構造應力場與油氣運聚規律探討——以鄂爾多斯盆地蘇10區塊為例

郭 鵬，李春林，哈文雷，任德生

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

構造應力場與油氣運聚規律探討
——以鄂爾多斯盆地蘇10區塊為例

郭 鵬1，李春林1，哈文雷2，任德生3

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

地應力是影響儲層流體壓力和驅動油氣運移的主要動力之一。首先根據鄂爾多斯盆地蘇10區塊地質及區域構造應力場的特征，建立了該區塊三維有限元模型。通過數值模擬分析，得到了目的層的平均應力、最大水平主應力等地應力等值線分布圖，在此基礎上進一步計算了油氣運移勢場。其次，綜合分析了構造應力場與流體勢場數值模擬結果和氣井的生產情況，發現氣井的高產井區為地應力場和流體勢場的低值區。由此分析認為:在構造應力場作用下，油氣易于從地應力場的高值區向低值區運移與富集，從流體勢場的高勢區向低勢區運移與富集。

應力場;三維有限元;油氣運聚;流體勢場;蘇10區塊

1 研究區地質及構造運動概況

鄂爾多斯盆地蘇10區塊位于蘇里格氣田的西北部，長慶靖邊氣田西北側的蘇里格廟地區。蘇里格氣田上古生界地層自下而上發育著石炭系本溪組、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動時期和喜山運動時期。燕山運動是鄂爾多斯盆地所經歷的最強烈的構造運動，也是構造形跡得以較好地保存的運動;喜山運動是鄂爾多斯盆地所經歷的最后一次構造作用，最終形成了鄂爾多斯盆地及其周邊的構造格架［3－6］;中國現代構造應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生對周邊側壓的聯合作用［7－9］。

2 蘇10區塊地應力場三維有限元數值模擬

2.1 有限單元法的基本原理

三維有限元數值模擬研究根據構造變形反演研究區域的邊界條件，建立地質模型、數學模型和力學模型，用有限元法進行反演計算特定時期的應力場，可以得到構造應力場在研究區域的分布形態及特征［3］。在進行三維有限元數值分析中，為了得到所分析區塊的精確結果，利用邊界載荷調整法可以達到較好的效果。通過對研究區內應力的測量，給出測點上的應力值和應力方向，調整邊界條件，使得模擬值與實際相吻合。

根據模擬的最大主應力、最小主應力、最大剪應力和平均應力的分布形態及特征，可以分析構造不同部位、不同地質體及不同走向斷裂的空間應力特點。再根據巖石脆性破裂理論，利用應力場數值模擬結果對在此構造應力場作用下的裂縫發育情況做出分析和預測［6］。

2.2 地質模型的建立

考慮到蘇10地區構造應力場特征，根根有限元數值模擬的需要，建立地質模型和數學模型［10］。采用Super SAP有限元軟件建立地質模型，要考慮目的層的區域分布、地質層位、巖性分布特點等因素［5］，自北至南建立8個控制剖面。模型南北長約33 km，東西長約17 km，模擬深度約5 km，面積約542 km2。共劃分三維立體單元數6 840個、節點數8 190個。

2.3 構造模型和物理模型

根據構造裂縫的(主要)形成時期，作與之相應的古構造剖面圖。將研究區目的層及上下巖層作為隔離體進行數值模擬。

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，僅少數節點為固定全約束的邊界條件，以保證區塊沒有整體的剛性平動和轉動。

應力邊界條件:模型四周采用梯形應力邊界條件。分別按構造裂縫形成前和構造裂縫形成后(包括成藏期和現今)2種工況進行模擬計算。

2.4 數學模型物理力學參數

數學模型物理力學參數依據巖石力學測試和經驗參數確定(表1)。

表1 數值模擬物理力學參數

2.5 構造應力場計算

數學模型建立后，采用Super SAP有限元軟件對燕山期、喜山期和現今期地應力場進行計算分析。得到了相應目的層的最大主應力、最小主應力、最大剪應力和平均應力等值線分布圖。

3 地應力場數值模擬結果與油氣運聚分析

3.1 地應力與油氣運移機理

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

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。

當該點巖石變形時，四周受到圍巖的約束，不能產生自由膨脹，即:ε2=ε3=0。按照胡克定律，有:

式中:μ為泊松系數。

(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。若巖石埋藏的時期久，深度大，巖石在高溫、高壓條件下，應力差隨時間逐漸變小，最后消失，即:

(3)式表明，在靜巖壓力狀態基礎上，疊加由構造運動引起的構造應力，則地殼內部可能處于3種應力狀態，即:σ1≠σ2≠σ3，σ1= σ2≠σ3，σ1≠σ2=σ3。

在任一孔隙性巖石中，施加的應力總是由基質骨架和孔隙流體壓力共同支撐的。換言之，巖石固體部分產生應變的應力是由體系總應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'為總應力，Pa;σ為有效應力，Pa;p為孔隙流體壓力，Pa。

在外部施加應力增量Δσ'，會有3種情況:增加的應力全部由基質所支撐;增加的應力由基質和流體共同支撐;增加的應力僅由流體壓力的增量所抵消。

由有效應力定律表明，在外部負載不變的情況下，流體壓力的任一增大或減小都會引起有效應力的變化。根據有效應力的變化推測一定地質歷史時期的孔隙壓力分布，并在此基礎上研究古流體勢的分布，即由于地應力作用導致了流體勢能的變化，最終促使油氣由高勢區向低勢區運移，得出油氣運移的方向。

3.2 結果分析

從蘇10區塊應力場的模擬結果來看，最大主應力場和最小主應力場分布不均勻，在西南部主應力值較大，在東北部主應力值比較小，使得地層中賦存的流體勢能處于不均衡狀態，則油氣從壓應力高值區向低值區運移，而剪應力很難作用于流體，因此主要由主應力對油氣的運聚起控制作用。

圖1 構造裂縫形成前平均應力分布

從應力場角度分析，流體的外界壓力受平均應力即球應力(圖1)所控制，三維應力場模擬可以給出空間任意點平均應力，根據上述定義的運移勢進行計算，模擬了油氣運移勢場(圖2)。由于蘇10區塊西南部為流體勢的高值區，西北斜坡為相對低勢區，因此在流體勢能的驅動作用下總的油氣運移方向是由西南向東北運移，如果具備良好的儲層、蓋層或儲油構造，便可形成一定規模的油氣富集。因此蘇15、蘇10－32－65一帶是今后勘探的重點。

圖2 構造裂縫形成后油氣運移勢分布

4 結論

(1)通過蘇10區塊的構造應力場三維有限元模擬及流體勢的計算與分析，認為油氣的運移主要受主應力的控制，在地應力的驅動下，油氣由壓應力高值區向應力低值區運移。

(2)根據流體運移勢計算結果揭示油氣運移勢場與構造應力場的分布具有相關性，即高壓應力區一般為高勢區，低壓應力區為低勢區。壓應力低值區是油氣聚集的有利部位，處于這些區的氣井多數為高產井。

(3)通過地應力場、流體勢場的數值模擬可以了解油氣運移的規律，為勘探、開發井位部署提供重要的理論依據。

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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，Fuxin，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

遼寧省創新團隊資助項目“瓦斯突出與沖擊地壓災害轉換機理的研究”(2009T046)

郭鵬(1984－)，男，2009年畢業于中國礦業大學土木工程專業，現為遼寧工程技術大學工程力學專業在讀碩士研究生，研究方向為結構力學、構造應力場及儲層裂縫。

編輯 林樹龍