高伟中，孙鹏，田超，杨燕

（1.中国海洋石油（中国）有限公司上海分公司，上海200030；2.中国石油华北油田第四采油厂，河北廊坊065000）

东海盆地西湖凹陷地应力场与油气运移关系探讨

高伟中1，孙鹏1，田超1，杨燕2

（1.中国海洋石油（中国）有限公司上海分公司，上海200030；2.中国石油华北油田第四采油厂，河北廊坊065000）

依据西湖凹陷丰富的钻井、地震及区域构造演化资料，分析区域地应力背景，利用构造应力场数值模拟方法，优选岩石参数，合理设置边界约束条件及网格划分，建立西湖凹陷地应力场地质模型并模拟出地应力场的分布特征；根据地应力场与流体运移之间的关系进一步计算出西湖凹陷流体势的分布特征，分析地应力与流体势的相关性，从而探讨应力作用对油气运移的影响。最后依据地应力场和流体势场的分布，单因素分析地应力对油气运移方向的控制作用，预测油气有利的运聚方向并指出可能的油气藏有利运聚区带，为勘探目标选择提供科学依据。

地应力场；数值模拟；流体势；油气运移；西湖凹陷

近年来，国内外许多学者开始关注地应力与油气运移的关系并着手研究油田应力场对油气运移、聚集的影响，取得了很大进展[1-4]。

地应力场是影响油气聚集成藏的关键因素之一[5-7]。地层在地应力作用下，发生构造变形，导致地层中孔隙发生变化。受挤压作用为主的部位，压缩使得孔隙内流体压力增加，形成高压区；拉张作用为主的部位，孔隙―裂缝增加，流体压力降低，形成低压区。因此，在构造区的不同部位产生了孔隙流体压力梯度差或势差，形成了流体势场，成为流体流动的动力，最终在圈闭中聚集成藏，形成油气田[8]。本文以西湖凹陷为例，通过地应力场模拟，求取流体势分布，分析地应力场对油气运移的影响，最后指出西湖凹陷有利的勘探方向。

1 地应力场与流体运移之间的关系

岩层受到应力作用后，一部分应力由岩层骨架承担，称为垂直有效应力；另一部分应力则由孔隙中的流体承担，称为孔隙压力。随着上覆岩层压力增加，沉积物逐渐压实，垂直有效应力增加，孔隙减少，随着埋深进一步增加，岩石成岩后，岩石骨架的体积压缩系数很小，而孔隙的压缩性很大，应力全部由孔隙中的流体承受，即地应力全部转化为孔隙压力[9]。

研究表明，利用有效应力原理和达西定律为基础，可以建立流体运移和构造应力场二者之间的定量关系[10]，具体的方程是：

式中：Kx、Ky、Kz分别为多孔介质在x轴、y轴、z轴方向的渗透系数，它们是有效应力σ的函数，即Kx（σ）、Ky（σ）、Kz（σ）；H为流体势场内任一点的水头；μ为多孔介质的泊松比；Е为弹性模量；ρ为流体密度；n为孔隙度；β为压缩系数。

该方程中未知变量多，各个地区的岩层介质及应力场的非均一性强，解析法难以求解，因此，采用数值模拟。

2 西湖凹陷构造应力场数值模拟

构造应力场的模拟是以相似理论为依据，应用有限元的方法，利用计算机模拟设置与当时的实际地质构造背景（包括岩石材料力学性质、驱动力作用形式、边界条件、时间等），来模拟构造变形在自然界的演化过程。即包括地质模型的构建，边界条件和约束条件的分析和设置，岩石力学参数测试和分析，计算模型的构建（网格剖分和边界条件的加载），数值模拟计算，结果分析等步骤。本文以西湖凹陷为实例，分析地应力场对油气运移的驱动作用。

2.1 地质概况

图1 西湖凹陷构造区划示意图Fig.1Schematic tectonic map of West Lake sag

西湖凹陷位于东海陆架盆地东北部，呈北北东向展布，南北长约440 km，东西平均宽约110 km，面积近6×104km2，总体上可划分出三个区带，即西部斜坡带、中央洼陷反转带（包括西次凹、中央反转构造带、东次凹）、东缘陡坡断阶带[11]（图1）。西湖凹陷是在晚白垩世末期的构造背景上发育起来的，地层自下而上主要为：始新统前平湖组、平湖组（E2p）、渐新统花港组（E3h）、中新统龙井组（N11l）和玉泉组（N12y）及柳浪组（N13l）、上新统三潭组（N2s）、更新统东海群（QPdh）。凹陷大体上经历了三个构造演化阶段：盆地开始形成（古新世？）—始新世裂陷期、渐新世—中新世拗陷期、上新世—更新世沉降期。

西部斜坡带断裂系统极其发育，但多数断层落差小，延伸距离短，以张性正断层为主，断层走向基本与主体构造线方向相一致，北部断裂主要为NE—SW向，南部断裂主要为近S—N向；多数断裂发育于渐新世以前（裂陷期），盆地开始接受沉积到始新统平湖组沉积时期活动较强烈，始新世末的玉泉运动后断裂活动明显减弱；以发育断块和断鼻构造为主。中央洼陷反转构造带内的西次凹和东次凹断裂不发育，断层落差小、延伸距离短，断裂活动多结束于渐新世花港组沉积期，以发育低幅度背斜构造为主；而中央反转带是由嘉兴和宁波断褶带、玉泉断褶带、黄岩断褶带及天台断褶带等组成的背斜带，是沿早期断陷中部和东部同沉积断裂挤压反转而形成的反转构造带，主要是中新世末期构造反转的结果，其成因是有选择性的沿着垒堑结构的断陷层中的东倾的铲形断裂反转，反转的幅度和发育的样式受控于现存的同沉积断裂和反转构造作用的强度，其中最北部和最南部反转活动比较强烈。

从现今地球动力学上分析，东海陆架盆地主要受菲律宾板块俯冲作用的影响，并受中国大陆东部边界（包括郯庐断裂活动），以及太平洋板块、南海的形成演化等方面的联合影响。菲律宾板块俯冲作用通过琉球岛弧、冲绳海槽影响到东海陆架盆地。这一地球动力学背景决定了西湖凹陷构造应力场的边界作用框架。

近东西向挤压造成的构造反转主要发生在中新世晚期的柳浪组期间（10.2～5.2 Ma），之后构造作用总体趋于平静。发生在柳浪组期间的构造反转作用形成了的正断层（与挤压方向平行），可以确定反转期的最大主压应力方向。统计表明，反转作用形成的正断层的平均走向为275°，由此确定构造反转期的最大主压应力平均方向为近东西向（275°）。

2.2 地质模型的建立

西湖凹陷勘探目的层主要为平湖组和花港组，分布范围广泛。东岸则发育辫状三角洲体系，砂岩厚度30～50 m，砂泥比高，分布范围广泛。选择T30的断裂系统图为模拟的地质格架，T30反射层为花港组和平湖组的分界面，平湖组晚期总体为半封闭海湾沉积环境，西岸为广阔的浅水海岸环境，发育浅水三角洲体系，广泛发育分流河道微相，并由下而上明显地向东迁移，砂体厚度30～50m，砂泥比低，花港组为陆相湖泊沉积，整体不发育水体或仅局部存在不稳定水体，东西两岸地形的差异较大，西岸以曲流河三角洲沉积体系为主，砂体厚度大，砂体厚度约为200～300m，砂地比高，分布范围广；东岸以辫状河三角洲沉积为主，砂体厚度约为300～500 m，砂地比高，分布范围窄。不稳定湖相位于凹陷的中北部及南部，中北部的滨浅湖相的面积相对减少。

2.3 模型的力学参数

岩石力学参数是依据凹陷三个构造区带岩石力学实验测得的结果和区域沉积相分析来选定的。主要选择了勘探目标区主要目的层的岩性组合：粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、细粉砂岩、泥岩有代表性的岩石进行了岩石力学实验测试研究，在不同的围压下，测量了岩石的杨氏模量、泊松比、内聚力、内摩擦角。区域应力场数值模拟计算中岩石力学参数是根据岩石力学实验数据和不同区域岩性的差异（通过沉积相的不同反映出来）选取的，取表1所示的数值。

表1 不同沉积相带的力学参数Table 1Mechanics parameters of different sedimentary facies belts

2.4 边界约束条件及网格划分

根据区域应力场的定向分析，西湖凹陷的构造作用主要表现为北西西（近东西方向）挤压作用。根据这一认识，模型的边界条件确定如下：

1）模型总体受北西西的挤压构造作用，力源来自菲律宾板块的俯冲挤压，通过冲绳海槽，钓鱼岛隆起带传递到西湖凹陷，模型的东部边界形态由西湖凹陷东部逆冲断层的展布形态确定。

2）在挤压的作用下，整个地质体由东向西方向运动；在地质体向西运动过程中，基底会产生阻碍向西运动的摩擦力；西侧是被动约束边界。这样模型的东侧边界加挤压作用力，模型的北侧、南侧、西侧边界加滚轴约束，限制南北向的位移，并加摩擦力。

3）根据构造作用继承性原则，可以确定现今不同区域挤压作用力的大小分布与中新世末期柳浪组反转构造变形期的分布趋势是相似的。为此，在整个西湖凹陷均匀选择5条近东西向的区域大剖面，进行反转期缩短量的平衡恢复，确定每一条剖面的缩短量。这样，东边界横向上挤压力的相对大小分布根据剖面缩短量的大小分布来初步确定（表2）。

表2 西湖凹陷T30反射层不同部位横剖面缩短率Table 2Shortening rates in different parts of T30 reflecking layer in West Lake sag

4）构造作用力大小的取值，通过西部斜坡带XPD-9井、XPD-11井，中央洼陷反转带北部ZYB-1井、ZYB-2井及中央反转带南部ZYN-4井、ZYN-2井6口井的水力压裂应力计算值作为约束。

上述构造模型中，内部结构和沉积相是确定的，边界条件中的边界作用方式、边界作用力的方向和边界的约束条件是确实的，不确定的只是边界作用力的大小，它们需要通过约束反演来确定（6口井的水力压裂应力计算值作为反演计算的约束值）。

根据构造模型，其平面上为三角形，最大的边长可达9 km，最小的边长可达3 km。模型整体网络剖分全貌如图2所示，共剖分为8 043个单元。

网格剖分完成后，在上述构造模型确定边界条件下对模型进行加载，最后以模型边缘整体变形作为反约束条件，通过反复试算，不断细微地调整加载的分布和大小，直到符合上述所有的约束条件为止，这时输出的应力场模拟计算结果代表西湖凹陷现今的应力场。

图2 西湖凹陷花港组早期构造应力场数值模拟模型Fig.2Numerical stimulation model of structural stress field during early Huagang period in West Lake sag

2.5 应力场模拟结果

通过应力场模拟，从主压应力图（图3、图4）上可以清楚看出，西湖凹陷地应力场总体特征与分布规律：

1）现今水平最大主应力方位大致在270°，即近东西向。

2）中央洼陷反转构造带的中央反转带后期挤压形成，新生界层序中的中上部花港组和平湖组上部地层，隆升反转以后基本处于弱挤压―张性的应力环境，因此多处于地应力低值区；而中央洼陷反转构造带的东次凹和西次凹，基本为负向构造区，仍处于强挤压状态，多为地应力高值区，但两者略有区别，西次凹局部隆升低幅度反转，核部处于弱压性应力状态，因此，相对于东次凹，西次凹地应力值稍低。

3）中央反转带中部玉泉构造区和龙井构造区，是整个中央反转带隆升反转幅度最高的地区，花港组地层整体处于弱张性的应力环境，是该区地应力最低的两个区带。

图3 西湖凹陷区域模拟现今主应力分布Fig.3Simulated principal stress in the present potential field in West Lake sag

图4 西湖凹陷现今主应力剖面Fig.4Profile of principal stress in the present potential field in West Lake sag

4）西部斜坡带的中部PH1井构造区，是斜坡带唯一个中新世末挤压反转形成的背斜构造，所以现今的花港组地层处于弱压性―弱张性的应力状态，因此，是该区地应力最低的区带；西部斜坡带的中北部NB2-1-1东构造区，是古潜山上发育披覆构造，花港组地层自东向西的挤压应力被潜山阻挡，因此，上部地层处于低地应力区。

5）根据地应力剖面与真实地震剖面（图5）对比可知，地应力随深度而增加，深层地应力高，浅层地应力低；中央反转带受来自东部的水平挤压应力和西部的基岩块体阻挡共同作用，抬升反转，构造带轴部上部地层基本处于一个张性的应力环境，地应力低，而下部地层受限于底部基底，因此，地应力高。

图5 西湖凹陷主测线方向地震剖面Fig.5Inline seismic profile of West Lake sag

2.6 运移势模拟结果

地应力与岩石格架的垂直有效应力存在必然的联系，利用有效应力原理及达西定律便可以建立流体运移和构造应力场二者之间的定量关系，得到地应力数值模拟结果之后，便可通过公式计算出西湖凹陷流体势能（图6），值得一提的是，地应力造成的流体势差异并不能作为影响西湖凹陷油气运移的唯一因素，比如西湖凹陷超压普遍发育，在超压强的区域，生烃强度大，油气运移动力强，必然会对油气的运聚产生影响，因此本次的计算结果仅能代表在其他因素相同时，地应力对油气运移产生的影响，如果要全面考虑油气运移，还应考虑油气运移动力，油气输导体系等相关影响因素。本次得到的结果如下：

图6 西湖凹陷流体势场Fig.6Fluid potential field in West Lake sag

1）中央洼陷反转带的中部玉泉构造区和龙井构造区形成了两个流体势低值区，其中中部玉泉的面积较大，与圈闭面积匹配较好，流体势最小压力小于16 MPa，而北部的分布面积较小，流体势压力最小22 MPa。

2）西部斜坡带整体来看从高带到低带地应力逐渐降低，其中中部和中北部形成了两个流体势低值区，中部流体势最小压力小于22 MPa，中北部的分布面积较小，流体势压力最小30 MPa。

3）中央洼陷反转带的西次凹、东次凹以及西斜坡的低部位处于流体势高值区。

4）图3及图6显示地应力与流体势的分布呈明显正相关性，地应力低的地区流体势能往往也较低，地应力越低，越利于油气聚集。

5）本次流体势模拟结果揭示了三个势能极低的区域，分别为ZYB-1井区、ZYB-4井区及XPD-1井区，三个井区无一例外均是超压发育区，XPD-1井区甚至发生井涌现象，分析其势能低的原因为过高的孔隙压力使得部分地应力被流体承担，造成地应力低的现象，导致流体势压力也较低。

3 有利勘探区带预测

根据西湖凹陷应力场和运移势场的分布特征以及油气输导体系，结合凹陷的构造特征和圈闭发育情况，对凹陷油气聚集的有利区带进行了预测：中央反转带的中部和北部是流体运移低势区，其分布范围与圈闭的范围有良好的耦合关系，是油气运移聚集的有利区；西部斜坡中部和中北部的两个流体运移低势区，该区断裂发育，断块和断鼻圈闭发育，也是油气运移汇聚的有利区；斜坡低部位是流体势的高值区，不易形成构造油气藏，但压力高，油气易于就近在岩性圈闭中聚集。

4 结论

通过前面分析，得出以下认识：

1）地应力是驱动油气运移聚集的重要动力，流体运移势的分布与地应力有较好的对应关系，高应力区对应于高势区，低应力区对应低势区。

2）西湖凹陷现今主应力方位大致在270°，即近东西向。

3）西湖凹陷中央反转带的中部和北部地区，花港组和平湖组上部是低地应力区，对应低势区，是油气运移有利的有利指向；西部斜坡带的中部和中北部有两个低地应力区，对应低势区，是油气运移的有利指向。

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（编辑：严骏）

Relation between crustal stress field and hydrocarbon migration in West Lake sag,East China Sea basin

Gao Weizhong1,Sun Peng1,Tian Chao1and Yang Yan2
(1.Shanghai CNOOC(China)Limited,Shanghai 200030,China; 2.No.4 Oil Production Plant,North China Company,CNPC,Langfang,Hebei 065000,China)

On the basis of the rich drilling,seismic and structural evolution,with the analysis of regional stress background and the nu⁃merical stimulation method of structural stress field,the rock parameters were optimized to set the boundary constraints and subdivide the network reasonably.Therefore,the crustal stress field geological model of West Lake sag was established and the distribution char⁃acteristics of the crustal stress field were simulated.Furthermore,the distribution characteristics of the fluid potential in West Lake sag were calculated from the relation of crustal stress field and fluid migration to analyze their correlation for the discussion of the in⁃fluences of stress on hydrocarbon migration.At last,according to the distribution of crustal stress field and fluid potential field,the control action of crustal stress on the direction of hydrocarbon migration was analyzed by single factor to predict the optimum direction of hydrocarbon migration and point out the possible accumulation.It provided scientific basis for the selection of the exploration target.

crustal stress field,numerical stimulation,fluid potential,hydrocarbon migration,West Lake sag

TE122.1

A

2014-11-12。

高伟中（1969—），男，高级工程师，石油地质与勘探。