構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與油氣運(yùn)聚規(guī)律探討——以鄂爾多斯盆地蘇10區(qū)塊為例

郭 鵬，李春林，哈文雷，任德生

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000;2.中油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100101;3.北京油谷科技發(fā)展有限公司，北京 100085)

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與油氣運(yùn)聚規(guī)律探討
——以鄂爾多斯盆地蘇10區(qū)塊為例

郭 鵬1，李春林1，哈文雷2，任德生3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000;2.中油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100101;3.北京油谷科技發(fā)展有限公司，北京 100085)

地應(yīng)力是影響儲(chǔ)層流體壓力和驅(qū)動(dòng)油氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿χ弧Ｊ紫雀鶕?jù)鄂爾多斯盆地蘇10區(qū)塊地質(zhì)及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征，建立了該區(qū)塊三維有限元模型。通過(guò)數(shù)值模擬分析，得到了目的層的平均應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力等地應(yīng)力等值線分布圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算了油氣運(yùn)移勢(shì)場(chǎng)。其次，綜合分析了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與流體勢(shì)場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果和氣井的生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)氣井的高產(chǎn)井區(qū)為地應(yīng)力場(chǎng)和流體勢(shì)場(chǎng)的低值區(qū)。由此分析認(rèn)為:在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，油氣易于從地應(yīng)力場(chǎng)的高值區(qū)向低值區(qū)運(yùn)移與富集，從流體勢(shì)場(chǎng)的高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移與富集。

應(yīng)力場(chǎng);三維有限元;油氣運(yùn)聚;流體勢(shì)場(chǎng);蘇10區(qū)塊

1 研究區(qū)地質(zhì)及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)概況

鄂爾多斯盆地蘇10區(qū)塊位于蘇里格氣田的西北部，長(zhǎng)慶靖邊氣田西北側(cè)的蘇里格廟地區(qū)。蘇里格氣田上古生界地層自下而上發(fā)育著石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組［1－2］。

鄂爾多斯盆地上古生界成藏主要集中在燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期和喜山運(yùn)動(dòng)時(shí)期。燕山運(yùn)動(dòng)是鄂爾多斯盆地所經(jīng)歷的最強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，也是構(gòu)造形跡得以較好地保存的運(yùn)動(dòng);喜山運(yùn)動(dòng)是鄂爾多斯盆地所經(jīng)歷的最后一次構(gòu)造作用，最終形成了鄂爾多斯盆地及其周邊的構(gòu)造格架［3－6］;中國(guó)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力主要受控于東部太平洋板塊俯沖、菲律賓板塊擠入作用，以及西南部印度板塊向北碰撞歐亞大陸和印度板塊碰撞致使青藏高原隆升產(chǎn)生對(duì)周邊側(cè)壓的聯(lián)合作用［7－9］。

2 蘇10區(qū)塊地應(yīng)力場(chǎng)三維有限元數(shù)值模擬

2.1 有限單元法的基本原理

三維有限元數(shù)值模擬研究根據(jù)構(gòu)造變形反演研究區(qū)域的邊界條件，建立地質(zhì)模型、數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型，用有限元法進(jìn)行反演計(jì)算特定時(shí)期的應(yīng)力場(chǎng)，可以得到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在研究區(qū)域的分布形態(tài)及特征［3］。在進(jìn)行三維有限元數(shù)值分析中，為了得到所分析區(qū)塊的精確結(jié)果，利用邊界載荷調(diào)整法可以達(dá)到較好的效果。通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量，給出測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)力值和應(yīng)力方向，調(diào)整邊界條件，使得模擬值與實(shí)際相吻合。

根據(jù)模擬的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和平均應(yīng)力的分布形態(tài)及特征，可以分析構(gòu)造不同部位、不同地質(zhì)體及不同走向斷裂的空間應(yīng)力特點(diǎn)。再根據(jù)巖石脆性破裂理論，利用應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)在此構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的裂縫發(fā)育情況做出分析和預(yù)測(cè)［6］。

2.2 地質(zhì)模型的建立

考慮到蘇10地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，根根有限元數(shù)值模擬的需要，建立地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型［10］。采用Super SAP有限元軟件建立地質(zhì)模型，要考慮目的層的區(qū)域分布、地質(zhì)層位、巖性分布特點(diǎn)等因素［5］，自北至南建立8個(gè)控制剖面。模型南北長(zhǎng)約33 km，東西長(zhǎng)約17 km，模擬深度約5 km，面積約542 km2。共劃分三維立體單元數(shù)6 840個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)8 190個(gè)。

2.3 構(gòu)造模型和物理模型

根據(jù)構(gòu)造裂縫的(主要)形成時(shí)期，作與之相應(yīng)的古構(gòu)造剖面圖。將研究區(qū)目的層及上下巖層作為隔離體進(jìn)行數(shù)值模擬。

位移邊界條件:模型底部主要采用垂直方向約束、水平方向自由，僅少數(shù)節(jié)點(diǎn)為固定全約束的邊界條件，以保證區(qū)塊沒(méi)有整體的剛性平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

應(yīng)力邊界條件:模型四周采用梯形應(yīng)力邊界條件。分別按構(gòu)造裂縫形成前和構(gòu)造裂縫形成后(包括成藏期和現(xiàn)今)2種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.4 數(shù)學(xué)模型物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)學(xué)模型物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)巖石力學(xué)測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定(表1)。

表1 數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

2.5 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

數(shù)學(xué)模型建立后，采用Super SAP有限元軟件對(duì)燕山期、喜山期和現(xiàn)今期地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。得到了相應(yīng)目的層的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和平均應(yīng)力等值線分布圖。

3 地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與油氣運(yùn)聚分析

3.1 地應(yīng)力與油氣運(yùn)移機(jī)理

地殼中在一定深度處的巖石所受到的應(yīng)力是自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力的疊加。根據(jù)Heim的假設(shè)，一定深度的巖層，由于上覆巖層的重力作用，垂直方向的應(yīng)力為:

式中:ρ為巖石密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;h為巖石的埋藏深度，m。

當(dāng)該點(diǎn)巖石變形時(shí)，四周受到圍巖的約束，不能產(chǎn)生自由膨脹，即:ε2=ε3=0。按照胡克定律，有:

式中:μ為泊松系數(shù)。

(2)式表示在地殼淺部，溫度和圍壓較低的情況下，巖石處于彈性狀態(tài)。若巖石埋藏的時(shí)期久，深度大，巖石在高溫、高壓條件下，應(yīng)力差隨時(shí)間逐漸變小，最后消失，即:

(3)式表明，在靜巖壓力狀態(tài)基礎(chǔ)上，疊加由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力，則地殼內(nèi)部可能處于3種應(yīng)力狀態(tài)，即:σ1≠σ2≠σ3，σ1= σ2≠σ3，σ1≠σ2=σ3。

在任一孔隙性巖石中，施加的應(yīng)力總是由基質(zhì)骨架和孔隙流體壓力共同支撐的。換言之，巖石固體部分產(chǎn)生應(yīng)變的應(yīng)力是由體系總應(yīng)力減去孔隙流體壓力所得出的。巖石中任意面上均有:

式中:σ'為總應(yīng)力，Pa;σ為有效應(yīng)力，Pa;p為孔隙流體壓力，Pa。

在外部施加應(yīng)力增量Δσ'，會(huì)有3種情況:增加的應(yīng)力全部由基質(zhì)所支撐;增加的應(yīng)力由基質(zhì)和流體共同支撐;增加的應(yīng)力僅由流體壓力的增量所抵消。

由有效應(yīng)力定律表明，在外部負(fù)載不變的情況下，流體壓力的任一增大或減小都會(huì)引起有效應(yīng)力的變化。根據(jù)有效應(yīng)力的變化推測(cè)一定地質(zhì)歷史時(shí)期的孔隙壓力分布，并在此基礎(chǔ)上研究古流體勢(shì)的分布，即由于地應(yīng)力作用導(dǎo)致了流體勢(shì)能的變化，最終促使油氣由高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移，得出油氣運(yùn)移的方向。

3.2 結(jié)果分析

從蘇10區(qū)塊應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果來(lái)看，最大主應(yīng)力場(chǎng)和最小主應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻，在西南部主應(yīng)力值較大，在東北部主應(yīng)力值比較小，使得地層中賦存的流體勢(shì)能處于不均衡狀態(tài)，則油氣從壓應(yīng)力高值區(qū)向低值區(qū)運(yùn)移，而剪應(yīng)力很難作用于流體，因此主要由主應(yīng)力對(duì)油氣的運(yùn)聚起控制作用。

圖1 構(gòu)造裂縫形成前平均應(yīng)力分布

從應(yīng)力場(chǎng)角度分析，流體的外界壓力受平均應(yīng)力即球應(yīng)力(圖1)所控制，三維應(yīng)力場(chǎng)模擬可以給出空間任意點(diǎn)平均應(yīng)力，根據(jù)上述定義的運(yùn)移勢(shì)進(jìn)行計(jì)算，模擬了油氣運(yùn)移勢(shì)場(chǎng)(圖2)。由于蘇10區(qū)塊西南部為流體勢(shì)的高值區(qū)，西北斜坡為相對(duì)低勢(shì)區(qū)，因此在流體勢(shì)能的驅(qū)動(dòng)作用下總的油氣運(yùn)移方向是由西南向東北運(yùn)移，如果具備良好的儲(chǔ)層、蓋層或儲(chǔ)油構(gòu)造，便可形成一定規(guī)模的油氣富集。因此蘇15、蘇10－32－65一帶是今后勘探的重點(diǎn)。

圖2 構(gòu)造裂縫形成后油氣運(yùn)移勢(shì)分布

4 結(jié)論

(1)通過(guò)蘇10區(qū)塊的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)三維有限元模擬及流體勢(shì)的計(jì)算與分析，認(rèn)為油氣的運(yùn)移主要受主應(yīng)力的控制，在地應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下，油氣由壓應(yīng)力高值區(qū)向應(yīng)力低值區(qū)運(yùn)移。

(2)根據(jù)流體運(yùn)移勢(shì)計(jì)算結(jié)果揭示油氣運(yùn)移勢(shì)場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布具有相關(guān)性，即高壓應(yīng)力區(qū)一般為高勢(shì)區(qū)，低壓應(yīng)力區(qū)為低勢(shì)區(qū)。壓應(yīng)力低值區(qū)是油氣聚集的有利部位，處于這些區(qū)的氣井多數(shù)為高產(chǎn)井。

(3)通過(guò)地應(yīng)力場(chǎng)、流體勢(shì)場(chǎng)的數(shù)值模擬可以了解油氣運(yùn)移的規(guī)律，為勘探、開發(fā)井位部署提供重要的理論依據(jù)。

［1］逄建東，柳忠泉，呂新彪，等.運(yùn)用流體包裹體計(jì)算流體勢(shì)并預(yù)測(cè)油氣聚集區(qū)帶［J］.特種油氣藏，2003，10(3):42－43.

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Discussion of tectonic stress field and hydrocarbon migration and accumulation in the Su 10 block，Ordos Basin

GUO Peng1，LI Chun－lin1，HA Wen－lei2，REN De－sheng3
(1．Liaoning Engineering and Technology University，F(xiàn)uxin，Liaoning123000，China;
2．Great Wall Drilling Company，PetroChina，Beijing100101，China;
3．Beijing Oil Valley Technology Development Corporation，Beijing100085，China)

Crustal stress is one of the main forces affecting reservoir fluid pressure and driving oil and gas migration．A three－dimensional finite element model is established based on the geology and tectonic stress field in the Su 10 block of the Ordos Basin．The potential field of oil and gas migration is computed based on the crustal stress contour of the mean stress and the maximum horizontal principal stress of the target layer derived through numerical simulation．Comprehensive analysis of the results of numerical simulation of tectonic stress field and fluid potential field and the production behavior of gas wells shows that the high－yielding gas wells correspond to the low value zones of crustal stress field and fluid potential field．It is concluded that under the impact of tectonic stress field，oil and gas tend to migrate and accumulate from high to low value zones of stress and fluid potential fields．

stress field;three－dimensional finite element;oil and gas migration and accumulation;fluid potential field;Su 10 block

TE122.1

A

1006－6535(2011)05－0064－03

20110419;改回日期20110625

遼寧省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目“瓦斯突出與沖擊地壓災(zāi)害轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究”(2009T046)

郭鵬(1984－)，男，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)為遼寧工程技術(shù)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)力學(xué)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及儲(chǔ)層裂縫。

編輯 林樹龍