《水文地质学》第6章 盆地水动力和古水动力-xin

第6章地下水动力环境
第一节基本概念
1．静岩压力（lithostatic pressure）
概念：静岩压力是指由上覆沉积物的基质和孔隙空间流体的总重量所引起的压力，也可称作上覆岩层压力。

静岩压力随上覆沉积物的增厚而加大，通常用p
r =σ+p来
表示。

即：静岩压力(p
r )等于颗粒产生的有效压力(σ)与孔
隙流体产生的流体压力(p)之和。

正是在有效压力的作用下，沉积物不断被压实而变得致密。

计算公式：p
r =Hρ
r
g
式中p
r————
静岩压力
H——上覆沉积物的厚度
ρ
r————
上覆沉积物的平均总体密度
g——重力加速度
2 静岩压力梯度
概念：静岩压力梯度指当上覆沉积物每增加单位厚度时所增加的压力，用Pa/m 表示。

若上覆沉积物的平均总体密度为2.3×103Kg/m3，则静岩压力梯度为2.3×104Pa/m 。

3 静水压力（hydrostatic pressure ）
概念：静水压力是指由静水柱重量所引起的压力。

石油地质学中静水压力通常的含义是由“连通在地层孔隙中的水柱所产生的压力”。

计算公式：p w =H ρw g
式中p w ——静水压力
H——水覆水柱的高度
p w ——水的密度
g——重力加速度
4 静水压力梯度
概念：静水压力梯度是指当上覆水柱增加单位高度时所增加的压力，通常也用每增加1m水柱高时增加的压力，用Pa/m 单位表示。

若取水的密度取1×103Kg/m3，则静水压力梯度约为0.1×105Pa/m。

5 地层压力（formation pressure）
概念：地层压力是指作用于地层孔隙空间里的流体上的压力，又称孔隙流体压力,或称孔隙压力
如果孔隙中流体是水，则正常的地层压力等于静水压力值。

6 异常地层压力（abnormal pressure）
概念：异常地层压力是指高于或低于静水压力值的地层压力.异常高压（surpressure）：高于静水压力值的地层压力.
异常低压（subpressure）：低于静水压力值的地层压力.
最初人们是从防止钻井事故的角度出发来研究异常压力的，并常常把它看作是一种偶然的和特殊的地质现象。

后来，发现含油气层与异常高压层在剖面上常有一定的关系，从而引起人们极大的注意。

异常高压是普遍的现象。

第二节流体势与势场
一、势与流体势
流体势是流体动力学中的概念。

引入这一概念有助于更深入地了解天然气（油）运移和聚集的机理。

势：单位物质所具有的总机械能称为势。

如果所研究的是流体的机械运动，就称流体势。

在地下流体环境中，油气水在地层中的渗流就是一种机械运动。

因而，从“势”的角度看，流体自发流动的方向必然是从单位机械能较高的区域（高势区）流向单位机械能较低的区域（低势区）。

ФW 、ФO 、ФG -分别为水势、油势和气势，；
ρW 、ρO 、ρG -分别为水、油、气密度，其它符号意义同前。

能：
很显然，水头hw与水势Φ之间为线性正比关系ΦW =gh w 水头越高，水势越大。

因而，水头也常用来判别地层水流动该式各项单位恰好为长度，
M.K.Hubbert的流体势概念已被广泛引用，成为人们研究油气运移规律的基础理论。

但是Hubbert所定义的流体势主要考虑了流体的位能和压能，也即主要考虑了作用在流体上的两种作用力——重力和弹性力。

没有考虑油气在地下孔隙地层中运动时非常重要的另一种作用力——毛细管力。

因而，用Hubbert的水势概念研究地下水运动规律合适。

用由此水势概念引出的油势、气势概念研究油气运移问题时，必须把“油势”或“气势”与“毛细管压力”结合起来讨论，显然这对定量研究油气运移问题是不方便的。

Hubbert的流体势
England的流体势公式中，同样把动
层。

式中σ
O /
W
、σ
G
/
W
-分别为油-水、气-水
界面张力（N/m）；其它符号意义同前。

经简化，得到实用的水、油、气势公式
知道了水相、油相、气相的势场，就可以判别出水、油、流动方向。

如水势在地层中是等势的（水势值处处
为零Φ
W =0），就表明地层水不流动，
地质上称为静水环境。

如地层中各处水势不等，地层水就会自发地由水势较高的位置流向水势较低的位置，这就是地质上所描述的动水环境。

同理，根据油、气势场也可以判别油、气的运动情况。

三、流体势的应用
1、应用流体势分析油气运聚单元
1）油气运聚单元的概念
油气运聚单元是盆地中具有共同的油气生成、运移和聚集历史的相对独立的单元。

它是有效的烃源岩、优势运移通道、有效的储集层、有效的盖层、有效的圈闭等要素和油气的生成、油气的运聚、圈闭的演化等成藏作用在时间和空间上的有机组合。

一个油气运聚单元可以有多个有效的烃源岩体为其供烃。

2）油气运聚单元的边界与划分
a 运聚单元划分的原则
油气运聚单元的划分应主要遵循以下原则。

①油气运聚单元是盆地内部具有相似油气生成、运移、聚集和成藏特征的单元。

根据盆地内油气运移、聚集和成藏特征的不同,可以划分为若干油气运聚单元。

因此,油气运聚单元的划分应以盆地油气主要成藏期的油气运移格局的研究为基础,按油气运移的路径和方向进行。

②盆地油气输导体系的分布对油气运移格局有重要影响,盆地优势输导体系的分布控制油气运移的优势方向。

因此,油气输导体系的研究对油气运聚单元的划分有重要意义。

③不同地质时期,由于盆地油气运移格局的变化,盆地油气运聚单元的个数和边界也在发生变化。

b 油气运聚单元的边界
根据上述划分原则,油气运聚单元主要有两种不同类型的边界,即流动边界和自然边界。

1) 流动边界
流动边界是油气运移的“分割槽”,由油气主要成藏期(油气系统的关键时刻) 主要含油气层系顶面流体势图上的高势面所确定。

高势面往往是确定盆地中心凹陷区运聚单元边界的主要依据,高势面两侧为两个不同的油气运聚单元。

2) 自然边界
自然边界指以某些自然的地质界线作为油气运聚单元的边界。

这些自然的地质界线可以是在油气运移过程中起分割作用的大断裂和岩性岩相变化带,也可以是盆地的边界、地层的剥蚀尖灭带和古隆起带。

(3) 应用流体势方法划分油气运聚单元
油气运移流线的3 种型式
研究方法
综上所述，流体势分析法是研究渗流运移的主要方法。

应用流体势方法研究渗流运移时，必须首先进行精细的地质描述，储层连续性越好，均质性好的地区，流体势分析法的适用性就好，而地质连续性差，断层分割性强的地区，流体势分析适用性就差。

通常有以下三种情况。

①储集层连续性好，均质性好，如海相砂岩，可按地层埋藏史恢复出平面二维古势场，可以较好的解决渗流运移问题。

②地层连续性好，但储层物性受岩相影响变化大，在势分析时，可把岩相差异导致储层喉道变化大的因素加入势研究中。

③地层连续性差，有断层切割，岩性岩相变化大，这时，势分析方法适用性差。

总之，地质环境中流体势场是客观存在的，天然气按地下气势场的分布，从高气势区向低气势区运移，并在低气势的闭合空间内形成气的聚集。

所以流体势分析方法是渗流运移的主要研究方法，因为流体势综合考虑了油气二次运移中油气质点所受到的种种力的作用，能比较全面的描述油气渗流运移的过程，因此越来越受到石油地质专家的高度重视。

第三节输道体系
输道体系定义
输道体系：所谓油气输道体系系指连接源岩与圈闭的运移通道所组成的输导网络。

它作为油气成藏中连接生烃与圈闭之间的“桥梁与纽带”，在某种程度上决定着含油气盆地内各种圈闭最终能否成为油气藏及油气聚集的数量，而且还决定着油气在地下向何处运移，在何处成藏及成藏类型。

一、油气运移输导系统的类型及特征
(一）输导系统的类型
孔隙、裂缝及其二者的组合是构成输导系统的三要素，它们可以单独构成简单的运移输导系统，也可以组合起来构成相对复杂的运移复合输导系统。

(1) 连通砂体输导系统这种输导系统以连通孔隙作为油气运移通道空间，是油气在地下进行二维侧向运移的最常见输导系统。

在这种输导系统中，油气运移通道的质量主要取决于其孔渗性能。

(2) 断层输导系统这种输导系统是由于断裂活动开启，形成油气运移的通道，以断裂带中的裂缝系统为主。

这种输导系统主要形成于断裂活动期间，其油气输导系统的质量，关键在于断裂开启的程度。

断裂开启程度越高，断裂中的裂缝越发育，渗滤空间越大，越有利于油气运移。

(3) 不整合面输导系统是由于地壳抬升，基岩遭受风化剥蚀作用形成的，油气运移的通道为裂缝与孔隙形成的网络系统。

它既可以是油气进行二维侧向运移的输导系统，又可以作为油气进行二维斜向运移的输导系统，这主要取决于其空间分布状态。

（二）复合输导系统及其特征
简单输导系统在地质空间中的存在并非总是以单一的形式，而往往是以相互组合的形式。

按照它们的空间组合形式，可形成以下四种复合形式的输导系统(图3-1)。

(1) 砂体一不整合面组成的输导系统是油气在地质空间中进行更复杂侧向运移的立体网络通道，是凹陷中生成的油气向古隆起侧向或斜向运移的主要通道。

这种输导系统中油气的运移不仅受到砂体分布形态的控制，还要受到不整合面分布形态的控制，是油气在地下进行长距离变方向侧向运移的良好通道。

(2) 砂体一断层组成的输导系统是油气在地质空间中既进行侧向运移又进行垂向运移(即以连通砂体进行侧向运移，以断层进行垂向运移)的立体网络通道，通常是凹陷中生成的油气向侧向古隆起之上的各种圈闭(背斜、断块、构造一岩性和断层一岩性圈闭)进行运移的主要通道。

这种输导系统仅仅在断裂活动期对油气运移起作用，当断裂停止活动后，断层逐渐封闭，断层作为输导系统的功能也随之消失，并开始起遮挡作用，结果使这种组合形式丧失了立体输导层网络通道的功能，此时只有砂体能起侧向通道作用。

(3) 不整合面一断层组成的输导系统是油气在地质空间中既可以进行侧向运移又可以进行垂向运移的立体网络通道，通常是生油凹陷中生成的油气向古隆起斜侧向运移的主要通道。

这种输导系统由于受断层活动与开启性的限制，也仅能在断裂活动中发挥输导作用，断裂停止活动后，仅不整合面能起斜侧向输导作用。

(4)砂体一断层一不整合面组成的输导系统是油气在地质空间中进行更复杂立体运移的立体网络通道，通常是油气自凹陷向古隆起顶部的各种圈闭(背斜、断块、构造一岩性和断层一岩性圈闭)进行立体运移的主要通道。

同样这种输导系统也仅能在断裂活动中发挥作用，断裂静止期只能是砂体与不整合面构成的立体网络通道在起斜侧向输导系统作用。

压实流盆地
主要特点：
①压实流盆地中，沉积物压实和欠压实现象十分明显
②地下水能量大，充满生机和活力。

③纵向水头梯度grad hw>0
④盆地沉降中心→边缘横向水头梯度grad hw<0.
地下水以沉积水等在压实作用下被挤出而产生的离心状流动为特征。

地下水的测试面在盆地沉降中心部位高，向盆地边缘逐渐降低。

形如凸面。

3．滞流盆地
属于静水环境，因此地下水能量小或无能量，基本不流动，处于滞流（停滞）状态，无活力，“死水一潭”。

地下水测势面呈水平状。

纵向水头梯度grad hw=0.横向水头梯度grad hw=0。

这类盆地不多见，法国阿基坦盆地西北部，西班牙盆地北部等。

我国尚不知。

P砂=1.4P静水
位于盆地边缘的地区Ⅰ水头最低（近于0）。

地区Ⅱ稍高，盆地中心附近的地区Ⅲ砂岩孔隙流体的水头最高；而且深部高于浅部。

以上说明：①砂岩是泥页岩压实的排水输导层；砂岩流体由盆地中心向边缘运移；
②泥页岩超压部分传递到砂层中。

2 盆地的平面水势分布
为了分析盆地中地下水的平面运动规律，需要编制盆地含水层系的等水势图（即等水头等）。

图8-11
二单元原始水头的平面展布状况。

刘方槐指出，四川盆地地下水主要是由盆地中心流向四周的，盆地边缘的渗入水止于其与沉积水的地下分水线。

盆地边缘露头区有外来水渗入，但影响范围较大。

3、地下水运动状况与油气田分布压实流盆地：
地层水具有离心状运动特征。

由超压泥岩烃源岩进入相邻储层的油气也多以离心状运移为特征。

在油气进行二次运移的路途中遇到适宜的圈闭时，一部分油气便逐渐聚集起来形成油气藏，水（也可能还有一部分油气）则继续向前排驱，直至泄出。

油气田围绕盆地生烃中心（一般即为沉降中心）成环状分布便是压实流盆地的一大特点。

二、重力流盆地。