公言杰 ，柳少波 ，姜林 ，洪峰 ，張贊武

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國石化中原油田分公司油藏經(jīng)營管理辦公室，河南 濮陽 457001）

0 引言

油氣成藏研究包括成藏的最基本條件，諸如油源、儲層、蓋層、圈閉，以及成藏條件在地質(zhì)歷史配合所發(fā)生的動力學(xué)過程及其結(jié)果［1-8］。在成藏學(xué)研究歷史上，如何利用實(shí)驗(yàn)室條件模擬漫長地質(zhì)歷史條件下的油氣成藏過程，是眾多地質(zhì)學(xué)家一直探討的問題。

油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬技術(shù)是通過物理模擬把地質(zhì)學(xué)、成藏動力學(xué)、流體動力學(xué)等學(xué)科結(jié)合起來，從動態(tài)的、立體的、可視的、定量的角度來認(rèn)識油氣運(yùn)移成藏史，是一種有力的油氣地質(zhì)研究工具［9］。

油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)是油氣成藏研究的重要手段，在石油地質(zhì)理論的發(fā)展中起著重要作用，主要體現(xiàn)在3個方面：一是確定油氣成藏參數(shù)；二是模擬油氣成藏過程；三是探討油氣成藏機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)類型

油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)本質(zhì)在于實(shí)驗(yàn)條件模擬實(shí)際地質(zhì)條件，物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選取對于實(shí)驗(yàn)技術(shù)起決定性控制作用。針對油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的分類，國外學(xué)者沒有提出明確的方案；曾濺輝等［10］則根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男再|(zhì)及形狀將其分為一維模型、二維模型、三維模型和微觀模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

筆者通過廣泛調(diào)研國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，提出根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置將油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬技術(shù)劃分為3種類型：1）一維玻璃管油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)；2）二維可視油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)；3）三維油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了3類實(shí)驗(yàn)技術(shù)類型的差異性（見表1）。

表1 3類技術(shù)類型特征對比

2 實(shí)驗(yàn)條件

在明確了油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)分類基礎(chǔ)上，筆者系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)采用的實(shí)驗(yàn)條件。

1）模擬砂體。包括2類，即散樣與實(shí)際巖心樣品。玻璃珠與石英砂是使用的主要散樣樣品，不同目數(shù)的散樣樣品可以模擬不同物性的砂體模型，這種樣品可以根據(jù)需要設(shè)置尺寸與分布狀態(tài)，但是由于沒有經(jīng)過壓實(shí)膠結(jié)，孔滲都較高。實(shí)際巖心樣品一般采用油田儲層柱塞樣品，這種樣品可以真實(shí)模擬實(shí)際儲層孔滲，但往往尺寸有限。

2）模擬流體及參數(shù)。包括模擬流體的類型、礦化度、pH值，模擬油樣的黏度、密度參數(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)氣體的比例。有關(guān)參數(shù)均需根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)節(jié)設(shè)置。

3）模擬成藏方式。包括幕式、連續(xù)充注；成藏動力方面，包括浮力、壓差、水動力、構(gòu)造運(yùn)動力、熱能充注速率等。

4）模擬封閉條件。儀器頂部聚集還是散失，影響模擬實(shí)驗(yàn)砂體最終成藏結(jié)果。

5）模擬溫壓條件。一般采用真實(shí)巖心模擬實(shí)驗(yàn)，需要模擬實(shí)際地層條件下的溫壓。散樣樣品由于設(shè)備局限采用室溫常壓。

3 研究進(jìn)展

Munn［11］最早通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了流動的水對石油在地層中分布的影響，油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)隨之誕生。Emmons等［12-21］針對不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行過相應(yīng)的二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)研究。近年來，隨著國內(nèi)外一批先進(jìn)的物理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相繼建立，油氣二次運(yùn)移模擬研究取得了重要進(jìn)展。

3.1 油氣二次運(yùn)移條件、路徑

Emmons［12］研究了浮力對石油聚集的影響。Illing［13］研究了水和石油通過粗細(xì)交替砂層的滲流機(jī)理。Dembicki等［16］在 60.0 cm×2.5 cm 的填滿親水沉積物的玻璃管中進(jìn)行了油氣二次運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在絕大多數(shù)情況下，石油可能在多孔、滲透性沉積地層中沿有限通道二次運(yùn)移，只有極少量油在運(yùn)移通道中以殘余油的形式損失掉。

張發(fā)強(qiáng)等［20］利用填裝玻璃微珠的玻璃管模型，觀察靜水條件下油在飽含水孔隙介質(zhì)中靠浮力形成優(yōu)勢運(yùn)移路徑，以及隨后沿已形成的路徑運(yùn)移的過程。研究發(fā)現(xiàn)：油氣的運(yùn)移表現(xiàn)出強(qiáng)烈非均一性，存在運(yùn)移主路徑；運(yùn)移過程中存在前緣跳躍（haines jump）與分段運(yùn)移現(xiàn)象；運(yùn)移路徑一旦形成，其形態(tài)和空間展布特征基本保持穩(wěn)定不變（見圖1）。

圖1 前緣跳躍現(xiàn)象與分段運(yùn)移現(xiàn)象［21］

Catalan等［17］使用裝有玻璃珠或砂粒的玻璃管，通過設(shè)置玻璃珠粒度、油的密度、油水界面張力以及玻璃管傾角等條件，進(jìn)行油或氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，研究靜水條件下石油的二次運(yùn)移。同時提出了幾個重要的油氣二次運(yùn)移規(guī)律：連續(xù)油相運(yùn)移存在臨界運(yùn)移高度；油氣沿有限的固定通道運(yùn)移；傾斜地層油氣運(yùn)移的效率大于垂直地層油氣運(yùn)移的效率；二次運(yùn)移速度取決于孔隙結(jié)構(gòu)、油氣密度、初始運(yùn)移高度。

3.2 油氣二次運(yùn)移模式

Lenormand［22］研究了孔隙介質(zhì)中二次運(yùn)移模式，用毛細(xì)管數(shù)和黏性比值系數(shù)將毛細(xì)管力和黏性力對油氣運(yùn)移的影響概化為3種現(xiàn)象：黏性指進(jìn)、毛細(xì)指進(jìn)、穩(wěn)定驅(qū)替（見圖2a）。Tokunaga研究了二次運(yùn)移作用力，提出油氣運(yùn)聚存在2種不同驅(qū)替形式，即A型整體驅(qū)替和B型指進(jìn)驅(qū)替模式。A型具有高Ca/Bo值（Ca為排替流體的黏滯力與系統(tǒng)的毛細(xì)管力之比，Bo為排替流體在被排替流體中所受浮力與毛細(xì)管力之比），B型具有低Ca/Bo值。張發(fā)強(qiáng)等利用填裝玻璃微珠的玻璃管濕填法強(qiáng)親水模型，系統(tǒng)觀察了不同原始油柱高度和注入速率的染色煤油在飽含水孔隙介質(zhì)中的運(yùn)移過程，討論了石油二次運(yùn)移路徑的模式及其條件（見圖2b）。

圖2 二次運(yùn)移模式［20,22］

3.3 油氣運(yùn)移動力與成藏機(jī)制

Munn研究了流動水對石油在地層中分布的影響，提出了石油運(yùn)移的水力說［11］；Hubbert研究了水動水條件對于油、氣、水界面分布的控制影響［14］；Hill研究了石油浮力作用下的成藏過程［15］；Tomas等開展了背斜圈閉條件下油氣運(yùn)移成藏模擬實(shí)驗(yàn)［16］。 張云峰［23］開展了烴源巖之下巖性油藏成藏二維模擬實(shí)驗(yàn)，并提出這種油藏的形成需滿足2個必要的地質(zhì)條件，即烴源巖層的超壓和連通烴源巖層與下伏砂體的斷層，足夠大的超壓為油氣向下運(yùn)移提供動力，而斷層則成為油氣向下運(yùn)移的通道。邱楠生、方家虎［24］研究了熱作為油運(yùn)移動力的二維物模實(shí)驗(yàn)。陶士振、曾濺輝研究了巖性、成巖、毛細(xì)管力3種不同圈閉成藏機(jī)理，提出壓差、滲透率級差控制巖性圈閉成藏，物性、充注壓力共同作用控制毛細(xì)管壓力圈閉的成藏 （據(jù)2009中國石油大學(xué)（北京）物理模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)部報告）。 陳冬霞、龐雄奇［25］進(jìn)行了核磁共振二維油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)，觀測了巖性圈閉中油的聚集成藏過程并定量模擬了不同條件下砂體中的含油性。

為了深入研究和探索致密油運(yùn)聚機(jī)制，筆者與西北大學(xué)孫衛(wèi)教授合作，設(shè)計由載玻片與蓋玻片夾持的巖石薄片模型，加入帶刻度引槽，優(yōu)化注入系統(tǒng)的原油注入速度，并利用顯微鏡，實(shí)現(xiàn)微觀尺度的原油注入實(shí)驗(yàn)觀測。

具體實(shí)驗(yàn)流程由抽真空系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、顯微鏡觀察系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)4個部分組成（見圖3）。

1）抽真空系統(tǒng)。利用抽真空壓力泵對模型抽真空，降低氣體原因造成的實(shí)驗(yàn)誤差。

2）加壓系統(tǒng)。采用氮?dú)馄考訅?，?shù)字壓力儀測壓。

3）顯微觀察系統(tǒng)。以尼康體視顯微鏡為主，配有數(shù)碼照相，可隨時觀察各種現(xiàn)象并同時照相或錄相。

4）圖像采集系統(tǒng)。配有高分辨率的照相機(jī)和攝像頭，可以將視頻信號從攝像頭中采集到計算機(jī)上。

圖3 二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)流程

油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)過程中，油首先沿模型中連通較好的大孔隙向前推進(jìn)，隨著油驅(qū)水壓力（p）的不斷提高，模型中含油面積不斷擴(kuò)大，直至出口端只出油不出水，最終確定該模型的含油飽和度（見圖4、圖5）。從實(shí)驗(yàn)觀察可發(fā)現(xiàn)，致密油成藏過程主要表現(xiàn)為以下3個階段：

1）當(dāng)油流經(jīng)連通較好的大孔隙和微裂縫時，便很快在此形成通道，連續(xù)相的油繞過小孔隙，使連通較好的油流滲流通道周圍小孔隙中的水殘留下來，形成較大面積的殘余水，即在模型中油的分布是不均勻的（見圖 4a，4b）。

2）在油驅(qū)水過程中，當(dāng)孔隙中連續(xù)的油相通過喉道時，常發(fā)生卡斷現(xiàn)象，斷下的油滴可在孔隙中重新聚合，并在通過下一個喉道進(jìn)入孔隙時，可能再次發(fā)生卡斷，最終卡斷的油滴將聚集在大孔道孔中央，孔喉比越大，卡斷的頻率越高（見圖4c）。

圖4 二次運(yùn)移可視化成藏過程局部照片（×60）

圖5 模型成藏全過程

3）隨著驅(qū)替壓力逐漸增大，油驅(qū)水通道不斷增多，油從大孔隙逐漸進(jìn)入小孔隙，由單一的滲流通道逐漸形成網(wǎng)狀或連片狀，使其中的水不斷被排出。但在部分孔隙盲端或角隅、顆粒邊緣夾縫和礦物破裂解理縫中的水，由于毛細(xì)管力和巖石表面物理性質(zhì)（潤濕性、界面張力）的作用，仍被殘留下來形成殘余水。由此可以看出，孔隙越均勻、孔喉比越小的模型，含油飽和度越高（見圖 5）。

4 發(fā)展趨勢

經(jīng)過100余年的發(fā)展，從最經(jīng)典最常用的一維玻璃管模型到復(fù)雜的三維物理模擬，從簡單的常溫常壓模型到高溫高壓模型，從最初粗粒的玻璃珠散樣樣品到不同目數(shù)的散樣樣品與實(shí)際巖心樣品，油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)逐漸走向成熟。對油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)未來的發(fā)展趨勢，本文認(rèn)為有以下方面。

4.1 物理建模技術(shù)

1）建立更加符合地質(zhì)條件的物理模型。物理模型的建立離不開地質(zhì)模型，而地質(zhì)模型需要依靠最新地質(zhì)地震資料進(jìn)行典型剖面與系統(tǒng)盆地分析來獲取。因此，通過提高地質(zhì)地震資料質(zhì)量，獲取更符合實(shí)際地質(zhì)條件的地質(zhì)模型，從而建立相應(yīng)的物理模型，是未來成藏物理模擬實(shí)驗(yàn)物理建模的發(fā)展趨勢。

2）點(diǎn)模型—線模型—剖面模型—體模型。最早的一維玻璃管模型屬于點(diǎn)模型，即選取了研究區(qū)域研究層位的某一個典型巖石，以其為參考標(biāo)準(zhǔn)，模擬相應(yīng)孔滲條件下的油氣運(yùn)聚情況。把不同深度的樣品作為一個系列模擬研究，之后研究不同井位、不同區(qū)域的樣品，就是“點(diǎn)模型—線模型—剖面模型—體模型”的發(fā)展趨勢。

3）與數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合，定量研究。物理模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)是分不開的。隨著計算機(jī)、數(shù)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將物理模擬與數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合，使用大量必須參數(shù)進(jìn)行定量研究，是未來成藏物理模擬實(shí)驗(yàn)物理建模的發(fā)展趨勢。

4.2 模型相似性標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

1）材料向接近實(shí)際地層、實(shí)際條件、多樣化發(fā)展。目前國內(nèi)外使用的物理模擬實(shí)驗(yàn)地層模擬樣品主要有實(shí)際巖心、人工巖心、玻璃珠等散樣。盡管實(shí)際巖心是相似性最好的材料，但是由于對于盛裝實(shí)驗(yàn)儀器要求有限制，同時不同地區(qū)儲層物性差異性較大，無法作標(biāo)準(zhǔn)比對研究；因此，可以通過制取人工巖心柱塞樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。散樣由于易獲取、易撐裝、易觀察，可以通過加壓降低孔滲性，目前得到廣泛應(yīng)用（見表2）。

表2 物理模擬樣品特性對比

2）邊界條件：邊界條件對于模型的約束具有很重要的意義。多參數(shù)定量標(biāo)定、更接近實(shí)際地層條件是未來的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)論

1）油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是可視定量地研究油氣運(yùn)移成藏的重要手段。按照實(shí)驗(yàn)裝置可將其劃分為一維玻璃管油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)、二維可視油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)、三維油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)3種類型。

2）一維玻璃管油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)易裝填操作，應(yīng)用最早最廣，主要應(yīng)用于油氣運(yùn)移條件、機(jī)理與路徑與模式的研究；二維可視油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要應(yīng)用于模擬油氣分布差異性控制因素；三維油氣運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可精細(xì)表征油氣運(yùn)移成藏過程。

3）油氣二次運(yùn)移可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢包括：建立更加符合地質(zhì)條件的物理模型、單維度模型到多維度模型、結(jié)合數(shù)學(xué)模擬建模等物理建模技術(shù)；樣品向接近實(shí)際地層條件、多樣化發(fā)展；邊界條件向多參數(shù)定量標(biāo)定、更接近實(shí)際地層條件發(fā)展。

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