我国西部含油气盆地中构造应力对油气运移的影响

畅 斌

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

我国西部含油气盆地中构造应力对油气运移的影响

畅 斌

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

构造应力在油气运移过程中是一个全局因素，在对国内外构造应力及油气运移研究成果全面系统调研和分析的基础上，总结未固结地层、固结地层、发育裂缝地层中的与构造应力有关的输导体系及运移动力，研究表明，构造应力对油气运移的影响贯穿着地层中输导体系形成及改造和烃类运移的整个过程。

构造应力;油气运移

构造应力(tectonic stress)是指在各种地壳构造运动作用力的影响下，地壳中所产生的应力，又称地应力。在空间上分为垂向主应力和水平最大主应力及水平最小主应力，垂向主应力是由静岩压力所引起的，而两个水平主应力则是由构造运动引起的。在我国西部地区多个含油气盆地中，构造应力是地质研究中的一个全局因素，它对盆地升降运动中的地层沉积沉降与抬升剥蚀、构造形成等具有重要影响。所以，构造应力与油气运移之间存在着必然联系［1－2］。在油气运移的过程中，输导体系和运移动力控制了油气的运移。构造应力对这两个主控因素的作用会对油气的运移产生重要影响。

1 构造应力对输导体系的影响

1.1 构造应力对未固结地层的影响

前人研究认为地层中的砂体、断层、裂缝、不整合面等是主要的输导介质。但对地层在固结前所受的构造应力对地层中输导体系演化的影响研究较薄弱。在地层沉积过程中，沉积物在沉积之后、固结之前的未固结阶段，受到构造应力作用会出现软沉积变形构造［3－4］，Mandl［5］发现在加载剪切应力的实验中，模拟未固结砂体的样品中部剪切带内出现了较多空隙。砂岩储层中不同层位具有不同的物性特点，除了砂体物源及沉积环境外，古构造应力场在砂体未固结时的改造作用对空隙带形成可能也有较大影响。

与构造应力关系紧密的地震活动会在未固结地层中诱发形成震积岩。目前在我国西部主要含油气盆地如准噶尔盆地、柴达木盆地等均有震积岩的发现［6－7］，这些构造应力引起的地层内部的颗粒重新排列会对地层的物性产生影响，目前学术界对震积岩在油气运移成藏过程中的作用存在分歧［8－10］，对震积岩是否可作为良好的输导介质存在争议，绝大多是学者认为震积岩受到的地震事件可以增大地层的分异度。震积岩受到的外力增大了岩石的致密程度［11］，且在扰乱原始沉积地层沉积序列的同时弱化了盖层与储层的界线(图1)。震积岩中砂岩－泥岩界面由原先的单一平面形态变为立体形态，这也意味着岩性界面－力学薄弱面的大量增加，这为现象地层后期受外力改造、提高地层物性埋下伏笔，在特定的触发因素作用下，震积岩可以作为特殊储层和运移通道。

图1 震积岩垂向沉积序列［11］

1.2 构造应力对固结地层的影响

固结地层在构造剪切应力作用下，伴随背斜构造、断层等的出现地层中会出现裂缝发育带，如断层及其附近地层、背斜构造的轴部。砂岩和泥岩地层受岩石中力学薄弱面发育与否及发育程度具有不同的裂缝发育特点(表1)。在我国西部含油气盆地中，主要的构造应力是水平挤压应力。围绕挤压应力背景下剪切力对砂岩裂缝形成机制前人做了大量工作，Lorenz(1990)报道了在岩心剪切实验中，岩心中部平行剪应力方向出现疏松甚至裂缝的现象［12］，Aydin和 Antonellini等(1994，1998，2006)对断裂带附近砂岩地层中的这一现象也有报道［13－15］。曾联波等［16］提出了鄂尔多斯盆地上三叠统延长组特低渗透砂岩储层平面上不同方向岩石力学性质各向异性的存在，这一现象也暗示了砂岩储层平面上物性的各向异性，也有利于裂缝网络的形成。

Capuano［17］报道了德克萨斯Frio组页岩中烃类沿顺层面方向的微裂缝运移的现象，并且计算出微裂缝发育的页岩渗透率接近同层位的超压砂岩储层，证明了超压条件下烃类侧向顺层运聚的可能。刘庆(2004)、杜春国(2006)等的研究也支持这一点［18－19］。

表1 砂岩、泥页岩裂缝类型及成因［26－28］

我国西部地区泥岩层系中多见岩心饼裂［20－21］现象，前人研究已将这一现象归为自然成因而非钻井等人为因素成因，岩心饼裂的成因包括卸载和剪切应力以及异常流体压力［20－22］，Hubbert［23］提出异常流体压力可能造成地层滑移、饼裂。饼裂的形成更进一步优化了源内平行层面方向物性，而且由于饼裂面滑移涂抹效应的存在，也使得垂向上的封堵作用增强［24］。

实测岩石应力敏感曲线(图2)中我们可以看出，在围压增大(加载)过程中，伴随样品骨架颗粒之间孔隙的减小，岩石的渗透率是减小的;围压的减小(卸载)过程中，随着岩石样品骨架颗粒的回弹，岩石的渗透率相应反弹，但这是一不可逆过程，样品的渗透率无法回到加压前状态。当然，如果围压足够大，超过样品破裂压力，样品的输导介质类型将由原先的孔隙转为裂缝－孔隙型。

目前学术界对单一岩性样品如砂岩、泥岩的裂缝发育机理研究较多，但是对模拟真实地层中砂岩、泥岩互层样品在构造应力作用下的裂缝发育机理研究较少。目前对于固结地层的构造应力研究在生产实践中主要应用有:根据构造应力场方向和应力大小调整油藏压裂方案，避免注采井网连线与最大主应力方向平行等。

1.3 构造应力对发育裂缝地层的影响

不同方向的构造应力对发育裂缝地层的输导能力有截然不同的影响。裂缝－孔隙型双重介质应力敏感模拟试验验证了在上覆压力增加的情况下，对应力较敏感的裂缝－孔隙型样品中，受到裂缝高度(开度)的减小，渗透率减小且相对于不发育裂缝的样品敏感系数更高(图3)。这一实验过程模拟了发育平行层面裂缝地层在持续沉降过程中受到上覆岩层压力/地静压力增加后的物性变化过程。如果砂岩储层中发育的平行层面裂缝是扩张裂缝，且其形成的构造应力场不变，裂缝的位移方向与裂缝面垂直，则此裂缝的渗透率有可能随着开度的增加而增大。这一研究目前较少，但在我国西部地区含油气盆地中具有现实意义。

图2 实测岩石应力敏感曲线［25］

图3 岩样渗透率与应力敏感系数的关系图［29］

2 构造应力对运移动力的影响

传统的油气运移理论将静岩压力作为岩层孔隙中流体所受外界压力的主要原因，作为油气运移的主要作用力，地静压力作用在砂泥岩地层上，使砂泥岩层之间形成压力差异，随着砂泥岩沉积物在沉积沉降过程中的不断压实，地层孔隙中的地层水不断排出，油气从压力大的深部烃源岩地层中进入压力较小的浅部储层中。由于我国西部含油气盆地具有继承性较好的沉积沉降中心，烃源岩上覆地层具有盆地中心厚度大，向盆地边缘厚度减小，造成上覆地层厚度大的盆地生烃中心静岩压力大，向盆地边缘呈静岩压力逐渐减小的现象。

在我国西部挤压应力发育区，受地层岩性变化影响，多在较致密的地层中发育的滑脱裂缝大量分布，侧向挤压应力使得多套地层的滑动出现使得滑脱构造中的地层层间脱空，形成空腔［30］，并伴随断裂活动产生的地震泵［31］作用对油气运移形成抽吸作用。

3 结语

在我国西部含油气盆地，构造应力对未固结地层、固结地层及发育裂缝地层中的输导体系改造均有控制作用，并提供了烃类运移所需要的运移动力，这一作用贯穿了烃类运聚的整个过程(图4)。

图4 构造应力与输导体系和运移动力的关系

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P612

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1004－1184(2013)02－0191－03

2013－01－13

国家油气专项“柴达木盆地油气资源战略调查及评价”(XQ－2004－01)资助

畅斌(1982－)，男，陕西西安人，博士研究生，研究方向:石油天然气地质。