基于应力场分析的辽河滩海地区油气运移规律研究

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【摘 要】 本文通过对辽河滩海地区地质构造条件的调查，应用基于应力场分析的数值方法，分析了辽河滩海地区油气分布规律，得出控制辽河滩海地区油气成藏的主要因素，对于研究该区域油气勘探开发技术和油气成藏及演化提供重要理论依据。

【关键词】 地应力 有限元 应力场模拟 油气运移

辽河滩海地区位于辽东湾北部，西起葫芦岛，东到鲅鱼圈连线北侧，包括水深5米以下的浅海、海滩及陆滩区域，属渤海湾盆地滩海地区的重要组成部分。经勘探其储藏了大量的油气资源。

油气运移是指石油和天然气在地壳中因各种自然因素的作用而发生的流动。油气运移过程通常包括初次运移和二次运移两个阶段，油气在生油层分布较零散，在地层静压力、热力等作用下向邻近的储油层运移，被称为初次运移。进入储油层后因环境条件的变化而产生的油气运移统称为二次运移。本文通过对辽河滩海地区地质条件概况的深入分析，基于有限元方法计算该地区地应力场和油气运移的主要指标，预测该地区的主要含油区及易采区，为油田注采方案的制订提供可靠依据。

1 地质构造分析

辽河滩海地区的地理条件很复杂，由多条河道、沙洲及滩涂由于的东部凹陷盆地，同时因处于渤海弯，海潮活跃，是一个中、新生代呈“三凸两凹”的构造格局的断陷型盆地。主要分布9个正向二级构造带：东部正向构造带即太阳岛-葵花岛断裂背斜构造带和燕南潜山带；西部正向构造带即西部斜坡带、笔架岭构造带和葫东构造带；中部正向构造带发育有仙鹤-月牙断鼻构造带、海南-月东披覆构造带、海南东坡超覆构造带与盖州滩断鼻构造带[2]。以及海南洼陷与盖州滩洼陷2个负向构造带。

该地区的地层由古生界、中生界和新生界古近系沙河街组、新近系馆陶组及东营组等多个含油气层系组成，其中主要有沙一、沙三及东三段烃源岩，上覆有良好的泥岩盖层，具有良好的封闭能力。另外太阳岛断裂背斜构造带内分布多个局部构造和圈闭，如葵花岛构造和太阳岛构造等。

2 基于应力场的油气运移数值分析

近来针对油气运移研究主要为动力耦合系统研究，主要的研究方法有：地质构造及其演化分析、物理模拟实验、地应力现场实测和计算机数值模拟四种[3]。本文主要采用基于应力场的数值模拟方法。

2.1 地应力方向的确定

油气运移一方面受地质构造的影响，另外也受地壳运动的控制，特别是对盆地地形，易于产生相对高势区或低势区的运移，因此包括重力、构造应力、热动力和孔隙压力耦合而成的地应力是油气运移最重要的动力[4]。

构造应力方向的确定主要是根据各构造期的构造形变，根据地质地貌将辽河滩海地区分为不同时期和地层的应力场分别进行分析，包括：沙一段沙河街末期应力场；沙一段东营末应力场；沙一末地层现代地应力场；东三段东营末期应力场；东三段现代应力场。

2.2 应力学模型

根据地应力驱动油气运移理论可知，侧向约束应力状态即垂直应力为主应力，且假设该应力大小等于上覆岩层重量。

即： 2-1

式中：：垂直应力；

ρ（h）：深度h处岩石的密度；

H：计算点处的深度；

g：重力加速度；

油气在岩层中的流动速度决定于岩层孔隙压力梯度，渗透系数和流体粘度系数，孔隙压力系数可表示为[5][6]：

2-2

式中：P：孔隙流体压力；

n：孔隙率；

：孔隙的体积压缩模量；

K：岩层骨架的体积压缩模量；

油气的运移是由油气运移通道和流势共同决定的，流势由流体所在的位置及应状态所决定，对于某一岩层面，单位体积流体所具有的总能量为：

2-3

因此，油气的运移与地应力密切相关，根据各期次应力场的分布确定油气的运移规律具有重要的意义。

2.3 应力场分析

根据实际的滩海地区的地质构造，综合各岩层结构、构造格局和局部构造特点，考虑该地区油田勘探工作的实际情况，侧重分析沙河街末期以来的应力场。通过计算得到各时期不同区域应力场分布图，因篇幅关系只侧重给出平均应力等值线图。

根据图中的数据分析可知：沙河街末期构造应力场方向为北西50°为最大水平主压应力。大小在-44MPa～-28MPa之间。最小主应力，垂直应力，最大剪应力，平均应力的分布图象与最大水平主应力相近，但在数值上有所不同。整个区域内最小水平主应力大小在-28MPa～-16MPa之间，垂直应力大小在-50MPa～-25MPa，最大剪应力幅值为12MPa～4MPa，平均应力幅值为-40MPa～-24MPa（如图1所示），平均应力将影响油气的流势或流体压力，对油气运移产生重要影响。

3 结语

综合各个时期各局部应力场特点的分析，将滩海地区构造应力场的总体特征归纳如下：

（1）地应力随深度增大而增加，在断层处，地应力等值线呈现为下凹状态，说明断层处应力场变化明显，断层附近的地应力低于两侧正常地层的应力值，因此油气液体由断裂两侧向断裂处运聚。

（2）水平运移方向与最大水平主应力方向有关。在断层附近主应力方向发生偏转，其与断层走向夹角逐渐变大。油气沿断裂处应力方向运移。在部分空间中最大主应力为垂直应力，表明油气有垂向运移。

（3）根据该地区油气勘探可知，油气聚集在太阳岛断裂背斜构造带内，在燕南断裂控制的3个局部构造为储油构造，目前已发现多处油田，且工业油气井多为应力低值地区。应力场低值地区多为油气集聚区域。由此可见，地应力是驱动油气运移的重要因素之一。

参考文献：

[1]Jean Louis Vigneresse，Modification of the Regional Stress Field by Magma in Trusion and Formation of Tabular Granitic plutions. Tectonophysics，（302） 203-224，1999.

[2]王红才.三维构造应力场与油气运移及其在辽河油田滩海地区的应用[M].中国地质大学，2002.