对油气成藏研究中三个物理模拟实验的探讨.pdf

第 2 6卷 第 5期 大庆石油地质与开发P ． G ． O ． D ． D ． 2 0 0 7年 1 0月 2 5 文章编 号 1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 0 7 j 0 5 - 0 0 2 5 - 0 4 对油气成藏研究中三个物理模拟实验的探讨 韦学锐 ，林景晔 ，杨 辉 ，赵玉珍 1 ．中国地质大学 ，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．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； 3 ．大庆油田技术培训中心 。黑龙江 大庆1 6 3 2 5 5 摘要油气藏的物理模拟已成为深入揭示油气二次运移和聚集机理的一种极其重要 的手段 和方法，但 由于有些物理模拟实验的物理模型无法准确反映地质历史时期的地 下实际情况 ，导致对油气成藏基本 原理的片面性认识。该文结合勘探 实际资料对 R ． J ． C o r d e l l 等 关于油气运移和富集过程三个物理模拟 和实验进行 了探讨。详细讨论 了砂岩透镜体成藏机理 ，提 出并不是所有的夹在烃源岩 中的渗透砂岩都 能成藏 ，砂岩成藏的条件是有断层或裂缝发育带等有效地相互沟通。也指 出 “ T ” 字型成藏模拟 实验 仅反映了在压力差作用下的渗流成藏过程，而没有反映以浮力为驱动力的成藏过程。提 出了为了全面 地认识 油气藏成藏机理，应加强浮力流成藏 实验。 关键词油气成藏；物理模拟实验；砂岩透镜体 ；断层输导系统 中图分类号 T E l 2 2 ． 3 1 文献标 识码 A Th e d i s c us s i o n o f t hr e e p hy s i c a l s i mu l a t i o n e x p e r i me nt s f o r o i l a nd g a s r e s e r v o i r f o r ma t i o n WEI Xu e r u i ，L I N J i n g y e ，YANG Hu i ，Z HAO Y u z h e n 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ， B e n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ofD 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； 3 ． T e c h n i g l L e T r a i n i n g C e n t e r of D a q i n g O i lfie l d ，D a q i n g 1 6 3 2 5 5，C h i n a Ab s t r a c t T he p h y s i c a l s i mu l a t i o n ha s a l r e a d y b e e n a n e x t r e me l y me t h o d a n d wa y t o d i s c o v e r t h e s e c o n d mi g r a t i o n a n d a g gre g a t i o n me c ha ni s m o f o i l a n d g a s d e e p l y 、 Ho we v e r ，b e c a u s e t h e mo d e l s o f s o me p h y s i c a l s i mu l a t i o n e x p e rime n t s c a n n o t r e fl e c t t h e r e a l c o nd i t i o n s o f t he r e s e r v o i r i n i t s g e o l o g i c a l hi s t o r y，t h us t h e wr o n g r e c o g n i t i o n o f r e s e rvo i r f o r ma t i o n i s c a u s e d ． Co mbi ni n g wi t h t h e p r a c t i c a l d a t a o f e x p l o r a t i o n we h a v e s t ud i e d t h r e e p h y s i c a l s i mu l a t i o ns a n d e x p e ri me n t s o f R ． J 、 C o r d e l l e t a 1 ．a b o u t t h e p r o c e s s o f o i l a n d g a s mi g r a t i o n a n d a g gre g a t i o n，a n d a t t h e s a me t i me we a l s o d i s - c u s s e d t h e r e s e rvo i r f o r ma t i o n o f s a n d l n s ．Af t e r h a v i n g d o n e t h i s ．w e d r e w a c o n c l u s i o n t h a t n o t a l l o f t h e p e rm e a b l e s a n d r o c k s i n c l u d e d i n t h e h y d r o c a r b o n s o u r c e r o c k s c a n b e r e s e r v o i r s，i n o r d e r t o f o rm a r e s e rvo i r，s u c h n e c e s s a ry c o n - d i t i o n s a s t he r e b e i n g f a u l t s a n d fis s u r e s d e v e l o pi n g z o n e s a r e n e e d e d，f u r t h e rm o r e t h e f a u l t s a n d fis s u r e s mus t r e l a t e t o e a c h o t he r ．W e d r e w a c o n c l u s i o n t h a t t h e “ T”mo d e l r e s e rvo i r s i mu l a t i o n e x p e rime n t c a n o n l y r e fle c t t h e r e s e rvo i r for m- i n g p r o c e s s ma i n l y c o nt r o l l e d b y p e r me a bi l i t y u n de r t h e di f f e r e n c e o f p r e s s ur e，a n d c a n n o t r e fle c t t h a t ma i n l y c o n t r o l l e d by b u o y a n c y 、 Th e writ e r s p o i n t e d o ut t h a t we s h o u l d s t r e n g t h e n t he e x p e r i me n t o f fl o a t i n g r e s e rvo i r f o rm a t i o n i n o r d e r t o r e c o g n i z e t h e r e s e rvo i r f o rm a t i o n me c ha n i s m t h o r o u g h l y 、 Ke y wo r d s r e s e rvo i r f o r ma t i o n；p h y s i c a l s i mu l a t i o n e x p e r i me n t ；s a nd l e n s；f a u l t t r a n s p o rta t i o n s y s t e m 油气藏是地壳上油气聚集的基本单元 ，是油气勘 探的对象 。油气藏 的形成是石 油地质研 究 的核 心问 题 。油气藏形成的基本原理对指导油气资源的勘探与 开发有非常重要 的实际 意义⋯ 。为 了弄清 油气成 藏 的机理 ，2 0世纪 以来 ，许多学者一 直重视油气二次 运 移 和 聚 集 模 拟 的 实 验 研 究 。 如 D e mb i c k i 基金项 目国家科技攻 关项 目 2 0 0 3 B A 6 1 3 A O l 一 0 2 部分成果 。 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 6 -0 6 作者简介韦学锐 1 9 6 4一 ， 男 。河南周口人，高级工程师，中国地质大学能源学院在读博士，主要从事油气勘探研究工作。 维普资讯 2 6 大庆石油地质与开发P ． G ． O ． D ． D ． 第2 6卷第5 期 1 9 8 9 、C a t a l a n 等 1 9 9 2 、S e l l e等 1 9 9 3 、 T h o m a s 等 1 9 9 5 、曾溅辉等 1 9 9 9 分别 运用一 维模型和二维模型研究 了油 的运移和聚集过程及机 理。这些油气成藏的物理模拟已成为深人揭示油气二 次运移和聚集成藏机理 的一种极其重要 的手段 和方 法。自2 0世纪 8 0年代以来 ，尤其是石油大学建立了 油气成藏机理模拟实验室之后 ，油气二次运移和聚集 物理模拟取得了很大的进展 。物理模拟油气成藏的特 点是以地质模型为基础 ，以实验原理和模拟过程为纽 带 ，以揭示油气成藏机理为 目的，将地质模型一实验 原理一模拟过程一揭示 机理有机地 融为一体 j ，对 加深成藏机理的认识起到了非常重要的作用。 1 油气成藏物理模拟实验存在 的一些 问题 长期以来，人们想通过模拟实验再现发生在地质 历史过程 中的油气二次运移和聚集过程。诸多的油气 成藏的物理模拟实验 ，可 以深化对油气藏成因和分布 的认识，使人们更直观地理解油气成藏的机理。由于 模拟实验中物理模型和实验条件模拟地质历史时期的 真实状况十分困难 ，实验结果必然存在许多问题 。所 以，有专家指 出 目前有关油 、气驱水的动力学 机 制 、含油饱和度增长的动力学机制 、油气聚集机理 、 应力和深度对油气运移和聚集的影响等重要参数仍没 有得到解决 ，而且上述问题 已成为当前油气运聚成藏 动力学研究 中的难点 J 。正是 由于有些 物理模拟实 验的物理模型无法准确反映地质历史时期的地下实际 状况，导致了对成藏基本原理存在片面认识。下面重 点讨论三个成藏模拟及实验。 2 对三个成藏物理模拟的探讨 2 ． 1 砂岩透镜体 中油气初次运移和聚集 1 9 7 6年 ，R ． J ． C o r d e l l 关于美 国得克萨斯州北部 和中西部砂岩透镜体 中油气初次运移和富集过程的模 型 ，提出如果水是主要的运移介质 ，生油层 中的油气 是从砂岩透镜体 的底部进人透镜体的，而透镜体 内原 有 的水从上部排出 图 1 。 有学者依此模型来说明砂岩透镜体 中油气初次运 移和富集过程。其实，砂岩透镜体成藏是一个非常复 杂的问题 ，对它来讲并非是近水楼台先得月。C o r d e l l 指出石油运移的传统理论简直无法解释在这样一些透 镜体 中如何形成 一定的油柱高度 。用上述模 型对 砂岩透镜体的成藏过程进行简单地解释，是难以揭示 真正的油藏形成机理 ，并与勘探实践有矛盾。 在松辽盆地大庆长垣两侧的齐家一古龙 凹陷和三 图 1 生油层中存在砂岩透镜体时油气运移和聚集 示意图 据 R ． J ． C o r d e l l ， 1 9 7 7 F i g ． 1 T h e c h a r t o f o i l 詹 a s m i g r a t i o n a n d a c c u m u l a t i o n w h e n f u 1 l e d w i t h s a n d l e n s i n s o ur ce b ed 肇凹陷青山口组一段泥岩是主要的生油岩，在嫩江组 末期才达到了向烃类转化的生油门限深度。三肇凹陷 生油门限为 1 1 0 0 m，生油高峰为 1 8 0 0 m，而粘土矿 物大量脱水深度为 1 2 0 0 1 5 0 0 m，早于大量生油高 峰期 ，这样 以水为载体的初次运移受到影响，一般在 2 0 ％ 一 4 0 ％，其排油量仅 占总排油量的 2 4 ． 5 ％ 5 J 。 储集砂岩的成岩演化研究表明，此时的砂岩是晚成岩 A 期 ，泥岩压实为突变压实 阶段 ，泥岩脱 水 由层间 水快速脱出向缓慢脱出变化，有机质处于低成熟阶 段 。D u r a n d 曾指出，根据正常压实模式，源岩进 人生烃门限时大部分地层水 已被排除 。在沉 积过 程 中泥岩与砂岩透镜体在进人生油门限以前就 已经成 岩，并且在压实过程 中砂泥间孔隙中的流体已经形成 “ 等势” 。也就是说 ，泥岩孔隙 中的流体与砂 岩间 孔隙中的流体没有流动势能 。笔者认为 ，应当注意到 C o r d e l l 特别强调该模型讨论 问题 的前 提条件 ，如果 水是主要 的运移介质 J 。这个物理模 型描述 的压实 水的运移方向不是生油层大量生油时刻的情况 ，不适 合研究生油层大量生油时的地质条件下流体的运移情 况。近年来 ，有学者发现问题后提 出烃源岩低成熟期 向透镜体排人少量油气阶段 - 9 J ，这一观点是与 C o Me ． 1 l 生油层中存在砂岩透镜体时油气运移和聚集原理一 致的，较准确地描述 了生油岩在刚进人生油门限时砂 岩透镜体油气运移和聚集过程。 2 ． 2 砂岩透镜体成藏物理模拟实验 烃源岩中夹有砂岩透镜体时， 其生成的油气在何 种成藏动力下形成油气藏 ，这是石油地质基本理论问 题 ，对于它的认识将直接影响油气勘探实践。张厚福 教授 1 9 8 1 曾指出当生油层中存在砂岩透镜体 时 ，从接触关系来看 ，应该是油气的输导条件最为有 利。但是 ，在这种情况下，油气输导的机理 ，至今还 维普资讯 2 0 0 7年 1 0月 韦学锐等 对油气成藏研 究中三个物理模拟实验的探讨 2 7 没有被充 分的解释 清楚 J 。砂 岩透镜体 ，尤其是夹 在生油岩之 中的砂岩透镜体的成藏机理 ，是石油地质 基本理论问题之一 ，也是 困扰勘探科研人员找油实践 的非常现实的问题。 为了更准确地了解油气二次运移和聚集过程 ，人 们希望通过模拟实验 ，真实地再现发生在地质历史过 程中十分复杂的油气二次运移和聚集状况 。国内外许 多学者对砂岩透镜体油气藏成藏机理和主控因素等进 行了大量模拟实验 的研究 ，取得 了丰富的认识成果。 陈章明等 1 9 9 8 、张云峰 2 0 0 1 通过模拟实验研 究了砂岩透镜体的油气成藏机理 ，由于模拟实验条件 为常温 、低压 ，与实际地质条件差异较大 。相继石油 大学利用自 行设计的高温、高压岩性油气藏成藏模拟 实验装置探讨砂岩透镜体的油气成藏特征 。为了讨论 该模拟实验的合理性 ，首先看一下实验过程。 实验模型是将含水不同粒径的亲水石英砂制成透 镜体形状 ，石英砂周 围是含油粘 土 图 2 。含油粘 土由油 、盐水和粘土按不同的比例配制成的不 同含油 率的含油粘土，以代表烃源岩。对实验模型通过电动 高压泵对活塞加均匀压力 ，以模拟上覆地层压力 ，并 设定实验温度 ，从而了解砂岩透镜体的成藏过程和影 响因素 。实验结果表明在压实作用下 ，泥岩和砂岩 透镜体之间会发生油一水交换 ，泥岩中的油不断进人 砂岩透镜体 ，而砂岩透镜体中的水则不断进人泥岩 。 由此认为导致砂岩透镜体成藏并不是单纯的一个或几 个动力下促使油气的聚集 ，它是一个过程复杂 、动力 类型多样 、相互作用的一个复合动力下完成的油气的 运移 、聚集及成藏 。 囫 圈■■口]口] 含油粘十含水砂体 含油范围 电极 源电极 图 2透镜体砂岩成藏实验模型剖面图 实验 1 1 l m i n Fi g． 2 Th e p a t te r n s e ct i o n o f o i1 a c c um ul a ti o n te s t i n s an d l e ns 这个实验表明的砂岩透镜体成藏过程是不符合地 下实际情况的，所忽视的与前面所述的 C o r d e l l 的砂 岩透镜体 中油气初次运移和富集过程的模拟相同。在 烃源岩生排烃时期 ，组成烃源岩的泥岩和储集层 的砂 岩都 已成岩 ，实验采用 的含油粘土和透镜状石英砂等 介质偏离地下地质条件 。因此 ，室内实验表明的油一 水交换及成藏过程也不是真正的成藏过程 。如果说上 述实验所描述的成藏过程是正确 的话 ，那么 ，夹在烃 源岩 中所有具有一定孔渗能力的砂岩透镜体都能富集 油气或者成 为油藏。而大量 的勘 探实践表 明并 非如 此 。 统计 了松辽盆地北部古龙凹陷西侧青山 口一段 中 的透镜状砂体数据 2 9口井 7 5层。其中有取心的 6口 井 1 1层数据及录井显示和试油情况见表 1 ，表 中所 有砂层都在成熟 生油岩 中。据该 区多年 的勘探经验 ， 青山口一段下伏 的扶余 、杨大城子油层压裂后有效厚 度物性下限标准为孔隙度9 ％，渗透率 0 ． 1 1 0 m 。从表 1看 出 Y 5 1 、Y1 4 1 、Y 2 0 5三 口井 中，孔 隙度 、渗透率在有效厚度物性下限标准 以上的砂岩都 已成 藏 ，而低 于物性 下 限标准 的 Y 2 9井没有 成藏。 但是 Y 3 9、Y 6 4井物性好 的储层并没有成藏 ，这正说 明了并不是所有夹在烃源岩 中的砂 体都能形 成油气 藏 。这类透镜体砂岩成藏还需要其他条件 ，如有断穿 砂体的断层或裂隙发育带等条件作为通道_ 9 ] 。甚至 ， 有些用三维地震资料都无法识别的没有明显错开的断 层及小裂隙对透镜体砂岩成藏也起作用 。 2 ． 3 断层输导系统油的运移和聚集的模拟实验 大量的勘探实践 已经证实 ，断层对油气运移和聚 集能产生重要影响 ，学者们对它的认识也不尽一致。 一 些人认 为断层 是油气运移有利 的通道 J o n e s等， 1 9 7 4 ；We b e r等，1 9 7 5 ；P r i c e ，1 9 8 0 ，有 人则认 为 断层对油气运移起 阻挡作用 P e r k i n s ，1 9 6 1 ；S m i t h ， 1 9 8 0 ；F o w l e r 等，1 9 7 1 。然而 目前大多数学者认为 在盆地的演化过程中断层可 以作为油气运移 的通道 ， 也可 以阻挡 油气运移 C h a p m a m，1 9 8 1 ；S e e b u r g e r ， 1 9 8 1 ；L o s h等，1 9 9 9 。 为了证实断层对成藏的作用 ，学者们制作了称之 为 “ T ” 型的油气运移体系模拟实验。设计者认为油 藏具有以 “ T ”型为主的油气运移体系 ，其主要特征 为油气在异常高压 的作用下，首先沿开启性的断层向 上作垂向运移 ，之后遇到具有高孔渗的骨架砂岩再作 横向运移 ，最后在地层圈闭中聚集成藏 ，油气运移要 素的组合具有 “ T ”型几何形态 。为了进一步验证上 述理论认识 ，设计 了相应的模拟实验 图 3 ，用来 了解石油运移路径 、通道 、方式和方向及其分配量， 试图达到深化地层油气成藏机理的认识⋯ 。 实验采用油 、水两相从 图中人 口处连续充 注 J 。 为了说明问题本 文仅简要 介绍实验 中 C号砂 体的变 化情况 ，在实验中注油 5 2 7 mL时，C 小层 1 0 0 ％面 积含油 ，C 小层 书中没有说 明，笔者根据 实验的情 维普资讯 2 8 大庆石油地质与开发P ． G ． 0 ． D ． D ． 第 2 6卷第 5期 况推测肯定也是 1 0 0 ％面积含油。这个实验能够说明 油气运移成藏许多道理，科学价值很高。但也仍存在 一 些问题 ，由于该实验采用泵 向模型注人油和水 ，使 有油充注。原 因在于实验中的成藏动力是来 自于人为 的外力 ，对于 C 砂体人 口与出 口间产生较大的压力 差 ，在 C 号砂体 ，因为 C是低渗透率砂岩 ，C 右端 得与断层相连的下倾方 向的砂体 图中 C 、C 也 与人 口间也能产生压力差 ，所 以才有油注人 。 表 1 古龙凹陷西侧青山口一段砂岩综合解释数据 T a b l e 1 Th e c o m p r e h e n s i v e i n t e r p r e t a ti o n d a ta o f s a n d s t o n e o f Q i n g 1 Me mb e r i n w e s t of Gu l o n g D e p r e s s i o n 入 口 F 厂 _ 大断裂 F r 小断裂 ； A ， c 一 低渗透率砂岩 A 、 A 2、 A 3 、 C 。、 C 广 高渗透率砂岩． B 、 D 一块状砂体 E 一泥岩隔层 图 3 “ T ” 型 的油气运移体系模拟实验示意图 F i g ． 3 T h e m o d e l t e s t c h a r t o f T - s h a p e d o i 1 詹 a s m i g r a t i o n s y s t e m 在地质历史上 ，油气 以源岩的异常高压 为驱 动 力，沿断层进人储层而成藏的情况是有的，但这仅仅 是油气运移的驱动力之一 ，而油气二次运移过程中浮 力是非常重要的。油层中由于油水密度差存在 ，浮力 是永远存在的，并且力的方向向上。对于下倾方向的 砂体是不能充注油而成藏的，该实验有相当大的局限 性 ，实验结果不具普遍意义。 油气运移驱动力的性质决定油气藏的性质。2 0 0 2 年美 国 A A P G非常规油气系统研究组提出以浮力形成 的油气藏为常规油气藏，而浮力以外的形成的油气藏 为非常规油气藏。可见 ，区别油气藏成藏的驱动力对 认识油气藏的性质非常重要 。 如松辽盆地北部扶余 、杨大城子油层 的油源来 自 上部青山口组一段泥岩地层 ，形成上生下储 的 “ u” 字形运移模式 。该区有 的储层成藏于下排烃时期 ， 是源岩的异常压力成藏。有的油藏形成于侧向运移过 程 中，是运移时的浮力成藏。成藏的驱动力不 同，成 藏的性质和原理就不同。实际上 ，图 3只是我们看到 或想到的一个方 向上的剖面，如果勘探中某个油藏中 发现在某个剖面上有 C 或 C 这样向下倾的砂体成藏， 我们要从三维立体地考虑一下是否在该砂体的低部位 还有断层通道存在，确不可盲目地认为油气就是来自 F 断层 ，否则将无 法搞 清油藏的真正形成过程。认 识上 的失之毫厘 ，原理上将差之千里。 3 结束语 油气藏物理模拟实验是研究油气二次运移和聚集 的重要手段，对深人认识成藏机理有很大的帮助 ，但 由于有些实验的物理模型与地质历史时期的地下实际 情况偏离 ，导致实验结论对油气成藏的认识产生片面 性 。物理学家亚里斯多德就曾因忽视 了实验条件 ，导 下转第 3 2页 维普资讯 3 2 大庆石油地质与开发P ． G ． 0 ． D ． D ． 第 2 6卷第 5期 好的储集性能。扇根砾岩体沉积厚度大，但由于快速 卸载，分选、磨圆差，储层物性差，因此砾岩体的好 储层多位于近岸水下扇 的扇中部位 。以扇中部位物性 较好的砾岩体作为储层储集油气，依靠上覆生油岩和 砾岩体自身横向以及侧向的物性变化封堵而成上生下 储 、侧生侧储型油藏 如兴 1 7油藏等 。 4 - 4 砂岩透镜体成藏模式 研究发现，在各三级层序的低位和湖侵体系域均 发育一定数量的湖底扇砂体，这类砂体在平面上的分 布相对独立， 砂体侧向连通性较差，镶嵌在深水泥岩 中，与周围暗色泥岩形成 良好 的生储 盖组合 ，因 此容易形成透镜状岩性圈闭。 5 结论 1 廊固凹陷 旧州一 固安构 造带沙三段 发育 4 个三级层序 S Q 1 、S Q 2、S Q 3 、S Q 4，年限为7 ． 7 Ma 。 2 烃源 岩主要 分布在 S Q 1 、S Q 2和 S Q 3的湖 侵体系域；储集体主要是 S Q 1 和 S Q 2的低水位体系 域的近岸水下扇砾岩体、S Q 3的高水位体系域与 S Q 4 的低水位体系域扇三角洲前缘砂体以及各体系域发育 的湖底扇砂体；盖层主要为各三级层序湖侵体系域的 湖相泥岩。垂向上构成上生下储型 、侧生侧储型 、下 生上储型和 自生 自储型等生储盖组合类型。 3 该区油气藏成藏模式主要有上倾尖灭 型油 气藏成藏模式、砾岩体油气藏成藏模式、砂砾岩物性 变化成藏模式和砂岩透镜体成藏模式。 参考文献 [ 1 ]徐怀人 译． 层序地层学原理 [ M]． 北京石油工业出版社， 1 9 9 347 - 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