从模拟实验看致密砂岩储层的石油成藏条件.pdf

第 2 9卷第6期 天 气比 0 I L＆ G A S G E 0 L 0 G Y 2 0 0 8年 1 2月 文章编号 0 2 5 3 9 9 8 5 2 0 0 8 0 6 0 7 2 1 0 5 从模拟实验看致密砂岩储层的石油成藏条件 肖 芝 华， 钟宁 宁， 黄志 龙， 姜 振学， 刘 岩 中国石油大学 资源与信息学院 油气资源与探测国家重点实验室， 北京 1 0 2 2 4 9 摘要 通过不同系列物理模拟实验， 对致密砂岩储层中油水倒置成藏的临界地质条件进行 了研究。模拟实验结果表明， 对 于密度约为0 ． 8c m 的原油， 材质相同的各种毛细玻璃管孔喉半径 为 1 ． 8 m m 时， 或砂柱中砂体粒径 小于 0 ． 3 5 0 ． 4 0 m m时， 即能够产生稳定的油水倒置现象。油水倒置现象的产生与流体浮力和毛细管力之间的力平衡有关， 油的密 度在油水倒置关系的形成过程中起着比表面张力更为重要的作用。因此， 致密砂岩储层油水倒置油藏形成的临界地质条 件， 主要取决于储油砂层的孔喉半径及其与原油密度之间的关系。 关键词 油水倒置； 孔喉半径； 成藏条件； 模拟实验 ； 致密砂岩储层 中图分类号 T E l 2 2 ． 2 文献标识码 A A s t ud y o n hy dr o c a r t i o n s i n t i g h t s a n ds t o ne s t h r o ug h s i mul a t e d e x pe r i m e nt s Xi a o Z h i h u a ， Z h o n g Ni n g n i n g ， Hu a n g Z h i l o n g ， J i a n g Z h e n x u e ， L i u Ya n S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fP e t r o l e u m R e s o u r c e a n d P r o s p e c t i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Abs t r a c t A s t u d y o n c rit i c a l g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s f o r o i l p o o l i n g i n i n v e r s e d o i l ／wa t e r d i s t rib u t i o n i n t i g h t s a nd s i s c a r r i e d o u t t h r o u g h v a rio u s s e ri a l p h y s i c a l s i mu l a t e d e x p e ri me n t s ． T h e r e s u l t s h o w s t h a t ， f o r c r u d e wi t h d e n s i t y o f a b o u t 0 ． 8 g ／c m ， a s t a b l e i n v e r s e d o i l／wa t e r d i s t rib u t i o n ma y o c c u r whe n t h e p o r e t hr o a t r a d i u s o f d i f f e r e nt c a pi l l a rit y g l a s s t u b e s ma d e o f t he s a me ma t e ria l a r e 1 ． 8 mm o r t h e g r a i n d i a me t e r s i n s a n d c o l u mn a r e s ma l l e r t h a n 0 ． 3 5- 0 ． 4 0 mm ． T h e p h e n o m e n o n i s t h o u g h t t o b e r e l a t e d w i t h t h e e q u i l i b r i u m b e t w e e n b u o y a n c y fl o t a - t i o n a n d c a p i l l a r y f o r c e a n d o i l d e n s i t y p l a y s a m o r e i m p o r t a n t r o l e t h a n t h a t o f t h e i n t e r f a c i a l t e n s i o n i n t h e for ma ri o n o f t h i s i n v e r s e d o i l／w a t e r d i s t ri b u t i o n ． T h e r e f o r e ， i t i s s u g g e s t e d t h a t t h e f o r ma t i o n o f o i l p o o l s wi t h i n - v e r s e d w a t e r ／ o i l d i s t ri b u t i o n i n t i g h t s a n d s t o n e i s s u b j e c t t o t h e p o r e r a d i u s o f r e s e r v o i r s a n d s a n d i t s r e l a t i o n s h i p wi t h t he d e n s i t y o f c rud e o i l ． Ke y wo r d s o i l／wa t e r i nv e r s i o n；p o r e t h r o a t r a d i u s；po o l i n g c o n d i t i o n；s i mu l a t e d e x p e rime n t ；t i g h t s a n d r e s e rvo i r 根据国内外研究成果认识 ， 在沉积盆地深部 或负压构造条件下， 致密砂岩储层内有油气显示， 对致密砂岩 储层 内形成 的气水倒 置气藏 研究较 多， 有学 者称 之 为 “ 深 盆气 藏 ” 或 “ 致 密 砂 岩气 藏” l 1 J ， 具有气水倒置、 储层致密、 压力异常、 通 常聚集在构造的下倾部位 、 向斜构造 凹陷或盆地 的轴部的特点 ， 气水倒置是其最显 著的特征。 自 Ma s t e r s J A 1 9 7 9年提 出“ 深盆气” 的概念 以来 ， 国 内外很多学者通过各种模拟实验来研究解释这种 致密砂岩气藏独特的形成过程 。而对于致密 砂岩储层内油水倒置成藏的研究却很少， 国内外 的勘探实践表明， 地质体内确实存在这种油水倒 置的特殊油藏 卜 J 。候启军等 钊认为松辽盆地 南部凹陷区内储集层孔隙度小于 l 3 ％、 渗透率小 于 21 0 Ix m 的扶杨油层绝大部分呈现明显的 油水倒置现象 ， 那 么如何确定这种致密砂岩油藏 的成藏门限条件及其影响 因素 ， 它 的成藏机理如 何， 这些都是亟待解决的科学问题。 收稿日期 2 0 0 8～ 0 4 2 2 。 第一作者 简介 肖芝华 1 9 7 2 一 ， 男 ， 工程师 、 博士研究生 ， 油气地质与地球化学 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 2 石 油 与 天 然 气 地 质 第2 9卷 本文通过物理模拟实验 ， 分析不 同孔喉条件 下石油充注 与储层物性关系 ， 并结合地质 实例分 析 ， 探讨致密砂岩储层 中油水倒置的成藏条件。 1 实验装置与方法 1 ． 1 毛细玻璃管模拟实验 选择 1 4种 内径不等 的系列材料相 同的玻璃 管 ， 进行 实验 0 ． 8 ， 1 ． 1 ， 1 ． 5 ， 2 ． 2 ， 3 ． 6 ， 3 ． 7 ， 4 ． 0 ， 4 ． 9 ， 5 ． 8 ， 6 ． 9 ， 8 ． 0 ， 8 ． 5 ， 9 ． 0 ， 1 1 m m 。将水注满玻 璃管后 ， 自下而上注入原油 ， 观察油水移动情况 ， 确定毛细玻璃管封油的门限 临界孔喉半径 。 实验方法是首先将均匀等径的玻璃管垂直夹 在托架上 ， 向玻璃管中注水 ， 静置观察并记录原始 水柱高度， 用注油泵连接 或注射器针头刺穿玻璃 管 底端胶塞 ， 向管内缓慢注入一定体积的染色凝 析油 ， 观察油柱上浮现象并记录时间 ， 实验装置如 图 1所示。 对于实验结果的观测 ， 主要采用 肉眼观察 ， 秒 表记录 ， 并按一定的时间问隔利用数码相机拍摄 照片。 进行实验。首先在玻璃管 内注水 无色 填砂 ， 然 后从底部注入染色的凝析油。重点对 8种砂粒进 行观察， 砂 粒 粒径 分 别 为 0 ． 7 0～0 ． 8 0， 0 ． 5 0～ 0 ． 5 5， 0． 4 0 ～ 0． 45，0 ．3 5 0 ． 4 0，0． 3 0 0． 3 5， 0 ． 2 5～ 0 ． 3 0 ， 0 ． 2 0～ 0 ． 2 5和 0 ． 1 0～ 0 ． 1 5 m E。 实验中将粒度相同等轴近浑圆颗粒状玻璃珠 先用清水反复漂洗表面的粉尘 ， 浸泡 2 4 h后再填 充到玻璃管内。实验中使用的水为蒸馏水， 其粘 度为 1 ． 0 0 2 mP aS 2 0 c Ic ， 密 度为 1 ． 0 0 7 c m 2 0 o C ； 用于排替水 的凝析油用油红染色与水区 别 ， 便于观察实验现象。 将填装好的玻璃管直立 ， 固定在托架上 ， 用恒 流泵注入或注射器 针头刺穿玻璃 管底端胶塞 ， 向 管内注入一定体积的染色凝析油， 静置 1 0 ra i n后 记录原始油柱高度 。观察实验过程 ， 每隔一定时 间记录油运移前缘的高度并拍 照， 直至油运移至 玻璃管顶部。试验装置如 图2所示。 对于实验结果的观测 ， 主要采用 肉眼观察 ， 随 时记录油在孔隙介质中驱替孔隙水的过程； 并按 一 定的时间问隔利用数码相机和摄像机拍摄运移 路径及路径前缘的形态。 1 2 砂 柱模 拟实 验 2 模拟实验结果与讨论 一 2 ． 毛细玻璃管模拟实验 油驱水系列实验 ，观测砂柱 内原油运移情况， 确定 ⋯ ⋯ ⋯ ～ ⋯ 、 一 封住油的最大砂粒粒径及其对应 的孔喉半径 。 实验结果见表 1 ， 在直径小于 4 ． 9 mm、 均匀等 选择长度为 4 0 0 H I 1T I ， 内径为 5 0 m i l l 的玻璃管 径玻璃管中注水后 ， 从其底部注油， 可观察到油柱 图 1 毛细玻璃管实验装置示意图 Fi g ．1 Sk e t c h ma p s ho wi n g t he e x pe r i me n t a l a p pa r a t u s o f c a p i l l a r y g l a s s t u b e 图2 砂柱封油实验装置示意图 Fi g ． 2 S k e t c h ma p s h o wi ng t h e e x p e rime n t a l a p p a r a t us o f s a n d 。 c o l u mn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6期 肖芝华 ， 等． 从模拟实验看致密砂岩储层的石油成藏条件 表 1 毛细玻璃 管注油实验 T a b l e 1 R e s u l t s o f o i l i n j e e t i o n e x p e r i me n t i n c a p i l l a r y g l a s s t u b es 序号 内径／ mm 油滴上浮时间 现象 描述 1 O ． 8 油水倒置 ， 非常稳定 2 1 ． 1 油水倒置 ， 非常稳定 3 1 ． 5 油水倒置 ， 非常稳定 4 2 ． 2 油水倒置 ， 稳定 5 3 ． 6 油水倒置 ， 较稳定 6 3 ． 7 2 2 I 】 h 油水倒置 ， 较稳定， 9 d后缓慢上浮 7 4 ． O 4 5 mi n 3 0 S 形成油水倒置 ， 油柱上浮缓慢 8 4 ． 9 3 2 mi n l 0 S 短时问油水倒置 ， 油柱 上浮慢 9 5 ． 8 2 mi n 2 0 S 5 0 较短时间油水倒置 ， 油柱上浮较快 1 0 6 ． 9 l m i n 3 3 S 2 5 单一油柱， 上浮较快 1 l 8 ． 0 4 5 S 3 2 形成分段小 油柱 ， 上浮很快 1 2 8 ． 5 2 4 S 4 7 多为散状上浮 ， 可形成高约 1 c m的小油柱 1 3 9 ． 0 4 S 5 3 多为悬浮状小油滴 ， 可形成高约 0 ． 5 c m的小油柱 1 4 1 1 ． 0 3 S 7 0 悬浮状小油滴 ， 不能形成油柱 备注 相同条件下对 比， 注油量 2 m L， 注油速率约 2 O m L ／ mi n 活塞式向水推进的过程， 原始水液面高度与油柱高 度的增加 同步且 同幅。其原 因在于注入油柱与水 柱之间表面张力较强， 它们借助于玻璃管 毛细管 壁对水或油的亲和与排斥作用产生 了毛细管力 ， 而 油、 水之间无法交换位置势能， 所以油水倒置， 玻璃 管 或毛细管直径越小 ， 油水倒置关 系的稳定性 就越强。由于玻璃管具有与原始条件下储集层毛 细管相似的亲水性特征， 故从物理原理分析 ， 该实 验过程可以代表典型致密砂岩储层条件下原油 自 下向上对地层水进行活塞式排驱的运聚特征。 玻璃管 与岩石孔 隙具 有相 似 的表 面物 理性 质 ， 玻璃管观察结果可 以推广至地 下理想条件下 单根均匀毛细管的油水排驱 。 表面张力越大 ， 所产生的毛细管压力就越大 ， 流体倒置关系就越容易形成 。由于油一水 表面张 力大约是气一水表面张力的一半 ， 照此分析气水倒 置关系应该 比油水倒 置关 系更 容易形成和保存。 上述实验 已证明结论 正好是相反 的， 因此可 以得 出结论， 油气密度在 流体倒置关 系的形成过程 中 起着 比表面张力更为重要的作用 。 实验结果表 明 图 3 当毛细玻璃 管直径小 于 4 ． 9 m m时 ， 可以形成油水倒置现象 ， 但不稳定 ； 只有毛细玻璃管直径小于 3 ． 6 m m 时， 才能形成非 鲁 吕 ＼ 厘 翟 暄 芒 墓 图 3 孔喉直径与油水界面稳定时间 的关系 F i g ． 3 P o r e r a d i u s V S ． t i me o f o i l w a t e r c o n t a c t k e e p i n g s t a b l e 常稳定 的 油水 倒 置 现 象。当 玻 璃 管 直 径 大 于 8 m m 时， 油水界面稳定时间不足 1 mi n ， 玻璃管直 径大于 4 m m时， 油水界面稳定时间不足 1 0 0 m i n ， 玻璃管直径为 3 ． 7 m m 时， 油水界 面稳定时 间达 1 0 0 0 0 mi n以上 ， 玻璃管直径小于 3 ． 6 m m时 ， 油 水界面保持长久稳定 。因此 ， 理论上 ， 在致密砂岩 储层内能够形成稳定油水倒置的临界孔喉半径为 1 ． 8 mm。 2 ． 2 砂柱模拟实验 实验结果见表 2 ， 注油实验中染色油有的沿壁 上浮， 有的在砂体中问上浮； 将结果保存并静置观 察 5 0 d ， 均不同程度地出现有向上推移的现象。 咖㈣咖 。 ㈣ ∞ m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 与 天 然 气 地 质 第 2 9卷 表 2 不 同粒径砂柱封油实验 Ta b l e 2 Re s u l t s o f e x p e r i m e n t s i n s a n d c o l u mn s wi t h d i ffe r e n t g r a i n s i z e s 砂粒粒径／ mm 注入速率／ m L rai n 注入时间／ m i n 现象描述 油滴上浮时间 O ． 1 O～0 ． 1 5 4 5 油水倒置非常稳定 0 ． 2 0～0 ． 2 5 4 5 油水倒 置非常稳定 0 ． 3 0～0 ． 3 5 4 5 油水倒 置非常稳定 O ． 3 5～0 ． 4 0 4 5 油滴直径约 2 m m， 中部上浮 2 5 h 0 ． 4 0～0 ． 4 5 4 5 油滴直径约 2 m m， 沿壁上浮 2 0 h 0 ． 5 O～O ． 5 5 4 5 油滴直径 2～ 3 m m， 沿壁上浮 3 h O ． 7 O～O ． 8 0 4 5 油滴直径 3～ 4 m m， 沿壁上浮 1 6 rai n 3 ． 0 0～4 ． O 0 油滴直径约 4 i i lm， 先壁后中 3 0 S 备注 5 min注入染色油 2 O mL后停止 ， 日沙 柱2 0 c m， 日水 柱3 5 c m 1 当砂粒较粗 粒径为0 ． 3 5～ 0 ． 4 0 m m及其 以上 时 ， 注入油缓慢上浮， 在其原始存在位置及 其运移路径上形成油斑， 剩余油则上浮水面形成 油柱。 2 当砂粒粒径小于 0 ． 3 0～ 0 ． 3 5 m m时 ， 油水 倒置现象非常稳定。 油水倒置 ， 界面在静 置期 间向上方缓慢地 移 动， 表明了推动界面上移 的惟一动力浮力作 用仍然存在。原油的密度和粘度越大， 其上浮的 速率越慢 ， 时间越长 。 与气水倒 置相 比， 由于油类 的表面张力 和粘 度更大 、 所产生的浮力更小 ， 油水倒置在同等条件 下更容易形成 ， 储层物性条件较为宽松 ， 也更容易 保存。 实验结果表明， 当砂粒粒径为 0 ． 3 5 m m或更 小时， 能够产生稳定 的油水倒置现 象。如图 4所 示 ， 砂粒粒径大于 0 ． 7 0 m m时， 油水界面稳定时间 不足 2 0 m i n ； 砂粒粒径为 0 ． 5 0～ 0 ． 5 5 m m时， 油水 图4 砂体粒径与油水界面稳定时间的关系 F i g ． 4 S a n d g r a i n s i z e s V S ． t i me o f o i l w a t e r c o n t a c t k e e p i n g s t a b l e 界面稳定 时间不足 2 0 0 mi n ； 砂粒粒径为 0 ． 3 5～ 0 ． 4 0 m m时， 油水界面稳定时间达 1 5 0 0 rai n ， 砂粒 粒径小于 0 ． 3 0～0 ． 3 5 m m时 ， 油水界面保持长久 稳定。因此砂粒粒径为 0 ． 3 0～0 ． 3 5 mm可以作为 在致密砂岩储 层 内形成稳定 油水倒 置 的理论 临 界值。 3 致密砂岩储层石油成藏主控因素 分析 致密砂岩储层 内能够成藏 的根本原 因是储层 致密性和毛细管力配合下的水封油作用。这种水 封油作用可 以进一步理解为力平衡作用 ， 如果没 有这种平衡 ， 油藏就不能形成。笔者将形成致密 砂岩油藏的I 临界地质条件称之为成藏地质 门限。 进入这一地质门限， 可以富集成藏 ； 当孔喉半径大 于产生毛细管力所需 的临界值 时， 未进入这一地 质门限 ， 就不可能富集成藏。 原油之所 以不能在浮力作用下 向上运移 ， 是 由于毛管力 P 比浮力 P 大。当浮力 P 增大 超过了毛管力 P 之后 ， 油就向上整体驱替储层 孔隙水 ， 在 浮力 作 用下 向上 运移 形 成正 常油 水 关系。 P f p 一 P 。 r s i n 1 Pc 2 7 t_r 2 e o s O 2 当浮力 P 『 等于毛管力 P 时为油水界面平衡 状态 ， 根据公示 1 和公式 2 推出 啪 伽瑚㈣咖㈣伽瑚。 瘩g ＼ 重蓄 讴恒昧*漂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 肖芝华， 等． 从模拟实验看致密砂岩储层的石油成藏条件 ， 2 一 竺 旦 r ’ 1 2 5 0 P 一P 。 g s i n a 式中 尸 f 为浮力 ， N； P 为毛细管压力 ， N； 为油水 界面张力， N ／ m； r 为孔喉半径， m； r D 为孔隙半径， m； p 为水的密度 ， k g ／ m。 ； p 。 为油的密度 ， k g ／ m ； 0 为润湿角， 。 ；g为重力加速度， 取值为9 ． 8 m ／ s 。 根据公式 3 可 以看出 原油密度越大， 临界 孔喉半径就越 大 ， 二 者成 正相关关 系 ； 润湿 角越 大， 临界孔喉半径就越小 ， 二者成负相关关系 ； 油 水界面 张力 相对 固定 ， 与埋深 、 温度 、 压力 条 件 相关 。 实际地层 中， 致密砂岩储层 内形成油水倒 置 的关键控制因素是地层的倾角和孔喉半径的大 小。储层孑 L 渗性越差 、 孔喉半径越小 ， 在油水接触 面上产生的毛细管力也就越 大， 这样使浮力低 于 毛细管力， 原油上浮被阻滞， 从而聚集成藏。因此 致密储集层大面积分布， 是致密砂岩油藏形成的 关键条件。 4 结论 1 油气密度在流体倒置关系的形成过程中 起着比表面张力更为重要 的作用 。与气水倒置相 比， 形成油水倒置时的临界玻璃 管直径增大 ， 主要 原因归结于原油的密度较大， 浮力减小。因此致 密砂岩油藏在同等条件下更容 易形成 ， 储层物性 条件较为宽松 ， 也更容易保存 ， 即致密砂岩油藏 比 致密砂岩气藏更加 “ 稳定 ” 。 2 致密砂岩油藏形成的临界地质条件 或地 质门限， 主要取决于储层的孑 L 喉半径。对于材质 相同 的 各 种 毛 细 玻 璃 管 而 言 ， 孑 L喉 半 径 为 1 ． 8 mm； 砂柱封油 门限为砂 体粒 径 小于 0 ． 3 5 0 ． 4 0 mm。这些实验结果仅证明致 密砂 岩油藏理 论 门限的存在 ， 与实际地质条件下形成 的临界条 件相差甚远 ， 二者不可等同类 比。在地下条件下 ， 致密储层的毛细管半径变 化较大 ， 原油 的物理性 质 表面张力和吸附力等 随地层温度和压力变化 也较大， 同时还有水介质条件、 岩石成份等因素的 影响 ， 所 以对实验结果 的推广分析需要针对不同 的地质条件。 参考文献 1 M a s t e r s J A ． D e e p b a s i n g a s t r a p ， w e s t e r n c a n a d a [ J ] ． A A P G B u l l e t i n ， 1 9 7 9 ， 6 3 2 1 5 21 8 1 2 Wa l l s J D． T i g h t g a s s a n d s p e r me a b i l i ty。 p o r e s t r u c t u r e a n d c l a y [ J ] ． J o u rna l o f P e t r o l e u m T e c h n o l o g y ， 1 9 8 2 ， 3 4 2 7 0 72 7 1 4 3 Ro s e P R． Ev e r e t t J R． Me r i n I S ． P o s s i b l e b a s i n c e n t e r e d g a s a c c u m u l a t i o n ， R o t o n B a s i n ， S o u t h e r n C l o r a d o [ J ] ． O i l G a s J o u r - n a l ， 1 9 8 4 ， 8 2 4 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