。 断层对油气垂向运移的能力是有差异的。断层活动强度、活动时间 和规模决定了断层对油气的控制能力。根据断层对油气控制的能力，切 割馆陶组的断层可以分为两类：一类是切穿古近系，断入烃源岩中，在 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地戍力对油气运移的影响 新近系仍有活动的主干断裂，另一类是只局限在新近系内部的次级小断 层。 主干断裂一般断层落差大，活动期长，大多活动至新近系明化镇组 沉积期，是发育在陡坡带和斜坡带生长性活动主断层，相当于盆地内一 级和二级断层。这类继承性活动的大断层，是沟通深部烃源岩和浅层储 集层的通道和桥梁，因此常被称作油源大断裂。活动期长，落差大，油 气运聚能力就强，油气分布聚集主要受这些大断层控制，己发现的馆陶 组油气藏大都分布在这些断层附近【矧。 新近系内部的小断层，为数众多，主要是四级和三级断层，它们是 与大断层伴生的，或由差异压实作用形成的断裂。具有断距小、延伸距 离短，仅对油气的再运移和聚集起一定通道作用，对油气的输导作用较 弱。例如靠近7 号断层( 切穿层位s 3 ) 的坨一区东营组、馆陶组却不含油； 而l l 号断层，切穿层位s 3 ，从沙二段末期一直活动到明化镇组早期， 在断层两侧出现东营组、馆陶组，明化镇组的次生油气藏。 总的说来，东营凹陷断裂对油气的输导是以主干断层为依托，此时， 有两种类型的输导体系对浅层油气成藏起到重要作用。一类是以主干断 层为主的阶梯形输导体系，即以主干断层为桥梁纵向上直接将烃源岩与 圈闭沟通，构成油气垂向运聚成藏的最佳输导体。该类型输导体运聚效 率高，油气富集程度高，而上升盘浅层发育有背斜圈闭。次级断层主要 作用是对油气在运移聚集成藏起到分配作用，使未与主断裂连通的砂层 油气富集。第二类是网毯式输导体系，即烃源岩与浅层圈闭之问不是以 主干断层直接沟通而是由烃源岩一油源断层不整合面断层馆下砂岩( 毯 状仓储层) 次级断层构成的输导体系，油气成藏的斜坡模式属于此种类 型。 从应力场研究来看，在馆陶早期反映了坳陷早期弱挤压、弱拉张和 弱走滑的特征，由于弱拉张作用的存在，断层封闭性较差，有利于断层 的活动面对油气的运移成藏起输导作用。在该阶段，水平最大主压应力 方向呈近e w 向，近南北向的断层面具有较大的正应力，不利于断层对 油气的输导，但在局部地区与模拟结果有较大出入，具体在胜坨油田， 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响 近南北向的1 l 号断层( 切穿层位s 3 ) ，从沙二段末期一直活动到明化镇 组早期，在断层两侧出现东营组、馆陶组、明化镇组的次生油气藏。出 现这种偏差可能是因为岩性对构造复杂程度的影响或是先期断裂产生的 排生应力场的产物。 岩性对构造复杂程度的影响是由于岩性对地应力的水平主应力有影 响以及永久形变条件不同造成的。泊松比较低岩层在大地净应力状态下 水平主应力较低，在叠加拉张或扭性构造应力后较易达到正断层( 或平移 断层) 的断裂条件。加上这类岩性往往脆性较强，断裂条件较低，较易产 生断层。泊松比较高岩层正好相反。岩性对构造复杂程度的影响在拉张、 张扭、纯扭等塑性褶曲不发育、断层较多的盆地晟明显。在这些类型的 盆地中如果有巨厚的泥岩、欠压实泥岩、富含盐层石膏层系将砂岩较多 的砂泥岩层系隔开，就可以看到断层主要发育在后一类岩层中。而前一 层系中就少得多。表现出岩性对断层分布得宏观控制，成为控制构造复 杂程度的第一位的因素。岩性对地应力的水平主应力的影响毕竟是很小 的。如果构造应力的强度很大，这种小影响就表现不出来。岩性对构造 复杂程度的影响只有在构造应力强度很低的条件下才明显。对拉张、张 扭、纯扭等类型的盆地，构造应力的绝对值都很小。这在东营凹陷弱右 旋挤压的区域挤压构造背景是相符的。 说它是不同序次断裂活动排生应力场的产物是指有可能是坨胜永断 层活动后，最大水平主压应力方向发生改变，成为最小水平主应力方向， 因而导致了近南北向的1 1 号断层的活动，由于是油源断层，且正处于烃 源岩成藏期，因而有利于油气的垂向运移成藏。 而对应于主排烃期的馆陶晚期一明化镇期一至今，根据区域构造地质 及应力场模拟研究成果来看，尽管东营凹陷的盆地一，二级断层处于近 于失稳状态，但由于烃源岩埋藏较深( 3 0 0 0 r e ) ，对明化镇中晚期来说， 其上的沙三中巨厚泥岩段恰处于2 6 0 0 m 附近，地层处于稳定状态。因而 从总体上来说，盆地处于区域挤压构造背景下，且构造应力分量在逐渐 增大，断层面上的正应力也在逐渐增大。断层封闭性增强，对油气垂向 运移不利f 2 卯。这与稳定的区域构造活动背景及东营凹陷油气大量富集于 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地应力对油气运移的影响