油气“倒灌”的物理模拟及其石油地质意义*

2014-06-01王永诗单亦先劳海港

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年2期

王永诗，单亦先，劳海港

1.中国石化胜利油田地质科学研究院，山东东营257015 2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛266580 3.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009

王永诗1，单亦先2，劳海港3

勘探实践证实，车镇凹陷存在油气“倒灌”运移成藏现象。物理模拟实验也证实，油气运移过程中，存在以断裂为运移通道和以骨架砂体为运移通道的两种油气“倒灌”类型。以断裂为运移通道的油气“倒灌”，断裂是油气“倒灌”的重要通道，而分子置换是油气“倒灌”的形成机制，其所形成的油气藏规模较小；以骨架砂体为运移通道的油气“倒灌”，压力差是控制油气向下运移的重要动力，油气“倒灌”所需的最大压力取决于与其相关的砂体物性，可形成规模可观的油气藏。油气“倒灌”的物理模拟为含油气盆地扩大深层油气勘探提供了理论支持。

油气“倒灌”；断裂；骨架砂体；分子置换；压力差

王永诗，单亦先，劳海港．油气“倒灌”的物理模拟及其石油地质意义[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（2）：45–50．

Wang Yongshi,Shan Yixian,Lao Haigang．Physical Simulation of Oil and Gas Backflow and Its Geological Significance[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（2）：45–50．

油气“倒灌”的理论来自于Pan C H关于“基岩油藏”的生储盖组合的描述中[1]，它不仅涉及生储盖组合的类型，同时也包含着油气运移的基本模式。关于油气“倒灌”存在颇多争议，一种观点是油气“倒灌”违背了物理学中的浮力作用[2-4]，因为油气在浮力作用下总是自下向上运移的，从而证实油气“倒灌”的理论是不存在的；另一种观点认为油气“倒灌”是存在的，地层存在的超高压或泄压区与憋压区之间的压力差为油气向下运移提供了动力[5-6]。国内关于油气“倒灌”的研究，主要集中在松辽盆地的三肇凹陷青山口组烃源岩“倒灌”至扶余油层和杨大城子油层，下排深度大于300 m[7]；四川盆地川东北地区由龙潭组烃源岩“倒灌”进入长兴组成藏[8]，其下灌距离约150～250 m；四川盆地的威远气田、鄂尔多斯盆地的靖边气田和西峰气田的成因也认为是油气“倒灌”的结果[9-14]。油气“倒灌”的形成过程可以分为两类，一类是将油气初次运移与二次运移合二为一，由烃源岩直接进入上方、下方的储集层中聚集成藏；另一类是油气在沿着储集层进行二次运移过程中发生了“倒灌”现象。关于油气“倒灌”的成藏机制有超压作用、流体的体积膨胀作用、泄压区与憋压区之间的压力作用等几种观点。基于油气在二次运移过程中发生的“倒灌”现象，笔者用物理模拟的方法再现其油气成藏的过程，探寻油气“倒灌”的内在成因。

1 实验模型与方法

实验模型以东营凹陷南部沙四上—沙三下亚段为目标层位，在构造变形与油气充注一体化装置上完成。实验材料采用粒径均匀的天然石英砂为砂岩层，泥岩选自黄河三角洲天然黏土，其孔隙度和渗透率可近似为零。在构造变形过程后，对砂岩层进行注水，使其饱含水，然后进行烃类充注。烃类选择与其相似的航空油，并加入分子较小的蓝色染色剂，以便更好地观察油的运移路径。运移通道设计为两种模型：一种是以断裂为油气“倒灌”的通道，另一种是以骨架砂体为油气“倒灌”的通道。两种模型均需要进行强烈地构造变形，以便更真实地反映实际的地质情况。

2 实验结果与讨论

2.1 以断裂为运移通道的油气充注

在以断裂为运移通道的油气充注物理模拟中，泥岩采用较为脆性的钠土，单层泥岩厚度为1 cm；每层石英砂岩粒度与物性相同（粒度为0.3～0.4 mm、孔隙度为24%、渗透率为2 950 mD），地层倾角为15°～20°。在对模型进行压实的基础上进行构造变形，然后进行油的充注（图1）。

图1 以断裂为运移通道的油气充注实验Fig.1 Oil and gas filling experiment of migration channels by the fracture

2.1.1 实验过程

根据泥岩涂抹的情况，将断裂下盘2号、3号、4号、5号砂体上倾方向出口打开。实验过程中采用0.16 mL/min的充注速率注入油，恒定泵压为模型充注油。充注的油首先沿着断裂上盘1号砂层进口进入模型，沿砂岩层向上运移，并迅速进入断裂带内。当充注95 min、注入油量为15.2 mL时（图1a），油沿着断裂分别进入断裂下盘2号、3号、4号、5号砂体，并且由上到下油注入量依次递减，在出口处排出的水量也具有相似的规律。当充注155 min、注入油量为24.8 mL时（图1b），首先在断裂下盘2号砂层出口处见到部分油排出，然后见到3号砂层有少量油排出，4号、5号砂层油继续向上运移，并伴随少量的水排出。同时，油沿着断裂向下运移，在断裂上盘6号砂岩顶部见到少量的油。当充注265 min、注入油量为42.2 mL时（图1c），断裂下盘的2号、3号砂层含油饱和度增大；同时在4号、5号砂层出口处也有少量油排出。同时，油沿着断裂向上盘倒灌，在与断裂下盘2号砂层对置的砂体中首先见到油倒灌，而与断裂下盘3号砂层对置的砂体不仅倒灌时间较晚，而且倒灌的油量也比较少；油沿着断裂下行至6号砂层中的油量有所增加，注入油的颜色相对加深。当充注530 min、注入油量为84.8 mL时（图1d），不仅在断层下盘的2号、3号、4号及5号砂层的出口有油排出，同时砂层的含油饱和度增大，并且倒灌进入断层上盘砂层的含油量也有增加的趋势。随着充注油量的不断增加，油穿过断裂形成的泥岩涂抹层，向断层上部运移。

2.1.2 实验结果讨论

通过断裂为运移通道的物理实验，有两种情况值得讨论：（1）以断裂为主要构造变形的地质结构中，油运移的主要通道往往优先选择断裂，油首先沿着断裂向上运移，而不选择进入断层两侧的砂岩层内，这与前人的实验结果及研究成果相似[15-19]；其中，浮力、压力差是油运移的直接动力。（2）油在向上运移过程中不仅进入顺向断层圈闭中聚集，而且还沿着断裂向下运移，倒灌进入下部砂岩层中，油、水分子置换是油“倒灌”的形成机制。实验证实，这部分油的聚集量相对较小。

2.2 以骨架砂体为运移通道的油气充注

在以骨架砂体为运移通道的模拟实验中，为了防止断层的泥岩涂抹对砂体输导造成封堵，泥岩采用了较为脆性的钠土，每层的泥岩厚度为1 cm。每层砂岩粒度与物性明显不同（表1）。地层倾角为15°～20°。

表1 各砂岩层物性参数Tab.1 The sand stone reservoir physical parameter

2.2.1 实验过程

实验过程中采用0.16 mL/min的充注速率和恒定的泵压为模型充注油。油首先在整个填满玻璃珠的进口处聚集，然后进入1号高渗透性砂层之中。当充注时间为130 min、注入油量为20.8 mL时（图2a），油在1号砂层中运移至断裂下盘断棱处；同时油在2号砂层中开始注入，但是距离仅有1.5 cm左右，与1号砂层含油相比，含油饱和度很小。当充注时间为170 min、注入油量为27.2 mL时（图2b），受泥岩的阻挡作用，油在1号砂层中越过断面后，进入与其对置的断层上盘3号砂层，但油注入量相对较小，表现为颜色较浅；同时2号砂层中的油也运移至断层下盘断棱处。在这个阶段，油在断层下盘1号砂层含油饱和度明显增加，尤其在注入口和断棱处表现的最为明显。当充注时间为275 min、注入油量为44.0 mL时（图2c），油在1号砂层中的饱和度不断增加；同时2号层内的油也穿越断层面进入与其对置的断层上盘1号砂层内，但与同处于上盘的3号砂层相比，含油量较少；在继续充注至475 min、注入油量为76.0 mL时（图2d），油在断层下盘1、2、3号砂层中的饱和度基本相同；但在断层上盘1、3号砂层中存在明显差别，早期充注的3号砂层的含油饱和度明显大于后期充注的1号砂层；同时，油开始在断层下盘粒度最小、孔隙度和渗透率最低的4号砂层中运移。

2.2.2 实验结果讨论

注入压力的变化能反映出油的运移过程中所受到的阻力、路径以及含油饱和度等的变化情况[20]，故可结合压力变化来分析油运移过程中所发生的充注事件。实验中所获取的压力为在进口处读取的数据，它所反映的是油在运移过程中相对压力的大小。

图2 以骨架砂体为运移通道的油气充注实验Fig.1 Oil and gas filling experiment of migration channels with skeleton sand body

在整个实验过程中，相对压力变化曲线是逐渐递增的（图3）。从零点开始到A点处是油开始注入1号砂层的过程。当油在1号砂层中运移时，压力有所下降。当油开始注入2号砂层时，相对压力较注入1号砂层时的压力要大（B点位置），但随后压力并没有下降，反而迅速升高至a点，这时正是1号砂岩中的油穿越断层面向下倒灌注入断层上盘3号砂层内的过程。在充注170 min时，压力曲线上b点对应着2号砂层的油突破断层面向下运移，倒灌进入断层上盘1号砂层内，相对压力由C点逐渐降低。当断层下盘3号砂层内油在断裂带处受阻时，压力开始增长，至D点时油进入断层下盘4号砂层中。

图3 相对注入压力随实验时间的变化情况Fig.3 Relative injection pressure with time variation

压力曲线的突变受两个因素控制，一个是油需要突破砂岩层的阻力，其大小受砂岩层孔隙度和渗透率的影响，1号、2号、3号、4号砂岩层的孔隙度和渗透率依次降低，相应的所需的压力依次增大；第二个是油沿着砂体运移过程中，受泥岩以及断层泥的阻断向下运移，形成了油气的“倒灌”，也会造成压力的增加。油在断层上盘3号砂层进行倒灌时，相对压力为32 Pa；在1号砂层发生倒灌时，相对压力达28 Pa。油“倒灌”时需要的最大压力与与砂岩层对置的砂体的物性有关。由于3号与1号砂层的物性差异，造成油两次突破断层面进行“倒灌”时的压力存在差异。

需要说明的是，在整个实验中，模型左侧砂岩处于开放状态，故压力差是引导油进行运移的重要动力。压力差的存在造成了这种“倒灌”方式所形成油气藏地质储量相对较大。

3 结论

（1）在以断裂为运移通道的地质模型中，浮力、压力差是油发生“倒灌”的直接动力，而油“倒灌”的机制在于分子的置换，但所形成的油藏规模相对较小。

（2）在以断裂和骨架砂体为运移通道的地质模型中，压力差是油发生“倒灌”的动力，油“倒灌”所需的压力并不很大，可以形成较大规模的油藏。

（3）顶部封盖、断裂和骨架砂体输导、超压下注是油气“倒灌”成藏的机理，勘探中应以骨架砂体为运移通道的油气藏为主，兼以断裂为运移通道、分子置换为形成机制的油气藏。

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编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Physical Simulation of Oil and Gas Backflow and Its Geological Significance

Wang Yongshi1,Shan Yixian2,Lao Haigang3
1.Geoscience Research Institute of Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying，Shandong 257015，China 2.School of Geosciences，China University of Petroleum（East China），Qingdao，Shandong 266580，China 3.College of Mining Engineering，Hebei United University，Tangshan，Hebai 063009，China

The exploration practice proves that the phenomenon of the oil and gas backflow exists in Chezheng Depression，the physical simulation experiments of the oil and gas accumulation confirmed that there are two types of oil and gas intrusion in hydrocarbon migration process，i.e.fracture as migration channel and the sand body framework as migration channel，the former is the important channel of the oil and gas backflow，however molecular replacement is the formation mechanism，and the oil and gas pool is of small size.the latter in sand body framework for migration of oil and gas intrusion，is that pressure difference controlling petroleum downward migration is an important driving force.The desired maximum pressure depends on the related physical property of sandbody，and it can form large-scale oil and gas reservoirs.The research provides theoretical support for the expansion of deep oil and gas exploration in petroliferous basin.

oil and gas backflow；fracture；sand body；molecular replacement；pressure difference

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20131114.0924.013.html