哈得逊油田东河砂岩油藏形成过程物理模拟

2020-08-25李笑冉

当代化工 2020年5期

李笑冉

摘要：为分析哈德逊油田东河砂岩油气成藏过程，基于相似理论利用物理模拟实验的相似性原理，用先进的构造物理模拟实验方法定量开展哈得逊油田东河砂岩油藏动态调整过程，阐述其油气成藏机理。研究表明：不同位置含油饱和度的变化存在明显的规律性，油藏的油水界面长期处于倾斜状态，若经足够长的时间，油水界面也将转换为水平，研究认识为该区域及塔里木盆地其他地区的下一步油气勘探提供有价值的实验依据和理论支持。

关键词：哈德逊油田;东河砂岩;油藏形成;物理实验

中图分类号：TE312 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）05-0961-04

Abstract： In order to analyze the oil and gas accumulation process of Donghe sandstone in Hudson oilfield， based on the similarity theory and the similarity principle of physical simulation experiment， the dynamic adjustment process of Donghe sandstone reservoir in Hudson oilfield was quantitatively carried out by the advanced structural physical simulation experiment method， and the oil and gas accumulation mechanism was expounded. The research showed that the change of oil saturation at different positions had obvious regularity， and the oil-water interfaceof the reservoir was inclined for a long time. If it passes through a long time， the oil-water interface will also change to be horizontal. The research and understanding will provide valuable experimental basis and theoretical support for the next oil-gas exploration in this area and other areas of Tarim basin.

Key words： Hudson oilfield; Donghe sandstone; reservoir formation; physical experiment

现代科学研究中模拟实验研究既是理论分析的依据，也是检验理论的准绳，具有很重要的实际作用和理论研究意义[1]。相似理论是研究支配相似系统的性质以及如何用模型实验解决实际问题的一门科学，是进行模拟实验的依据。现代的物理模拟实验研究已从以往的岩石圈固体变形模拟，拓展到油气勘探领域中沉积层固体变形与孔隙内存储的油气流体耦合和叠置关系的模拟，是涉及固体动力学与流体动力学的多学科综合研究。

对于古油藏调整、改造过程中油气藏的聚集状态的研究刚刚起步，因此存在诸多问题急需解决，包括：

（1）古油藏动态调整过程中油气的聚集是一应势应时变化的运动流体，它的特性变化是介质/载体和时间的变量，既是一地质过程也是一物理过程，对于这些特性变化迫切需要通过创新的物理模拟实验给予佐证。

（2）调整过程中油气聚集的动力学机制，油藏的运移过程一定受到不同力系的综合控制和制约，古油藏调整过程中的动力学与油气从烃源岩中排出后的初次、二次运移存在何种差异。

（3）古油藏调整、改造过程中油气的聚集与输导层或储层的物性之间的关系，任何储集层都存在非均质性，储层非均质性与油气运移之间的内在联系如何。

（4）古油藏调整、改造过程中油气流体运移的主流和主导方向对研究其聚集特点意义重大，也是勘探生产研究最为关注的焦点。

（5）古油藏调整、改造过程中的油气聚集形式如何。

针对研究过程中出现的上述种种疑问，在精细分析和研究哈得逊油田东河砂岩油藏成藏机理的基础上，开展了古油藏调整、改造后油气聚集成藏过程的物理模拟实验，即构造体系形成和演化及均质储层条件下古油藏调整、改造过程中油气聚集形式的物理模拟实验。依据实验结果论证：

（1）地层翘倾条件下油气聚集过程。

（2）油气聚集过程中的动力机制。

1 物理模拟实验地质模型

由于受诸多条件的限制，实验室条件下的物理模拟实验不可能完全再现地下深部实际的岩石物理参数，物理模拟实验过程中应优先考虑影响古油藏调整、改造过程中油气聚集最主要的因素，因此对剖面的选择必须进行多方面因素的综合，尤其是剖面的走向，只有選择合适的剖面，才能使模拟实验达到令人满意的效果。

地质和钻孔资料分析表明，库车期（6Ma±）以来哈得逊油田东河砂岩油藏的调整主要是自北向南逐渐向南迁移的，而系列实验Ⅰ和系列实验Ⅱ主要考虑不同物性条件下古油藏的调整过程，因此剖面的位置必须沿着古油藏调整的线路展开，而且沿着该调整路径还必须有合适的圈闭能供油气充注、聚集，从而形成不同聚集形式的油藏。

考虑到上述诸多因素，系列实验选择的剖面北起HD17，经HD113、HD111、HD112、HD4-44、HD4-30、HD4至HD401，HD17井附近是库车期开始时，古油藏调整到哈得逊地区的位置所在，HD4井附近又存在哈得4号构造圈闭，以供油气的充注和聚集，而HD401井到达了东河砂岩油藏的油水边界。

HD17井至HD401井连井剖面近南北方向展布，长约31km，它北接含油饱和度较低的HD17井和至今已连续多年高产、稳产的HD4井，是开展哈得逊油田东河砂岩油藏形成过程物理模拟实验的最佳剖面之一。自6.0 Ma至现今，哈得逊油田HD17至HD401井剖面石炭系东河砂岩段由6.0 Ma时期的北高南低变化到现今的北低南高，地层埋深北部为 1 874 m，南部为1 582 m，平均埋深1 728 m。

2 实验装置

为开展创新的哈得逊油田后油藏形成过程的系列实验，自行研发设计了一系列新型实验装置和技术。

（1）FM-2可实施地层倾斜与反转的大维度实验装置，应用该新型实验装置开展了实验，该装置可以实现6.0 Ma时期的向南倾斜，变化到现今的向北倾斜的相似的构造地质过程，实验装置：L=1 800 mm，W=800 mm，H=1 200 mm，实验装置左侧底部安装有3个液压千斤顶，右侧有活动底版，可以满足实验模型的抬升和沉降的反转过程（图1）。

（2）FM-3附有精细液压驱动系统的实验装置，应用该新型实验装置开展了系列实验，实验装置底部安装有4个分体式高精度负载卸压活塞，活塞的行程可以达到200 mm，该装置可以在实验室条件下理想地再现哈得逊油田6.0 Ma以来东河砂岩段地层倾斜反转的相似地质过程，是一创新使用的新型实验装置。

（3）不同的流体具有不同的折光反射系数，水流体的折光反射系数是1.33，油流体的折光反射系数是1.47，利用它们之间的折光反射系数差可以辨识出模型任一点孔隙流体介质是水流体还是油流体。利用岩层孔隙油流体入射光强度与反射光强度比，可以获得模型任一区域孔隙油流体的含油饱和度。据此研制出油藏动态调整含油饱和度激光光导检测仪应用于系列实验的含油饱和度检测。

（4）可控制流体压力和流量的古油藏形成的饱和水和饱和油充注实验装置，应用该装置进行了系列实验模型的饱和水和饱和油充注（图2）。

（5）依据PVT原油黏度确定实验油样品，用SYD-265D型黏度仪进行了实验油样品黏度测定。

（6）将先进的激光数码动态成像技术应用于本课题“哈得逊油田后油藏形成模拟实验的实验模型饱和水和古油藏建立饱和油的观察和成像记录中，这是迄今为止我国率先观察和记录下砂岩颗粒被放大150～180倍，实验模型饱和水和饱和油的显微影像。

先进的构造模拟试验装置是开展高精度哈得逊油藏形成过程模拟实验的重要条件，能够在实验室条件下再现6.0 Ma至现今哈得逊油田后油藏形成的相似构造地质过程，哈得逊油田6.0 Ma至现今经历了一次急剧的地层埋深和反转过程，在此过程中石炭系东河砂岩段由6.0 Ma时期的地层埋深深度大约3 500 m，增加到现今的大约5 100 m，地层埋深深度大约增加了1 600 m，平均埋深量0.27 mm/a。地层倾角变化是低幅倾角變化，但是在此过程中地层倾斜方向发生了重要变化，由6.0 Ma时期的向南倾斜，变化到现今的向北倾斜，FM-2和FM-3实验装置可以满足这一相似的构造地质变化过程。

哈得逊油田后油藏形成过程的物理模拟实验与常规的构造模拟实验大不相同，常规的构造模拟实验研究是追踪含油构造体系的形成和演化，确证含油气构造体系几何和物理特性与相关地质要素之间的关系，给出有利的含油气构造体系的展布，而哈得逊油田后油藏形成过程的物理模拟实验开展的是含油构造体系形成和演化中，油藏的动态调整过程，是一项输导层和目的层固体变形与油藏流体流动之间耦合关系的新的模拟实验。

3 实验相关物理参数

3.1 实验材料的选取和模型地层的确定

系列实验Ⅰ的模型以哈得逊油田石炭系上泥岩段（C3）、标准灰岩段（C4）、中泥岩段（C5）和东河砂岩段（C9）以及石炭系下伏的志留系粉砂质泥岩段地层为主体，系列实验Ⅰ选取了6种天然地质介质作为实验材料，自下而上包括：河南省三门峡地区天然泥质粉砂岩作为志留系替代实验材料，渤海湾昌黎地区天然砂岩作为东河砂岩段替代实验材料，河南省三门峡地区蓝色染色泥岩作为石炭系中泥岩段替代实验材料，河北省唐山地区黄色染色灰岩作为石炭系标准灰岩段替代实验材料，河南省三门峡地区黄色染色灰岩作为石炭系上泥岩段替代实验材料，浙江省临海地区?20～50 mm的砾石颗粒作为石炭系上覆P、T、J、K、E、N和Q地层的沉积载荷物的替代实验材料。物理实验中精确的实验材料选取和优化的实验模型设计是全面了解古油藏调整、改造后新油藏的形成过程的重要途径。表1给出系列实验所使用的实验材料名称、样品采集地点、单个模型样品量、所替代的层段等参数。

3.2 实验几何比例系数

实验横向间距相似系数Cl=25 000，纵向间距相似系数Cv=1 000。实验模型可以将实验模型中任一点的变化与所代表的实际地质体相同点的实际地质特征和油藏分布特征进行对比，提高了实验实施精度和实验的量值化分析（表2）。

3.3 实验时间相似系数

实验实施之前进行了古油藏的充注，充注时间为20 d，而后模型进行了静止，充注模型静止时间为7 d（表3）。

3.4 实验步骤和时间

实验分为3个阶段：

（1）实验模型古油藏充注阶段，实验时间576 h。

（2）实验模型静止阶段，实验时间128 h。

（3）调整、改造后的油藏形成过程实验实施阶段，实验时间672 h。

实验中含油饱和度的检测是使用《激光光导纤微含油饱和度检测仪》记录出来的，再结合7个阶段的实验照片影像证据和激光动态数码成像图作出的综合解释。

4 实验结果及讨论

实验是储集层物性均质的条件下古油藏调整、改造过程中新油藏的形成过程模拟实验。从实验结果可以发现：

（1）古油藏调整过程中，均质储集层中含油饱和度的变化规律。实验结果分析显示，古油藏调整及油藏形成过程中，不同位置含油饱和度的变化存在明显的规律性。

随着油藏的不断调整，受扩散作用的影响，其前缘部位及后缘部位的饱和度相对较低，后缘（靠近古油藏）的含油饱和度逐渐降低，而前缘的含油饱和度也在不断调整之中。含油饱和度的极值既不在充注油气的前缘，也不在后缘，而是位于油气聚集过程中的中间地带，即油藏的中部含油饱和度最高，因此油气的勘探目标应主要集中在古油藏调整和形成非水平油水界面油藏聚集的中间地带。

（2）古油藏调整过程中，油水界面始终处于倾斜状态。实验结果发现，古油藏在调整过程中，油藏的油水界面，始终处于非稳定状态，即长期处于倾斜状态。只要古油藏一直处于调整状态，其油水界面也会一直保持着目前的非稳定状态而难以达到平衡。

（3）油藏倾斜油水界面与水平油水界面之间的转换。油藏的油水界面倾斜和水平并不是一成不变的，只要有足够的时间，倾斜的油水界面也可以转换为水平的油水界面。实验的模拟实验任务完成以后，保持实验模型处于构造活动停止的静止状态，大约经过3 d的时间，其中的油水界面达到了基本平衡的状态。依据本次物理模拟实验时间的相似性原理，即哈得逊油田东河砂岩油藏倾斜油水界面在静止大约3 Ma以后即能达到稳定而统一的油水界面（图3）。

5 结论

形成了古油藏原油调整的物理模拟技术，对哈得逊油藏原油的调整过程进行了物理模拟，模拟结果和目前的地质现象及认识相符合，并得出了许多有启示性认识。

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