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油气运移动力学及动力耦合作用机制研究

李行船  
【摘要】: 油气运移是石油地质学研究的一个重要领域,从“系统”的角度来看,它们都是“成油体系”研究、“含油气系统”或“成藏动力学系统”研究内容的一个主要组成部分。多年来,描述油气运聚成藏特征的油气运移理论主要是在经典达西渗流定律基础上建立、发展起来的。现在看来,需要引入新技术、新方法来丰富、修正当前的油气运移理论,以对目前油气运移研究中遇到的诸如构造活动相对平稳期油气输运机制等问题给出更令人满意的解答。在中国东部特别是华北各断陷盆地内,主生烃高峰正值构造活动相对平稳期,这个问题表现得尤为突出。 基于此,论文选择“系统”研究程度较高的胜利油田东营凹陷作为重点研究区,从非达西渗流理论着手,深入剖析油气运移过程中的阻力和动力耦合作用机制及该机制作用下油气的运聚成藏特征。鉴于所研究的问题的复杂性和现有理论的不完善性,本文结合现场试验和数值模拟两方面的工作来开展研究。通过研究,取得了一些重要成果和认识,丰富、完善了当前的油气运移理论。 一、分析了油气运移动力学研究进展 多年来,石油地质学研究中一直以经典达西渗流理论为基础进行油气运移规律研究,在假定地层亲水的前提下着重强调毛管封闭机制。目前,建立在经典达西渗流规律基础上的油气运移理论很难对油气运移研究中遇到的一些问题作出令人满意的解答,如厚度在油气封闭中的作用、构造活动平稳背景下生、排烃期的油气运移规律研究等。 (一)油气运移的阻力及作用机制研究方面存在的问题 1.目前对盖层和断层对烃类运移的封闭作用研究,亦即对油气运移产生的阻力作用研究认为,油气要开始渗流,必须克服水湿性烃源岩、盖层及断层带的毛管阻力,是普遍存在的阻力作用机制。但根据油层物理学,岩层内的活性物质可能改变地层的润湿性,在富含有机质的泥页岩类或大厚度的泥岩内部,伴随着生烃作用的不断进行,极有可能发生润湿反转现象,如果变为亲油,这时毛管力反而成了动力;假定流体运移符合达西渗流特征,此时对于常压盖层,其封闭流体运移的能力只能靠地层的孔渗条件及流体粘度合成的粘滞阻力来封堵油气,就难以对低粘度的油气产生封堵。如此看来,将毛管力作为油气运移普遍存在的阻力作用机制难以满足理论的自洽性。 2.目前关于厚度对封闭性能的影响研究,主要限于能否保持连续性、能否保证涂抹质量、是否易于产生异常流体和生烃作用实现浓度封闭方面,是否还有别的影响机制在起重要作用尚需进一步探讨。 3.地下渗流力学理论已证实,流体在低渗透多孔介质中的渗流遵循非达西渗流特征,存在启动压力梯度,因此需要在非达西渗流基础上重新评价地下流体的渗流阻力。 (二)油气运移的动力及作用机制研究方面存在的问题 1.在地应力与油气运聚关系研究方面,亟需与油田开发中发展较为成熟的流固耦合理论相结合开展深入研究。 2.在微裂隙排烃机制研究中,对微裂隙的张开机制方面意见不尽一致,有必要深入进行导烃微裂隙大量活动时的流体压力标定;此外,目前的研究基本都局限于实验室或理论方面,尚需进行矿场规模的试验验证。 3.在构造活动平稳期油气垂向运移问题上,目前的研究认为主要是地震作用引起的“地震触发高压致裂”及“深部流体注入连锁水力压裂”模式,其依据主要是含油气盆地内部或周边地震发生前后油气井产量的变化,尚需深入开展“水压致裂”成藏定量化研究,探讨水压致裂成藏规律。 4.在用岩石剪切破裂准则对断裂输烃机制进行动力学探讨时,有必要加强3D破裂准则下地层破坏对断层输导能力改善作用研究。 5.目前在进行扩容破裂引起断层带输导性能改善方面的研究时,认为断裂活动是扩容破裂的前提,有必要加强构造活动平稳期断层带或地层的扩容破裂在油气运移中的作用研究。 二、从非达西渗流理论着手进行了油气运移阻力综合对比研究 论文中将流体在低渗透、超低低渗透多孔介质中非达西渗流理论引入油气运移机制研究中,将非达西渗流中与启动压力梯度有关的强吸附阻力纳入油气运移的阻力系统。 1.研究中以东营凹陷三套区域盖层的物性资料,按平均厚度100m的运移距离计算,对油气所受到的各种阻力进行对比分析,发现即使在假定地层亲水——毛管力为阻力的情况下,三套区域盖层由非达西渗流产生的吸附阻力分别为195MPa、307MPa、12200MPa,远大于毛管阻力及上部异常流体压力带的附加压力损耗。 2.认为油气在低渗透、超低渗透多孔介质岩石中运移时,高启动压力梯度产生的强大吸附阻力,是油气运移过程中的普遍存在的主要阻力作用机制。 3.吸附阻力的大小与所需运移路径的长短成正比,体现在盖层的封闭性上,可得出盖层的封闭能力与厚度成正比。 三、实施了地层增压条件下诱发微破裂活动矿场试验 在论文研究工作中,鉴于微裂隙排烃机制局限于室内实验及理论研究的现状,开展地层增压条件下诱发微破裂活动矿场监测试验以验证微裂隙排烃机制。论文研究中选取东营凹陷所属的青南次级凹陷作为模拟试验场区进行微裂隙排烃矿场模拟试验。旨在通过向试验层段注水来模拟烃源岩的生烃增压过程;通过对注水过程中的微破活动监测来模拟考察烃源岩生烃增压阶段微裂隙排烃机制。在为期6个月的注水诱发微破裂活动监测试验中,在模型范围内,总共检测到有效震动信号5090条,定位了274个事件,并取得了一些重要认识: 1.本次的矿场注水试验证实了地层内流体增压引发的微破裂活动将会使地层的渗透性能明显改善。 2.通过本次的矿场试验,在较低的增压率下监测到了微破裂活动:在对沙三中、沙三上底部及顶部地层注水时井底最大增压率分别为53%、54%、21%,在能够定位的274个事件中,有132个发生在沙三上顶部地层注水阶段,占全部定位事件的48%,而此时仅对应着21%的增压率,证实了由尖端效应导致的微裂隙微破裂活动对油气运移的促进作用。 四、建立了动力耦合作用下油气运移数值模拟模型 基于地应力与油气运移关系研究中亟需与油田开发中已发展较为成熟的流固耦合理论相结合现状,对目前的研究成果进行归综,提出动力耦合作用下油气运移数值模拟方法。 五、探讨了水压致裂机制作用下油气运移规律 应用水力压裂软件考察了水压致裂机制作用下油气运聚成藏特征;结合地层流体增压诱发微破裂活动监测试验中在较低的地层流体增压率下即可发生大量微破裂活动的实事,认为对东营凹陷来说,其构造活动平稳期的油气运移应该有其它重要的运移机制。 六、开展了东营凹陷构造活动平稳期油气运移规律研究 应用提出的动力耦合作用下的数值模拟技术对东营凹陷进行平面及部面数值模拟研究,并探讨了扩容破碎带排烃机制下油气运移的油气运聚成藏特征,研究成果概述如下: 1.模拟结果表明,对应于主排烃期的馆陶晚期—明化镇期—至今,尽管从总体上说,盆地地层逐渐远离破坏状态,趋于更加稳定。但其内的主干断层及一些重要的次级断层特别是滨南—利津断裂带收敛端、中央断裂带东部、八面河断裂、通古5与陈—王断裂带交汇部位、陈—王断裂带的北东向转折端以及在惠民凹陷帚状断裂带的收敛端地层都处于失稳状态。 2.探讨了扩容破碎带排烃机制下油气运移的油气运聚成藏特征:认为在该机制作用下,失稳破碎带不存在像水力裂缝顺次扩展问题,当来自烃源岩的油气沿高渗破碎带向沿途各层充注时,对低渗透层段来说,其聚油成藏丰度要比水压致裂机制作用下的丰度低;失稳破碎带会较长时间保持高渗通道作用,非常有利于浅层油藏的形成;该机制作用对油气的聚集保存也存在负面作用。一方面,对于失稳破碎带内浅层油藏的上部活泥岩盖层来说,尽管在平稳的构造活动背景下没有明显的构造断裂活动,但其下部先期断裂带的失稳破坏,对油气的封闭能力必然受到影响,易使浅层原油脱气,气体散失而形成稠油油藏。另一方面,在现今仍处于或处于失稳破碎带内的含油气区块进行注采开发活动时易发生油田地质灾害。 3.结合胜利油田勘探开发实例对模拟中的这几条失稳破裂带进行考察,发现在这几个带附近的油区呈现出突出的特征,在一些油区易发生油田地质灾害、另外一些油区易形成浅部稠油油藏或着对应着极高的采收率。意味着扩容破碎带油气输运机制有可能是东营凹陷构造活动平稳期油气输运另一极为重要的机制。 七、进行了烃源岩生烃增压极限数值模拟研究 以青南凹陷作为主要研究区,模拟确定了地层流体增压情形下岩体普遍失稳时的流体压力界限。数值模拟结果显示出,对所考察的各纵向层段,不论其理深及岩性如何,当地层流体压力达到0.85倍的最小主压应力值时,地层普遍进入破坏状态,研究表明,对应0.85倍最小主压应力值的流体增压极限值可作为烃源岩成熟生烃增压极限。 八、提出了改进的油气运聚成藏模式 在对胜利油田油气渗流阻力综合分析、模拟烃源岩生烃增压过程之地层注水诱微破裂活动现场试验研究及主排烃期东营凹陷平面和剖面上的数值模拟成果基础上,提出了构造活动平稳期扩容破碎带油气输运机制下改进的油气运聚成藏模式。 九、取得的一些重要成果和认识 通过开展对油气运移动力学过程的深入研究,取得了一些重要成果及认识: 1.将非达西渗流中与启动压力梯度有关的强吸附阻力纳入油气运移的阻力系统分析中。研究表明,油气在低渗透、超低渗透多孔介质岩石中运移时,高启动压力梯度产生的强大吸附阻力,是油气运移过程中普遍存在的主要阻力作用机制;研究还表明厚度在油气封闭中起到了关键作用,是重要的封堵因素。 2.烃源岩生烃增压现场模拟试验及数值模拟研究表明:在较低的地层流体增压率即可引发微破裂活动使地层的渗透性能明显改善;而对应0.85倍的最小主压应力值的流体增压极限值可作为烃源岩成熟生烃增压极限。 3.通过对胜利油田主排烃期油气运移数值模拟结合油田勘探开发实例对东营凹陷油气运移规律的深入研究,表明扩容破碎带油气输运机制可能是东营凹陷构造活动平稳期油气输运极为重要的机制。


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