石油聚集成藏的物理学原理——毛-浮方程.pdf

2 2 第 2 7卷 第 1期 大庆石油地质与开发P ． G ． 0 ． D ． D ． 2 0 0 8年 2月 文章 编号 1 0 0 0 - 3 7 5 4 2 0 0 8 0 1 - 0 0 2 2 - 0 4 石油聚集成藏 的物理 学原理 毛 一浮方 程 林景晔，许利群，杨辉 大庆油 田有限责任公 司 勘探开发研究院 ，黑龙江 大庆1 6 3 7 1 2 摘要 人们最早观察到背斜中出现油气的现象而诞生了背斜学说，后来演化成构造学说及重力学说。 背斜理论诞生 1 0 0多年来，虽然在油气勘探 实践 中发挥重大作用，但对构造油藏中油气聚集机理及含 油饱和度分布规律没有从理论上得到解决。该文从毛细管力与浮力平衡理论推导出毛 一浮方程，是从 物理 学原理 出发，用数 学方程准确刻划 了构造油藏内石油的聚集成藏过程，是构造油藏含油饱和度增 长的基本原理 。同时指 出油气二 次运移驱动力的性质决定运动流体的状 态及流动模式，浮力流是油气 聚集成藏的最主要的充注方式。石油无论以何种流动方式注入构造 ，在油藏形成过程 中都要经过重力 分异作用，通常所说的油藏的构造 因素 实质是浮力因素。 关键词二次运移；石油充注方式 ；石油成藏过程；构造油藏 ；毛 一浮方程 中图分类号 T E1 2 2 ． 1 文献标识码 A Ph y s i c a l p r i nc i pl e o f p e t r o l e um a c c umu l a t i o n a nd r e s e r v o i r f o r mi ng w c a p i l l a r y- b uo y a nc y e q ua t i o n L I N J i n g y e ，XU L i q u n，YANG Hu i E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u t e o fD a q i n g O i lfie l d C o m p a n y L t d ． ，D a q i n g 1 6 3 7 1 2 ，C h i n a Abs t r a c t Ac c o r di n g t o t h e o bs e r v a t i o n o f o i l a n d g a s i n a n t i c l i n e，a n t i c l i ne t he o r y i s b o r n a n d t he n i t e v o l v e s t e c t o n i c s a n d b a r o d y n a mi c s 、Du r i ng 1 0 0 y e a r s’ de v e l o p me n t ，a l t h o ug h i t p l a y s a n i mp o r t a nt r o l e s i n t h e p r a c t i c e o f o i l ／g a s e x p l o r a t i o n，me c ha n i s m o f o i l a n d g a s a c c u mul a t i o n a n d d i s t rib u t i o n r u l e s o f o i l s a t u r a t i o n i n s t r u c t u r a l r e s e rvo i r a r e n o t r e s o l v e d i n t h i s pa p e r ，c a p i l l a ry b u o y a n c y e q u a t i o n i s d e d u c e d b a s e d o n e q ui l i b riu m t he o ry b e t we e n c a p i l l a r y an d b u o y a n c y，wh i c h s t a r t s f r o m p h y s i c a l the o ry a n d c o r r e c tl y i n t r o d uc e s t h e p r o c e s s o f p e t r o l e u m a c c u mu l a t i o n a nd r e s e rvo i r f o r m i n g i n s t r u c t u r a l r e s e rvo i r ，a n d a l s o i s b a s i c t h e o ry o f i n c r e a s i n g o i l s a t u r a t i o n．Fu rthe rm o r e，s t a t e o f mo v e me n t flu i d a n d fl o w m o d e a l e c o n t r o l l e d b y p r o p e rt y o f o i l／g a s s e c o n d a ry mi g r a t i o n ，a n d b u o y a n c y fl o w i s t h e k e y fi l l e d a n d i n j e c t e d m e t h o d for h y d r o c a r b o n r e s e rvo i r f o rm i n g ．I n t h e p r o c e s s o f r e s e rvo i r f o rm i n g ， o i l i n j e c t e d s t r u c t u r e b y a n y me l l l o d g o e s t h r o ug h gra v i t a t i o n a l di f f e r e nt i a t i o n a n d t h e e s s e n c e o f r e s e rvo i r s t r u c t u r a l f a c t o r i s b uo y a n c y ． Ke y wo r ds s e c o nd a ry mi g r a t i o n； o i l fil l i n g pa t t e rn ； p r o c e s s o f p e t r o l e um r e s e rvo i r f o l ‘rui n g s l r t l ‘ j u l - al r e s e rvo i r； c a p i l l a ry b u o y a n c y e q u a t i o n 油藏形成机理与分布规律是石油地质学 的两个重 要问题⋯ ，也是指导油气勘 探工作 的基 本理论 。早 在 1 8 4 4年美 国地 质学家威 廉 劳根 W． E ． L o g a n 观察到背斜 中出现油气 的现象 ，于 1 8 5 9年 E ． L 狄 拉克在 宾 西 法尼 亚西 部 用 钻 井发 现 了石 油 J ，到 1 8 6 1年怀特 I ． C ． Wh i t e 第一次 明确提 出了背斜是 油气聚集 的主要场所 ，于 是产生 了油气成 藏 的背 斜学 说 。1 9 3 4 年 麦 考 A l e x W． Mc C o y 和 凯 特 W． R o s s K e y t e 用 “ 构造学说 ”这个名词代替 “ 背 斜学说” 。背斜理论诞生以后在油气勘探实践中发挥 重大作用[ 4 - 5 ] 。背斜理论 的重点是 1 油贮 内的油 气和水，在界面张力的作用下界面分明 ，并且呈水平 状态 ； 2石油 、天然气在储集层 的运移和聚集的 主要动力是浮力 ； 3 阻碍油气运移 的盖层与褶皱 弯曲的地层 背斜 组成油捕形成圈闭 。 尽管现代石油地质学已经历了 1 0 0多年的历史， 通过油气成藏实验模拟等多种手段，对油气运移、聚 集及油气藏成 因有 了深 入 的认识⋯ ，然而 ，有关油 收稿 日期 2 0 0 5 - 1 0 - 1 9 作者简介 林景哗 1 9 5 9一 ，男 ，黑龙江哈尔滨人 ，高级工程师 ，从事勘探地质及储量 研究工作 。 维普资讯 2 0 0 8年 2月 林景晔等 石油聚集成藏的物理学原理毛一 浮方程 2 3 驱水的动力学机制 、含油饱和度增长的动力学机制以 及油气聚集机理等仍没有得到完全解决 。 1 运移与聚集是研究石油成藏过程 的 二个 主要 方面 1 ． 1 二次运移的相态、驱动力性质及流动模式 油的聚集实质上是石油在储层孔隙中不断充满的 过程 ，就是石油不断进入大小不一的孔 隙和喉道的过 程。石油的聚集与运移不同之处在于前者不仅通过较 大的喉道进入孔隙，而且也进入较小的喉道连接的孔 隙，所 以研究石油的成藏过程要从聚集与运移二个方 面人手 。二次运移的动力性质决定多孔介质中流体运 移的相态和流动模式 ，也影响石油成藏过程。通常将 石油二次运移 的主要 动力归纳为 8种 浮力 、水 动 力 、异常压 力 、构造 应力 、毛细管压 力差 、分子扩 散 、分子渗透 、热对流 ，一般情况下前 四种是主要的 动力。根据油气在地层 中流动的状态 ，可把二次运移 归纳为浮力流 、渗流 、扩散流 和势平衡流等 四种模 式 。浮力流是油气在地层孔 隙水 中因密度差上浮 ， 呈游离相存在 ，此时可 以是静水条件也可 以是动水条 件 ，其流动条件主要与油柱垂直高度有关 ；渗流是地 层流体在一定势差作用下 ，呈单相或多相在多孔介质 中的连续流动 ，主要是以压能 、位能与热能等形成的 流体势为动力。 1 ． 2石油运移的四个阶段及运移流体的相态 美国石油地质 家 Ma t t i n D ． Ma t t h e w s把烃类运 移 划分为四个阶段 ①从烃源岩中排驱烃类的过程 ，即 油气在烃源岩内和排 出烃源岩的运移称 为初次运移 ； ②从烃源岩到油藏的运移称为二次运移 ；③从油藏或 烃源岩到地表的运移称为三次运移 ；④从一个油藏到 另一个具有相同或不 同储层的油藏 中的运移称为再运 移。本文重点讨论与石油聚集成藏关系最为密切的二 次运移和再运移。要强调 的是这里提到的二次运移与 国内学者的普遍认识有所不同。把烃类运移细划分为 四个 阶段更为合理 ，因为不同的阶段运移流体的相态 不同 ，直接影响着对油藏形成过程 的认识 。在从 烃源岩到油藏的二次运移过程 中，若是 以水动力 、异 常压力及构造应力为驱动力 ，则这种渗流多数都是油 水混相流动 ，各相流体的流量和流速与各 自的饱和度 有关 ，根据 L e v o r s e n 1 9 6 7 对水润湿砂岩的相对渗 透率 曲线推测 ，在水 相饱 和度 大于 2 0 ％ ，油相饱 和 度大于 1 0 ％时油水就可 以同时流动。石 油从一个油 藏到另一个油藏的再运移中，因为油源来 自一个古油 藏 ，油主要呈游离相运移 ，运移 的驱 动力主要是浮 力。 1 ． 3 石油从烃源岩运移到油藏具有多个过程 石油从生油凹陷到隆起的油藏的运移过程是较为 复杂的。与地下烃类聚集所 涉及的其他 任何 过程相 比，对其认识甚少 。石油从烃源岩运移到油藏 的过程 通常被描述为未认 知的一个过程或多个过程 。在 这个过程 中烃类运移的驱动力和相态等特征随盆地构 造演化等因素而发生变化 ，在不同的时间和空间情况 都不相同。曾有学者强调构造应力对驱动油气运移的 作用 ，认 为储集层岩石在应力作用下使其孔隙流体压 力增加产生压力梯度或流体势差 ，推动流体在岩石中 流动 ，而成为石油运移的主要驱动力。笔者认为在构 造运动的某一阶段可能存在以构造应力为驱动力的二 次运移 ，但并不存在于整个成藏过程。因为运移流体 的相态可能发生从多相流向单相油流的变化 ，从而导 致这期间驱动力的转化 。 2 石油充注及聚集过程 2 ． 1 二次运移和再运移与含油饱和度和成藏的关系 在一个盆地 ，无论是断陷盆地还是坳陷盆地 ，都 有经历二次运移和再运移的成藏过程。再运移的成藏 模式值得关注 ，石油最早充注储层的时间并不是我们 现今找到的油藏形成 时间 。从烃源岩到油藏 的二 次运移中，当石油在圈闭内聚集之前 ，可能出现水动 力 、异常压力 、构造应力等多种驱动力 ，其流体在多 孔介质中发生渗流 。渗流与浮力流不同，在多数情况 下主要是烃类和水的多相混流 ，烃类向圈闭注入的量 与其饱和度有关 ，由于运移流体 中含油饱和度较低 ， 一 般不超过 3 0 ％l 1 ，这样低的含油饱和度不能成为 有效的聚集 。因此对许多构造圈闭在形成油藏的过程 中 ，在流体注入储层后又经受重力分异 ，使油进一步 富集才能达到较高的原始含油饱和度而形成油藏。再 运移 主要是以浮力为驱动力的单相油流。浮力不仅是 二次运移和再运移最重要 的动力 ，也 是永恒 的动力。 油相是石油运移 中最有效 ，也是最有利聚集成藏的运 移相态。 2 ． 2浮力流是大型构造油藏最主要的充注方式 石油不断进入圈闭储存空间的过程称为充注。石 油在浮力或其他驱动力的作用下都会 向圈闭中运移和 充注。浮力流充注是石油聚集成藏 的最 主要 的方式 。 油在密度差的作用下 ，呈游离相向圈闭顶部运移聚集 图 1 。油藏的砂岩储层是多孔介质 ，即储集空间都 是由大小不等的孔隙喉道组成 ，在原始状态下孔隙喉 道被水所饱 和而且 岩石润湿性 为亲水 。石油在聚 集时有一个油驱替水过程 ，有研究表明油藏储集层内 的油水交替有三种模式 渗滤 、排替和置换。大庆长 维普资讯 2 4 大庆石油地质与开发P ． G ． O ． D ． D ． 第 2 7卷 第 1 期 垣油 田喇嘛甸 、杏树岗、萨尔图油藏的葡萄花 、萨尔 图油层就是以浮力流为主要充注方式 ，油水交替主要 是排替方式形成的油藏 。 日泥 岩 田砂 岩 图l构造油藏的浮力流充注过程示意图 Fi g ． 1 S c he mat i c di ag ra m of t he p ro c es s of b uo ya nc y fl ow i n s t r uc t ur al re s e rv oi r 3 石油藏聚集过程中的力学平衡原理 3 ． 1 石油藏聚集过程就是含油饱和度不断增加 的过 程 油藏是油气在圈闭中聚集 ，具有统一的压力系统 和油水界面 。无论烃类 以何种 注入方 式，无论是 浮力流还是渗流充注 ，在圈闭的储层内油水一般都要 进行重力分异 ，否则油气藏储集层 中的原始含油饱和 度就会很低 以至于出现油水同层 ，尤其是构造油藏必 然产 生油 水 的重 力 分异 ，否则 就 不 能称 做 构 造 油 藏 。通常将孔隙喉道称为孔隙结构 ，一般 指孔隙 大小 的分布 ] ，它影 响油水的分异 和分布。石油总 是首先进入渗透性好 、排替压力最低 的储集层部分 ， 随着油的不断充注，在油柱浮力 的作用下 ，逐渐向更 小的孔隙部分扩展 ，孔 隙中被油逐出的水向圈闭外排 出，从而使圈闭储集层 中的含油饱和度不断增加 ，石 油聚集成藏是由于驱动力克服阻力 的结果 。 3 ． 2 浮力与毛管力平衡原理 重力分异后的构造油藏内的油水分布状况具有如 下的力学原理。 假设 砂岩储层构造油藏 、无气顶 、无水动力等 其他因素影响，储层有足够的厚度并且连通 ，在油藏 内取任意二点 i 和 图 2 。 圜油 层 曰水层 日泥岩 图2砂岩储层背斜构造油藏油水分布的 力学平衡原理示意图 Fi g． 2 S c he mat i c di ag ral of d yn ami c e q ui l i b ri um t h e o r y o f o i l a n d w a t e r d i s t r i b u t i o n i n an t i c l i ne of s an ds t on e re s e rv o i r 第 i 点的油注入的最小孔隙半 径为 r ，则 毛细管 力 无量刚形式 ，以下同为 P 2 8 。 c o s 0 。 ／ r i 1 第 点的油注入的最小孔隙半径为 则毛细管力为 P 2 8 。 c o s 0 。 ／ r 2 点到 i 点间的油柱垂直高度 △ H，则产生的浮力为 F △ Ⅳ P 一P 。 A H g 3 根据 石 油在 运 聚 过程 中浮力 与 毛管 力 平衡 原 理 ，则有毛细管力 一浮力方程 1 ／ r 一1 ／ r j 2 8 。 c o s 0 。 P 一P 。 A H g 4 式中r 、r 分别为油藏内第 i 点和 点处的油注 入储层的最小孔隙半径 ； 。、wo 分别为油藏条件下 的界面张力和接 触角 ； △H - 点到 i 点间的油柱垂直高度 。 式 4 表明了砂岩储层构造油藏油水分布的力 学平衡原理 ，可称为毛细管力- 浮力方程 以下简称 为毛． 浮方程 。 3 ． 3 毛 一浮方程表述 了构造油藏的原始含有饱和度 变化 毛 一浮方程这一数学方程准确地刻划了构造油藏 内石油的聚集成藏过程，表述 了构造油藏含油饱和度 增长的基本原理。基于毛 一浮方程原理可知 ，假设油 藏的储集层孔隙结构特征变化不大 ，则从油水界面向 油藏顶部原始含油饱和度是依次递增 ，油水界面是水 平面 ，其上的油水过渡带是等厚的。构造油藏的含油 饱和度是油柱高度和孔隙结构 的函数 ，高孔渗储层的 油藏 由于孔 隙大，所 以过渡带小或没有，而实际油藏 的储层一般存在着物性的非均质 ，或称岩性因素，实 质是孔隙结构特征发生变化，致使油水界面出现高低 以及油水过渡带的厚 度发 生变化 _ 1 。在一个构造油 藏内底部的纯水层到油藏顶部的储层孔隙中含油会有 如下变化 在油底 以上 纯油 区储 层孔 隙 中含油 连片 ；在油底 以下到水顶 以上 油水过渡带 储层 孔隙中含油连续但不连片；在水顶 以下到 自由水面以 上 水 区储层孑 L 隙中呈 不连续 的油珠 ；而 自由水 面以下储层孔隙中不含油 图 3 。 4 大庆长垣油藏原始含油饱 和度变化 规律 大庆长垣是砂岩储层构造油藏，尤其是长垣北部 的喇嘛甸 、萨尔图和杏树 岗是典型的块状构造 油藏 ， 前人对油藏的含油饱和度变化规律及其影响因素进行 过系统研究 。发现如下规律 ，油藏 内流体饱 和度 的变化规律受储层的孑 L 隙结构及地层油水密度差的大 维普资讯 2 0 0 8年 2月 林景晔等 石油聚集成藏的物理 学原理毛． 浮方程 2 5 5 w ／ ％ 油藏剖面 压汞 曲线 图3构造油藏砂岩储层中油水分布示意图 Fi g ． 3 S c he ma t i c d i ag ra m o f oi l an d wat e r di s t ri b ut i o n i n s an ds t o ne r e s e rv o i r 小所控制 。当储层性质相近的情况下 ，原始含油饱和 度随油藏 的油柱高度而变化 ，在纯水段上部 5 0～1 0 0 m是油水 同产 ，油柱高度在 1 0 0～2 0 0 m之间时为纯 油段底部。每增加 1 0 0 m油柱高度含 油饱 和度增 加 1 0 ％ ～ 2 0 ％ ，当油柱高度 在 2 0 0 m 以上 时，每增 加 1 0 0 m油柱高度含油饱和度增加 2 ％ ～5 ％，增加的幅 度明显降低 ，原因在储层孔隙结构发生了变化。在油 藏的油柱高度一定的前提下 ，原始含油饱和度受储层 孔隙结构 的控制 ，表现在随孔隙度和渗透率增大 ，岩 石孔隙半径大的部分增多 ，原始含油饱和度增大。储 层中的这些原始含油饱和度的变化规律是符合毛 一浮 方程所描述的原理。 5 结论 I 石油从 烃源 岩运移 到油 藏具 有多个 过 程 ， 运移流体 的驱动力性质决定流体 的相态 ，在 以水动 力 、异常压力 、构造应力为驱动力的渗流中，多数是 多相混流，每种流体的流量都与其饱和度有关 。 2 在地层孔 隙 中，以浮 力为动力运 移 的游离 相石油 ，能否运移与多孔介质 中含油饱和度无关 ，只 与连续油柱垂直高度和油水密度差有关 。浮力不仅是 二次运移最主要 的动力 ，也是二次运移永恒的动力 ， 通常所说的成藏的构造因素实质是浮力因素。 3 无论是哪一种驱动力使油气 充注构造圈闭 后都要产生重力分异 ，以油柱垂直高度 、油水密度差 以及砂岩孔隙结构共同影响构造油藏原始含油饱和度 分布。因此 ，充注油源越充足 ，含油饱和度越高 。 4 毛 一浮方程从物理学原 理出发 ，用数学方 程准确地描述了构造油藏 的油气聚集机理 ，准确地刻 划 了砂岩储层构造油藏的烃类与水 的重力分异过程 以 及含油饱和度增长的力学机制。 参考文献 [ 1 ]胡朝元 ，王志平 ，廖曦 ．油气成 藏原理 [ M]．北京 石油 工 业 出版社 ，2 0 0 2 ． [ 2 ]L o g a n W E ． R e p o r t o f p r o g r e s s 1 8 4 0[ J ]． C ana d a G e o 1 ． S u r v ．， l 8 4 6 ． 4l 42． [ 3 ] Wh i t e I C ． T h e G e o l o g y of N a t u r a l G a s[ J ]． S c i e n c e s ，1 8 8 5 ，5 5 2l _ 5 2 2 ． [ 4]Mc C o y A W， K e y t e w R P r e s e n t i n t e r p r e t a t i o n s of t h e s t r u c t u r a l t h e o r y f o r O o i l and g a s mi g r a t i o n and mc c u l a t i o n [ c ]／ ／ P r o b m s o f P e t r o l e - 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