我國西部含油氣盆地中構(gòu)造應(yīng)力對油氣運(yùn)移的影響

暢 斌

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

我國西部含油氣盆地中構(gòu)造應(yīng)力對油氣運(yùn)移的影響

暢 斌

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

構(gòu)造應(yīng)力在油氣運(yùn)移過程中是一個(gè)全局因素，在對國內(nèi)外構(gòu)造應(yīng)力及油氣運(yùn)移研究成果全面系統(tǒng)調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)未固結(jié)地層、固結(jié)地層、發(fā)育裂縫地層中的與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)的輸導(dǎo)體系及運(yùn)移動(dòng)力，研究表明，構(gòu)造應(yīng)力對油氣運(yùn)移的影響貫穿著地層中輸導(dǎo)體系形成及改造和烴類運(yùn)移的整個(gè)過程。

構(gòu)造應(yīng)力;油氣運(yùn)移

構(gòu)造應(yīng)力(tectonic stress)是指在各種地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用力的影響下，地殼中所產(chǎn)生的應(yīng)力，又稱地應(yīng)力。在空間上分為垂向主應(yīng)力和水平最大主應(yīng)力及水平最小主應(yīng)力，垂向主應(yīng)力是由靜巖壓力所引起的，而兩個(gè)水平主應(yīng)力則是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的。在我國西部地區(qū)多個(gè)含油氣盆地中，構(gòu)造應(yīng)力是地質(zhì)研究中的一個(gè)全局因素，它對盆地升降運(yùn)動(dòng)中的地層沉積沉降與抬升剝蝕、構(gòu)造形成等具有重要影響。所以，構(gòu)造應(yīng)力與油氣運(yùn)移之間存在著必然聯(lián)系［1－2］。在油氣運(yùn)移的過程中，輸導(dǎo)體系和運(yùn)移動(dòng)力控制了油氣的運(yùn)移。構(gòu)造應(yīng)力對這兩個(gè)主控因素的作用會(huì)對油氣的運(yùn)移產(chǎn)生重要影響。

1 構(gòu)造應(yīng)力對輸導(dǎo)體系的影響

1.1 構(gòu)造應(yīng)力對未固結(jié)地層的影響

前人研究認(rèn)為地層中的砂體、斷層、裂縫、不整合面等是主要的輸導(dǎo)介質(zhì)。但對地層在固結(jié)前所受的構(gòu)造應(yīng)力對地層中輸導(dǎo)體系演化的影響研究較薄弱。在地層沉積過程中，沉積物在沉積之后、固結(jié)之前的未固結(jié)階段，受到構(gòu)造應(yīng)力作用會(huì)出現(xiàn)軟沉積變形構(gòu)造［3－4］，Mandl［5］發(fā)現(xiàn)在加載剪切應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)中，模擬未固結(jié)砂體的樣品中部剪切帶內(nèi)出現(xiàn)了較多空隙。砂巖儲(chǔ)層中不同層位具有不同的物性特點(diǎn)，除了砂體物源及沉積環(huán)境外，古構(gòu)造應(yīng)力場在砂體未固結(jié)時(shí)的改造作用對空隙帶形成可能也有較大影響。

與構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系緊密的地震活動(dòng)會(huì)在未固結(jié)地層中誘發(fā)形成震積巖。目前在我國西部主要含油氣盆地如準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地等均有震積巖的發(fā)現(xiàn)［6－7］，這些構(gòu)造應(yīng)力引起的地層內(nèi)部的顆粒重新排列會(huì)對地層的物性產(chǎn)生影響，目前學(xué)術(shù)界對震積巖在油氣運(yùn)移成藏過程中的作用存在分歧［8－10］，對震積巖是否可作為良好的輸導(dǎo)介質(zhì)存在爭議，絕大多是學(xué)者認(rèn)為震積巖受到的地震事件可以增大地層的分異度。震積巖受到的外力增大了巖石的致密程度［11］，且在擾亂原始沉積地層沉積序列的同時(shí)弱化了蓋層與儲(chǔ)層的界線(圖1)。震積巖中砂巖－泥巖界面由原先的單一平面形態(tài)變?yōu)榱Ⅲw形態(tài)，這也意味著巖性界面－力學(xué)薄弱面的大量增加，這為現(xiàn)象地層后期受外力改造、提高地層物性埋下伏筆，在特定的觸發(fā)因素作用下，震積巖可以作為特殊儲(chǔ)層和運(yùn)移通道。

圖1 震積巖垂向沉積序列［11］

1.2 構(gòu)造應(yīng)力對固結(jié)地層的影響

固結(jié)地層在構(gòu)造剪切應(yīng)力作用下，伴隨背斜構(gòu)造、斷層等的出現(xiàn)地層中會(huì)出現(xiàn)裂縫發(fā)育帶，如斷層及其附近地層、背斜構(gòu)造的軸部。砂巖和泥巖地層受巖石中力學(xué)薄弱面發(fā)育與否及發(fā)育程度具有不同的裂縫發(fā)育特點(diǎn)(表1)。在我國西部含油氣盆地中，主要的構(gòu)造應(yīng)力是水平擠壓應(yīng)力。圍繞擠壓應(yīng)力背景下剪切力對砂巖裂縫形成機(jī)制前人做了大量工作，Lorenz(1990)報(bào)道了在巖心剪切實(shí)驗(yàn)中，巖心中部平行剪應(yīng)力方向出現(xiàn)疏松甚至裂縫的現(xiàn)象［12］，Aydin和 Antonellini等(1994，1998，2006)對斷裂帶附近砂巖地層中的這一現(xiàn)象也有報(bào)道［13－15］。曾聯(lián)波等［16］提出了鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組特低滲透砂巖儲(chǔ)層平面上不同方向巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性的存在，這一現(xiàn)象也暗示了砂巖儲(chǔ)層平面上物性的各向異性，也有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成。

Capuano［17］報(bào)道了德克薩斯Frio組頁巖中烴類沿順層面方向的微裂縫運(yùn)移的現(xiàn)象，并且計(jì)算出微裂縫發(fā)育的頁巖滲透率接近同層位的超壓砂巖儲(chǔ)層，證明了超壓條件下烴類側(cè)向順層運(yùn)聚的可能。劉慶(2004)、杜春國(2006)等的研究也支持這一點(diǎn)［18－19］。

表1 砂巖、泥頁巖裂縫類型及成因［26－28］

我國西部地區(qū)泥巖層系中多見巖心餅裂［20－21］現(xiàn)象，前人研究已將這一現(xiàn)象歸為自然成因而非鉆井等人為因素成因，巖心餅裂的成因包括卸載和剪切應(yīng)力以及異常流體壓力［20－22］，Hubbert［23］提出異常流體壓力可能造成地層滑移、餅裂。餅裂的形成更進(jìn)一步優(yōu)化了源內(nèi)平行層面方向物性，而且由于餅裂面滑移涂抹效應(yīng)的存在，也使得垂向上的封堵作用增強(qiáng)［24］。

實(shí)測巖石應(yīng)力敏感曲線(圖2)中我們可以看出，在圍壓增大(加載)過程中，伴隨樣品骨架顆粒之間孔隙的減小，巖石的滲透率是減小的;圍壓的減小(卸載)過程中，隨著巖石樣品骨架顆粒的回彈，巖石的滲透率相應(yīng)反彈，但這是一不可逆過程，樣品的滲透率無法回到加壓前狀態(tài)。當(dāng)然，如果圍壓足夠大，超過樣品破裂壓力，樣品的輸導(dǎo)介質(zhì)類型將由原先的孔隙轉(zhuǎn)為裂縫－孔隙型。

目前學(xué)術(shù)界對單一巖性樣品如砂巖、泥巖的裂縫發(fā)育機(jī)理研究較多，但是對模擬真實(shí)地層中砂巖、泥巖互層樣品在構(gòu)造應(yīng)力作用下的裂縫發(fā)育機(jī)理研究較少。目前對于固結(jié)地層的構(gòu)造應(yīng)力研究在生產(chǎn)實(shí)踐中主要應(yīng)用有:根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場方向和應(yīng)力大小調(diào)整油藏壓裂方案，避免注采井網(wǎng)連線與最大主應(yīng)力方向平行等。

1.3 構(gòu)造應(yīng)力對發(fā)育裂縫地層的影響

不同方向的構(gòu)造應(yīng)力對發(fā)育裂縫地層的輸導(dǎo)能力有截然不同的影響。裂縫－孔隙型雙重介質(zhì)應(yīng)力敏感模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了在上覆壓力增加的情況下，對應(yīng)力較敏感的裂縫－孔隙型樣品中，受到裂縫高度(開度)的減小，滲透率減小且相對于不發(fā)育裂縫的樣品敏感系數(shù)更高(圖3)。這一實(shí)驗(yàn)過程模擬了發(fā)育平行層面裂縫地層在持續(xù)沉降過程中受到上覆巖層壓力/地靜壓力增加后的物性變化過程。如果砂巖儲(chǔ)層中發(fā)育的平行層面裂縫是擴(kuò)張裂縫，且其形成的構(gòu)造應(yīng)力場不變，裂縫的位移方向與裂縫面垂直，則此裂縫的滲透率有可能隨著開度的增加而增大。這一研究目前較少，但在我國西部地區(qū)含油氣盆地中具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖2 實(shí)測巖石應(yīng)力敏感曲線［25］

圖3 巖樣滲透率與應(yīng)力敏感系數(shù)的關(guān)系圖［29］

2 構(gòu)造應(yīng)力對運(yùn)移動(dòng)力的影響

傳統(tǒng)的油氣運(yùn)移理論將靜巖壓力作為巖層孔隙中流體所受外界壓力的主要原因，作為油氣運(yùn)移的主要作用力，地靜壓力作用在砂泥巖地層上，使砂泥巖層之間形成壓力差異，隨著砂泥巖沉積物在沉積沉降過程中的不斷壓實(shí)，地層孔隙中的地層水不斷排出，油氣從壓力大的深部烴源巖地層中進(jìn)入壓力較小的淺部儲(chǔ)層中。由于我國西部含油氣盆地具有繼承性較好的沉積沉降中心，烴源巖上覆地層具有盆地中心厚度大，向盆地邊緣厚度減小，造成上覆地層厚度大的盆地生烴中心靜巖壓力大，向盆地邊緣呈靜巖壓力逐漸減小的現(xiàn)象。

在我國西部擠壓應(yīng)力發(fā)育區(qū)，受地層巖性變化影響，多在較致密的地層中發(fā)育的滑脫裂縫大量分布，側(cè)向擠壓應(yīng)力使得多套地層的滑動(dòng)出現(xiàn)使得滑脫構(gòu)造中的地層層間脫空，形成空腔［30］，并伴隨斷裂活動(dòng)產(chǎn)生的地震泵［31］作用對油氣運(yùn)移形成抽吸作用。

3 結(jié)語

在我國西部含油氣盆地，構(gòu)造應(yīng)力對未固結(jié)地層、固結(jié)地層及發(fā)育裂縫地層中的輸導(dǎo)體系改造均有控制作用，并提供了烴類運(yùn)移所需要的運(yùn)移動(dòng)力，這一作用貫穿了烴類運(yùn)聚的整個(gè)過程(圖4)。

圖4 構(gòu)造應(yīng)力與輸導(dǎo)體系和運(yùn)移動(dòng)力的關(guān)系

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1004－1184(2013)02－0191－03

2013－01－13

國家油氣專項(xiàng)“柴達(dá)木盆地油氣資源戰(zhàn)略調(diào)查及評(píng)價(jià)”(XQ－2004－01)資助

暢斌(1982－)，男，陜西西安人，博士研究生，研究方向:石油天然氣地質(zhì)。