引言

油气初次运移是石油地质学研究的重要内容之一，也是一个尚未完全解决的学术难题^[1-5]。油气初次运移的研究内容包括运移的相态、动力、方向、期次等，其中，关于初次运移的动力问题在学术界存在较大争议。例如，李明诚教授认为毛细管压力是初次运移的主要动力之一^[6]；李传亮教授对油气运移过程中的毛管压力作用机理深入研究后认为，毛管压力不是油气初次运移的动力^[7]。

石油地质学通常认为，构造应力是油气初次运移的主要动力之一，其主要观点为“构造应力之所以是初次运移的动力，是因为烃源岩的孔隙度和流体压力的变化，不仅可以由上覆岩石的负荷应力所产生，也可以由水平的构造应力所引起；在构造应力的作用下，可以使岩石变得很致密而导致封闭，并产生流体的异常高压”^{[6, 8]}。然而，该观点缺乏直接证据或室内实验证据，也未见定量研究，因此，是一种主观的定性认识。通过分析构造应力对油气初次运移的作用规律，开展定量化计算分析后发现，构造应力对油气初次运移的影响十分微弱，不可能是初次运移的主要动力。

1 构造应力的作用范围

地质构造的规模可大可小，按规模可分为全球构造、区域(巨型)构造、大型构造、中型构造、小型构造、显微构造和超微构造^[9]。石油矿场上研究的地层通常属于中、小尺度的地质构造，可以直接观测或通过大、中比例尺地质制图直观表现出来。在油田应力场的研究中，构造应力常指由于构造运动引起的地应力的增量^[10]。地层具有一定的体积，对于特定的地层，构造应力可能有不同的作用范围。

(1) 作用方向。构造应力可能平行于最大水平主应力，或平行于最小水平主应力，也可能介于两个水平主应力之间。通常，构造应力与最大水平主应力方向一致^[11]。

(2) 纵向范围。在纵向上，构造应力可能作用于烃源岩的部分层段(图 1a)，或作用于烃源岩全部层段(图 1b)，也可能烃源岩全部层段与储集岩均受到构造应力作用(图 1c)。

构造应力挤压地层，引起孔隙压力升高。若烃源岩与储集岩均受到构造应力作用，两层中的孔隙压力会同时升高，孔隙压力增量差异不大；若构造应力仅作用于烃源岩，而储集岩不受构造应力，则烃源岩中孔隙压力升高，在烃源岩向储集岩排液之前，储集岩中孔隙压力不变。显然，图 1b中的情形更有利于构造应力驱动烃源岩中的油气向外运移。

(3) 横向范围。在横向上，烃源岩可能只有部分受构造应力作用，也可能整体受构造应力作用(图 2)。

在横向上，若只有部分受构造应力作用，烃源岩中孔隙压力局部升高；若整体受构造应力作用，烃源岩中孔隙压力整体升高。显然，图 2b中的情形更有利于构造应力驱动烃源岩中的油气向外运移。

2 构造应力对孔隙度的影响

现代油气晚期成因说(干酪根热降解生烃学说)是指导油气勘探的主要油气成因理论。该理论认为，大多数油气资源是在岩石成岩后期或成岩之后生成的。前人的研究成果表明，岩石在成岩晚期(或成岩之后)属于致密介质；致密介质受压缩后孔隙体积和外观体积同步(等比例)减小，因此，孔隙度不变^[12-13]，如图 3所示。

岩石力学测试结果表明，当施加的应力不超过岩石的弹性极限时，其应力与应变成正比。同理，构造应力对地层岩石产生侧向挤压作用，若构造应力不超过岩石的弹性极限，则地层岩石孔隙体积和外观体积同步(等比例)减小，但孔隙度不变。文献[6, 8]认为，构造应力会引起烃源岩孔隙度的变化，这显然是对致密介质孔隙度与孔隙体积变化规律的误解。

3 定量计算模型的建立

若烃源岩中充满了油气，构造应力侧向挤压地层岩石，岩石的孔隙体积减小，驱动油气向外运移。由于构造应力是逐渐增大的，因此，该过程中“孔隙压力增大-烃源岩向外排液”多次重复，直到构造应力达到最大并保持稳定。根据力学叠加原理，可将这种多次重复过程，简化为“构造应力作用-烃源岩被压缩(不向外排液)-孔隙压力增加到最大值-孔隙压力释放驱动油气向外运移”的一次过程。因此，在建立定量计算模型时，分为两部分，先确定构造应力导致的孔隙压力增量，再计算孔隙压力释放驱动油气运移的尺度。

3.1 构造应力导致的孔隙压力增量

根据有效应力理论和弹性力学理论，分析了构造应力对孔隙压力的影响，建立了孔隙压力增量的计算模型。基本假设如下：

(1) 构造应力平行于最大水平主应力，对地层产生挤压作用。

(2) 构造应力的作用范围：纵向上烃源岩全部层段受构造应力作用，而储集岩不受构造应力；横向上烃源岩整体受构造应力作用。

(3) 构造应力未超过地层岩石的弹性极限，地层未产生裂缝或破裂。

(4) 在构造应力作用下，烃源岩只产生弹性变形。

(5) 烃源岩被压缩过程中不向外排液。

(6) 烃源岩为各向同性体。

(7) 忽略烃源岩应变对围岩的影响。

构造应力作用之前，烃源岩与储集岩受最大水平主应力$\sigma_{\rm{H}}$、最小水平主应力$\sigma_{\rm{h}}$、垂向应力$\sigma_{\rm{z}}$作用，烃源岩与储集岩中孔隙压力分别为$p_{\rm{p1}}$、$p_{\rm{p2}}$，如图 4a所示。

烃源岩的有效应力为^[14-15]

$ \left\{ \begin{array}{l} {\sigma _{\rm{effH}}} = {\sigma _{\rm{H}}} - {\phi _1}{p_{\rm{p1}}}\\ {\sigma _{\rm{effh}}} = {\sigma _{\rm{h}}} - {\phi _1}{p_{\rm{p1}}}\\ {\sigma _{\rm{effz}}} = {\sigma _{\rm{z}}} - {\phi _1}{p_{\rm{p1}}} \end{array} \right. $

(1)

式中：

$\sigma _{\rm{effH}}$-最大水平有效应力，MPa；

$\sigma _{\rm{effh}}$-最小水平有效应力，MPa；

$\sigma _{\rm{effz}}$-垂向有效应力，MPa；

$\sigma_{\rm{H}}$，$\sigma_{\rm{h}}$，$\sigma_{\rm{z}}$-烃源岩与储集岩所受的最大水平主应力、最小水平主应力、垂向应力，MPa；

$p_{\rm{p1}}$-构造应力作用之前烃源岩中孔隙压力，MPa；

$p_{\rm{p2}}$-构造应力作用之前储集岩中孔隙压力，MPa；

$\phi _1$-烃源岩孔隙度，%。

烃源岩所受的体积应力(有效应力)$\sigma _{\rm{eff}}^0$为^[16-17]

$ \sigma _{\rm{eff}}^0 = {\sigma _{\rm{effH}}} + {\sigma _{\rm{effh}}} + {\sigma _{\rm{effz}}} = {\sigma _{\rm{H}}} + {\sigma _{\rm{h}}} + {\sigma _{\rm{z}}} - 3{\phi _1}{p_{\rm{p1}}} $

(2)

构造应力作用之后，烃源岩应力状态发生变化。设构造应力为$\Delta \sigma_{\rm{H}}$ ($\Delta \sigma_{\rm{H}}>0$)，则最大水平主应力增大$\Delta \sigma_{\rm{H}}$；根据弹性力学理论，构造应力$\Delta \sigma_{\rm{H}}$在$\sigma_{\rm{h}}$方向产生的应力增量为$\upsilon \Delta \sigma_{\rm{H}}$($\upsilon$-烃源岩泊松比，无因次)；垂向上烃源岩应变无约束，因此，垂向应力不变。烃源岩的孔隙压力增量为$\Delta p_{\rm{p1}}$($\Delta p_{\rm{p1}}>0$)，构造应力作用之后，烃源岩与储集岩受力如图 4b所示。

构造应力作用之后，烃源岩所受的体积应力$\sigma _{{\rm{eff}}}^1$为

$ \sigma _{{\rm{eff}}}^1 = \left( {{\sigma _{\rm{H}}} + \Delta {\sigma _{\rm{H}}}} \right) + \left( {{\sigma _{\rm{h}}} + \upsilon \Delta {\sigma _{\rm{H}}}} \right) + {\sigma _{\rm{z}}} -3{\phi _1}\left( {{p_{{\rm{p1}}}} + \Delta {p_{{\rm{p1}}}}} \right) $

(3)

烃源岩所受的体积应力增量$\Delta {\sigma _{{\rm{eff}}}}$为

$ \Delta {\sigma _{{\rm{eff}}}} = \sigma _{{\rm{eff}}}^1 - \sigma _{{\rm{eff}}}^0{\rm{ = }}\left( {1 + \upsilon } \right)\Delta {\sigma _{\rm{H}}} - 3{\phi _1}\Delta {p_{{\rm{p1}}}} $

(4)

烃源岩的体积应变$\varepsilon _{\rm{V}}$为^[16-17]

$ \left\{ \begin{array}{l} {\varepsilon _{\rm{V}}}{\rm{ = }}\dfrac{{\Delta {\sigma _{{\rm{eff}}}}}}{K}\\[10pt] K = \dfrac{E}{{1 - 2\upsilon }} \end{array} \right. $

(5)

式中：

$K$-烃源岩的体积模量，MPa；

$E$-烃源岩的杨氏模量，MPa。

由于构造应力未超过烃源岩的弹性极限，烃源岩的应力与应变成正比，孔隙体积和外观体积等比例减小，因此，烃源岩体积应变$\varepsilon _{\rm{V}}$与孔隙体积应变$\varepsilon _{\rm{p}}$相等。根据“烃源岩被压缩过程中不向外排液”的假设，可得孔隙体积应变等于孔隙中流体的体积应变$\varepsilon _{\rm{L}}$。因此，有

$ {\varepsilon _{\rm{V}}} = {\varepsilon _{\rm{p}}}{\rm{ = }}{\varepsilon _{\rm{L}}} = \dfrac{{ - \Delta {V_{\rm{L}}}}}{{{V_{\rm{L}}}}}{\rm{ = }}\left( {{\rm{ - }}\dfrac{1}{{{V_{\rm{L}}}}}\dfrac{{\Delta {V_{\rm{L}}}}}{{\Delta {p_{{\rm{p1}}}}}}} \right)\Delta {p_{{\rm{p1}}}} = {c_{\rm{L}}}\Delta {p_{{\rm{p1}}}} $

(6)

式中：

$\Delta {V_{\rm{L}}}$-构造应力作用后烃源岩孔隙流体体积变化量，m$^3$；

$V_{\rm{L}}$-构造应力作用前烃源岩的孔隙流体体积，m$^3$；

$c_{\rm{L}}$-地层流体的压缩系数^[18]，MPa$^{-1}$。

联立式(4)$\sim$式(6)，可得

$ \Delta {p_{{\rm{p1}}}}{\rm{ = }}\dfrac{{\left( {1 + \upsilon } \right)\left( {1 - 2\upsilon } \right)\Delta {\sigma _{\rm{H}}}}}{{E{c_{\rm{L}}} + 3{\phi _1}\left( {1 - 2\upsilon } \right)}} $

(7)

式(7)即为构造应力导致的孔隙压力增量计算公式。该式表明，相同构造应力条件下，烃源岩的孔隙压力增量与杨氏模量、泊松比、孔隙度以及地层流体的压缩系数有关。由于泊松比和孔隙度的变化范围较小，孔隙压力增量主要受杨氏模量影响。杨氏模量越大，表明岩石抵抗变形的能力越强，相同构造应力作用下孔隙体积压缩量越小，孔隙压力增量就越小。取$\upsilon=0.25$、$\phi_1=10$%、$c_{\rm{L}}$=4$\times$10$^{-4}$ MPa$^{-1}$，构造应力导致的孔隙压力增量，结果如图 5所示。砂泥岩的三轴抗压强度一般不超过350 MPa，杨氏模量大多为5 000$\sim$80 000 MPa^[19]，因此，构造应力导致的孔隙压力增量一般不会超过60 MPa。

3.2 孔隙压力释放驱动油气运移的尺度

构造应力作用导致烃源岩孔隙压力增大，若烃源岩释放压力，必然要向外排液，从而驱动油气运移。若烃源岩向上部储集岩排液，设烃源岩横截面积为$A$，厚度为$H$，孔隙度为$\phi_1$，构造应力作用后孔隙体积减小$\Delta V_{\rm{p}}$；设储集岩孔隙度为$\phi_2$；假设烃源岩中的孔隙压力增量$\Delta p_{\rm{p1}}$完全释放，驱动油气运移的距离为$\Delta L$，则有

$ \Delta {V_{\rm{p}}}{\rm{ = }}\left( {AH{\phi _1}} \right){\varepsilon _{\rm{p}}} = A\Delta L{\phi _2} $

(8)

孔隙压力释放驱动油气运移的尺度，可以用油气运移的距离$\Delta L$与烃源岩厚度$H$的百分比来表示(以下简称“运厚比”)。由式(6)、式(8)可得

$ \dfrac{{\Delta L}}{H}{\rm{ = }}\dfrac{{{\phi _1}}}{{{\phi _2}}}{c_{\rm{L}}}\Delta {p_{{\rm{p1}}}} \times 100{\rm{\% }} $

(9)

式(9)表明，“运厚比”与烃源岩和储集岩的孔隙度之比、地层流体的压缩系数以及孔隙压力释放量有关。取${c_{\rm{L}}}{\rm{ = 4}} \times {\rm{1}}{{\rm{0}}^{{\rm{ - 4}}}}$ MPa$^{-1}$，对“运厚比”进行计算，结果如图 6所示。假设孔隙压力释放量为60 MPa，取烃源岩和储集岩的孔隙度之比${\phi _{\rm{1}}}/{\phi _2}$=0.5$\sim$1.1，计算得到的“运厚比”为1.20%$\sim$2.64%。

采用上述方法，建立了烃源岩侧向(水平方向)排液时油气运移尺度的计算模型(篇幅所限，略)，计算结果与烃源岩向上部储集岩排液的结果十分接近。

3.3 分析讨论

上述计算模型，是在烃源岩纵向、横向上整体受构造应力作用，构造应力导致的孔隙压力增量完全释放，烃源岩厚度为连续厚度等理想化假设基础上建立的。然而，客观实际很难满足理想化假设，例如，实际的构造应力纵向、横向的作用范围可能较小，烃源岩只有一部分受到构造应力作用；构造应力可能较大，而烃源岩强度较低，导致地层产生裂缝或破裂，在烃源岩中形成微聚集或微油藏，油气滞留在烃源岩中^[20]；构造应力虽然导致孔隙压力升高，但孔隙压力由于种种原因而不能完全释放；实际的烃源岩可能为砂泥岩互层或含有夹层等等。因此，实际上孔隙压力释放驱动油气运移的尺度必然小于理论计算结果。

水平方向的构造应力对烃源岩产生挤压作用，致使烃源岩孔隙体积变小、孔隙压力升高。然而，在烃源岩能够承受的构造应力范围内，其孔隙体积只是略微减小，孔隙压力释放只需要排出少量地层流体即可，因此，驱动油气运移的距离很短，相对于烃源岩厚度几乎可以忽略不计。可见，构造应力对油气初次运移的影响十分微弱，不可能是初次运移的主要动力。

4 结论

(1) 构造应力对烃源岩产生挤压作用，能使烃源岩孔隙体积略微减小，但烃源岩的孔隙度不变。

(2) 相同构造应力条件下，烃源岩的孔隙压力增量主要受杨氏模量影响，杨氏模量越大，孔隙压力增量越小，构造应力导致的孔隙压力增量一般不会超过60 MPa。

(3) 孔隙压力释放只需要排出少量地层流体即可，驱动油气运移的距离很短，相对于烃源岩厚度几乎可以忽略不计。

(4) 构造应力对油气初次运移的影响十分微弱，不可能是初次运移的主要动力。