王红才-辽河滩海油田三维构造应力场、裂缝与油气运移-中国地质科学院地质力学研究所2002.6

1、辽河滩海油田三维构造应力辽河滩海油田三维构造应力场、裂缝与油气运移场、裂缝与油气运移王红才等王红才等中国地质科学院地质力学研究所中国地质科学院地质力学研究所2002年年6月月研究的方法与目的研究的方法与目的 用有限元法对辽河滩海油田进行三维构用有限元法对辽河滩海油田进行三维构造应力场的模拟。研究地应力场的分布特征造应力场的模拟。研究地应力场的分布特征及其对裂缝发育和油气运移积聚的控制作用及其对裂缝发育和油气运移积聚的控制作用。并对油气积聚的有利地区进行预测，为勘。并对油气积聚的有利地区进行预测，为勘探布井提供依据。探布井提供依据。研究的思路 利用地应力测量获得现今地应力资料，根据构造形迹和断裂

2、组合确定古应力场作用方式。通过岩石力学测试获得岩石力学参数。根据地质构造建立三维有限元模型，进行应力场计算。进而研究裂缝的发育和油气运移的规律，并做出预测。地应力与裂缝的关系地应力与裂缝的关系岩石受力变形全过程岩石受力变形全过程OC0TQ1A2B3PRC4PSUAA类型类型类型类型类型类型D1岩石的全应力应变曲线 2典型应力应变曲线类型OA、AB段，弹性，AB段，细微裂缝。BC段，出现裂缝，残余变形。裂缝大量出现很少量裂缝出现三维格里菲斯准则三维格里菲斯准则1当当0331 (压应力为正，张为负压应力为正，张为负) 时时， 024321213232221T如果上式满足时，如果上式满足时，即发生张

3、破裂。定义即发生张破裂。定义T为为“三维等效张应力” 。“三维等效张应力” 。张破裂发育程度系数表述为：张破裂发育程度系数表述为： TCT其中其中TC为岩石的张破裂强度。为岩石的张破裂强度。破裂方位可用破裂面与破裂方位可用破裂面与1之间的夹角之间的夹角来确定来确定: 31312cos 2当当0331 时时，3T。发生发生张破裂，其方与最大主应力张破裂，其方与最大主应力1平平行。行。XY新裂隙新裂隙图6.1 格里非斯张破裂扩展方向格里菲斯张破裂方位图示莫尔莫尔-库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则tannnC 其中其中 C C- -岩石的剪切强度，岩石的剪切强度，- -内摩擦角。剪内摩擦角。剪破裂面的法

4、线破裂面的法线 N N 与最大主应力与最大主应力1方向的夹角方向的夹角（45-/2） 剪破裂发育程度可表示为：剪破裂发育程度可表示为： )cos(sin2/ )(2/ )(2121CR R值越大，剪破裂发育程度越高。nC图3.8 岩石的剪切破裂 a-摩尔圆；b-剪切破裂 b a摩尔圆剪切破裂 通过有限元计算得通过有限元计算得到各单元的三个主应力到各单元的三个主应力，利用上述准则可得到，利用上述准则可得到破裂面的空间方位、倾破裂面的空间方位、倾角、破裂发育程度和裂角、破裂发育程度和裂缝密度。缝密度。地应力与油气运移地应力与油气运移流体的势流体的势 流体的势由流体所在的位置及应力状态决定，单位质量

5、流体的势能为 hPgdzE0式中式中流体的密度，流体的密度，g g重力加速度，重力加速度，h h相对于基准面的高程相对于基准面的高程（基准面上为（基准面上为正） ，正） ，P高程高程h h处流体的压力处流体的压力( (与地应力与地应力有关有关) )。 可见，油气的运移与地应力有密切关可见，油气的运移与地应力有密切关系。系。岩层内流体运动的微分方程岩层内流体运动的微分方程 根据应力平衡方程、连续性方程及达西定律，可以根据应力平衡方程、连续性方程及达西定律，可以得出岩层内流体流动的微分方程得出岩层内流体流动的微分方程 式中式中 p p 为流体的势或孔隙压力，为流体的势或孔隙压力， 0为平均地应力，

6、为平均地应力，A A表示油源的强度，表示油源的强度，C C 为储集系数，为储集系数， G G 为与岩石压缩率有关的为与岩石压缩率有关的系数，系数，K K 为渗透系数。为渗透系数。 上述方程可用有限元求解，同时解出位移场、应力上述方程可用有限元求解，同时解出位移场、应力场、运移势场和运移速度场。场、运移势场和运移速度场。tGtpCATK0辽河滩海油田辽河滩海油田三维三维构造应力场有限构造应力场有限元数值模拟结果元数值模拟结果 滩海油田位于辽河盆地滩海油田位于辽河盆地东部洼陷的南部。它包括盖东部洼陷的南部。它包括盖州滩洼陷带，太阳岛断裂背州滩洼陷带，太阳岛断裂背斜构造带和燕南潜山带。该斜构造带和燕

7、南潜山带。该区发育有燕南断裂带和燕东区发育有燕南断裂带和燕东断裂带断裂带, ,皆为一级断裂，走皆为一级断裂，走向北东。向北东。辽河滩海东部凹陷新生代地层层序表东三段沙一段燕南断裂带燕南潜山带盖洲滩洼陷带太阳岛断裂背斜带荣辛屯断裂带葵花岛断裂带N沙一段底界构造图沙一段底界构造图燕东断裂带东三段顶界构造图燕南地区下第三系底界构造图燕南地区下第三系底界构造图地应力测量地应力测量 使用钻孔蹦落法，使用钻孔蹦落法，震源机制法和声发射法震源机制法和声发射法测量了现今地应力测量了现今地应力笔架岭地区钻孔崩落法分析计算的最大水平主应力方向编号层位测量深度崩落椭圆长轴方位最大水平主应力方向Nm625-680N4

8、5EN45WJQ2 井d31650-1730N40EN50W1580-1600N25WN65ELH4-1-1 井d21760-1810N30WN60Ed22200-2250N10EN80WJL6-8 井s12470-2510N10EN80W 滩海邻区地应力测量资料（据地应力解除、水压法和钻孔崩落）地点经度纬度深度（m）最大水平主应力（Mpa）最小水平主应力（Mpa）地应力主方向锦州121.18841.117N98E大连121.62538.915N64E沈阳123.33341.727N68E温坨子121.33939.605N80E海城122.86540.6779.35.9N87E营口122.66

9、740.53716.610.4N96E北票120.80241.822870N84E滦县118.69839.8055.83.6N84E滦县118.69839.8056.63.2N79.5E滦县118.69839.805N84W滦县118.69839.805N89W唐山118.19439.6262937.85.8N80.5W唐山118.19439.626N53E唐山118.19439.6262.31.1N77E唐山118.19439.6262.51.7N47W唐山凤凰山118.19439.8383.72.1N71E唐山赵各庄118.19439.8382.71.3N84E*资料来源于曾秋生等，中国地

10、壳应力状态，1990 滩海邻区震源机制解地点经度纬度P 轴方位台吉120.741.782万家岭122.339.981沙窝123.641.384海城122.740.770海城122.840.666海城122.940.7252海城122.940.667熊岳121.940.2275123.139.8234渤海湾119.538.570 *据张诚等辽河滩海邻区现今地应力主方向分布大连大连唐山唐山营口营口锦州锦州沈阳沈阳-4000-3500-3000-2500-2000-1500-1000-50001020304050607080应力( M Pa)深度( m )地应力随深度的变化 岩石力学参数序 号 构造

11、部位 E（MPa） C（MPa） T1 太阳岛背斜带 23000 0.2 14.0 20 1.22 燕东断裂 11500 0.22 23.7 18 0.83 燕南断裂 10350 0.23 33.7 18 0.84 二级断裂 12650 0.21 43.9 18 0.95 二级断裂 13340 0.21 53.9 18 0.96 三级断裂 13800 0.21 63.9 18 0.97 盖州洼陷 25000 0.2 115 22 1.88 燕南潜山带 24000 0.2 125 22 1.59 洼陷东北边缘断裂 13800 0.21 134 18 0.9东营末现代沙一段东营末沙一末沙一段沙一末

12、沙一段现代3D构造应力场有限元模拟的边界力作用方向及加力方式NW50,NW65,NE80三维有限元模型的建立三维有限元模型的建立 由沙河街组一段，东三段由沙河街组一段，东三段底界和潜山带地质构造图分别底界和潜山带地质构造图分别建立三维模型。建立三维模型。沙一段地层有限元模型三维网格图沙一段东营末期铅直应力三维分布图（MPa)沙一段沙河街末期平均应力等值线（MPa）沙一段东营末期平均应力等值线（MPa）沙一段沙河街末期最大水平主应力方位沙一段东营末期最大水平主应力方位沙一段沙河街末期最大水平主应力等值线（MPa）沙一段东营末期最大水平主应力等值线（MPa）沙一段现代应力场平均应力等值线（MPa）

13、沙一段现代应力场A-A剖面平均应力等值线（MPa）沙一段现代应力场最大水平主压应力方位沙一段现代应力场最大水平主压应力等值线(MPa) 沙河街末期 东营末期 现代期 H Mpa V MPa MPa H Mpa V MPa MPa H Mpa V MPa MPa 盖 州滩 洼陷 44-36 40-50 34-40 64 75-80 75-80 90 110-115 90 断层内 28-30 25 24-26 48-56 59-65 55-65 70-80 90-100 70 太阳岛断裂 背斜 断层外 32 35 28-30 56-60 55-65 55-65 80-90 90-100 70-80

14、 H-最大水平主应力; V-铅直应力;-平均应力 沙一段地应力沙一段地层平均应力对比沙一段地层平均应力020406080100沙一末 东营末现代MPa盖州滩洼陷太阳岛( 断层内 )太阳岛( 断层外 )（1）西北部盖州滩洼陷平均应力值高，为高应力区，向东南方向应力值逐渐变低。太阳岛断裂背斜带和燕南潜山带为低值区。应力驱使油气由盖州滩洼陷向应力驱使油气由盖州滩洼陷向太阳岛断裂背斜带运移太阳岛断裂背斜带运移。（2）在盖州滩洼陷地区应力场相对较均匀，变化较小，应力等值线呈北东向分布。应力场的总体特征应力场的总体特征 （3 3）沿断裂带主应力值低于两侧正常）沿断裂带主应力值低于两侧正常地层；地层；剖面上

15、剖面上，在断层处地应力等值线呈下凹状，说明断层对应力场有明显的影响，断层附近地应力降低。地应力随深度增加而增加，沿断裂浅部应力低，沿断裂浅部应力低，深部应力高深部应力高。应力驱使油气由断裂两侧应力驱使油气由断裂两侧向断裂带移聚，由断裂带深部向浅部移向断裂带移聚，由断裂带深部向浅部移聚。聚。（4 4） 在太阳岛断裂背斜带，应力值相在太阳岛断裂背斜带，应力值相对偏低，同时应力场还是不均的，受断对偏低，同时应力场还是不均的，受断层影响明显。一般来说在断层内应力值层影响明显。一般来说在断层内应力值偏低，在断层之间应力值高。断层走向偏低，在断层之间应力值高。断层走向不同时对应力场的影响程度不同。不同时对

16、应力场的影响程度不同。（5 5）主应力方向在断层附近转向，一）主应力方向在断层附近转向，一般地，转向后主应力方向与断层走向夹般地，转向后主应力方向与断层走向夹角变大，趋向于垂直。这反映断层活动角变大，趋向于垂直。这反映断层活动引起应力场的释放，引起应力方向改变。引起应力场的释放，引起应力方向改变。（6）地应力的强度在不同地质时期，有松弛或加强。总的来说地质年代越新沉降越深，沉积厚度越大，应力强度越大。沙一末强度最低，东营末强度中等，东营以后到现代应力场强度逐渐加大。这表明：时代由老到新，应力驱动油气能力增强。这有利于油气由盖州滩洼陷向太阳岛断裂背斜方向运移。并沿垂直方向由深部沿断层向浅部运移，

17、在储集层适当部位形成圈闭油藏。裂缝发育情况裂缝发育情况 通过有限元模拟，可以得通过有限元模拟，可以得到油田三维应力场。有了空到油田三维应力场。有了空间点的应力状态，再通过应间点的应力状态，再通过应力变换，应用破裂准则，可力变换，应用破裂准则，可计算得到破裂面的空间方位计算得到破裂面的空间方位、倾角和破裂的发育程度。、倾角和破裂的发育程度。 把剪破裂、张裂隙发育程度分为四把剪破裂、张裂隙发育程度分为四类：类：发育程度小于发育程度小于0.30.3，属不发育，属不发育0.30.50.30.5，属弱发育；，属弱发育；0.50.80.50.8，属较发育；，属较发育； 大于大于0.80.8，为发育。，为发

18、育。 沙一段沙河街末期张破裂发育程度等值线沙一段沙河街末期张破裂发育程度等值线沙一段沙河街末期剪破裂发育程度等值线沙一段沙河街末期剪破裂发育程度等值线沙一段沙河街末期剪破裂倾角等值线沙一段东营末期张破裂发育程度等值线沙一段东营末期张破裂发育程度等值线沙一段现代应力场张破裂发育程度等值线沙一段现代应力场张破裂发育程度等值线沙一段现代应力场剪破裂发育程度等值线沙一段东营末期剪破裂发育程度等值线沙一段现代应力场剪破裂倾角等值线沙一段东营末期剪破裂倾角等值线燕南潜山带现代应力场剪破裂发育程度等值线燕南潜山带现代应力场张破裂发育程度等值线燕南潜山带现代应力场剪破裂燕南潜山带现代应力场剪破裂倾角等值线倾角

19、等值线 沙一段地层破裂发育程度概况剪破裂张破裂发育程度相对发育区剪破裂倾角发育程度相对发育区沙河街末期0.4-0.6燕南断裂带，二级断裂端部55-850.1-0.2燕南断裂带东营末期0.5-0.9燕南断裂带附近55-750.2-0.6燕南断裂带附近现代0.6-1.0燕南断裂带附近55-850.3-0.9燕南断裂带附近 注：数字越大，发育程度越高。裂缝的总体特点（1）无论是剪裂缝还是张裂缝，随着地质年代从老到新，沙一段和东三段裂缝由不发育向发育程度转变，发育程度越来越高。这一方面有利于改善油气运移通道环境，另一方面有利于油气储集环境的改善。（2）总的看来，剪裂缝发育程度高于张裂缝。（3）剪裂缝倾角大于50，有的可达85，属中高倾角裂缝。这在一定程度上对油气沿垂直方向的运移有利。垂直方向的运移占主导。同时，油气也沿水平层面运移。（4）裂缝的相对发育区出现在燕南、燕东断裂带及其附近，断裂的端部及、次一级断裂的交汇部位。在北东向主干断裂和北西向断裂的交汇部位，存在裂缝发育程度较高的局部地区。这是油气储集的局部有利区域。油气运移模式r 1.1.三期应力场中，三期应力场中，太阳岛断裂背斜带