构造应力场与油气运聚规律探讨——以鄂尔多斯盆地苏10区块为例

郭 鹏，李春林，哈文雷，任德生

(1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000;2.中油长城钻探工程有限公司，北京 100101;3.北京油谷科技发展有限公司，北京 100085)

构造应力场与油气运聚规律探讨
——以鄂尔多斯盆地苏10区块为例

郭 鹏1，李春林1，哈文雷2，任德生3

(1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000;2.中油长城钻探工程有限公司，北京 100101;3.北京油谷科技发展有限公司，北京 100085)

地应力是影响储层流体压力和驱动油气运移的主要动力之一。首先根据鄂尔多斯盆地苏10区块地质及区域构造应力场的特征，建立了该区块三维有限元模型。通过数值模拟分析，得到了目的层的平均应力、最大水平主应力等地应力等值线分布图，在此基础上进一步计算了油气运移势场。其次，综合分析了构造应力场与流体势场数值模拟结果和气井的生产情况，发现气井的高产井区为地应力场和流体势场的低值区。由此分析认为:在构造应力场作用下，油气易于从地应力场的高值区向低值区运移与富集，从流体势场的高势区向低势区运移与富集。

应力场;三维有限元;油气运聚;流体势场;苏10区块

1 研究区地质及构造运动概况

鄂尔多斯盆地苏10区块位于苏里格气田的西北部，长庆靖边气田西北侧的苏里格庙地区。苏里格气田上古生界地层自下而上发育着石炭系本溪组、二叠系太原组、山西组、石盒子组和石千峰组［1－2］。

鄂尔多斯盆地上古生界成藏主要集中在燕山运动时期和喜山运动时期。燕山运动是鄂尔多斯盆地所经历的最强烈的构造运动，也是构造形迹得以较好地保存的运动;喜山运动是鄂尔多斯盆地所经历的最后一次构造作用，最终形成了鄂尔多斯盆地及其周边的构造格架［3－6］;中国现代构造应力主要受控于东部太平洋板块俯冲、菲律宾板块挤入作用，以及西南部印度板块向北碰撞欧亚大陆和印度板块碰撞致使青藏高原隆升产生对周边侧压的联合作用［7－9］。

2 苏10区块地应力场三维有限元数值模拟

2.1 有限单元法的基本原理

三维有限元数值模拟研究根据构造变形反演研究区域的边界条件，建立地质模型、数学模型和力学模型，用有限元法进行反演计算特定时期的应力场，可以得到构造应力场在研究区域的分布形态及特征［3］。在进行三维有限元数值分析中，为了得到所分析区块的精确结果，利用边界载荷调整法可以达到较好的效果。通过对研究区内应力的测量，给出测点上的应力值和应力方向，调整边界条件，使得模拟值与实际相吻合。

根据模拟的最大主应力、最小主应力、最大剪应力和平均应力的分布形态及特征，可以分析构造不同部位、不同地质体及不同走向断裂的空间应力特点。再根据岩石脆性破裂理论，利用应力场数值模拟结果对在此构造应力场作用下的裂缝发育情况做出分析和预测［6］。

2.2 地质模型的建立

考虑到苏10地区构造应力场特征，根根有限元数值模拟的需要，建立地质模型和数学模型［10］。采用Super SAP有限元软件建立地质模型，要考虑目的层的区域分布、地质层位、岩性分布特点等因素［5］，自北至南建立8个控制剖面。模型南北长约33 km，东西长约17 km，模拟深度约5 km，面积约542 km2。共划分三维立体单元数6 840个、节点数8 190个。

2.3 构造模型和物理模型

根据构造裂缝的(主要)形成时期，作与之相应的古构造剖面图。将研究区目的层及上下岩层作为隔离体进行数值模拟。

位移边界条件:模型底部主要采用垂直方向约束、水平方向自由，仅少数节点为固定全约束的边界条件，以保证区块没有整体的刚性平动和转动。

应力边界条件:模型四周采用梯形应力边界条件。分别按构造裂缝形成前和构造裂缝形成后(包括成藏期和现今)2种工况进行模拟计算。

2.4 数学模型物理力学参数

数学模型物理力学参数依据岩石力学测试和经验参数确定(表1)。

表1 数值模拟物理力学参数

2.5 构造应力场计算

数学模型建立后，采用Super SAP有限元软件对燕山期、喜山期和现今期地应力场进行计算分析。得到了相应目的层的最大主应力、最小主应力、最大剪应力和平均应力等值线分布图。

3 地应力场数值模拟结果与油气运聚分析

3.1 地应力与油气运移机理

地壳中在一定深度处的岩石所受到的应力是自重应力与构造应力的叠加。根据Heim的假设，一定深度的岩层，由于上覆岩层的重力作用，垂直方向的应力为:

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

当该点岩石变形时，四周受到围岩的约束，不能产生自由膨胀，即:ε2=ε3=0。按照胡克定律，有:

式中:μ为泊松系数。

(2)式表示在地壳浅部，温度和围压较低的情况下，岩石处于弹性状态。若岩石埋藏的时期久，深度大，岩石在高温、高压条件下，应力差随时间逐渐变小，最后消失，即:

(3)式表明，在静岩压力状态基础上，叠加由构造运动引起的构造应力，则地壳内部可能处于3种应力状态，即:σ1≠σ2≠σ3，σ1= σ2≠σ3，σ1≠σ2=σ3。

在任一孔隙性岩石中，施加的应力总是由基质骨架和孔隙流体压力共同支撑的。换言之，岩石固体部分产生应变的应力是由体系总应力减去孔隙流体压力所得出的。岩石中任意面上均有:

式中:σ'为总应力，Pa;σ为有效应力，Pa;p为孔隙流体压力，Pa。

在外部施加应力增量Δσ'，会有3种情况:增加的应力全部由基质所支撑;增加的应力由基质和流体共同支撑;增加的应力仅由流体压力的增量所抵消。

由有效应力定律表明，在外部负载不变的情况下，流体压力的任一增大或减小都会引起有效应力的变化。根据有效应力的变化推测一定地质历史时期的孔隙压力分布，并在此基础上研究古流体势的分布，即由于地应力作用导致了流体势能的变化，最终促使油气由高势区向低势区运移，得出油气运移的方向。

3.2 结果分析

从苏10区块应力场的模拟结果来看，最大主应力场和最小主应力场分布不均匀，在西南部主应力值较大，在东北部主应力值比较小，使得地层中赋存的流体势能处于不均衡状态，则油气从压应力高值区向低值区运移，而剪应力很难作用于流体，因此主要由主应力对油气的运聚起控制作用。

图1 构造裂缝形成前平均应力分布

从应力场角度分析，流体的外界压力受平均应力即球应力(图1)所控制，三维应力场模拟可以给出空间任意点平均应力，根据上述定义的运移势进行计算，模拟了油气运移势场(图2)。由于苏10区块西南部为流体势的高值区，西北斜坡为相对低势区，因此在流体势能的驱动作用下总的油气运移方向是由西南向东北运移，如果具备良好的储层、盖层或储油构造，便可形成一定规模的油气富集。因此苏15、苏10－32－65一带是今后勘探的重点。

图2 构造裂缝形成后油气运移势分布

4 结论

(1)通过苏10区块的构造应力场三维有限元模拟及流体势的计算与分析，认为油气的运移主要受主应力的控制，在地应力的驱动下，油气由压应力高值区向应力低值区运移。

(2)根据流体运移势计算结果揭示油气运移势场与构造应力场的分布具有相关性，即高压应力区一般为高势区，低压应力区为低势区。压应力低值区是油气聚集的有利部位，处于这些区的气井多数为高产井。

(3)通过地应力场、流体势场的数值模拟可以了解油气运移的规律，为勘探、开发井位部署提供重要的理论依据。

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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

辽宁省创新团队资助项目“瓦斯突出与冲击地压灾害转换机理的研究”(2009T046)

郭鹏(1984－)，男，2009年毕业于中国矿业大学土木工程专业，现为辽宁工程技术大学工程力学专业在读硕士研究生，研究方向为结构力学、构造应力场及储层裂缝。

编辑 林树龙