東海盆地西湖凹陷地應力場與油氣運移關系探討

高偉中，孫鵬，田超，楊燕

（1.中國海洋石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030；2.中國石油華北油田第四采油廠，河北廊坊065000）

東海盆地西湖凹陷地應力場與油氣運移關系探討

高偉中1，孫鵬1，田超1，楊燕2

（1.中國海洋石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030；2.中國石油華北油田第四采油廠，河北廊坊065000）

依據(jù)西湖凹陷豐富的鉆井、地震及區(qū)域構造演化資料，分析區(qū)域地應力背景，利用構造應力場數(shù)值模擬方法，優(yōu)選巖石參數(shù)，合理設置邊界約束條件及網(wǎng)格劃分，建立西湖凹陷地應力場地質模型并模擬出地應力場的分布特征；根據(jù)地應力場與流體運移之間的關系進一步計算出西湖凹陷流體勢的分布特征，分析地應力與流體勢的相關性，從而探討應力作用對油氣運移的影響。最后依據(jù)地應力場和流體勢場的分布，單因素分析地應力對油氣運移方向的控制作用，預測油氣有利的運聚方向并指出可能的油氣藏有利運聚區(qū)帶，為勘探目標選擇提供科學依據(jù)。

地應力場；數(shù)值模擬；流體勢；油氣運移；西湖凹陷

近年來，國內(nèi)外許多學者開始關注地應力與油氣運移的關系并著手研究油田應力場對油氣運移、聚集的影響，取得了很大進展[1-4]。

地應力場是影響油氣聚集成藏的關鍵因素之一[5-7]。地層在地應力作用下，發(fā)生構造變形，導致地層中孔隙發(fā)生變化。受擠壓作用為主的部位，壓縮使得孔隙內(nèi)流體壓力增加，形成高壓區(qū)；拉張作用為主的部位，孔隙―裂縫增加，流體壓力降低，形成低壓區(qū)。因此，在構造區(qū)的不同部位產(chǎn)生了孔隙流體壓力梯度差或勢差，形成了流體勢場，成為流體流動的動力，最終在圈閉中聚集成藏，形成油氣田[8]。本文以西湖凹陷為例，通過地應力場模擬，求取流體勢分布，分析地應力場對油氣運移的影響，最后指出西湖凹陷有利的勘探方向。

1 地應力場與流體運移之間的關系

巖層受到應力作用后，一部分應力由巖層骨架承擔，稱為垂直有效應力；另一部分應力則由孔隙中的流體承擔，稱為孔隙壓力。隨著上覆巖層壓力增加，沉積物逐漸壓實，垂直有效應力增加，孔隙減少，隨著埋深進一步增加，巖石成巖后，巖石骨架的體積壓縮系數(shù)很小，而孔隙的壓縮性很大，應力全部由孔隙中的流體承受，即地應力全部轉化為孔隙壓力[9]。

研究表明，利用有效應力原理和達西定律為基礎，可以建立流體運移和構造應力場二者之間的定量關系[10]，具體的方程是：

式中：Kx、Ky、Kz分別為多孔介質在x軸、y軸、z軸方向的滲透系數(shù)，它們是有效應力σ的函數(shù)，即Kx（σ）、Ky（σ）、Kz（σ）；H為流體勢場內(nèi)任一點的水頭；μ為多孔介質的泊松比；Е為彈性模量；ρ為流體密度；n為孔隙度；β為壓縮系數(shù)。

該方程中未知變量多，各個地區(qū)的巖層介質及應力場的非均一性強，解析法難以求解，因此，采用數(shù)值模擬。

2 西湖凹陷構造應力場數(shù)值模擬

構造應力場的模擬是以相似理論為依據(jù)，應用有限元的方法，利用計算機模擬設置與當時的實際地質構造背景（包括巖石材料力學性質、驅動力作用形式、邊界條件、時間等），來模擬構造變形在自然界的演化過程。即包括地質模型的構建，邊界條件和約束條件的分析和設置，巖石力學參數(shù)測試和分析，計算模型的構建（網(wǎng)格剖分和邊界條件的加載），數(shù)值模擬計算，結果分析等步驟。本文以西湖凹陷為實例，分析地應力場對油氣運移的驅動作用。

2.1 地質概況

圖1 西湖凹陷構造區(qū)劃示意圖Fig.1Schematic tectonic map of West Lake sag

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部，呈北北東向展布，南北長約440 km，東西平均寬約110 km，面積近6×104km2，總體上可劃分出三個區(qū)帶，即西部斜坡帶、中央洼陷反轉帶（包括西次凹、中央反轉構造帶、東次凹）、東緣陡坡斷階帶[11]（圖1）。西湖凹陷是在晚白堊世末期的構造背景上發(fā)育起來的，地層自下而上主要為：始新統(tǒng)前平湖組、平湖組（E2p）、漸新統(tǒng)花港組（E3h）、中新統(tǒng)龍井組（N11l）和玉泉組（N12y）及柳浪組（N13l）、上新統(tǒng)三潭組（N2s）、更新統(tǒng)東海群（QPdh）。凹陷大體上經(jīng)歷了三個構造演化階段：盆地開始形成（古新世？）—始新世裂陷期、漸新世—中新世拗陷期、上新世—更新世沉降期。

西部斜坡帶斷裂系統(tǒng)極其發(fā)育，但多數(shù)斷層落差小，延伸距離短，以張性正斷層為主，斷層走向基本與主體構造線方向相一致，北部斷裂主要為NE—SW向，南部斷裂主要為近S—N向；多數(shù)斷裂發(fā)育于漸新世以前（裂陷期），盆地開始接受沉積到始新統(tǒng)平湖組沉積時期活動較強烈，始新世末的玉泉運動后斷裂活動明顯減弱；以發(fā)育斷塊和斷鼻構造為主。中央洼陷反轉構造帶內(nèi)的西次凹和東次凹斷裂不發(fā)育，斷層落差小、延伸距離短，斷裂活動多結束于漸新世花港組沉積期，以發(fā)育低幅度背斜構造為主；而中央反轉帶是由嘉興和寧波斷褶帶、玉泉斷褶帶、黃巖斷褶帶及天臺斷褶帶等組成的背斜帶，是沿早期斷陷中部和東部同沉積斷裂擠壓反轉而形成的反轉構造帶，主要是中新世末期構造反轉的結果，其成因是有選擇性的沿著壘塹結構的斷陷層中的東傾的鏟形斷裂反轉，反轉的幅度和發(fā)育的樣式受控于現(xiàn)存的同沉積斷裂和反轉構造作用的強度，其中最北部和最南部反轉活動比較強烈。

從現(xiàn)今地球動力學上分析，東海陸架盆地主要受菲律賓板塊俯沖作用的影響，并受中國大陸東部邊界（包括郯廬斷裂活動），以及太平洋板塊、南海的形成演化等方面的聯(lián)合影響。菲律賓板塊俯沖作用通過琉球島弧、沖繩海槽影響到東海陸架盆地。這一地球動力學背景決定了西湖凹陷構造應力場的邊界作用框架。

近東西向擠壓造成的構造反轉主要發(fā)生在中新世晚期的柳浪組期間（10.2～5.2 Ma），之后構造作用總體趨于平靜。發(fā)生在柳浪組期間的構造反轉作用形成了的正斷層（與擠壓方向平行），可以確定反轉期的最大主壓應力方向。統(tǒng)計表明，反轉作用形成的正斷層的平均走向為275°，由此確定構造反轉期的最大主壓應力平均方向為近東西向（275°）。

2.2 地質模型的建立

西湖凹陷勘探目的層主要為平湖組和花港組，分布范圍廣泛。東岸則發(fā)育辮狀三角洲體系，砂巖厚度30～50 m，砂泥比高，分布范圍廣泛。選擇T30的斷裂系統(tǒng)圖為模擬的地質格架，T30反射層為花港組和平湖組的分界面，平湖組晚期總體為半封閉海灣沉積環(huán)境，西岸為廣闊的淺水海岸環(huán)境，發(fā)育淺水三角洲體系，廣泛發(fā)育分流河道微相，并由下而上明顯地向東遷移，砂體厚度30～50m，砂泥比低，花港組為陸相湖泊沉積，整體不發(fā)育水體或僅局部存在不穩(wěn)定水體，東西兩岸地形的差異較大，西岸以曲流河三角洲沉積體系為主，砂體厚度大，砂體厚度約為200～300m，砂地比高，分布范圍廣；東岸以辮狀河三角洲沉積為主，砂體厚度約為300～500 m，砂地比高，分布范圍窄。不穩(wěn)定湖相位于凹陷的中北部及南部，中北部的濱淺湖相的面積相對減少。

2.3 模型的力學參數(shù)

巖石力學參數(shù)是依據(jù)凹陷三個構造區(qū)帶巖石力學實驗測得的結果和區(qū)域沉積相分析來選定的。主要選擇了勘探目標區(qū)主要目的層的巖性組合：粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、細粉砂巖、泥巖有代表性的巖石進行了巖石力學實驗測試研究，在不同的圍壓下，測量了巖石的楊氏模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。區(qū)域應力場數(shù)值模擬計算中巖石力學參數(shù)是根據(jù)巖石力學實驗數(shù)據(jù)和不同區(qū)域巖性的差異（通過沉積相的不同反映出來）選取的，取表1所示的數(shù)值。

表1 不同沉積相帶的力學參數(shù)Table 1Mechanics parameters of different sedimentary facies belts

2.4 邊界約束條件及網(wǎng)格劃分

根據(jù)區(qū)域應力場的定向分析，西湖凹陷的構造作用主要表現(xiàn)為北西西（近東西方向）擠壓作用。根據(jù)這一認識，模型的邊界條件確定如下：

1）模型總體受北西西的擠壓構造作用，力源來自菲律賓板塊的俯沖擠壓，通過沖繩海槽，釣魚島隆起帶傳遞到西湖凹陷，模型的東部邊界形態(tài)由西湖凹陷東部逆沖斷層的展布形態(tài)確定。

2）在擠壓的作用下，整個地質體由東向西方向運動；在地質體向西運動過程中，基底會產(chǎn)生阻礙向西運動的摩擦力；西側是被動約束邊界。這樣模型的東側邊界加擠壓作用力，模型的北側、南側、西側邊界加滾軸約束，限制南北向的位移，并加摩擦力。

3）根據(jù)構造作用繼承性原則，可以確定現(xiàn)今不同區(qū)域擠壓作用力的大小分布與中新世末期柳浪組反轉構造變形期的分布趨勢是相似的。為此，在整個西湖凹陷均勻選擇5條近東西向的區(qū)域大剖面，進行反轉期縮短量的平衡恢復，確定每一條剖面的縮短量。這樣，東邊界橫向上擠壓力的相對大小分布根據(jù)剖面縮短量的大小分布來初步確定（表2）。

表2 西湖凹陷T30反射層不同部位橫剖面縮短率Table 2Shortening rates in different parts of T30 reflecking layer in West Lake sag

4）構造作用力大小的取值，通過西部斜坡帶XPD-9井、XPD-11井，中央洼陷反轉帶北部ZYB-1井、ZYB-2井及中央反轉帶南部ZYN-4井、ZYN-2井6口井的水力壓裂應力計算值作為約束。

上述構造模型中，內(nèi)部結構和沉積相是確定的，邊界條件中的邊界作用方式、邊界作用力的方向和邊界的約束條件是確實的，不確定的只是邊界作用力的大小，它們需要通過約束反演來確定（6口井的水力壓裂應力計算值作為反演計算的約束值）。

根據(jù)構造模型，其平面上為三角形，最大的邊長可達9 km，最小的邊長可達3 km。模型整體網(wǎng)絡剖分全貌如圖2所示，共剖分為8 043個單元。

網(wǎng)格剖分完成后，在上述構造模型確定邊界條件下對模型進行加載，最后以模型邊緣整體變形作為反約束條件，通過反復試算，不斷細微地調整加載的分布和大小，直到符合上述所有的約束條件為止，這時輸出的應力場模擬計算結果代表西湖凹陷現(xiàn)今的應力場。

圖2 西湖凹陷花港組早期構造應力場數(shù)值模擬模型Fig.2Numerical stimulation model of structural stress field during early Huagang period in West Lake sag

2.5 應力場模擬結果

通過應力場模擬，從主壓應力圖（圖3、圖4）上可以清楚看出，西湖凹陷地應力場總體特征與分布規(guī)律：

1）現(xiàn)今水平最大主應力方位大致在270°，即近東西向。

2）中央洼陷反轉構造帶的中央反轉帶后期擠壓形成，新生界層序中的中上部花港組和平湖組上部地層，隆升反轉以后基本處于弱擠壓―張性的應力環(huán)境，因此多處于地應力低值區(qū)；而中央洼陷反轉構造帶的東次凹和西次凹，基本為負向構造區(qū)，仍處于強擠壓狀態(tài)，多為地應力高值區(qū)，但兩者略有區(qū)別，西次凹局部隆升低幅度反轉，核部處于弱壓性應力狀態(tài)，因此，相對于東次凹，西次凹地應力值稍低。

3）中央反轉帶中部玉泉構造區(qū)和龍井構造區(qū)，是整個中央反轉帶隆升反轉幅度最高的地區(qū)，花港組地層整體處于弱張性的應力環(huán)境，是該區(qū)地應力最低的兩個區(qū)帶。

圖3 西湖凹陷區(qū)域模擬現(xiàn)今主應力分布Fig.3Simulated principal stress in the present potential field in West Lake sag

圖4 西湖凹陷現(xiàn)今主應力剖面Fig.4Profile of principal stress in the present potential field in West Lake sag

4）西部斜坡帶的中部PH1井構造區(qū)，是斜坡帶唯一個中新世末擠壓反轉形成的背斜構造，所以現(xiàn)今的花港組地層處于弱壓性―弱張性的應力狀態(tài)，因此，是該區(qū)地應力最低的區(qū)帶；西部斜坡帶的中北部NB2-1-1東構造區(qū)，是古潛山上發(fā)育披覆構造，花港組地層自東向西的擠壓應力被潛山阻擋，因此，上部地層處于低地應力區(qū)。

5）根據(jù)地應力剖面與真實地震剖面（圖5）對比可知，地應力隨深度而增加，深層地應力高，淺層地應力低；中央反轉帶受來自東部的水平擠壓應力和西部的基巖塊體阻擋共同作用，抬升反轉，構造帶軸部上部地層基本處于一個張性的應力環(huán)境，地應力低，而下部地層受限于底部基底，因此，地應力高。

圖5 西湖凹陷主測線方向地震剖面Fig.5Inline seismic profile of West Lake sag

2.6 運移勢模擬結果

地應力與巖石格架的垂直有效應力存在必然的聯(lián)系，利用有效應力原理及達西定律便可以建立流體運移和構造應力場二者之間的定量關系，得到地應力數(shù)值模擬結果之后，便可通過公式計算出西湖凹陷流體勢能（圖6），值得一提的是，地應力造成的流體勢差異并不能作為影響西湖凹陷油氣運移的唯一因素，比如西湖凹陷超壓普遍發(fā)育，在超壓強的區(qū)域，生烴強度大，油氣運移動力強，必然會對油氣的運聚產(chǎn)生影響，因此本次的計算結果僅能代表在其他因素相同時，地應力對油氣運移產(chǎn)生的影響，如果要全面考慮油氣運移，還應考慮油氣運移動力，油氣輸導體系等相關影響因素。本次得到的結果如下：

圖6 西湖凹陷流體勢場Fig.6Fluid potential field in West Lake sag

1）中央洼陷反轉帶的中部玉泉構造區(qū)和龍井構造區(qū)形成了兩個流體勢低值區(qū)，其中中部玉泉的面積較大，與圈閉面積匹配較好，流體勢最小壓力小于16 MPa，而北部的分布面積較小，流體勢壓力最小22 MPa。

2）西部斜坡帶整體來看從高帶到低帶地應力逐漸降低，其中中部和中北部形成了兩個流體勢低值區(qū)，中部流體勢最小壓力小于22 MPa，中北部的分布面積較小，流體勢壓力最小30 MPa。

3）中央洼陷反轉帶的西次凹、東次凹以及西斜坡的低部位處于流體勢高值區(qū)。

4）圖3及圖6顯示地應力與流體勢的分布呈明顯正相關性，地應力低的地區(qū)流體勢能往往也較低，地應力越低，越利于油氣聚集。

5）本次流體勢模擬結果揭示了三個勢能極低的區(qū)域，分別為ZYB-1井區(qū)、ZYB-4井區(qū)及XPD-1井區(qū)，三個井區(qū)無一例外均是超壓發(fā)育區(qū)，XPD-1井區(qū)甚至發(fā)生井涌現(xiàn)象，分析其勢能低的原因為過高的孔隙壓力使得部分地應力被流體承擔，造成地應力低的現(xiàn)象，導致流體勢壓力也較低。

3 有利勘探區(qū)帶預測

根據(jù)西湖凹陷應力場和運移勢場的分布特征以及油氣輸導體系，結合凹陷的構造特征和圈閉發(fā)育情況，對凹陷油氣聚集的有利區(qū)帶進行了預測：中央反轉帶的中部和北部是流體運移低勢區(qū)，其分布范圍與圈閉的范圍有良好的耦合關系，是油氣運移聚集的有利區(qū)；西部斜坡中部和中北部的兩個流體運移低勢區(qū)，該區(qū)斷裂發(fā)育，斷塊和斷鼻圈閉發(fā)育，也是油氣運移匯聚的有利區(qū)；斜坡低部位是流體勢的高值區(qū)，不易形成構造油氣藏，但壓力高，油氣易于就近在巖性圈閉中聚集。

4 結論

通過前面分析，得出以下認識：

1）地應力是驅動油氣運移聚集的重要動力，流體運移勢的分布與地應力有較好的對應關系，高應力區(qū)對應于高勢區(qū)，低應力區(qū)對應低勢區(qū)。

2）西湖凹陷現(xiàn)今主應力方位大致在270°，即近東西向。

3）西湖凹陷中央反轉帶的中部和北部地區(qū)，花港組和平湖組上部是低地應力區(qū)，對應低勢區(qū)，是油氣運移有利的有利指向；西部斜坡帶的中部和中北部有兩個低地應力區(qū)，對應低勢區(qū)，是油氣運移的有利指向。

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（編輯：嚴駿）

Relation between crustal stress field and hydrocarbon migration in West Lake sag,East China Sea basin

Gao Weizhong1,Sun Peng1,Tian Chao1and Yang Yan2
(1.Shanghai CNOOC(China)Limited,Shanghai 200030,China; 2.No.4 Oil Production Plant,North China Company,CNPC,Langfang,Hebei 065000,China)

On the basis of the rich drilling,seismic and structural evolution,with the analysis of regional stress background and the nu?merical stimulation method of structural stress field,the rock parameters were optimized to set the boundary constraints and subdivide the network reasonably.Therefore,the crustal stress field geological model of West Lake sag was established and the distribution char?acteristics of the crustal stress field were simulated.Furthermore,the distribution characteristics of the fluid potential in West Lake sag were calculated from the relation of crustal stress field and fluid migration to analyze their correlation for the discussion of the in?fluences of stress on hydrocarbon migration.At last,according to the distribution of crustal stress field and fluid potential field,the control action of crustal stress on the direction of hydrocarbon migration was analyzed by single factor to predict the optimum direction of hydrocarbon migration and point out the possible accumulation.It provided scientific basis for the selection of the exploration target.

crustal stress field,numerical stimulation,fluid potential,hydrocarbon migration,West Lake sag

TE122.1

A

2014-11-12。

高偉中（1969—），男，高級工程師，石油地質與勘探。