吳　平（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015）

斷塊砂巖油藏動(dòng)態(tài)成藏過程模擬實(shí)驗(yàn)

吳平
（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015）

為研究油藏動(dòng)態(tài)成藏規(guī)律，開展了原油動(dòng)態(tài)成藏過程中儲(chǔ)集層油水滲流能力差異、動(dòng)力條件對(duì)原油富集程度影響的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油、水滲流能力在砂巖中存在顯著差異，油的滲流能力低于水的滲流能力，造成油在巖心中積累，從而造成滲透介質(zhì)內(nèi)油的動(dòng)態(tài)富集；原油的富集程度還受充注動(dòng)力條件控制，充注動(dòng)力越強(qiáng)，原油越容易富集，富集程度越高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，適當(dāng)開啟的正斷層遮擋油藏符合油藏動(dòng)態(tài)成藏模式，應(yīng)用動(dòng)態(tài)模型可以比較合理地解釋斷層遮擋的有效性、斷塊油藏復(fù)雜原油物性分布、斷層遮擋油藏成藏與盆地成烴背景的宏觀關(guān)系等。

斷塊；砂巖油藏；動(dòng)態(tài)成藏；油水滲流能力；充注動(dòng)力；斷層遮擋；模擬實(shí)驗(yàn)

油氣運(yùn)聚成藏是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)過程。盆地在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沉積充填和壓實(shí)的地質(zhì)進(jìn)程中，巖石所含流體（包括生烴階段排出的油氣）不斷被擠出，并沿壓力梯度降低方向通過輸導(dǎo)介質(zhì)運(yùn)移［1-7］。含烴流體在運(yùn)移過程中，被沿途的各類圈閉捕獲成藏。原油在二次運(yùn)移過程中的富集程度影響因素較多，包括油源、含烴流體特征、儲(chǔ)集、保存、動(dòng)力條件等因素［8-9］。本文嘗試?yán)糜退畠上嗔黧w滲流差異性以及動(dòng)力條件對(duì)原油富集影響程度進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬原油在儲(chǔ)集層中富集的動(dòng)態(tài)過程，進(jìn)而建立油藏成藏的動(dòng)態(tài)模型。

1　油水兩相滲流模擬實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

本次研究采用的油氣運(yùn)移聚集模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括ISCO泵（高精度計(jì)量泵）、油（水）中間容器、巖心夾持器、壓力控制系統(tǒng)、含油飽和度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油水計(jì)量系統(tǒng)等（圖1）。

圖1　油水兩相滲流模擬實(shí)驗(yàn)流程示意

實(shí)驗(yàn)所用巖心為長(zhǎng)石細(xì)砂巖，取自東營凹陷林30井，取心井段2 782.0—2 782.5 m，孔隙度為14.2%，滲透率為0.35 mD.油樣黏度4 mPa·s，密度為0.85 g/cm3.實(shí)驗(yàn)用水為普通蒸餾水。

將油和水同時(shí)通過ISCO泵恒流注入巖心，油水流速比為1∶2（注入流體含油體積分?jǐn)?shù)為33.3%），通過在線含油飽和度檢測(cè)系統(tǒng)觀察巖心含油飽和度變化，通過油水計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量油、水流出量，換算成排出流體含油體積分?jǐn)?shù)。觀察巖心內(nèi)和排出流體組成的變化特點(diǎn)。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，隨著流體注入時(shí)間增加，注入流體總量增加，巖心含油飽和度和巖心排出流體的含油體積分?jǐn)?shù)變化見圖2.

圖2　油水兩相通過巖心運(yùn)移過程中巖心含油飽和度變化

在初始階段，巖心平均含油飽和度逐漸升高，排出流體全部為水；當(dāng)巖心平均含油飽和度達(dá)到約20%時(shí)，排出流體中開始有油出現(xiàn)，但排出流體含油體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于注入流體中油的體積分?jǐn)?shù)。隨時(shí)間和注入流體量的增加，巖心平均含油飽和度和排出流體含油體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。當(dāng)巖心平均含油飽和度達(dá)到50%左右時(shí)，排出流體含油體積分?jǐn)?shù)與注入流體含油體積分?jǐn)?shù)一致，此時(shí)巖心含油飽和度不再變化，表明巖心中含油飽和度已經(jīng)達(dá)到最大值。

1.3油水滲流差異對(duì)原油富集的影響

充注的油水混相流體中的水在巖心中的運(yùn)動(dòng)主要遵循達(dá)西定律，即

盡管油水混相流體中油在巖心中的流動(dòng)受到達(dá)西定律約束，但首先要克服毛細(xì)管阻力，即

因此，油水混相流體在巖心中流動(dòng)時(shí)，水的滲流能力要大于油。當(dāng)巖心的孔喉半徑減小時(shí)，一般對(duì)應(yīng)著孔隙度下降，油水滲流能力差異會(huì)增加。

由于研究區(qū)油的滲流能力低于水的滲流能力［10］，造成油在巖心中積累，從而形成滲透介質(zhì)內(nèi)油的動(dòng)態(tài)富集。這種油的動(dòng)態(tài)富集完全由油和水的滲流能力差異所造成。

2　動(dòng)力條件對(duì)原油富集的控制作用模擬實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)巖心為細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，取自東營凹陷萊64井，取心井段3 348.0—3 348.5 m，孔隙度16.2%，滲透率22.43 mD.油樣黏度4 mPa·s，密度0.85 g/cm3.實(shí)驗(yàn)用水為普通蒸餾水。

首先使巖心飽含水，再用水將巖心系統(tǒng)加壓至設(shè)定充注壓力（10 MPa），關(guān)閉水注入系統(tǒng)閥門，調(diào)節(jié)巖心夾持器出口壓力至指定壓力，打開油注入系統(tǒng)閥門，保持10 MPa壓力，向巖心注入油，通過含油飽和度檢測(cè)系統(tǒng)記錄巖心含油飽和度變化。

本次同一樣品進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，出口壓力分別為2 MPa，5 MPa和9 MPa，即入口與出口壓力差分別為8 MPa，5 MPa和1 MPa，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用氯仿試劑清洗巖心樣品并烘干，以備下次實(shí)驗(yàn)使用。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

入口壓力穩(wěn)定在10 MPa，在不同出口壓力條件下，油可注入程度具有較大差異（圖3）。出口壓力越高，入口與出口壓力差越小，油的充注越慢，最大充注含油飽和度越低。出口壓力為2 MPa時(shí)，約12 000 min就可以達(dá)到最大充注程度，并且最大含油飽和度可以達(dá)到65%；出口壓力控制在5 MPa時(shí)，需要17 000 min才可以達(dá)到最大含油飽和度，最大含油飽和約為61%；而出口壓力控制在9 MPa時(shí)，雖然能夠較快達(dá)到最大含油飽和度（約10 000 min），但最大含油飽和度僅為10%左右，并且由此之后，盡管巖心注入口和出口具有1 MPa的壓力差，但基本觀察不到流體流出，即流體不能再注入。

圖3　注入壓力10 MPa時(shí)不同出口壓力下巖心含油飽和度變化

2.3動(dòng)力條件對(duì)原油富集的影響

當(dāng)油開始注入巖心時(shí)，首先必須克服流體微孔流動(dòng)阻力和由于孔隙內(nèi)油水界面張力，也就是注入油需要的最小啟動(dòng)壓力差（入口與出口壓力差），最小啟動(dòng)壓力差的大小與油的黏度和巖心孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)［11-13］，儲(chǔ)集層孔隙直徑越小，對(duì)應(yīng)的最小啟動(dòng)壓力差越大，實(shí)際數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。實(shí)驗(yàn)表明，入口與出口壓力差大，油可以被注入儲(chǔ)集層更多的較小孔隙中，注油穩(wěn)定后，巖心含油飽和度也就更高，達(dá)到注油穩(wěn)定的時(shí)間也較短；反之，油只能注入少量大的孔隙，穩(wěn)定后含油飽和度也不高。雖然實(shí)際油氣充注過程地質(zhì)時(shí)間比實(shí)驗(yàn)更加漫長(zhǎng)，儲(chǔ)集層油氣充注穩(wěn)定最大含油飽和度應(yīng)該更高，但那些入口與出口壓力差小于最小啟動(dòng)壓力差的孔隙始終無法獲得原油。

3　原油富集條件及油藏動(dòng)態(tài)富集

原油在二次運(yùn)移及成藏過程中，影響原油富集的因素較多，從上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看到原油在斷塊圈閉內(nèi)富集的2個(gè)基本條件:①油水流體有流經(jīng)斷塊圈閉內(nèi)儲(chǔ)集層條件，即油水流體受到足夠壓力作用流經(jīng)有一定孔滲的儲(chǔ)集層，并沿開啟斷層離開圈閉儲(chǔ)集層；②油和水在儲(chǔ)集層中滲流能力存在差異，在油藏成藏過程應(yīng)該考慮毛細(xì)管力及其他物理或化學(xué)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)油水流體入口與出口壓力差大于原油在儲(chǔ)集層內(nèi)部滲流的最小啟動(dòng)壓力差時(shí)，原油才可以開始滲流；最小啟動(dòng)壓力差越大，儲(chǔ)集層原油富集程度越高。

上述實(shí)驗(yàn)雖然是在實(shí)驗(yàn)室時(shí)間內(nèi)對(duì)含烴流體在儲(chǔ)集層中滲流過程的觀察，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果還是可以反映很多油藏的動(dòng)態(tài)富集機(jī)制。通常認(rèn)為，以油相運(yùn)移的含烴流體都飽含氣體［14］，流體受壓實(shí)擠壓及浮力作用，油相流體隨地層水向勢(shì)能低的淺層區(qū)運(yùn)移，地下原油發(fā)生脫氣效應(yīng)，原油中的輕質(zhì)組分不斷揮發(fā)，氣油比不斷減小。由于原油輕質(zhì)組分的揮發(fā)，原油黏度增高，在運(yùn)移通道中的流動(dòng)性也隨之下降。

圖4是基于實(shí)驗(yàn)觀察和相關(guān)理論建立的常見砂巖構(gòu)造-巖性油藏成藏模式圖。圖中油源斷層是油氣進(jìn)入成藏區(qū)儲(chǔ)集層的主要通道。受盆地壓實(shí)作用驅(qū)動(dòng)，盆地流體主要沿開啟斷層和地層在垂向和側(cè)向淺層運(yùn)移。如果斷層是非開啟性質(zhì)，由于不存在流體通道，含油流體無法流經(jīng)圈閉儲(chǔ)集層形成油藏。

圖4　原油動(dòng)態(tài)成藏模式

A儲(chǔ)集層和D儲(chǔ)集層不在含烴流體運(yùn)移通道上，即使圈閉臨近油源斷層也無法成藏。當(dāng)壓力差大于原油注入E儲(chǔ)集層和B儲(chǔ)集層要求的最小啟動(dòng)壓力差后，沿油源斷層而來的油氣分別進(jìn)入E儲(chǔ)集層和B儲(chǔ)集層。E儲(chǔ)集層和B儲(chǔ)集層是兩個(gè)斷層夾持的斷層遮擋圈閉儲(chǔ)集層。斷層面裂隙一般大于儲(chǔ)集層孔隙，原油進(jìn)入儲(chǔ)集層孔隙需要克服孔隙油水毛細(xì)管阻力和孔隙最小啟動(dòng)壓力差；由于油與地層水在儲(chǔ)集層中滲流能力的差異，原油在B儲(chǔ)集層和E儲(chǔ)集層中有富集趨勢(shì)，隨后沿遮擋斷層滲流并向淺層儲(chǔ)集層運(yùn)移或散失。受浮力作用，原油趨向儲(chǔ)集于儲(chǔ)集層頂端，形成動(dòng)態(tài)斷層遮擋油藏。但油藏達(dá)到一定的含油飽和度后，油藏注入與排出的原油基本平衡。由于原油中揮發(fā)的輕質(zhì)組分也很難保存，斷塊圈閉很難出現(xiàn)氣頂。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，斷層遮擋的油藏是一個(gè)動(dòng)態(tài)油藏，推測(cè)其儲(chǔ)集層含油特點(diǎn)與流體壓力梯度，儲(chǔ)集層孔滲性和油氣性質(zhì)等相關(guān)。如流體壓力梯度大，油水滲流速度差異大，原油富集度相對(duì)就高，含油飽和度也大，富集成藏時(shí)間也較短；儲(chǔ)集層孔滲性好，儲(chǔ)集層含油飽和度高，富集成藏時(shí)間相對(duì)較短；原油黏度較高，儲(chǔ)集層含油飽和度較低。

原油在斷層面處于散失區(qū)，原油埋深迅速上升，圍壓快速降低，原油因輕質(zhì)組分揮發(fā)較快而更容易形成稠油甚至瀝青遮擋條件，減弱斷面?zhèn)认蜷_啟性，形成斷面對(duì)油藏早期通道后期遮擋的條件變化。伴隨著盆地原油充注條件逐漸減弱甚至消失，那些原油物性好、缺少重質(zhì)組分的動(dòng)態(tài)油藏，會(huì)因?yàn)閿鄬诱趽鯒l件不足而很快散失。而對(duì)于在油藏動(dòng)態(tài)平衡期能形成稠油/瀝青遮擋或比較稠的油藏還可保存一段時(shí)間。這應(yīng)該是斷層圈閉勘探可以在渤海灣盆地順利展開，而在珠江口盆地［15］斷層圈閉勘探就顯得非常謹(jǐn)慎的重要原因。

在復(fù)雜的斷層遮擋油藏，由于各單油層的充注條件和過程不同，原油的物性也會(huì)出現(xiàn)較大的差異。實(shí)際勘探工作也普遍發(fā)現(xiàn)，在輕質(zhì)原油為主（烴源巖以Ⅲ型干酪根為主，原油缺少重質(zhì)組分）或油源相對(duì)不太充足的盆地中，斷層遮擋油藏勘探風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)明顯增高；從烴源巖排烴和成藏的時(shí)間關(guān)系看，斷塊油藏似乎與排烴高峰有更直接的關(guān)聯(lián)，即斷塊油藏勘探風(fēng)險(xiǎn)在烴源巖過成熟或低成熟盆地比處于排烴高峰的盆地更大。雖然目前還沒有關(guān)于油氣藏成藏速度的認(rèn)識(shí)，但本次實(shí)驗(yàn)條件下巖心的含油飽和度在十幾天就增加到實(shí)際油藏水平，表明油藏的形成所持續(xù)的時(shí)間可能不會(huì)非常漫長(zhǎng)。在斷塊油藏中，同一斷塊不同油層原油物性也常有較大的差別，很多現(xiàn)象是可以用斷層遮擋油藏的動(dòng)態(tài)性來解釋的。

含烴流體注入C儲(chǔ)集層成藏的過程與E儲(chǔ)集層和B儲(chǔ)集層相似，但由于原油沿?cái)鄬哟瓜蜻\(yùn)移時(shí)持續(xù)的脫氣效應(yīng)，C儲(chǔ)集層中的原油一般趨于變稠，因而油水滲流能力差異變大，更有利于原油的富集（圖4）。渤海灣盆地含油氣區(qū)淺層存在大量此種富集機(jī)制的原油較稠的斷塊油藏，油藏原油性質(zhì)隨埋藏深度變淺垂向上急劇變化。

隨著原油變稠，油水在儲(chǔ)集層中的滲流差異越發(fā)明顯，當(dāng)儲(chǔ)集層順層孔隙度發(fā)生明顯波動(dòng)時(shí)，還可能出現(xiàn)非構(gòu)造油藏，即低孔滲段通水阻油形成非構(gòu)造油藏。這種成藏機(jī)理的油氣藏在輕質(zhì)油氣為主的深層超低滲儲(chǔ)集層已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，這類油藏在淺層稠油勘探也應(yīng)該值得關(guān)注。

4　結(jié)論

油水兩相滲流能力差異對(duì)原油富集影響的模擬實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力條件對(duì)原油富集影響的模擬實(shí)驗(yàn)表明，東營凹陷油水滲流能力在砂巖中存在差異，即油的滲流能力低于水的滲流能力，造成油在巖心中積累，從而造成滲透介質(zhì)內(nèi)油的動(dòng)態(tài)富集；原油的富集程度與充注動(dòng)力有關(guān)（包括充注動(dòng)力和阻力），充注動(dòng)力越強(qiáng)，原油越容易富集，富集程度越高。

油水儲(chǔ)集層滲透差異及水動(dòng)力條件變化形成的油藏一般具有動(dòng)態(tài)成藏特征，認(rèn)識(shí)油藏成藏的動(dòng)態(tài)特征，可以幫助評(píng)價(jià)不同盆地地質(zhì)條件下斷層遮擋或地層不整合圈閉勘探的風(fēng)險(xiǎn)性，為指導(dǎo)勘探部署方向提供重要參考。

符號(hào)注釋

A——巖心橫截面積，cm2；

K——巖心中水的滲透率，mD；

L——巖心長(zhǎng)度，cm；

Δp——巖心兩端流體的壓力差，MPa；

pc——毛細(xì)管阻力，Pa；

Q——單位時(shí)間通過巖心的水量，cm3/s；

r——毛細(xì)管半徑，m；

μ——水的黏度，m Pa·s；

σ——油水界面張力，N/m；

θ——潤濕角，（°）。

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（編輯曹元婷）

Simulation Experiment Study on Dynamic Hydrocarbon Accumulation of Fault-Block Sandstone Reservoirs

WU Ping
（Research Institute of Exploration and Development，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying，Shandong 257015，China）

In order to study dynamic hydrocarbon accumulation in fault-block sandstone reservoirs，related simulation experiments are carried out on the differences of filtration capacities between oil and water and the impact of hydrodynamic conditions on oil enrichment during the dynamic oil accumulation.The result shows that significant difference exists in oil and water filtration capacities，oil filtration capacity is lower than that of water，which results in the oil accumulation in cores and then the dynamic oil enrichment in permeable media；oil enrichment is constrained by hydrodynamic conditions during hydrocarbon charging，and the stronger the hydrodynamic force is，the easier the oil enrichment will be，and the higher the enrichment degree will be，too.It is assumed that appropriate-open reservoirs sheltered by normal faults are in accordance with the dynamic reservoir accumulation patterns and the application of the dynamic model could macroscopically explain the relationships among the effectiveness of fault sheltering，complicated physical property distribution of fault block reservoirs，accumulation of fault-sheltered reservoirs and hydrocarbon generation setting in the basin and so on.

fault block；sandstone reservoir；sand reservoir；dynamic accumulation；oil-water filtration capacity；charging force；fault sheltering；simulation experiment

TE112.422

A

1001-3873（2016）03-0297-04

10.7657/XJPG20160309

2016-01-06

2016-03-29

國家973項(xiàng)目（2014CB239101）

吳平（1963-），男，甘肅酒泉人，工程師，石油地質(zhì)，（Tel）0546-8715322（E-mail）wuping509.slyt@sinopec.com