李忠權(quán)，彭 戟，應(yīng)丹琳，應(yīng)文峰，，李 應(yīng)，龍 偉

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2國(guó)土資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；3.中國(guó)石油 西南油氣田分公司，成都610041；4.密蘇里科技大學(xué) 地質(zhì)與地球物理學(xué)院，美國(guó)615401）

古水動(dòng)力場(chǎng)是指各地質(zhì)歷史時(shí)期的古水勢(shì)面貌，研究和恢復(fù)古水動(dòng)力場(chǎng)的目的就是了解油氣運(yùn)移富集區(qū)塊，以便更好地為勘探服務(wù)［1－3］。油氣運(yùn)移一般包括初次運(yùn)移和二次運(yùn)移兩個(gè)過(guò)程：初次運(yùn)移為油氣首先從生油層同水一起進(jìn)入儲(chǔ)集層，進(jìn)而在儲(chǔ)集層中由油、氣、水高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)進(jìn)行二次運(yùn)移，并在運(yùn)移道路上的圈閉中油氣聚集成藏；而后期水動(dòng)力場(chǎng)變化，也會(huì)造成已形成油氣藏散失和重新運(yùn)移 。因此可見(jiàn)，古水動(dòng)力條件與油氣運(yùn)移及聚集密切相關(guān)。

長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者致力于油氣運(yùn)聚的定量研究，但方法不一［4，5］。本文著重介紹三維古水動(dòng)力場(chǎng)恢復(fù)的理論基礎(chǔ)及解決方法，以此為基礎(chǔ)，將油氣初次運(yùn)移與二次運(yùn)移聯(lián)系在一起，對(duì)油氣運(yùn)聚作出定量評(píng)價(jià)，其結(jié)果對(duì)指導(dǎo)油氣勘探有較大意義。

1 數(shù)理模型的建立

建立此模型有如下假設(shè)：（1）儲(chǔ)層無(wú)區(qū)域性排水?dāng)嗔?；?）壓實(shí)水量是滲流層唯一補(bǔ)給源；（3）固體顆粒壓縮性遠(yuǎn)小于巖石壓縮性，所以認(rèn)為顆粒體積不變。

在滲流區(qū)域取一個(gè)無(wú)限小立方體，如圖1所示，根據(jù)質(zhì)量守恒定律

式中：vx、vy、vz分別為X、Y、Z方向的滲流速度分量；W為單位時(shí)間、單位面積壓實(shí)水量；δ為儲(chǔ)層厚度；q為滲流層孔隙度；ρ為液體密度；t為時(shí)間。

圖1 計(jì)算水動(dòng)力單元示意圖Fig.1 Sketch map of calculating hydraulie unit

我們?cè)诨?jiǎn)此式時(shí)，有兩點(diǎn)與普通水文不同：（1）儲(chǔ)層上覆總應(yīng)力是變化的，據(jù)泰薩基公式

式中：σ總為總應(yīng)力；σ有為有效應(yīng)力；p為水壓力。

則 dσ有＝dσ總－dp

（2）儲(chǔ)層的海拔高度是不斷變化的，即

式中：H為水頭高度；Z0為儲(chǔ)層距海平面的距離。

式中：β為液體體積壓縮率。

最后推導(dǎo)出古水動(dòng)力場(chǎng)數(shù)理方程

式中：K為滲透系數(shù)；Ss為儲(chǔ)水率，Ss＝ρg（α＋qβ）。

2 恢復(fù)各地質(zhì)時(shí)期古水動(dòng)力場(chǎng)

古水動(dòng)力場(chǎng)數(shù)理方程（1）是二階偏微方程。如此復(fù)雜的方程，要求出它的解析解是不可能的。為此，可采用有限單元法，解出水頭的數(shù)值解［6］。

用有限單元法解出古水頭的關(guān)鍵是邊界性質(zhì)確定及參數(shù)的給出。

2.1 邊界的確定

經(jīng)反復(fù)對(duì)比計(jì)算，選用了導(dǎo)水系數(shù)和壓實(shí)水量相結(jié)合的辦法確定。

導(dǎo)水系數(shù)的定義是：滲透系數(shù)×滲流層厚度，它反映滲流層的導(dǎo)水能力。一般情況下地層往往由導(dǎo)水系數(shù)小的區(qū)域流向?qū)禂?shù)大的區(qū)域，因此可在導(dǎo)水系數(shù)等值線(xiàn)圖上將研究區(qū)劃分成幾個(gè)區(qū)，如圖2；然后對(duì)每個(gè)區(qū)進(jìn)一步劃分成若干個(gè)三角形單元，如圖3。這樣，根據(jù)各區(qū)域的壓實(shí)水量等于各三角單元的總排泄水量的原則，利用各控制點(diǎn)的壓實(shí)水量，近似求出邊界的排泄量。

2.2 參數(shù)的確定

（1）垂直總應(yīng)力（σ/Pa），按下式計(jì)算

圖2 用導(dǎo)水系數(shù)等值線(xiàn)圖劃分滲流區(qū)域Fig.2 Diagram showing the vadose zones devided by the contour map of transmissivity coefficients

圖3 單元?jiǎng)澐质疽鈭DFig.3 Sketch map of subdivision

式中：δi為i層厚度（m），由壓實(shí)計(jì)算獲得；qi為i層孔隙度，由壓實(shí)計(jì)算獲得；ρsi為i層巖石骨架密度；ρwi為i層孔隙水的密度。

（2）巖石骨架壓縮率（α/Pa－1）

式中：δ為巖石厚度（m），Δδ及d（Δδ）都可根據(jù)壓實(shí)計(jì)算得到。

有效應(yīng)力σ有，是采用疊代法求出：首先將前期埋深比前期水頭值求出壓力系數(shù)，用該值乘以后期埋深，則得該期的近似水頭值，并換算成水壓，又有σ有＝σ總－p，可求出σ有1，求出近似的巖石骨架壓縮率α1。用該α1值作計(jì)算求出近似水頭值H1，將其換算成近似地層壓力，代入σ有＝σ總－p，求得新的σ有2，進(jìn)而求得新的σ有和水頭值H2。如果疊代前后水頭值的誤差平均大于10 m，需再次進(jìn)行疊代，直到平均誤差小于10m為止，其α值就比較準(zhǔn)確。一般疊代2次，最多3次。

（3）液體壓縮率（β/Pa－1），按地層平均溫度和平均礦化度查表獲得。

（4）孔隙度（q），由壓實(shí)計(jì)算可得。

（5）單位時(shí)間、單位面積壓實(shí)總水量［W/（m3·Ma－1），包括上、下泥巖擠入儲(chǔ)層壓實(shí)量］，由壓實(shí)計(jì)算可得。

（6）儲(chǔ)層厚度（δ/m），由壓實(shí)計(jì)算可得。

（7）Δt為各階段經(jīng)歷的間隔時(shí)間（Ma）。

（8）K為滲透系數(shù)（m/Ma），K＝kρg/ν（其中k為滲透率）。

（9）地層水運(yùn)動(dòng)黏度（ν/Pa·s），據(jù)含鹽量、地溫，查表獲得。

3 用恢復(fù)的古水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)油氣運(yùn)聚進(jìn)行定量分析

用上述方法，就可以恢復(fù)各個(gè)地質(zhì)時(shí)期的古水動(dòng)力場(chǎng)（圖4）。在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)油氣二次運(yùn)聚的演變過(guò)程進(jìn)行定量分析。

圖4 四川盆地侏羅系陽(yáng)新統(tǒng)水動(dòng)力圖Fig.4 Hydrodynamic map of Yangxin in Jurassic in Sichuan Basin

a.二次運(yùn)移同油氣在地下的相態(tài)有密切關(guān)系，只有計(jì)算了各控制點(diǎn)在各個(gè)地質(zhì)時(shí)期的氣油比、氣水比之后，再同油氣在地下的溶解度比較，才能作出油氣的相態(tài)判斷。而氣油比、氣水比、油氣在地下溶解度的定量解，都要以古水動(dòng)力場(chǎng)為基礎(chǔ)。首先根據(jù)各期的水頭等值線(xiàn)圖所反映的流向來(lái)計(jì)算各點(diǎn)的單寬油、氣、水量。它反映了油、氣、水在儲(chǔ)層中運(yùn)移量的動(dòng)態(tài)。利用各地質(zhì)時(shí)期的單寬流量進(jìn)一步計(jì)算出各期的氣油比、氣水比；再按各地質(zhì)時(shí)期目的層的水頭值、埋藏深度、地溫梯度，根據(jù)一定的公式計(jì)算出氣在原油中的地層水的溶解度。這樣，由上所求烴的溶解度及實(shí)際氣油比、氣水比可計(jì)算出相態(tài)值，其值大小反映了某種烴類(lèi)的相態(tài)。當(dāng)相態(tài)值小于或等于0，說(shuō)明地層中僅存在油（含溶解氣）兩相；當(dāng)相態(tài)值大于0或等于1時(shí)，說(shuō)明地層中存在飽和氣體的油相和含溶解氣或被氣體飽和的水兩相；當(dāng)相態(tài)值大于1，則有飽和氣的油相、飽和氣的水相以及飽和態(tài)的游離氣相三相存在。可見(jiàn)相態(tài)值可作為判斷各個(gè)時(shí)期油氣在儲(chǔ)層中的相態(tài)準(zhǔn)則，所以它對(duì)油氣運(yùn)聚有重要意義。

b.在油氣全部溶解于地層水時(shí)，其運(yùn)移主要受水勢(shì)控制。當(dāng)出現(xiàn)油、氣、水中的2種以上相態(tài)時(shí)，其運(yùn)移主要受水動(dòng)力和浮力的合力作用，即流體自身勢(shì)的控制。由水頭值，根據(jù)哈伯特流體勢(shì)的公式，計(jì)算出油勢(shì)和氣勢(shì)。

c.由各地質(zhì)時(shí)期的相態(tài)值、油氣勢(shì)及油氣流量的展布特征，結(jié)合古構(gòu)造的演化，可對(duì)各地質(zhì)時(shí)期油氣聚集程度作出定量評(píng)價(jià)。整個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 油氣評(píng)價(jià)數(shù)值模擬流程圖Fig.5 Flow chart of numerical simulation of oil and gas evaluation

4 四川盆地陽(yáng)新統(tǒng)油氣運(yùn)聚分析

四川盆地二疊系陽(yáng)新統(tǒng)是一套生物繁盛的碳酸鹽臺(tái)地相沉積，從晚二疊世直到第三紀(jì)沉積期，陽(yáng)新統(tǒng)一直處于深埋環(huán)境，至喜馬拉雅第Ⅱ幕達(dá)到最大埋深，根據(jù)地質(zhì)資料和地質(zhì)發(fā)展史的分析，可以將其劃分為8個(gè)期：晚二疊世、中三疊世、中三疊世、晚三疊世、早侏羅世、中侏羅世、晚侏羅世、白堊紀(jì)—第三紀(jì)，用上述方法，以區(qū)內(nèi)46口鉆井為計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)各期古水動(dòng)力場(chǎng)、油氣運(yùn)聚進(jìn)行模擬分析，編制出陽(yáng)新統(tǒng)8個(gè)地質(zhì)時(shí)期的古水動(dòng)力圖、油氣流量及相態(tài)圖、油氣勢(shì)圖及聚集分區(qū)圖（因篇幅有限，僅附1張圖，見(jiàn)圖6），展示了白堊紀(jì)－早第三紀(jì)有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟階段，處于成氣高峰期，四川南部以樂(lè)山－瀘州隆起為中心的低勢(shì)區(qū)為富氣區(qū)，川東豐都－墊江－大竹一帶也為含氣區(qū)，其聚集分區(qū)的展布同目前勘探效果較為一致，為勘探區(qū)帶優(yōu)選提供重要的指示。

圖6 四川盆地白堊紀(jì)至早第三紀(jì)陽(yáng)新統(tǒng)油氣勢(shì)及聚集分區(qū)圖Fig.6 Map of the potential energy and the accumulation partition of oil and gas in Yangxin from Cretaceous to early Tertiary in Sichuan Basin

5 結(jié)論

a.以壓實(shí)為機(jī)制所建立的壓實(shí)流古水動(dòng)力方程，采用盆地模擬技術(shù)，可重現(xiàn)目的層古水動(dòng)力場(chǎng)，編制的油勢(shì)、氣勢(shì)、油氣單寬流量等反映油氣運(yùn)移的等值線(xiàn)圖，可成為判斷油氣運(yùn)移方向的直觀方法。

b.四川盆地二疊系陽(yáng)新統(tǒng)自白堊紀(jì)－早第三紀(jì)以來(lái)，南部以樂(lè)山－瀘州隆起為中心的低勢(shì)區(qū)為富氣區(qū)，東部豐都－墊江－大竹一帶也為含氣區(qū)。

［1］樓章華，金愛(ài)民，田煒卓，等.論陸相含油氣沉積盆地地下水動(dòng)力場(chǎng)與油氣運(yùn)移、聚集［J］.地質(zhì)科學(xué)，2005，40（3）：305－318.Lou Z H，Jin A M，Tian W Z，etal.Origin and evolution of hydrocdynamics and the migration，accumulation of petroliferous sedimentary basins［J］.Chinese Journal of Geology，2005，40（3）：305－318.（In Chinese）

［2］王震亮，陳荷立.試論古水動(dòng)力演化的旋回性與油氣的多期次運(yùn)聚［J］.沉積學(xué)報(bào)，2002，20（2）：339－344.Wang Z L，Chen H L.A view on cycles of paleohydrodynamics evolution and phases of hydrocarbon migration and accumulation［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2002，20（2）：339－344.（In Chinese）

［3］楊緒允.論含油氣盆地地下水動(dòng)力環(huán)境［J］.石油學(xué)報(bào)，1989，10（4）：27－34.Yang X Y.On the underground hydrodynamic environment in an oil-gas basin［J］.Acta Petrolei Sinica，1989，10（4）：27－34.（In Chinese）

［4］曾濺輝.臺(tái)北凹陷地下水動(dòng)力特征及其對(duì)油氣運(yùn)移和聚集的影響［J］.沉積學(xué)報(bào)，2000，18（2）：273－278.Zeng J H.Hydrocarbon characteristics and its effect on oil-gas migration and accumulation in Taibei depression［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2000，18（2）：273－278.（In Chinese）

［5］康永尚，郭黔杰.論油氣成藏流體動(dòng)力系統(tǒng)［J］.地球科學(xué)，1998，23（3）：281－284.Kang Y S，Guo Q J.On oil and gas migration and accumulation fluid dynamic systems［J］.Earth Science，1998，23（3）：281－284.（In Chinese）

［6］薛禹群，葉淑君，謝春紅.多尺度有限單元法在地下水模擬中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，35（7）：7－13.Xue Y Q，Ye S J，Xie C H，etal.Application of multi-scale finite element method to simulation of groundwater flow［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004，35（7）：7－13.（In Chinese）