趙衛(wèi)衛(wèi)，査 明

（1.西安石油大學油氣資源學院；2.中國石油大學（華東）地球資源與信息學院）

陸相斷陷盆地巖性油氣藏成藏過程物理模擬及機理初探

趙衛(wèi)衛(wèi)1，2，査 明2

（1.西安石油大學油氣資源學院；2.中國石油大學（華東）地球資源與信息學院）

巖性油氣藏是我國東部陸相斷陷盆地油氣儲量增長的主體，但目前對其成藏過程和機理的認識還存在較大分歧。文中根據(jù)斷陷盆地巖性油氣藏成藏特征，針對性地建立了巖性圈閉模型，對其油氣運聚成藏過程進行了物理模擬并深入研究了其成藏機理。結果表明：在不同條件下，巖性油氣藏在成藏過程、成藏特征、成藏效率等方面均存在差異；幕式成藏具有成藏效率高、速度快的特征，油氣源條件、充注方式、充注壓力、斷層斷穿及砂體自身物性是巖性油氣藏成藏的主要控制因素，其中是否有斷層斷穿的運移通道是巖性油氣藏成藏的關鍵。該研究結果對于斷裂發(fā)育的陸相斷陷盆地巖性油氣藏成藏機理的研究具有重要意義。

物理模擬；巖性油氣藏；含油飽和度；充注方式；陸相斷陷盆地

0 引言

近年來，隨著中國陸上油氣勘探總體從構造油氣藏向巖性-地層油氣藏的轉變，巖性-地層大油氣田目前已進入發(fā)現(xiàn)高峰期［1-2］，相繼在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、準噶爾盆地和塔里木盆地等發(fā)現(xiàn)了多個億噸級以上的大型巖性-地層油氣田［3-5］，展示出了較大的勘探潛力。目前巖性-地層油氣藏已經(jīng)成為中國陸上最重要的勘探領域和儲量增長的主體，截至2010年底，中國石油天然氣股份有限公司巖性-地層油氣藏探明儲量占總探明儲量的75%［6］，其中巖性油氣藏將是今后該勘探領域的重中之重。巖性油氣藏不僅是東部斷陷盆地勘探程度較高地區(qū)的主要勘探對象，也是新探區(qū)內(nèi)極具潛力的勘探目標。濟陽坳陷是東部典型的陸相斷陷富油氣盆地，自1996年以來，巖性油氣藏在探明儲量中的比例逐步增大，平均達到52%［7］，已成為濟陽坳陷油氣增儲上產(chǎn)的重要目標。由于巖性油氣藏成藏機理和分布規(guī)律復雜，導致其勘探難度大、技術要求高，因此，在系統(tǒng)總結其形成、分布規(guī)律和成藏特征的基礎上，加強對其成藏過程、成藏機理及分布規(guī)律的研究，將對陸相斷陷盆地的油氣勘探具有重要的理論意義和實踐意義。

20世紀80年代以來，許多學者一直重視油氣成藏過程及其物理模擬的實驗研究［8-24］，物理模擬實驗已成為研究油氣成藏過程和成藏機理的重要手段。但目前關于巖性油氣藏成藏的物理模擬實驗研究主要集中在砂巖透鏡體油氣藏的成藏過程和成藏動力學機制問題，對于巖性油氣藏中油氣聚集機理、運聚條件等與油氣成藏的關系涉及較少，特別是斷層發(fā)育的斷陷盆地砂巖透鏡體和構造-巖性油氣藏的含油氣性差別較大，導致對巖性油氣藏的形成過程和機理認識不清，在不同類型巖性油氣藏的控制因素及聚集分布特點方面缺乏系統(tǒng)分析和認識。為此，筆者主要從濟陽坳陷巖性油氣藏勘探實踐出發(fā)，采用物理模擬實驗的方法研究了砂巖透鏡體（也稱砂體）油氣藏與構造-巖性油氣藏的油氣運聚過程，探討了二者的成藏過程及控制因素，以對后期巖性油氣藏的勘探有所啟發(fā)。

1 實驗模型與方法

濟陽坳陷屬于典型陸相斷陷含油氣盆地，斷層附近或翼部已發(fā)現(xiàn)大量下生上儲式巖性油氣藏，這些巖性圈閉均發(fā)現(xiàn)有斷層（裂）或微裂縫斷穿的砂體。斷層作為油氣運移通道，可溝通油源且含油飽和度較高，如東營凹陷牛莊油田、勝坨油田。因此，筆者有針對性地設計了靜水條件下砂巖透鏡體與有斷層溝通或斷穿的砂巖透鏡體的成藏模型并進行物理模擬實驗對比（圖1），來探討巖性砂體在斷層溝通或斷穿條件下的油氣充注模式、成藏過程和機理。

圖1 實驗設計地質模型示意圖Fig.1 Sketch map showing experimental geological model

實驗模型及設計：①研究在靜水、相同充注條件下油氣運聚過程的控制因素。在同一圈閉模擬器內(nèi)設計了孤立的砂巖透鏡體A及被斷層切割的砂巖透鏡體B（圖1）模型。②研究在靜水條件下不同充注方式對烴源巖之上砂巖透鏡體及構造-巖性油氣藏中油氣聚集過程的影響（P為石油進出口，可以根據(jù)實驗需要選擇合適的注油口和出油口）。設計了2種充注方式：一種為單次連續(xù)注入方式，即單一油相在某一注油速率下連續(xù)充注；另一種為多期幕式注入方式，即單一油相在某一注油速率下有間斷地多次充注。③研究斷層位置對構造-巖性油氣藏的控制作用，設計了砂體與斷層不同的相對位置。④為了定量描述砂體內(nèi)含油飽和度隨時間變化的情況，在砂層內(nèi)安裝46個電極，可測出電極點含油飽和度變化。

本次實驗應用中國石油大學（華東）油氣成藏機理實驗室自行研制的油氣成藏機理模擬實驗二維裝置，模型前面為透明玻璃板，可以直接觀察到油氣的充注及含油飽和度的變化情況。物理模擬實驗中飽和度測定采用電阻電極測量，使用雙壓模技術和耐氧化、耐腐蝕的材料研制出了能夠測量油藏物理模擬中動態(tài)飽和度變化的微型探針；應用微型探針測量出了不同實驗的三維模型飽和油、水驅油過程中不同位置的飽和度變化，實驗用砂為不同粒度的純白色石英砂。石英砂親水性強，潤濕角近于0°。運載層內(nèi)的石英砂用NaCl鹽水（密度為 1.05 g/cm3，濃度為 8.0×10-4mg/L）進行飽和，實驗用油為中性煤油（密度為0.75 g/cm3，25℃時的黏度約為42 mPa·s），為便于觀察，用油紅將煤油染成紅色。砂巖透鏡體、斷層和圍巖的孔隙度相差不大，為32%～35%，砂巖透鏡體A，B粒度為0.25～0.3 mm，滲透率為 7800 mD；斷層C粒度較粗，為0.7～0.8 mm，滲透率為41600 mD，為優(yōu)勢輸導層；圍巖粒度為0.05～0.1 mm，滲透率為416 mD。

2 實驗過程及現(xiàn)象

2.1 單次連續(xù)充注時油聚集成藏過程

以0.5 mL/min的恒流速度向模型注油，注油至2 h進口處見油顯示，距離注油口較近的斷層C底部也有油進入［圖2（a）］。隨著注油量增加，在注油壓力作用下，油繼續(xù)向上運聚。至3 h注油口扇形注油前鋒面積增大，油主要沿斷層C向上運移，部分進入砂巖透鏡體B中并在其上部聚集，砂巖透鏡體A底部也有少量油進入［圖2（b）］。繼續(xù)注油至6 h，油通過孔隙大量進入砂巖透鏡體A中并在浮力作用下聚集在其上部，砂巖透鏡體B中含油面積變化不大，斷層C頂部油大量聚集［圖2（c）］。至10 h砂巖透鏡體A含油面積增大，占砂體面積的1/3，砂巖透鏡體B中靠近斷層C處油大量聚集，說明油主要通過斷層C向上運移且在其頂部與模型邊界處聚集。至15 h砂巖透鏡體A含油面積從上向下逐漸擴大，占砂體面積的3/4，砂巖透鏡體B含油面積略有增大，斷層C由于孔隙度、滲透率相對較高可作為優(yōu)勢運移通道，大量油在其頂部聚集［圖2（d）］。至23 h砂巖透鏡體A被油完全充滿，砂巖透鏡體B含油面積變化不大，斷層C頂部裂隙處充滿油［圖2（e）］。至29 h被充滿油的砂巖透鏡體A顏色變深，說明其含油飽和度增大，砂巖透鏡體B含油面積增大，占砂體面積的3/4，斷層C上部有大量油聚集［圖 2（f）］，此時實驗基本穩(wěn)定①趙衛(wèi)衛(wèi).濟陽坳陷巖性油氣藏成藏機理與物理模擬研究.中國石油大學（華東），2007.。

2.2 多期次幕式充注時油聚集成藏過程

以0.5 mL/min的恒流速度從模型下注油口向模型注油，注油至1 h注油口有油顯示。隨著注油量增加，注油前鋒呈扇形由注油口附近向致密砂巖中運移，少量油進入距離注油口較近的砂巖透鏡體A，而距離注油口較遠的斷層C沒有油進入［圖3（a）］。至4 h，在注油壓力、毛細管力和浮力的共同作用下，油大量進入砂巖透鏡體A內(nèi)，在浮力的驅動下，油在其內(nèi)部向上運移［圖3（b）］。至7 h油幾乎充滿整個砂巖透鏡體A，注油前鋒范圍不斷擴大，油開始進入斷層C［圖3（c）］。至12 h停止充注，靜置9 h后觀察油的運聚，由于實驗過程中操作不當，圈閉模擬器的可視玻璃發(fā)生破裂，重新更換玻璃后繼續(xù)注油，此時發(fā)現(xiàn)油沿斷層C向上運移，注油口含油范圍擴大［圖 3（d）］。 第2次充注至 3 h，油沿斷層C向上運移貫穿砂巖透鏡體B，砂巖透鏡體A含油面積不變。第2次充注至7 h，砂巖透鏡體B顏色加深，說明其含油飽和度增大，砂巖透鏡體A變化不大，基本達到穩(wěn)定，包裹砂巖透鏡體A的低滲透砂層含油面積增大。繼續(xù)充注，砂巖透鏡體B含油面積不斷增大，第2次充注至12 h時，含油面積占其3/4，顏色不斷加深，砂巖透鏡體A含油面積及飽和度變化不大［圖3（e）］。第2次充注至14 h后停止充注，靜置10 h后觀察砂巖透鏡體B及斷層C，發(fā)現(xiàn)整體均含油且顏色深紅，此時實驗基本穩(wěn)定［圖 3（f）］①趙衛(wèi)衛(wèi).濟陽坳陷巖性油氣藏成藏機理與物理模擬研究.中國石油大學（華東），2007.。

圖3 油相幕式充注時斷層對巖性油氣藏油氣運聚成藏的影響實驗過程示意圖Fig.3 Sketch map showing petroleum migration and accumulation under episodic charging

3 實驗結果及討論

3.1 斷層及其相對位置對巖性油氣藏成藏的影響

靜水條件下且油相連續(xù)充注時，油在注油壓力和浮力的作用下先進入物性（孔隙度和滲透率）條件好的砂體，斷層C的物性明顯好于兩側巖性圈閉的物性，因此，斷層C成為油垂向運移的優(yōu)勢通道。油首先沿距離油源較近的斷層C向上運移，并在上傾方向有利的巖性圈閉（B和C頂部）中聚集［圖2（b）］。隨著注油量和注油壓力的增加，油繼續(xù)通過斷層C向砂巖透鏡體B及斷層C上部運移，同時距離油源較近的砂巖透鏡體A也逐漸有油注入［圖2（c）］。為了能定量描述油在模型中的運移過程，選取連續(xù)充注時代表砂巖透鏡體A的D17、斷層C的D27及砂巖透鏡體B的D34來分析三者含油飽和度隨時間的變化關系（圖4）。油開始進入模型后，沿連通孔隙向前運移，遇到高孔滲的斷層C便沿其向上運移，斷層C也先有油顯示，至3 h含油飽和度為3%，其上傾方向與砂巖透鏡體B接觸，部分油橫向運移進入砂巖透鏡體B并在其上部和模型邊界處聚集，測點含油飽和度變化不明顯，至14 h斷層C含油飽和度增長到80%以上。進入砂巖透鏡體A的油在浮力作用下向上運移，遇遮擋后聚集成藏，至6 h含油飽和度迅速增大，至12 h含油飽和度達到90%以上。砂巖透鏡體B與斷層C接觸，油沿斷層C向上運移至砂巖透鏡體B后，部分油遇到遮擋在此聚集成藏，含油飽和度變化緩慢，至18 h增長到80%以上。整個實驗過程中，注油口壓力變化較大，反映出油運移過程中壓力變化具有脈沖式特征（圖5）。模型中斷層C為暢通高孔滲帶（優(yōu)勢運移通道），油注入后首先沿斷層C垂向運移，在其頂部與模型接觸帶聚集成藏，斷層C中段測點含油飽和度較高，平均為51.5%；砂巖透鏡體B中油聚集較少，其與斷層C具有孔滲級差，所以油進入較少，測點含油飽和度較低，平均為41.07%；砂巖透鏡體A為保存條件最好的一個巖性圈閉，距離注油口近，含油飽和度最高，平均為70.54%。

圖4 油相單次連續(xù)充注時砂體含油飽和度隨時間變化圖Fig.4 Oil saturation change with time under continuous charging

圖5 油相單次連續(xù)充注時注油口壓力與時間關系圖Fig.5 Relationship between injection pressure and time under continuous charging

靜水條件下且油相幕式充注時，斷層C距離注油口較遠，砂巖透鏡體A與注油口距離小于斷層C與注油口距離，砂巖透鏡體B被斷層C切割成兩部分。分別選取斷層C斷穿砂巖透鏡體B上、下部D27和D38進行斷層C上、下盤含油飽和度變化對比（圖6）。實驗進行到34 h時，D27含油飽和度開始上升，41 h時該電極含油飽和度達95%以上。實驗進行到52 h時，D38含油飽和度開始上升，至60 h時含油飽和度達最大，為76.3%，實驗結束時的含油飽和度為74.7%。在斷層C連通有效源巖的條件下，油氣具有近源性成藏特點，其優(yōu)先充注斷層C上盤砂體，所以斷層C上盤砂體的含油飽和度大于其下盤砂體的含油飽和度。同時，幕式充注成藏時的砂體含油飽和度普遍高于連續(xù)充注成藏時的砂體含油飽和度。

圖6 油相幕式充注時砂體含油飽和度隨時間變化圖Fig.6 Oil saturation change with time under episodic charging

3.2 不同充注方式對油氣成藏的影響

靜水條件下且油相幕式充注時，油進入低滲透砂層并呈扇形向上垂向運移，首先進入距離注油口較近的砂巖透鏡體A，隨著注油量和注油壓力的增大，在浮力作用下逐漸充滿砂巖透鏡體A。之后，油開始沿低滲透砂層或其與模型的邊界進行橫向運移，遇到開啟性斷層C快速向上運移，即在油源條件相同時，距離油源近的砂體優(yōu)先聚集成藏。停止充注后，斷層C中的油在浮力作用下緩慢向上運移，第2次充注至7 h時，油運移到斷層C頂部，遇到頂部封閉帶后聚集成藏，斷層C含油飽和度和含油面積不斷增大。同時，隨著注油面積的不斷擴大，油開始在砂巖透鏡體B中聚集，至第2次充注結束時充滿整個砂巖透鏡體B，其顏色變成深紅，說明含油飽和度高。

油相幕式充注過程中，注油口壓力變化也較大，但變化幅度較小。選取代表砂巖透鏡體A的D6及砂巖透鏡體B的D27來分析砂巖透鏡體含油飽和度隨時間變化關系（兩電極點處在相同高度）。模型中油先充滿距離注油口較近的砂巖透鏡體A，但其顏色較淺，說明其含油飽和度較小，測點平均為44.82%。被斷層C斷穿的砂巖透鏡體B后期油充注較多，含油面積大且顏色深，說明含油飽和度較高，測點平均為66.01%。因此，油相幕式充注過程中，有斷層斷穿的巖性圈閉的含油飽和度比無斷層斷穿的巖性圈閉的含油飽和度高，并且成藏效率更高、速度更快，而油相連續(xù)充注時則相反。

3.3 圍巖含油氣性對油氣充滿度的影響

圍巖含油氣性是影響砂體含油氣性的重要因素。圍巖中的油向巖性圈閉中運聚時向上、向下及向側向都有運移，開始時油的進入量少，砂體含油飽和度很低，隨著油的不斷充注，圍巖含油飽和度逐漸增加，進入砂體的油量也不斷增大，砂體含油飽和度也逐漸增加，即圍巖含油性越好，砂體的含油性也越好（圖 2、圖 3）。

當油源充足、封閉條件好時，斷層上盤砂體也能具有較高的含油飽和度。以單次連續(xù)充注方式下砂巖透鏡體B內(nèi)D34及斷層C內(nèi)D27的含油飽和度隨時間變化為例說明（圖4）。油氣最初以斷層C為運移通道向上運移并在砂巖透鏡體B中聚集油氣；實驗進行到7 h時，D34含油飽和度開始增加但速度非常緩慢，含油飽和度較低，僅為30%，此時斷層C內(nèi)D27含油飽和度無變化。隨油氣注入量增大（油源充足條件下），斷層C不僅僅充當油氣運移通道，同時也是油氣聚集的場所。實驗進行到14 h時，斷層C內(nèi)D27含油飽和度迅速增加至85%，油氣開始大量向砂巖透鏡體B中運移，注油18 h時D34含油飽和度快速上升到80.4%。

4 結論

2組不同充注方式下的巖性油氣藏物理模擬實驗表明，不同條件下油氣成藏過程、成藏特征、成藏效率均存在差異。

（1）在相同油源條件下，距離油源近的砂體優(yōu)先聚集成藏；在相同壓力條件下，相同物性的儲集砂體含油飽和度要達到相同飽和度值所花費時間與圍巖飽和度值成反比，即圍巖飽和度越高（生烴強度越大），供烴能力越強，越有利于砂體成藏。

（2）斷層溝通砂體物理模擬實驗中，開啟性斷層是油氣運移的優(yōu)勢通道，油氣可以沿斷層快速垂向運移，油源充足的條件下，有斷層溝通油源且遠離油源的儲集砂體也能形成高含油飽和度的巖性油氣藏。

（3）注油方式、輸導條件及圍巖條件均影響巖性圈閉的油氣成藏。在注油量一定的條件下，幕式充注時儲集砂體含油飽和度高于連續(xù)充注，即幕式成藏具有成藏效率高、速度快的特征，并且不同的充注壓力下，壓力越大，油運移速率越大，垂向運移越遠，越有利于砂體成藏。

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Physical simulation on hydrocarbon accumulation of lithologic reservoirs and its mechanism in continental rifted basin

ZHAO Wei-wei1，2， ZHA Ming2
（1.Faculty of Petroleum Resource， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China； 2.Faculty of Geo-Resource and Information，China University of Petroleum，Dongying 257061，China）

As the hotspot and emphasis of petroleum exploration,lithologic reservoir is the main type of subtle reservoirs for increasingreserves in continental rifted basin,but there are manydifferences ofcognition in the aspect of migration process and hydrocarbon mechanism.Accordingtothe hydrocarbon accumulation characteristics oflithologic reservoirs in continental rifted basin,the physical simulation on hydrocarbon accumulation process was carried out,and the accumulation mechanism of lithologic reservoirs was studied.The result shows that lithologic reservoirs have differences in accumulation process,accumulation characteristics and accumulation efficiency under different conditions.The episodic accumulation has high accumulation efficiency and high speed characteristics.Hydrocarbon source conditions,charging patterns,pressure,faults,sand bodies properties are the main controlling factors of lithologic reservoir accumulation.Among these conditions,fault connected migration pathway is the critical factor of lithologic reservoir forming.The research results may have important significance for research of hydrocarbon accumulation mechanismoflithologic reservoirs in continental rifted basin.

physicalsimulation； lithologicreservoirs； oilsaturation； chargingpatterns； continentalriftedbasin

TE122.3

A

2011-07-10；

2011-09-21

國家自然科學基金項目“鄂爾多斯盆地延長組連續(xù)型巖性油藏成藏機理與地質特征”（編號：41102083）和西安石油大學博士啟動基金“東營凹陷巖性油氣藏成藏機理及物理模擬研究”（編號：Z08006）聯(lián)合資助。

趙衛(wèi)衛(wèi)，1976年生，男，博士，講師，主要從事油氣成藏地質學方面的科研與教學工作。地址：（710065）陜西省西安市電子二路東段18號西安石油大學油氣資源學院。電話：（029）88382786。E-mail：zhaowei3028@163.com

1673-8926（2011）06-0037-07

涂曉燕）