构造应力场、流体势场对油气运聚的控制作用.pdf

构造应力场、流体势场对油气运聚的控制作用 王小凤武红岭马寅生操成杰 王连庆 陈宣华 田晓娟 (中国地质科学院地质力学研究所) 张敏江波尹成明 张启全张永庶 (青海油田公司勘探开发研究院) 提出了盆地中油气运移的流体势场理论。自此，石油地质界就将研究油气迁移、聚集规律的 着眼点放在了异常流体压力和水力驱动油气运移上。地下水流体系统由于地形差异、水热活 动，或因沉积负载欠压实造成了地下异常流体压力或称为流体势差，从而带动油气在多孔介 质中迁移、流动r4~10J。这一理论和方法比起早期仅以地层、构造、沉积体系为研究对象的 地质固体系统研究来，无疑是前进了一大步，也是石油地质理论发展的一个生长点。但他们 的油藏流体势理论并不考虑构造活动引起的非均匀构造应力场和固体重力场所造成的压力 差。事实上，在油田演化过程中，构造活动期构造应力场的横向差异，特别是压性或压扭性 应力场对孔隙介质中流体的走向有重要的控制作用。 20世纪80年代初，NoorishadEll]、Barton等[12]及0daarea[13]等国外学者较早采用模型 化和数值方法研究分析裂隙岩体中流体流动与应力作用的耦合关系；而后国内水文界的学者 也有一些这方面的工作[14~16|。徐则民等E173撰文指出，双场(渗流场、应力场)耦合模型必 须以概念模型为基础，反映双场相互作用的实质。有必要首先确定哪个场是主动变化者，哪 个场是被动接受者，然后按主动者模型一耦合桥梁(关系)一被动者模型的解题步骤实施模 拟研究。 提出构造应力(主动变化者)驱动油气(被动接受者)运移的观点，将东海盆地和塔北凹陷 的油气运移规律与区域性构造应力场特征联系起来，通过在渗流方程中引入一项表征构造应 力的梯度项，研究构造应力场对油气的驱移作用。随后又有孙宝珊等[21|、殷有泉[22|、王连 捷等E引、黄汉纯等‘川、周新桂等‘：s～驯、宋惠珍E27～列、王喜双等‘∞1对一些油田和盆地的现 今构造应力场和油气关系的研究。但由于这项研究涉及固体、流体两种介质，从理论到研究 方法上怎样将二者统一起来，上述研究并未解决。他们的工作重点仍旧放在固体系统中构造 应力场的分析研究上，没有找到合理的耦合桥梁将构造应力场转化为等效的流体势场。 20世纪90年代末，孙雄等跚~31]从流体动力学的基本规律出发，应用渗流力学、岩土 力学和弹性力学的理论及方法，推导出了考虑应力状态的多孔介质中流体运动的动力学方 程，分析了构造应力影响流体运移的三种方式。同时，葛云龙等E32]以辽河盆地大民屯凹陷 为例，依据详实的实际资料，研究探讨了构造应力场与油气运移及分布的关系。曾海容、宋 惠珍[33]从考虑介质的可压缩性和孑L隙流体压力作用的弹性固体力学方程出发，将其与考虑 固液同时作用的流体控制方程联立，以期解决固液力学的耦合问题。但他们的工作偏重于理 论推导，无具体实例。武红岭、王小凤等阱]以辽河油田为例，应用孔隙压力和有效应力的 ．--——455．———— 概念[353提出将固体构造应力场中的平均应力转化为孔隙介质中等效的流体压力或流体势场， 再用渗流方程和达西定律解出由构造应力场所引起的流体运移速率。推动了构造应力场驱动 油气运移的深入研究，偏重于解决实际问题。董平川等‰~373用流固耦合的三维数值模拟方 法研究了油田开采过程中，油层变形、有效应力和流体压力的关系等问题。冉启全等[38]根 据油藏应力与渗流相互作用的耦合机理，提出了一个用于油藏有效应力动态预测的三维弹塑 性模型。 本研究的特色是运用多孔介质渗流理论和构造应力场驱动油气运移的流固耦合分析的方 法对柴西地区构造应力场及流体运移势进行数值模拟，进而揭示油气运聚的规律。 一、基本原理 本研究运用的理论与方法的特色是，依据连续介质力学的理论，研究岩体中的构造应力 场特征和孔隙介质中流体的运移规律。连续介质分为固体和流体，．而我们的研究对象——含 流体的多孔介质是二者的集合体。分别说来，流体和固体对相同外力的响应截然不同，它们 遵循不同的形变和运动规律，我们的作法是通过平均应力的概念将岩体构造应力与多孔介质 中流体的流动有机地联系起来，采用数值模拟的新技术和方法，研究构造应力对岩体中油气 的驱移作用，以此推测油气聚集的有利部位。 本研究依据的理论与方法的内涵如