0 前言

地应力是控制油气运移，集聚的重要因素之一^[1~3]，地壳在地应力作用下，发生构造运动和岩层变形，岩层的变形产生孔隙的体积变化，压缩或膨胀使岩层内孔隙流体压力增加或减小，产生孔隙流体压力梯度或势差，推动流体在岩层内流动。在流动过程中，遇到合适的圈闭，油气就会聚集成藏，形成油田^[4~7]。

岩层的变形也导致孔隙度和渗透率的改变，从而影响渗流的速度和方向。近年来，很多作者关注地应力对油气运移的驱动作用，油田应力场与油气运移、聚集成藏的研究，取得了很大进展^[8~14]。但地应力对油气运移的驱动作用是一个复杂的问题，目前仍处于探索阶段。

李四光教授认为，构造应力场在油气运移聚集中起着主导作用，他指出: “自然界中，生产出来的点滴石油混杂在泥砂之中，是没有工业价值的，必须经过一种天然的程序，把那些分散的点滴集中起来，才有工业价值。这个天然的程序，就是含有石油的地层发生了褶皱和封闭性的断裂活动。”“挤压性或者扭压性断裂附近产生褶皱，褶皱弯曲部位应力变小，油气在应力驱动下，就会集中到一起”^[15~16]。构造应力能使含油气流体发生运移并在一定部位聚集。

1 地应力驱动油气运移理论基础 1.1 孔隙介质中流体的流动

达西通过试验确定了流体流过孔隙介质的流速^[17]。他将流体在孔隙介质中的流速定义为单位时间，流过单位面积流体通过的体积。流速正比于该点孔隙压力梯度。

(1)

式中: V_x，V_y，V_z为流速沿x，y，z方向上的分量; η为流体的粘度; k为介质的渗透系数。达西所表示的公式是用水头高度h来表示的。我们这里采用压力的形式更为方便。渗透率是影响流体流动的重要参数，而渗透率如前所述，同样也与地应力有关。

由上述分析可见，孔隙岩层中流体的流动速度决定于孔隙压力梯度，渗透系数和流体的粘度。

1.2 有效应力与孔隙压力

岩层受到应力作用后，一部分应力由岩层孔隙中的流体承受，称为孔隙压力。一部分由岩层骨架承受，称为有效应力。在饱和的岩层中，应力可表示为:

(2)

(3)

式中: σ'_ij为有效应力; σ_ij为总应力; p为孔隙流体压力; δ_ij为单位函数; 称为有效平均应力，σ'₁，σ'₂，σ'₃为有效主应力; 称为平均总应力。孔隙压力的大小有时用孔隙压力系数表示比较方便。孔隙压力系数的表达式如下^[1] :

(4)

式中: n为孔隙率; K_ν为孔隙的体积压缩模量; K为岩层骨架的体积压缩模量; B称为孔隙压力系数。对饱和岩层因为水的压缩性比岩层骨架的压缩性低得多，即所以B≈1。对于干岩层，孔隙的压缩性很大，所B≈0，非饱和的湿岩层，B在0 ~ 1之间，饱和度越大，B越接近于1。对于饱和岩层即: p = σ₀，上式说明，总应力全部由孔隙中的流体所承受。总应力全部转为孔隙压力。

1.3 流体的势

流体的运移是由运移通道和流体势决定的。运移通道是岩石中张开的孔隙，裂隙和断裂等组成。流体的势由流体所在的位置及应力状态决定，相对于某一基准面，单位体积流体所具有的总能量E₀为^[18] :

(5)

式中ρ—流体的密度，g—重力加速度，h—相对于基准面的高程(基准面上为正)，P—高程h处流体的压力。

上式右边第一项为位置势能，可理解为将单位体积流体从基准面移动到高程Z处为克服重力所做的功。第二项为压力势能，可理解为单位体积流体由基准面到高程处因压力变化所做的功。对于第二项一些作者是不考虑地应力作用的，只考虑地层压力。我们考虑地应力的作用，且把地应力作为主要因素。

引入函数，则由流体势的梯度可得流体的流速:

(6)

由上述可知，油气的运移与地应力有密切关系，根据各期次应力场的分布可以确定油气的运移方向，圈定有利地区，划分圈闭等级，为油气勘探提供依据。

1.4 应力平衡方程与耦合渗流微分方程

应力平衡方程^[17] :

(7)

几何方程:

(8)

本构方程^[17] :

(9)

(10)

用位移表示的平衡方程:

(11)

耦合渗流方程^[17~22] :

(12)

以上方程也称为Biot方程或流固耦合方程。若不考虑地层压缩性及地应力随时间的变化，则式(12)变为:

(13)

如果研究区内无源存在，则上式变为:

(14)

式(12)称为瞬态渗流方程，式(13)及(14)称为稳态渗流方程。在上式中: θ为单位体积上的孔隙介质中流体体积变化; σ = (σ_x + σ_y + σ_z) = (σ₁ + σ₂ + σ₃); H，R，Q，α为系数^[19]，δ_ij为单位矩阵，k_ij为渗透系数。δ_ij，ε_ij为应力和应变，ε_v为体应变，ε_v = ε₁₁ + ε₂₂ + ε₃₃。ε₁₁，ε₂₂，ε₃₃为正应变; G为剪切模量， λ为拉梅常数，，ν为泊松比; K体积模量， E为弹性模量; ρ为密度。▽为拉普拉斯算子，▽^T为▽的转置。

联立求解方程(11)和方程(12)，可得出应力、孔隙压力、流体势或运移势、流速等随空间和时间的变化。如果不考虑渗流随时间的变化，则不需要联立求解。只需求解方程(11)，即求解线弹性应力。这时得出构造变动开始时刻的应力，孔隙压力和运移势场。

2 胜利油田东营凹陷中央背斜带地应力场与油气运移的模拟计算

我们以胜利油田东营凹陷中央背斜带作为实例，分析地应力场对油气运移的驱动作用。

2.1 地质概况

该地区发育太古宇，古生界、中生界和新生界，以及上奥陶统至下石炭统、上二叠统至三叠系及新生界古新统地层。凹陷内新生界除古新统外，地层发育齐全，古近系为本区最主要含油层系，新近系和古近纪地层是次要的含油层系^[23~28]。

东营凹陷古近系由孔店组、沙河街组和东营组组成，新近系可分为馆陶组和明化镇组，第四系为平原组。

该区主要为帚状断块群构造^[29] (图 1)。位于东营凹陷中央隆起带西南端，北以河4大断层为界，南以河125大断层为界，面积约120km²，是冀鲁帚状构造体系派生的低级序帚状断块群。它由旋扭核心和四个旋回层组成，平面呈帚状展布。各旋回层均向北东收敛、向南西撒开，呈向南东凸的弧形。剖面为向北西节节下掉的断阶带。据大量的地质和地球物理资料证实，该断块群在沙三段沉积晚期出现雏形，沙二段沉积期基本定型，东营组沉积期强烈活动，该帚状构造成熟，派生和伴生了低级序的放射状，墙角状、平行弧状、“入”字型等类型的断块区。各断块区的特征和形成机制不同，因而导致油气聚集规律、富集程度和控制因素也常常不相同。

2.2 有限元模型

对该区进行了三个时期，即沙三期，东营期和现今时期的应力场和运移场的计算。限于篇幅，我们将主要叙述现今应力场和运移场的计算结果。

下面简述三维模型的建立，由构造平面图，剖面图和等深线图建立三维有限元模型，其做法是在构造平面和剖面图的基础上将断层按倾向和倾角向上或向下沿伸，沿伸的深度等于地层的厚度。形成空间三维体模型。模型的长和宽各约20 km，深约0.5km。

为了便于施加不同方向的边界力和便于约束，还使用了边框单元。

利用ANSYS软件的网格自动化功能，进行网格化，采用10节点等参单元网格，共划分76000个单元。如图 2。

2.3 模型的力学参数

根据该地区钻井岩芯的力学参数测试结果，并考虑到断层带和地层的差别，力学参数如表 1。

2.4 边界力作用方式

边界力包括水平构造力、重力、上覆岩层压力。重力由岩层的密度和重力加速度计算，由程序自动产生。考虑现代水平应力场，地应力方向和大小由地层倾角四臂测井和声发射资料获得，应力随深度变化，变化的梯度由测井资料获得。最大主应力方向为北西80°。

2.5 应力场模拟结果

应力场模拟结果给出主应力和应力分量的分布图。为了减少篇幅，我们只给出一个最大主压应力图和一个剖面图如图 3及图 4。由图可看出地应力场总体特征与分布规律:

(1) 东营凹陷中央背斜带应力场总体来看，南部125大断层以南应力偏高，为高应力区，中部125大断层与郝6断层之间应力值偏低，为低应力区。北部郝6断层以北亦为高应力区(断层位置见图 5)。即南部为高应力区，中部为低应力区，北部为次高应力区。

(2) 断层对应力分布有明显的影响，断层带内和断层附近应力值低。

(3) 多处分布有局部地应力低值区，对比图 3及图 5可以看出，这些局部地应力低值区与油藏分布有很好的对应关系。已有油藏大部分都落在应力低值区。典型断块都是相对低值区，如河4断层、河60断层、河43断层等。油气容易在这里聚集成藏。

(4) 从剖面上看，地应力随深度增加，深部应力高，浅部应力低。一般来说断层的上升盘靠近断层应力值低。反向屋脊处应力值低。

(5) 应力场的总体分布，有利于油气由南北两侧向中央隆起带运聚，由深部向浅部运移或沿地层上倾方向运移，并被断层遮挡形成断块油藏。

2.6 运移势场模拟结果

在应力场模拟的基础上，利用前述的方法计算了运移势场，结果如图 6。运移势场的总体特征如下:

(1) 运移势场的总体特征与应力场相似，同样可以分为3个区，即南部125大断层以南地区为高运移势区，中部125大断层和郝6断层以南的中部地区为低运移势区，在北部郝6断层以北亦为高势区(断层位置见图 5)。

(2) 在中部地区总的来看是运移势低数值，但分布不均匀，有许多局部低值区或圈闭区。在河4、河50、河58、河31、河11等断块皆出现局部低势区。

(3) 在剖面上看，深部为高势区，浅部为低势区。反向屋脊处为低势区。断层带内及靠近断层附近为低势区(图 7、图 8、图 9)。

(4) 运移势场与应力场的分布特点有相似性，即高应力区一般为高运移势区，低应力区一般为低运移势区。

(5) 从运移势的总体分布来看，油气主要由南北两侧向中部运移。从这一情况看民丰凹陷、牛庄凹陷等均应对背斜带的油藏有贡献。

(6) 对比图 5及图 6可以看出，已有的油藏与运移势的低值区有较好的对应关系，大部分油藏分布在运移势的低值区。从剖面看，反向屋脊为低值区，这些低值区多分布有反向屋脊油藏，这是该区一种主要油藏类型。

3 油藏预测

根据应力场和运移势场的分布并结合地质构造，对本区油藏进行了预测。该油田经过多年的勘探与开发，大部分油田已被发现并开采多年，寻找新的油藏是很困难的，但我们仍然预测了有利地区。这些地区都是应力场、流体运移势低值部位，如河50断层的河74井的西南，河131断层的东北部等五处有利地区如图 5，同时对剩油进行了评估，为油田勘探开发提供了科学依据。

4 结论

通过分析，得出以下基本认识:

(1) 地应力是驱动油气运移的主要动力因素之一。在地应力的作用下，孔隙岩层内形成运移势的高势区和低势区。根据最小位能原理，油气由高势区向低势区运移，在适当的构造部位形成圈闭油藏。运移势的分布与地应力有一定的对应关系，高应力区和低应力区往往与高势区和低势区相对应。

(2) 胜利油田东营凹陷中央背斜带应力场的特点是背斜带的南北两侧为高应力区，油气由两侧的生油洼陷地区向应力低的中央背斜带―帚状构造地区运移。

(3) 东营凹陷中央背斜带，有多处低应力区。油藏的分布与低应力区和低势区有很好的对应关系，已有油藏大多位于低应力区和低势区，说明地应力对该区油藏有控制作用。

(4) 地应力随深度增加，深部应力高，浅部应力低，油气由深部向浅部运移。反向屋脊处应力值低，这是形成反向屋脊类型油藏的重要原因之一。

(5) 根据应力场和运移势场并结合地质构造，可对油藏进行预测。划出了5处有利地区，同时对剩油进行了评估，为油田勘探开发提供科学依据。