陆相断陷盆地岩性油气藏成藏过程物理模拟及机理初探

赵卫卫，査 明

（1.西安石油大学油气资源学院；2.中国石油大学（华东）地球资源与信息学院）

陆相断陷盆地岩性油气藏成藏过程物理模拟及机理初探

赵卫卫1，2，査 明2

（1.西安石油大学油气资源学院；2.中国石油大学（华东）地球资源与信息学院）

岩性油气藏是我国东部陆相断陷盆地油气储量增长的主体，但目前对其成藏过程和机理的认识还存在较大分歧。文中根据断陷盆地岩性油气藏成藏特征，针对性地建立了岩性圈闭模型，对其油气运聚成藏过程进行了物理模拟并深入研究了其成藏机理。结果表明：在不同条件下，岩性油气藏在成藏过程、成藏特征、成藏效率等方面均存在差异；幕式成藏具有成藏效率高、速度快的特征，油气源条件、充注方式、充注压力、断层断穿及砂体自身物性是岩性油气藏成藏的主要控制因素，其中是否有断层断穿的运移通道是岩性油气藏成藏的关键。该研究结果对于断裂发育的陆相断陷盆地岩性油气藏成藏机理的研究具有重要意义。

物理模拟；岩性油气藏；含油饱和度；充注方式；陆相断陷盆地

0 引言

近年来，随着中国陆上油气勘探总体从构造油气藏向岩性-地层油气藏的转变，岩性-地层大油气田目前已进入发现高峰期［1-2］，相继在松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、准噶尔盆地和塔里木盆地等发现了多个亿吨级以上的大型岩性-地层油气田［3-5］，展示出了较大的勘探潜力。目前岩性-地层油气藏已经成为中国陆上最重要的勘探领域和储量增长的主体，截至2010年底，中国石油天然气股份有限公司岩性-地层油气藏探明储量占总探明储量的75%［6］，其中岩性油气藏将是今后该勘探领域的重中之重。岩性油气藏不仅是东部断陷盆地勘探程度较高地区的主要勘探对象，也是新探区内极具潜力的勘探目标。济阳坳陷是东部典型的陆相断陷富油气盆地，自1996年以来，岩性油气藏在探明储量中的比例逐步增大，平均达到52%［7］，已成为济阳坳陷油气增储上产的重要目标。由于岩性油气藏成藏机理和分布规律复杂，导致其勘探难度大、技术要求高，因此，在系统总结其形成、分布规律和成藏特征的基础上，加强对其成藏过程、成藏机理及分布规律的研究，将对陆相断陷盆地的油气勘探具有重要的理论意义和实践意义。

20世纪80年代以来，许多学者一直重视油气成藏过程及其物理模拟的实验研究［8-24］，物理模拟实验已成为研究油气成藏过程和成藏机理的重要手段。但目前关于岩性油气藏成藏的物理模拟实验研究主要集中在砂岩透镜体油气藏的成藏过程和成藏动力学机制问题，对于岩性油气藏中油气聚集机理、运聚条件等与油气成藏的关系涉及较少，特别是断层发育的断陷盆地砂岩透镜体和构造-岩性油气藏的含油气性差别较大，导致对岩性油气藏的形成过程和机理认识不清，在不同类型岩性油气藏的控制因素及聚集分布特点方面缺乏系统分析和认识。为此，笔者主要从济阳坳陷岩性油气藏勘探实践出发，采用物理模拟实验的方法研究了砂岩透镜体（也称砂体）油气藏与构造-岩性油气藏的油气运聚过程，探讨了二者的成藏过程及控制因素，以对后期岩性油气藏的勘探有所启发。

1 实验模型与方法

济阳坳陷属于典型陆相断陷含油气盆地，断层附近或翼部已发现大量下生上储式岩性油气藏，这些岩性圈闭均发现有断层（裂）或微裂缝断穿的砂体。断层作为油气运移通道，可沟通油源且含油饱和度较高，如东营凹陷牛庄油田、胜坨油田。因此，笔者有针对性地设计了静水条件下砂岩透镜体与有断层沟通或断穿的砂岩透镜体的成藏模型并进行物理模拟实验对比（图1），来探讨岩性砂体在断层沟通或断穿条件下的油气充注模式、成藏过程和机理。

图1 实验设计地质模型示意图Fig.1 Sketch map showing experimental geological model

实验模型及设计：①研究在静水、相同充注条件下油气运聚过程的控制因素。在同一圈闭模拟器内设计了孤立的砂岩透镜体A及被断层切割的砂岩透镜体B（图1）模型。②研究在静水条件下不同充注方式对烃源岩之上砂岩透镜体及构造-岩性油气藏中油气聚集过程的影响（P为石油进出口，可以根据实验需要选择合适的注油口和出油口）。设计了2种充注方式：一种为单次连续注入方式，即单一油相在某一注油速率下连续充注；另一种为多期幕式注入方式，即单一油相在某一注油速率下有间断地多次充注。③研究断层位置对构造-岩性油气藏的控制作用，设计了砂体与断层不同的相对位置。④为了定量描述砂体内含油饱和度随时间变化的情况，在砂层内安装46个电极，可测出电极点含油饱和度变化。

本次实验应用中国石油大学（华东）油气成藏机理实验室自行研制的油气成藏机理模拟实验二维装置，模型前面为透明玻璃板，可以直接观察到油气的充注及含油饱和度的变化情况。物理模拟实验中饱和度测定采用电阻电极测量，使用双压模技术和耐氧化、耐腐蚀的材料研制出了能够测量油藏物理模拟中动态饱和度变化的微型探针；应用微型探针测量出了不同实验的三维模型饱和油、水驱油过程中不同位置的饱和度变化，实验用砂为不同粒度的纯白色石英砂。石英砂亲水性强，润湿角近于0°。运载层内的石英砂用NaCl盐水（密度为 1.05 g/cm3，浓度为 8.0×10-4mg/L）进行饱和，实验用油为中性煤油（密度为0.75 g/cm3，25℃时的黏度约为42 mPa·s），为便于观察，用油红将煤油染成红色。砂岩透镜体、断层和围岩的孔隙度相差不大，为32%～35%，砂岩透镜体A，B粒度为0.25～0.3 mm，渗透率为 7800 mD；断层C粒度较粗，为0.7～0.8 mm，渗透率为41600 mD，为优势输导层；围岩粒度为0.05～0.1 mm，渗透率为416 mD。

2 实验过程及现象

2.1 单次连续充注时油聚集成藏过程

以0.5 mL/min的恒流速度向模型注油，注油至2 h进口处见油显示，距离注油口较近的断层C底部也有油进入［图2（a）］。随着注油量增加，在注油压力作用下，油继续向上运聚。至3 h注油口扇形注油前锋面积增大，油主要沿断层C向上运移，部分进入砂岩透镜体B中并在其上部聚集，砂岩透镜体A底部也有少量油进入［图2（b）］。继续注油至6 h，油通过孔隙大量进入砂岩透镜体A中并在浮力作用下聚集在其上部，砂岩透镜体B中含油面积变化不大，断层C顶部油大量聚集［图2（c）］。至10 h砂岩透镜体A含油面积增大，占砂体面积的1/3，砂岩透镜体B中靠近断层C处油大量聚集，说明油主要通过断层C向上运移且在其顶部与模型边界处聚集。至15 h砂岩透镜体A含油面积从上向下逐渐扩大，占砂体面积的3/4，砂岩透镜体B含油面积略有增大，断层C由于孔隙度、渗透率相对较高可作为优势运移通道，大量油在其顶部聚集［图2（d）］。至23 h砂岩透镜体A被油完全充满，砂岩透镜体B含油面积变化不大，断层C顶部裂隙处充满油［图2（e）］。至29 h被充满油的砂岩透镜体A颜色变深，说明其含油饱和度增大，砂岩透镜体B含油面积增大，占砂体面积的3/4，断层C上部有大量油聚集［图 2（f）］，此时实验基本稳定①赵卫卫.济阳坳陷岩性油气藏成藏机理与物理模拟研究.中国石油大学（华东），2007.。

2.2 多期次幕式充注时油聚集成藏过程

以0.5 mL/min的恒流速度从模型下注油口向模型注油，注油至1 h注油口有油显示。随着注油量增加，注油前锋呈扇形由注油口附近向致密砂岩中运移，少量油进入距离注油口较近的砂岩透镜体A，而距离注油口较远的断层C没有油进入［图3（a）］。至4 h，在注油压力、毛细管力和浮力的共同作用下，油大量进入砂岩透镜体A内，在浮力的驱动下，油在其内部向上运移［图3（b）］。至7 h油几乎充满整个砂岩透镜体A，注油前锋范围不断扩大，油开始进入断层C［图3（c）］。至12 h停止充注，静置9 h后观察油的运聚，由于实验过程中操作不当，圈闭模拟器的可视玻璃发生破裂，重新更换玻璃后继续注油，此时发现油沿断层C向上运移，注油口含油范围扩大［图 3（d）］。 第2次充注至 3 h，油沿断层C向上运移贯穿砂岩透镜体B，砂岩透镜体A含油面积不变。第2次充注至7 h，砂岩透镜体B颜色加深，说明其含油饱和度增大，砂岩透镜体A变化不大，基本达到稳定，包裹砂岩透镜体A的低渗透砂层含油面积增大。继续充注，砂岩透镜体B含油面积不断增大，第2次充注至12 h时，含油面积占其3/4，颜色不断加深，砂岩透镜体A含油面积及饱和度变化不大［图3（e）］。第2次充注至14 h后停止充注，静置10 h后观察砂岩透镜体B及断层C，发现整体均含油且颜色深红，此时实验基本稳定［图 3（f）］①赵卫卫.济阳坳陷岩性油气藏成藏机理与物理模拟研究.中国石油大学（华东），2007.。

图3 油相幕式充注时断层对岩性油气藏油气运聚成藏的影响实验过程示意图Fig.3 Sketch map showing petroleum migration and accumulation under episodic charging

3 实验结果及讨论

3.1 断层及其相对位置对岩性油气藏成藏的影响

静水条件下且油相连续充注时，油在注油压力和浮力的作用下先进入物性（孔隙度和渗透率）条件好的砂体，断层C的物性明显好于两侧岩性圈闭的物性，因此，断层C成为油垂向运移的优势通道。油首先沿距离油源较近的断层C向上运移，并在上倾方向有利的岩性圈闭（B和C顶部）中聚集［图2（b）］。随着注油量和注油压力的增加，油继续通过断层C向砂岩透镜体B及断层C上部运移，同时距离油源较近的砂岩透镜体A也逐渐有油注入［图2（c）］。为了能定量描述油在模型中的运移过程，选取连续充注时代表砂岩透镜体A的D17、断层C的D27及砂岩透镜体B的D34来分析三者含油饱和度随时间的变化关系（图4）。油开始进入模型后，沿连通孔隙向前运移，遇到高孔渗的断层C便沿其向上运移，断层C也先有油显示，至3 h含油饱和度为3%，其上倾方向与砂岩透镜体B接触，部分油横向运移进入砂岩透镜体B并在其上部和模型边界处聚集，测点含油饱和度变化不明显，至14 h断层C含油饱和度增长到80%以上。进入砂岩透镜体A的油在浮力作用下向上运移，遇遮挡后聚集成藏，至6 h含油饱和度迅速增大，至12 h含油饱和度达到90%以上。砂岩透镜体B与断层C接触，油沿断层C向上运移至砂岩透镜体B后，部分油遇到遮挡在此聚集成藏，含油饱和度变化缓慢，至18 h增长到80%以上。整个实验过程中，注油口压力变化较大，反映出油运移过程中压力变化具有脉冲式特征（图5）。模型中断层C为畅通高孔渗带（优势运移通道），油注入后首先沿断层C垂向运移，在其顶部与模型接触带聚集成藏，断层C中段测点含油饱和度较高，平均为51.5%；砂岩透镜体B中油聚集较少，其与断层C具有孔渗级差，所以油进入较少，测点含油饱和度较低，平均为41.07%；砂岩透镜体A为保存条件最好的一个岩性圈闭，距离注油口近，含油饱和度最高，平均为70.54%。

图4 油相单次连续充注时砂体含油饱和度随时间变化图Fig.4 Oil saturation change with time under continuous charging

图5 油相单次连续充注时注油口压力与时间关系图Fig.5 Relationship between injection pressure and time under continuous charging

静水条件下且油相幕式充注时，断层C距离注油口较远，砂岩透镜体A与注油口距离小于断层C与注油口距离，砂岩透镜体B被断层C切割成两部分。分别选取断层C断穿砂岩透镜体B上、下部D27和D38进行断层C上、下盘含油饱和度变化对比（图6）。实验进行到34 h时，D27含油饱和度开始上升，41 h时该电极含油饱和度达95%以上。实验进行到52 h时，D38含油饱和度开始上升，至60 h时含油饱和度达最大，为76.3%，实验结束时的含油饱和度为74.7%。在断层C连通有效源岩的条件下，油气具有近源性成藏特点，其优先充注断层C上盘砂体，所以断层C上盘砂体的含油饱和度大于其下盘砂体的含油饱和度。同时，幕式充注成藏时的砂体含油饱和度普遍高于连续充注成藏时的砂体含油饱和度。

图6 油相幕式充注时砂体含油饱和度随时间变化图Fig.6 Oil saturation change with time under episodic charging

3.2 不同充注方式对油气成藏的影响

静水条件下且油相幕式充注时，油进入低渗透砂层并呈扇形向上垂向运移，首先进入距离注油口较近的砂岩透镜体A，随着注油量和注油压力的增大，在浮力作用下逐渐充满砂岩透镜体A。之后，油开始沿低渗透砂层或其与模型的边界进行横向运移，遇到开启性断层C快速向上运移，即在油源条件相同时，距离油源近的砂体优先聚集成藏。停止充注后，断层C中的油在浮力作用下缓慢向上运移，第2次充注至7 h时，油运移到断层C顶部，遇到顶部封闭带后聚集成藏，断层C含油饱和度和含油面积不断增大。同时，随着注油面积的不断扩大，油开始在砂岩透镜体B中聚集，至第2次充注结束时充满整个砂岩透镜体B，其颜色变成深红，说明含油饱和度高。

油相幕式充注过程中，注油口压力变化也较大，但变化幅度较小。选取代表砂岩透镜体A的D6及砂岩透镜体B的D27来分析砂岩透镜体含油饱和度随时间变化关系（两电极点处在相同高度）。模型中油先充满距离注油口较近的砂岩透镜体A，但其颜色较浅，说明其含油饱和度较小，测点平均为44.82%。被断层C断穿的砂岩透镜体B后期油充注较多，含油面积大且颜色深，说明含油饱和度较高，测点平均为66.01%。因此，油相幕式充注过程中，有断层断穿的岩性圈闭的含油饱和度比无断层断穿的岩性圈闭的含油饱和度高，并且成藏效率更高、速度更快，而油相连续充注时则相反。

3.3 围岩含油气性对油气充满度的影响

围岩含油气性是影响砂体含油气性的重要因素。围岩中的油向岩性圈闭中运聚时向上、向下及向侧向都有运移，开始时油的进入量少，砂体含油饱和度很低，随着油的不断充注，围岩含油饱和度逐渐增加，进入砂体的油量也不断增大，砂体含油饱和度也逐渐增加，即围岩含油性越好，砂体的含油性也越好（图 2、图 3）。

当油源充足、封闭条件好时，断层上盘砂体也能具有较高的含油饱和度。以单次连续充注方式下砂岩透镜体B内D34及断层C内D27的含油饱和度随时间变化为例说明（图4）。油气最初以断层C为运移通道向上运移并在砂岩透镜体B中聚集油气；实验进行到7 h时，D34含油饱和度开始增加但速度非常缓慢，含油饱和度较低，仅为30%，此时断层C内D27含油饱和度无变化。随油气注入量增大（油源充足条件下），断层C不仅仅充当油气运移通道，同时也是油气聚集的场所。实验进行到14 h时，断层C内D27含油饱和度迅速增加至85%，油气开始大量向砂岩透镜体B中运移，注油18 h时D34含油饱和度快速上升到80.4%。

4 结论

2组不同充注方式下的岩性油气藏物理模拟实验表明，不同条件下油气成藏过程、成藏特征、成藏效率均存在差异。

（1）在相同油源条件下，距离油源近的砂体优先聚集成藏；在相同压力条件下，相同物性的储集砂体含油饱和度要达到相同饱和度值所花费时间与围岩饱和度值成反比，即围岩饱和度越高（生烃强度越大），供烃能力越强，越有利于砂体成藏。

（2）断层沟通砂体物理模拟实验中，开启性断层是油气运移的优势通道，油气可以沿断层快速垂向运移，油源充足的条件下，有断层沟通油源且远离油源的储集砂体也能形成高含油饱和度的岩性油气藏。

（3）注油方式、输导条件及围岩条件均影响岩性圈闭的油气成藏。在注油量一定的条件下，幕式充注时储集砂体含油饱和度高于连续充注，即幕式成藏具有成藏效率高、速度快的特征，并且不同的充注压力下，压力越大，油运移速率越大，垂向运移越远，越有利于砂体成藏。

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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

国家自然科学基金项目“鄂尔多斯盆地延长组连续型岩性油藏成藏机理与地质特征”（编号：41102083）和西安石油大学博士启动基金“东营凹陷岩性油气藏成藏机理及物理模拟研究”（编号：Z08006）联合资助。

赵卫卫，1976年生，男，博士，讲师，主要从事油气成藏地质学方面的科研与教学工作。地址：（710065）陕西省西安市电子二路东段18号西安石油大学油气资源学院。电话：（029）88382786。E-mail：zhaowei3028@163.com

1673-8926（2011）06-0037-07

涂晓燕）