断块砂岩油藏动态成藏过程模拟实验

吴　平（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015）

断块砂岩油藏动态成藏过程模拟实验

吴平
（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015）

为研究油藏动态成藏规律，开展了原油动态成藏过程中储集层油水渗流能力差异、动力条件对原油富集程度影响的模拟实验。实验结果表明，油、水渗流能力在砂岩中存在显著差异，油的渗流能力低于水的渗流能力，造成油在岩心中积累，从而造成渗透介质内油的动态富集；原油的富集程度还受充注动力条件控制，充注动力越强，原油越容易富集，富集程度越高。根据实验结果推测，适当开启的正断层遮挡油藏符合油藏动态成藏模式，应用动态模型可以比较合理地解释断层遮挡的有效性、断块油藏复杂原油物性分布、断层遮挡油藏成藏与盆地成烃背景的宏观关系等。

断块；砂岩油藏；动态成藏；油水渗流能力；充注动力；断层遮挡；模拟实验

油气运聚成藏是一个复杂的地质过程。盆地在构造运动、沉积充填和压实的地质进程中，岩石所含流体（包括生烃阶段排出的油气）不断被挤出，并沿压力梯度降低方向通过输导介质运移［1-7］。含烃流体在运移过程中，被沿途的各类圈闭捕获成藏。原油在二次运移过程中的富集程度影响因素较多，包括油源、含烃流体特征、储集、保存、动力条件等因素［8-9］。本文尝试利用油水两相流体渗流差异性以及动力条件对原油富集影响程度进行模拟实验，模拟原油在储集层中富集的动态过程，进而建立油藏成藏的动态模型。

1　油水两相渗流模拟实验

1.1实验设备及方法

本次研究采用的油气运移聚集模拟实验设备包括ISCO泵（高精度计量泵）、油（水）中间容器、岩心夹持器、压力控制系统、含油饱和度监测系统、油水计量系统等（图1）。

图1　油水两相渗流模拟实验流程示意

实验所用岩心为长石细砂岩，取自东营凹陷林30井，取心井段2 782.0—2 782.5 m，孔隙度为14.2%，渗透率为0.35 mD.油样黏度4 mPa·s，密度为0.85 g/cm3.实验用水为普通蒸馏水。

将油和水同时通过ISCO泵恒流注入岩心，油水流速比为1∶2（注入流体含油体积分数为33.3%），通过在线含油饱和度检测系统观察岩心含油饱和度变化，通过油水计量系统计量油、水流出量，换算成排出流体含油体积分数。观察岩心内和排出流体组成的变化特点。

1.2实验结果

实验过程中，随着流体注入时间增加，注入流体总量增加，岩心含油饱和度和岩心排出流体的含油体积分数变化见图2.

图2　油水两相通过岩心运移过程中岩心含油饱和度变化

在初始阶段，岩心平均含油饱和度逐渐升高，排出流体全部为水；当岩心平均含油饱和度达到约20%时，排出流体中开始有油出现，但排出流体含油体积分数远远低于注入流体中油的体积分数。随时间和注入流体量的增加，岩心平均含油饱和度和排出流体含油体积分数逐渐增加。当岩心平均含油饱和度达到50%左右时，排出流体含油体积分数与注入流体含油体积分数一致，此时岩心含油饱和度不再变化，表明岩心中含油饱和度已经达到最大值。

1.3油水渗流差异对原油富集的影响

充注的油水混相流体中的水在岩心中的运动主要遵循达西定律，即

尽管油水混相流体中油在岩心中的流动受到达西定律约束，但首先要克服毛细管阻力，即

因此，油水混相流体在岩心中流动时，水的渗流能力要大于油。当岩心的孔喉半径减小时，一般对应着孔隙度下降，油水渗流能力差异会增加。

由于研究区油的渗流能力低于水的渗流能力［10］，造成油在岩心中积累，从而形成渗透介质内油的动态富集。这种油的动态富集完全由油和水的渗流能力差异所造成。

2　动力条件对原油富集的控制作用模拟实验

2.1实验方法

实验岩心为细粒长石砂岩，取自东营凹陷莱64井，取心井段3 348.0—3 348.5 m，孔隙度16.2%，渗透率22.43 mD.油样黏度4 mPa·s，密度0.85 g/cm3.实验用水为普通蒸馏水。

首先使岩心饱含水，再用水将岩心系统加压至设定充注压力（10 MPa），关闭水注入系统阀门，调节岩心夹持器出口压力至指定压力，打开油注入系统阀门，保持10 MPa压力，向岩心注入油，通过含油饱和度检测系统记录岩心含油饱和度变化。

本次同一样品进行3次实验，出口压力分别为2 MPa，5 MPa和9 MPa，即入口与出口压力差分别为8 MPa，5 MPa和1 MPa，每次实验结束后，用氯仿试剂清洗岩心样品并烘干，以备下次实验使用。

2.2实验结果

入口压力稳定在10 MPa，在不同出口压力条件下，油可注入程度具有较大差异（图3）。出口压力越高，入口与出口压力差越小，油的充注越慢，最大充注含油饱和度越低。出口压力为2 MPa时，约12 000 min就可以达到最大充注程度，并且最大含油饱和度可以达到65%；出口压力控制在5 MPa时，需要17 000 min才可以达到最大含油饱和度，最大含油饱和约为61%；而出口压力控制在9 MPa时，虽然能够较快达到最大含油饱和度（约10 000 min），但最大含油饱和度仅为10%左右，并且由此之后，尽管岩心注入口和出口具有1 MPa的压力差，但基本观察不到流体流出，即流体不能再注入。

图3　注入压力10 MPa时不同出口压力下岩心含油饱和度变化

2.3动力条件对原油富集的影响

当油开始注入岩心时，首先必须克服流体微孔流动阻力和由于孔隙内油水界面张力，也就是注入油需要的最小启动压力差（入口与出口压力差），最小启动压力差的大小与油的黏度和岩心孔隙结构有关［11-13］，储集层孔隙直径越小，对应的最小启动压力差越大，实际数值可由实验测得。实验表明，入口与出口压力差大，油可以被注入储集层更多的较小孔隙中，注油稳定后，岩心含油饱和度也就更高，达到注油稳定的时间也较短；反之，油只能注入少量大的孔隙，稳定后含油饱和度也不高。虽然实际油气充注过程地质时间比实验更加漫长，储集层油气充注稳定最大含油饱和度应该更高，但那些入口与出口压力差小于最小启动压力差的孔隙始终无法获得原油。

3　原油富集条件及油藏动态富集

原油在二次运移及成藏过程中，影响原油富集的因素较多，从上述2个实验可以看到原油在断块圈闭内富集的2个基本条件:①油水流体有流经断块圈闭内储集层条件，即油水流体受到足够压力作用流经有一定孔渗的储集层，并沿开启断层离开圈闭储集层；②油和水在储集层中渗流能力存在差异，在油藏成藏过程应该考虑毛细管力及其他物理或化学机理。实验证明:当油水流体入口与出口压力差大于原油在储集层内部渗流的最小启动压力差时，原油才可以开始渗流；最小启动压力差越大，储集层原油富集程度越高。

上述实验虽然是在实验室时间内对含烃流体在储集层中渗流过程的观察，但实验现象及结果还是可以反映很多油藏的动态富集机制。通常认为，以油相运移的含烃流体都饱含气体［14］，流体受压实挤压及浮力作用，油相流体随地层水向势能低的浅层区运移，地下原油发生脱气效应，原油中的轻质组分不断挥发，气油比不断减小。由于原油轻质组分的挥发，原油黏度增高，在运移通道中的流动性也随之下降。

图4是基于实验观察和相关理论建立的常见砂岩构造-岩性油藏成藏模式图。图中油源断层是油气进入成藏区储集层的主要通道。受盆地压实作用驱动，盆地流体主要沿开启断层和地层在垂向和侧向浅层运移。如果断层是非开启性质，由于不存在流体通道，含油流体无法流经圈闭储集层形成油藏。

图4　原油动态成藏模式

A储集层和D储集层不在含烃流体运移通道上，即使圈闭临近油源断层也无法成藏。当压力差大于原油注入E储集层和B储集层要求的最小启动压力差后，沿油源断层而来的油气分别进入E储集层和B储集层。E储集层和B储集层是两个断层夹持的断层遮挡圈闭储集层。断层面裂隙一般大于储集层孔隙，原油进入储集层孔隙需要克服孔隙油水毛细管阻力和孔隙最小启动压力差；由于油与地层水在储集层中渗流能力的差异，原油在B储集层和E储集层中有富集趋势，随后沿遮挡断层渗流并向浅层储集层运移或散失。受浮力作用，原油趋向储集于储集层顶端，形成动态断层遮挡油藏。但油藏达到一定的含油饱和度后，油藏注入与排出的原油基本平衡。由于原油中挥发的轻质组分也很难保存，断块圈闭很难出现气顶。

依据实验观察，断层遮挡的油藏是一个动态油藏，推测其储集层含油特点与流体压力梯度，储集层孔渗性和油气性质等相关。如流体压力梯度大，油水渗流速度差异大，原油富集度相对就高，含油饱和度也大，富集成藏时间也较短；储集层孔渗性好，储集层含油饱和度高，富集成藏时间相对较短；原油黏度较高，储集层含油饱和度较低。

原油在断层面处于散失区，原油埋深迅速上升，围压快速降低，原油因轻质组分挥发较快而更容易形成稠油甚至沥青遮挡条件，减弱断面侧向开启性，形成断面对油藏早期通道后期遮挡的条件变化。伴随着盆地原油充注条件逐渐减弱甚至消失，那些原油物性好、缺少重质组分的动态油藏，会因为断层遮挡条件不足而很快散失。而对于在油藏动态平衡期能形成稠油/沥青遮挡或比较稠的油藏还可保存一段时间。这应该是断层圈闭勘探可以在渤海湾盆地顺利展开，而在珠江口盆地［15］断层圈闭勘探就显得非常谨慎的重要原因。

在复杂的断层遮挡油藏，由于各单油层的充注条件和过程不同，原油的物性也会出现较大的差异。实际勘探工作也普遍发现，在轻质原油为主（烃源岩以Ⅲ型干酪根为主，原油缺少重质组分）或油源相对不太充足的盆地中，断层遮挡油藏勘探风险也会明显增高；从烃源岩排烃和成藏的时间关系看，断块油藏似乎与排烃高峰有更直接的关联，即断块油藏勘探风险在烃源岩过成熟或低成熟盆地比处于排烃高峰的盆地更大。虽然目前还没有关于油气藏成藏速度的认识，但本次实验条件下岩心的含油饱和度在十几天就增加到实际油藏水平，表明油藏的形成所持续的时间可能不会非常漫长。在断块油藏中，同一断块不同油层原油物性也常有较大的差别，很多现象是可以用断层遮挡油藏的动态性来解释的。

含烃流体注入C储集层成藏的过程与E储集层和B储集层相似，但由于原油沿断层垂向运移时持续的脱气效应，C储集层中的原油一般趋于变稠，因而油水渗流能力差异变大，更有利于原油的富集（图4）。渤海湾盆地含油气区浅层存在大量此种富集机制的原油较稠的断块油藏，油藏原油性质随埋藏深度变浅垂向上急剧变化。

随着原油变稠，油水在储集层中的渗流差异越发明显，当储集层顺层孔隙度发生明显波动时，还可能出现非构造油藏，即低孔渗段通水阻油形成非构造油藏。这种成藏机理的油气藏在轻质油气为主的深层超低渗储集层已经被发现，这类油藏在浅层稠油勘探也应该值得关注。

4　结论

油水两相渗流能力差异对原油富集影响的模拟实验和动力条件对原油富集影响的模拟实验表明，东营凹陷油水渗流能力在砂岩中存在差异，即油的渗流能力低于水的渗流能力，造成油在岩心中积累，从而造成渗透介质内油的动态富集；原油的富集程度与充注动力有关（包括充注动力和阻力），充注动力越强，原油越容易富集，富集程度越高。

油水储集层渗透差异及水动力条件变化形成的油藏一般具有动态成藏特征，认识油藏成藏的动态特征，可以帮助评价不同盆地地质条件下断层遮挡或地层不整合圈闭勘探的风险性，为指导勘探部署方向提供重要参考。

符号注释

A——岩心横截面积，cm2；

K——岩心中水的渗透率，mD；

L——岩心长度，cm；

Δp——岩心两端流体的压力差，MPa；

pc——毛细管阻力，Pa；

Q——单位时间通过岩心的水量，cm3/s；

r——毛细管半径，m；

μ——水的黏度，m Pa·s；

σ——油水界面张力，N/m；

θ——润湿角，（°）。

［1］张善文.济阳坳陷第三系隐蔽油气藏勘探理论与实践［J］.石油与天然气地质，2006，27（6）:731-740.

ZHANG Shanwen.Exploration theory and practice of the Tertiary subtle reservoirs in Jiyang depression［J］.Oil&Gas Geology，2006，27（6）:731-740.

［2］郝芳，邹华耀，方勇.隐蔽油气藏研究的难点和前沿［J］.地学前缘，2005，12（4）:481-488.

HAO Fang，ZOU Huayao，FANG Yong.The difficulties and frontiers of subtle oil/gas reservoir research［J］.Earth Science Frontiers，2005，12（4）:481-488.

［3］胡晓兰，樊太亮，王宏语，等.隐蔽油气藏勘探理论体系再认识［J］.天然气地球科学，2010，21（6）:996-1 003.

HU Xiaolan，FAN Tailiang，WANG Hongyu，et al.Recognition of theoretical system of subtle reservoirs exploration［J］.Natural Gas Geoscience，2010，21（6）:996-1 003.

［4］张林晔，刘庆，张春荣，等.东营凹陷成烃与成藏关系研究［M］.北京:地质出版社，2005:116-118.

ZHANG Linye，LIU Qing，ZHANG Chunrong，et al.Study on the genetic relationships between hydrocarbon occurrence and pools formation in Dongying depression［M］.Beijing:Geological Publishing House，2005:116-118.

［5］卓勤功.断陷盆地洼陷带岩性油气藏成藏机理及运聚模式［J］.石油学报，2006，27（6）:19-22.

ZHUO Qingong.Reservoir-forming mechanism and migration-accumulation mode of lithological pool in deep sub-depression of rift-subsidence basin［J］.Acta Petrolei Sinica，2006，27（6）:19-22.

［6］赵文智，汪泽成，王红军，等.中国中低丰度大油气田基本特征及形成条件［J］.石油勘探与开发，2008，35（6）:641-650.

ZHAO Wenzhi，WANG Zecheng，WANG Hongjun，et al.Principal characteristics and forming conditions for medium-low abundance large scale oil/gas fields in China［J］.Petroleum Exploration and Development，2008，35（6）:641-650.

［7］赵文智，邹才能，谷志东，等.砂岩透镜体油气成藏机理初探［J］.石油勘探与开发，2007，34（3）:273-284.

ZHAO Wenzhi，ZOU Caineng，GU Zhidong，et al.Preliminary discussion on accumulation mechanism of sand lens reservoirs［J］.Petroleum Exploration and Development，2007，34（3）:273-284.

［8］蒋有录，查明.石油天然气地质与勘探［M］.北京:石油工业出版社，2006:188-189.

JIANG Youlu，ZHA Ming.Oil and gas geology and exploration［M］. Beijing:Petroleum Industry Press，2006:188-189.

［9］张厚福，方朝亮，高先志，等.石油地质学［M］.北京:石油工业出版社，2007:178-182.

ZHANG Houfu，FANG Zhaoliang，GAO Xianzhi，et al.Petroleum geology［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，2007:178-182.

［10］包友书，张林晔，张守春，等.用渗流法研究东营凹陷烃源岩压实排油特点［J］.石油学报，2008，29（5）:707-710.

BAO Youshu，ZHANG Linye，ZHANG Shouchun，et al.Compactexpulsion characteristics of source rocks in Shahejie formation of Dongying depression using percolation method［J］.Acta Petrolei Sinica，2008，29（5）:707-710.

［11］李明诚.油气运移若干问题的再认识［J］.新疆石油地质，2008，29（2）:133-137.

LI Mingcheng.Re-understanding of some problems about petroleum migration and accumulation［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2008，29（2）:133-137.

［12］李明诚，李剑.“动力圈闭”——低渗透致密储层中油气充注成藏的主要作用［J］.石油学报，2010，31（5）:718-731.

LI Mingcheng，LI Jian."Dynamic trap":a main action of hydrocarbon charging to form accumulations in low permeability-tight reservoir［J］.Acta Petrolei Sinica，2010，31（5）:718-731.

［13］吕成远，王建，孙志刚.低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实验研究［J］.石油勘探与开发，2002，29（2）:86-89.

LV Chengyuan，WANG Jian，SUN Zhigang.An experimental study on starting pressure gradient of fluids flow in low permeability sandstone porous media［J］.Petroleum Exploration and Development，2002，29（2）:86-89.

［14］包友书，蒋有录，张林晔，等.饱和压力法确定成藏期问题探讨［J］.石油勘探与开发，2011，38（3）:379-384.

BAO Youshu，JIANG Youlu，ZHANG Linye，et al.Conditions for the saturation pressure method in identifying oil accumulation periods［J］.Petroleum Exploration and Development，2011，38（3）: 379-384.

［15］万志峰，夏斌，蔡周荣，等.南海北部油气成藏区带的划分与勘探前景［J］.天然气工业，2010，30（8）:4-8.

WAN Zhifeng，XIA Bin，CAI Zhourong，et al.Plays division and exploration potentials in the northern South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2010，30（8）:4-8.

（编辑曹元婷）

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

国家973项目（2014CB239101）

吴平（1963-），男，甘肃酒泉人，工程师，石油地质，（Tel）0546-8715322（E-mail）wuping509.slyt@sinopec.com