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1、水动力发育第1页，共29页，编辑于2022年，星期六一、水动力的涵义地下水动力学是研究地下水在岩石孔隙、裂隙和溶洞地下水动力学是研究地下水在岩石孔隙、裂隙和溶洞中运动规律的科学。它从当地的实际地质和水文地质条件出中运动规律的科学。它从当地的实际地质和水文地质条件出发，以数学、物理、化学、水力学等的基本定律为基础，运发，以数学、物理、化学、水力学等的基本定律为基础，运用地质分析、数值计算、模拟实验等方法，得出地下水特别用地质分析、数值计算、模拟实验等方法，得出地下水特别是地质历史时期地下水的运动规律。油气勘探中的水动力研是地质历史时期地下水的运动规律。油气勘探中的水动力研究，目的在于了解油气运移
2、、聚集乃至冲刷过程中水动力的究，目的在于了解油气运移、聚集乃至冲刷过程中水动力的作用和规律，从而更好地认识油气赋存环境和富集规律。作用和规律，从而更好地认识油气赋存环境和富集规律。（一）、盆地的水动力类型（一）、盆地的水动力类型CoustauCoustau等等(1975)(1975)根据盆地的地下水动力特征及其成根据盆地的地下水动力特征及其成因机制，将盆地划分为因机制，将盆地划分为“青年青年”、“中年中年”和和“老年老年”三个阶三个阶段。它们分别对应压实流、重力流和滞流三种水动力类型。段。它们分别对应压实流、重力流和滞流三种水动力类型。第2页，共29页，编辑于2022年，星期六1、压实流盆地（
3、、压实流盆地（compaction flow basin)盆地中沉积物的主体仍处于压实和欠压实状盆地中沉积物的主体仍处于压实和欠压实状态，压实排出的流体由盆地中心向四周呈态，压实排出的流体由盆地中心向四周呈“离心离心状状”流动，地下水势在盆地中心和深部最高，向流动，地下水势在盆地中心和深部最高，向边缘和浅部逐渐降低，即与盆地埋深呈镜像关系。边缘和浅部逐渐降低，即与盆地埋深呈镜像关系。故形成由凹故形成由凹(洼洼)陷区指向其边缘的区域地下水动陷区指向其边缘的区域地下水动力场力场(图图6-la)。2 2、重力流盆地、重力流盆地(Gravity flow basin)(Gravity flow bas
4、in)重力流盆地是被大气水严重侵入的盆地。由于重力流盆地是被大气水严重侵入的盆地。由于大气降水和地表水在重力作用下不断下渗，从而导大气降水和地表水在重力作用下不断下渗，从而导致地下重力流的产生，并使地下水致地下重力流的产生，并使地下水势在盆地边缘高，中心低，与盆地地层产状大体一势在盆地边缘高，中心低，与盆地地层产状大体一致致(图图6-1b)6-1b)。地下水自周边向盆地中心低洼处呈向。地下水自周边向盆地中心低洼处呈向心式流动，并在某一低地或断裂带泄心式流动，并在某一低地或断裂带泄出，构成穿越流。出，构成穿越流。3 3、滞流盆地、滞流盆地(no flow basin)(no flow basin
5、)此类盆地地壳运动处于相对静止时期，既无此类盆地地壳运动处于相对静止时期，既无压实作用产生的离心水流，也无地表水向盆地侵压实作用产生的离心水流，也无地表水向盆地侵入的向心流，地下水处于能量弱的滞流状态，其入的向心流，地下水处于能量弱的滞流状态，其测势面为一水平面测势面为一水平面(图图6-1c)6-1c)，油气只在浮力作用，油气只在浮力作用下运移。下运移。第3页，共29页，编辑于2022年，星期六 除以上三种典型类型外，还存在一些过渡型盆地。如松除以上三种典型类型外，还存在一些过渡型盆地。如松辽盆地水动力场具有明显的分带性和不对称性，辽盆地水动力场具有明显的分带性和不对称性，东濮凹陷水东濮凹陷水
6、动力场为上部重力流、下部压实流等。动力场为上部重力流、下部压实流等。第4页，共29页，编辑于2022年，星期六 此外，此外，盆地的水动力类型不是一成不变的，而是在不断地发展演化盆地的水动力类型不是一成不变的，而是在不断地发展演化。其演化进程一。其演化进程一般是从压实流向重力流再向滞流类型转化般是从压实流向重力流再向滞流类型转化(图图6 63)3)，但也有不经过重力流阶段而直接向，但也有不经过重力流阶段而直接向滞流类型演化的。压实流阶段是每个盆地在演化过程中必然经过的阶段，当盆地沉积停滞流类型演化的。压实流阶段是每个盆地在演化过程中必然经过的阶段，当盆地沉积停止之后，若没有发生强烈的造山运动以致
7、于改变盆地的水动力模式，则盆地就可能始终止之后，若没有发生强烈的造山运动以致于改变盆地的水动力模式，则盆地就可能始终处于压实流阶段，或成为压实流一滞流的过渡型，而只有在强烈造山运动的作用下，盆处于压实流阶段，或成为压实流一滞流的过渡型，而只有在强烈造山运动的作用下，盆地边缘大幅度抬升，才可能转化为重力流盆地。地边缘大幅度抬升，才可能转化为重力流盆地。（据杨绪充，1989）第5页，共29页，编辑于2022年，星期六（二）、（二）、水动力体系的纵向分布水动力体系的纵向分布 由于岩性组合及物性条件的不同，往往在纵向上不同由于岩性组合及物性条件的不同，往往在纵向上不同层段间层段间过剩压力过剩压力呈现有
8、高低相间的起伏变化。这里每一过剩呈现有高低相间的起伏变化。这里每一过剩压力高峰值相当于一个水动力分隔层，它就象地形上的分水压力高峰值相当于一个水动力分隔层，它就象地形上的分水岭一样，分隔着不同的水动力体系。而两个过剩压力峰值之岭一样，分隔着不同的水动力体系。而两个过剩压力峰值之间所夹持的地层处于同一水动力体系之中，每间所夹持的地层处于同一水动力体系之中，每水动力体系水动力体系内的水在过剩压力作用下可产生一定程度的上下沟通。水流内的水在过剩压力作用下可产生一定程度的上下沟通。水流量的大小则取决于含水组合中压力和岩性的配置状况。地层量的大小则取决于含水组合中压力和岩性的配置状况。地层水可由深、浅两
9、个压力高峰值位置流向体系中间的低压处水可由深、浅两个压力高峰值位置流向体系中间的低压处（参见下二图）。（参见下二图）。第6页，共29页，编辑于2022年，星期六第7页，共29页，编辑于2022年，星期六第8页，共29页，编辑于2022年，星期六（三）、（三）、流体势分析流体势分析 无论是在压实流盆地还是在重力流盆地中，流体的流动无论是在压实流盆地还是在重力流盆地中，流体的流动皆遵循从高势区流向低势区这一基本原理皆遵循从高势区流向低势区这一基本原理。早在。早在4040年代初，年代初，Hubbert(1940Hubbert(1940，1953)1953)就用流体势的概念较全面地描述了地就用流体势的
10、概念较全面地描述了地下流体的运动状态。但由于受到当时定量技术条件的限制，下流体的运动状态。但由于受到当时定量技术条件的限制，长期以来并没有很好地应用到石油地质研究中。直到长期以来并没有很好地应用到石油地质研究中。直到8080年代年代末，随着石油地质定量研究的发展以及计算机技术的广泛应末，随着石油地质定量研究的发展以及计算机技术的广泛应用，流体势这一概念才重新引起人们的重视。用，流体势这一概念才重新引起人们的重视。HubbertHubbert将地下单位质量流体所具有的机械能的总和定义将地下单位质量流体所具有的机械能的总和定义为流体势为流体势(f f)，并用下式表示：，并用下式表示：上式中等号右端
11、上式中等号右端第一项表示重力引起的位能第一项表示重力引起的位能，相当于将单位，相当于将单位质量流体由基准面移到质量流体由基准面移到Z高程克服重力所做的功；高程克服重力所做的功；第二项表第二项表示流体的压能示流体的压能(或弹性能或弹性能)，可理解为单位质量流体的压力由，可理解为单位质量流体的压力由海平面处的压力海平面处的压力(0.1MPa，即，即1atm)变化到变化到p压力的过程中所压力的过程中所第9页，共29页，编辑于2022年，星期六做的功；做的功；第三项表示动能第三项表示动能，代表单位质量流体由静止状态，代表单位质量流体由静止状态加速到流速加速到流速q时所做的功。时所做的功。可见，流体势是
12、单位质量流体的机械能，包括位能、压可见，流体势是单位质量流体的机械能，包括位能、压能和动能三者的总和。在静水或流体流动很缓慢时能和动能三者的总和。在静水或流体流动很缓慢时(小于小于lcm/s)，q2/2项可视为零，也就是说，动能可以忽略不计。项可视为零，也就是说，动能可以忽略不计。因此，盆地地层中的流体势，一般可表示为：因此，盆地地层中的流体势，一般可表示为：另外，通常把油和水看作是不可压缩的，即其密度不随另外，通常把油和水看作是不可压缩的，即其密度不随地层压力而变化，地层压力而变化，于是地层中油、气、水的势可分别表示为于是地层中油、气、水的势可分别表示为：由于公式中的古由于公式中的古Z可由埋
13、藏史模型求出，这里的重点应是如可由埋藏史模型求出，这里的重点应是如何恢复古流体压力的问题。何恢复古流体压力的问题。第10页，共29页，编辑于2022年，星期六二、异常高流体压力的形成机理 目前认为，异常高流体压力主要由以下四种原因造成目前认为，异常高流体压力主要由以下四种原因造成:1 1、压实与排水的不平衡压实与排水的不平衡 压实作用同时包含两个过程压实作用同时包含两个过程:一是颗粒被压实一是颗粒被压实,二是其二是其间的孔隙水被排出间的孔隙水被排出,孔隙度下降。上覆负荷在孔隙流体和岩石骨架上作孔隙度下降。上覆负荷在孔隙流体和岩石骨架上作用力的分配关系，决定着沉积物的压实状态。用力的分配关系，决
14、定着沉积物的压实状态。对于每一具体岩石来说，都有一个维持其压实需求与对于每一具体岩石来说，都有一个维持其压实需求与实际排水之间平衡的实际排水之间平衡的最小渗透率界限值最小渗透率界限值K Kminmin。若岩石实际渗。若岩石实际渗透率透率K Kminmin，说明岩石的实际排水能力不能满足压实对排水，说明岩石的实际排水能力不能满足压实对排水量的需求，一部分流体将滞留在孔隙中，分担了一部分本量的需求，一部分流体将滞留在孔隙中，分担了一部分本该由颗粒骨架承担的压力，孔隙流体中就会出现异常高压该由颗粒骨架承担的压力，孔隙流体中就会出现异常高压现象，而岩石的压实程度也未达到在正常压实情况下应该现象，而岩石
15、的压实程度也未达到在正常压实情况下应该达到的程度，处于一种欠压实状态。达到的程度，处于一种欠压实状态。第11页，共29页，编辑于2022年，星期六NORMAL POROSITY REDUCTIONSAND第12页，共29页，编辑于2022年，星期六NORMAL POROSITY REDUCTIONSHALE第13页，共29页，编辑于2022年，星期六 POROSITY REDUCTIONSHALE第14页，共29页，编辑于2022年，星期六Subsurface Pressures第15页，共29页，编辑于2022年，星期六 SUBSURFACE PRESSURES DEPTHPRESSUREH
16、ydrostatic(PH)Excess Pore(PE)Frame(PF)Total or Lithostatic Pressure(PT)第16页，共29页，编辑于2022年，星期六 SUBSURFACE PRESSURESPRESSURE DEPTHHydrostatic(PH)Fresh Water Hydrostatic Gradient-9.8 kPa/m.Porosity=100%PF=0PT=PH第17页，共29页，编辑于2022年，星期六 SUBSURFACE PRESSURESPRESSURE DEPTHFrame (PF)Porosity=0%PH=0PT=PF第18页，
17、共29页，编辑于2022年，星期六 SUBSURFACE PRESSURESPRESSURE DEPTHHydrostatic (PH)Porosity=20%PP=PHPE=0PT=PF+PHFrame (PF)Total(PT)第19页，共29页，编辑于2022年，星期六 SUBSURFACE PRESSURESPRESSURE DEPTHHydrostatic (PH)Porosity=30%PP=PH+PEPT=PH+PE+PFFrame (PF)Total(PT)Excess (PE)第20页，共29页，编辑于2022年，星期六COMPACTION-POROSITY REDUCTIO
18、NPore Fluid MovesPorosity DecreasesPore Fluid TrappedPorosity Preserved第21页，共29页，编辑于2022年，星期六第22页，共29页，编辑于2022年，星期六2 2、水热增压、水热增压埋深的进一步增加，带来地层温度的升高，由热胀埋深的进一步增加，带来地层温度的升高，由热胀冷缩原理，无疑会引起岩石颗粒骨架和地层水的共同膨胀。冷缩原理，无疑会引起岩石颗粒骨架和地层水的共同膨胀。但据研究，石英的热膨胀率仅为水的但据研究，石英的热膨胀率仅为水的1/151/15，因而相比之下，因而相比之下，水的膨胀效应更为明显。若水处于一种开放体系
19、，则可自水的膨胀效应更为明显。若水处于一种开放体系，则可自由流出，但若处于由封隔性边界（如因压实作用引起的岩由流出，但若处于由封隔性边界（如因压实作用引起的岩石边缘致密）所包围的封闭体系内，将引起体系内压力的石边缘致密）所包围的封闭体系内，将引起体系内压力的增加。增加。同时，封隔性边界又往往是隔热层，使得体系内温同时，封隔性边界又往往是隔热层，使得体系内温度高于体系外相同深度处的温度，从而又加剧了水的受热度高于体系外相同深度处的温度，从而又加剧了水的受热膨胀效应。膨胀效应。3、粘土矿物的转化粘土矿物的转化 泥质岩中含有泥质岩中含有50%50%以上的粘土矿物，在成岩过程中，以上的粘土矿物，在成岩
20、过程中，粘土矿物将发生一系列变化，以蒙脱石（粘土矿物将发生一系列变化，以蒙脱石（S S）伊利石（伊利石（I I）最为典型。世界上很多地区，由浅最为典型。世界上很多地区，由浅深，深，SI/SSI/S混层，且混层，且第23页，共29页，编辑于2022年，星期六其中其中I I成分随埋深的加大而不断增加。在成分随埋深的加大而不断增加。在SISI的过程中矿物吸热排水，的过程中矿物吸热排水，在蒙脱石消失以前达到一个排水高峰。在蒙脱石消失以前达到一个排水高峰。促成粘土矿物转化的主要因素是温度。促成粘土矿物转化的主要因素是温度。随地温升高，由于粘土结构阳离子的置换作用，使其层间电荷随地温升高，由于粘土结构阳离
21、子的置换作用，使其层间电荷增大，增大，K K+固定在层间位置固定在层间位置使使S S脱去最后几层层间吸附水，达到排水高峰，脱去最后几层层间吸附水，达到排水高峰，如果排水受阻，则可促进高压形成。如果排水受阻，则可促进高压形成。此外，此外，S S层间吸附水密度一般都高于自由孔隙水，层间吸附水密度一般都高于自由孔隙水，MartinMartin(1972)(1972)得出的结论是，在紧靠粘土表面外得出的结论是，在紧靠粘土表面外w w可高达可高达1.4g/cm1.4g/cm3 3，向外层虽逐渐有所降低，但仍大于普通水，这样的水脱出后，向外层虽逐渐有所降低，但仍大于普通水，这样的水脱出后，单位质量的水必然
22、要引起体积膨胀，理论值是膨胀单位质量的水必然要引起体积膨胀，理论值是膨胀40%(1.440%(1.41.0g/cm1.0g/cm3 3)，实际从砂质泥岩，实际从砂质泥岩较纯粘土岩，体积膨胀量可在较纯粘土岩，体积膨胀量可在2.52.520%20%之间变化。体积的这种膨胀势必促进异常高压的形成。之间变化。体积的这种膨胀势必促进异常高压的形成。4 4、有机质的热解生烃、有机质的热解生烃 有机质经历了一定的埋藏和受热历史后，将开始大量生烃，而烃类的有机质经历了一定的埋藏和受热历史后，将开始大量生烃，而烃类的生成，特别是天然气的大量生成，将无疑会给生成，特别是天然气的大量生成，将无疑会给第24页，共29
23、页，编辑于2022年，星期六较为封闭的烃源岩系统产生一个附加的气体压力。显然，气态烃生较为封闭的烃源岩系统产生一个附加的气体压力。显然，气态烃生成量越大，体系越密闭，这一因素在异常压力形成中的贡献就越大。成量越大，体系越密闭，这一因素在异常压力形成中的贡献就越大。三、异常压力孕育史模型从异常压力的成因机制出发，可推导出计算地质历史从异常压力的成因机制出发，可推导出计算地质历史时期流体压力的公式。推导中依据了时期流体压力的公式。推导中依据了4个基本前提：个基本前提：压实过程中岩石的颗粒骨架不可压，孔隙流体可压；压实过程中岩石的颗粒骨架不可压，孔隙流体可压；流体在孔隙介质中的流动为线性渗流，服从达
24、西定律；流体在孔隙介质中的流动为线性渗流，服从达西定律；流体流动中质量守恒；流体流动中质量守恒；水力裂缝方式可使泥岩中过高的压力得以释放、降低。水力裂缝方式可使泥岩中过高的压力得以释放、降低。固定坐标系中的孔隙介质，液、固两相的连续性方程：固定坐标系中的孔隙介质，液、固两相的连续性方程：第25页，共29页，编辑于2022年，星期六式中，vf为流体渗流速度，vr为颗粒骨架移动速度，qf和qr分别是单位体积内流体和骨架的体积增长率（由假定，qr=0），f和r则分别为流体和固体骨架的密度。流体相对于颗粒骨架的渗流服从达西定律，其体积流动速度为：式中k为岩石的绝对渗透率，f为流体的动力学粘度。可压缩流
25、体的状态方程为：式中f和f分别为流体的压缩系数和热膨胀系数，T为温度。根据实验，沉积物承受的上覆负荷(S)可以分解为由岩石颗粒承担的有效应力()和由流体承担的流体压力(P)两部分，即：第26页，共29页，编辑于2022年，星期六在沉积物压实过程中，作用于岩石颗粒的有效应力是孔隙度()减小的直接原因。由本式并注意到岩石骨架不可压，其体积(Vr)在压实前后保持恒定，即：可得到反映孔隙度()一有效应力()间的关系：式中：将以上各式综合，可得出表达流体压力孕育史的方程：第27页，共29页，编辑于2022年，星期六这里这里 s s为岩石的压缩系数，为岩石的压缩系数，S S为上覆总负荷。式中各项的物理意为
26、上覆总负荷。式中各项的物理意义是：左端表示沉积物通过控制体义是：左端表示沉积物通过控制体(元元)时流体压力随时间的变时流体压力随时间的变化，右端四项分别表示孔隙流体流动、总负荷化，右端四项分别表示孔隙流体流动、总负荷(压力压力)、温度和、温度和新生流体源对压力形成的影响。它反映了流体压力随时间的变新生流体源对压力形成的影响。它反映了流体压力随时间的变化，因此可用来计算流体压力并恢复其孕育历史。化，因此可用来计算流体压力并恢复其孕育历史。当地下流体压力孕育到一定程度时，即可通过水力裂缝的当地下流体压力孕育到一定程度时，即可通过水力裂缝的方式加以释放。据研究方式加以释放。据研究(Ungerer(Ungerer等，等，1987)1987)，形成水力裂逢的压，形成水力裂逢的压力界限是：力界限是：式中式中P Plmlm为水力裂缝形成时的压力界限，当压力大于等于为水力裂缝形成时的压力界限，当压力大于等于此值时，即可形成水力裂此值时，即可形成水力裂隙，隙，为水力裂缝系数，依岩性为水力裂缝系数，依岩性不同，取不同，取 0.8-1.0。第28页，共29页，编辑于2022年，星期六鄂尔多斯盆地中部三口井的山西组过剩压力演化历史图鄂尔多斯盆地中部三口井的山西组过剩压力演化历史图（据王震亮等，1994）第29页，共29页，编辑于2022年，星期六