李鶴永，田　坤，邱旭明，劉啟東，劉　震，宋麗艷

(1.中國石化 江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州　225012；2.中國石油大學(xué) 石油天然氣成藏機(jī)理教育部重點實驗室，北京　102249)

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油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道形成“三要素”分析
——以蘇北盆地高郵凹陷XJZ油田為例

李鶴永1，田坤1，邱旭明1，劉啟東1，劉震2，宋麗艷1

(1.中國石化 江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州225012；2.中國石油大學(xué) 石油天然氣成藏機(jī)理教育部重點實驗室，北京102249)

油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道研究是勘探目標(biāo)評價的重要內(nèi)容，其形成主要受輸導(dǎo)層的非均質(zhì)性、通道產(chǎn)狀和運(yùn)移動力3種“要素”控制。結(jié)合計算分析和針對蘇北盆地高郵凹陷XJZ油田的油氣運(yùn)移模擬實驗，進(jìn)一步論述了油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道形成中“三要素”的作用機(jī)理?！叭亍敝小皠恿Α币厥呛诵模刂浦蜌膺\(yùn)移的趨勢和方向；“產(chǎn)狀”要素對“動力”要素起約束作用；“非均質(zhì)性”要素決定著油氣能否運(yùn)移以及運(yùn)移速度。油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道實際上是“三要素”綜合作用的結(jié)果。

非均質(zhì)性；通道產(chǎn)狀；流體動力；優(yōu)勢運(yùn)移通道；高郵凹陷；蘇北盆地

油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道是地下油氣在非均質(zhì)輸導(dǎo)層(儲層、斷層或不整合面等)內(nèi)運(yùn)移過程中優(yōu)先選擇的路徑通道。國內(nèi)外大量數(shù)值和實驗?zāi)M等研究[1-20]均表明，油氣二次運(yùn)移主要集中于輸導(dǎo)層內(nèi)的有限優(yōu)勢通道中進(jìn)行，油氣藏分布受優(yōu)勢運(yùn)移通道控制作用明顯[1]，因此優(yōu)勢運(yùn)移通道研究對于評價有利勘探區(qū)帶和目標(biāo)至關(guān)重要。

目前關(guān)于油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道的研究，注重單因素、強(qiáng)調(diào)通道本身條件的較多，綜合分析較少。實際上，形成優(yōu)勢運(yùn)移通道的主體并非通道本身，而是其中的油氣。優(yōu)勢運(yùn)移通道是輸導(dǎo)層中的油氣在多種外界條件推動和約束下最終形成的運(yùn)移路徑。因此在討論優(yōu)勢運(yùn)移通道時，如只考慮通道本身的因素，只會得出片面的結(jié)論。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，歸納并總結(jié)了控制油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道形成的3個基本要素。并以流體為核心，綜合分析油氣運(yùn)移通道的形成，通過以典型油藏為原型設(shè)計并展開模擬實驗研究，求證了分析結(jié)果。

1　優(yōu)勢運(yùn)移通道形成主控因素

研究油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道，關(guān)鍵是主控因素的確定，對于該問題，各學(xué)者持不同的觀點。表1歸納了國內(nèi)外不同學(xué)者研究優(yōu)勢運(yùn)移通道時所側(cè)重的主要控制因素[21-34]。實際上，油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道的形成是個復(fù)雜的過程，是油氣在輸導(dǎo)層內(nèi)部運(yùn)移過程中多種因素綜合作用的結(jié)果。綜合這些因素的特點，可大體分為3大類：①形成優(yōu)勢通道的各種輸導(dǎo)層本身的非均質(zhì)性因素，包括輸導(dǎo)層內(nèi)及層間非均質(zhì)性、斷層開啟或封閉程度等；②封閉層底面和斷面形態(tài)、產(chǎn)狀以及輸導(dǎo)體間的疊置樣式都屬于通道產(chǎn)狀的范疇，與構(gòu)造形態(tài)直接相關(guān)；③不論是穩(wěn)態(tài)流還是瞬態(tài)流，都屬于流體動力范疇。這3大類可對應(yīng)于3種宏觀地質(zhì)條件：輸導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性、輸導(dǎo)層構(gòu)造特征(包括形態(tài)、產(chǎn)狀)和輸導(dǎo)動力條件。

表1　油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道控制因素分類

2　優(yōu)勢運(yùn)移通道形成的“三要素”

以上分析表明，優(yōu)勢運(yùn)移通道的形成主要受如下3個基本要素控制：①非均質(zhì)性(輸導(dǎo)層內(nèi)非均質(zhì)性及層間非均質(zhì)性)；②產(chǎn)狀(輸導(dǎo)層頂面形態(tài)產(chǎn)狀以及輸導(dǎo)體間鄰接配置)；③動力(流體流動樣式、流體勢場分布)。實際地質(zhì)條件下的優(yōu)勢通道通常是三要素聯(lián)合影響下形成的復(fù)合結(jié)果，可概括為在一定的流體動力條件下，油氣通過一系列具有特定幾何特征的非均質(zhì)輸導(dǎo)層時優(yōu)先選擇的運(yùn)移路徑。

2.1動力要素

動力包括浮力和水動力，其中水動力條件還可劃分為穩(wěn)態(tài)流和瞬態(tài)流。

穩(wěn)態(tài)流指的是油氣在浮力和穩(wěn)定水動力條件下運(yùn)移的流體狀態(tài)。地下水運(yùn)動十分緩慢條件下可以認(rèn)為浮力是主要的運(yùn)移動力。浮力流的優(yōu)勢通道方向永遠(yuǎn)都是向上的。曾濺輝等[25]通過2D物理模擬證明，油氣在浮力作用下優(yōu)先充注斷層的上升盤。這主要是因為上升盤接受的油氣柱高度比下降盤要大，油珠所受浮力大，油氣進(jìn)入砂層的動力大，使上升盤成為優(yōu)勢通道。龐雄奇等[28]綜合考慮了水動力和浮力的作用，提出優(yōu)勢通道取決于浮力和水動力在運(yùn)移方向上的分量大小。因此穩(wěn)態(tài)流作用下的優(yōu)勢通道取向于水動力和浮力合力的方向。

瞬態(tài)流條件下油氣運(yùn)移的規(guī)律和穩(wěn)態(tài)流相差很大，曾濺輝等[25]、張善文等[3]利用二維模型模擬了快速幕式流條件下油氣在輸導(dǎo)層內(nèi)的運(yùn)移和聚集效應(yīng)。實驗證明，幕式(瞬態(tài)流)條件下，油首先充注斷層上部和下部砂層。因此瞬態(tài)流作用下油氣充注作用優(yōu)勢取向為近注入口方向。

2.2產(chǎn)狀要素

產(chǎn)狀要素包括輸導(dǎo)層頂面或封閉層底面的幾何形狀、產(chǎn)狀(傾向、傾角、位置等)以及輸導(dǎo)層之間鄰接配置關(guān)系。油氣在運(yùn)移動力的驅(qū)動下，其運(yùn)移方向主要受運(yùn)移通道產(chǎn)狀約束，優(yōu)勢運(yùn)移通道的取向永遠(yuǎn)趨向于動力合力分量最大的通道方向，即趨向于與運(yùn)移動力夾角最小的方向。輸導(dǎo)層頂面或封閉層底面形成的構(gòu)造脊是重要的優(yōu)勢運(yùn)移通道[1,26]。

2.3非均質(zhì)性要素

非均質(zhì)性要素是指輸導(dǎo)層內(nèi)或?qū)娱g存在的非均質(zhì)現(xiàn)象。非均質(zhì)性是油氣運(yùn)移阻力產(chǎn)生的直接原因，阻力的大小取決于輸導(dǎo)層非均質(zhì)性的強(qiáng)弱，方向與運(yùn)移方向相反。因此，在其他外界條件相同的情況下，油氣優(yōu)先選擇孔滲性最好，即阻力最小的路徑運(yùn)移。曾濺輝等[25]通過實驗證實，穩(wěn)態(tài)流作用下，石油優(yōu)先充注物性較好的砂層。對于斷層則是斷層封閉性越差，其通道性越強(qiáng)。龐雄奇等[28]稱此類優(yōu)勢通道為級差優(yōu)勢通道。

3　優(yōu)勢運(yùn)移通道形成“三要素”分析

形成優(yōu)勢運(yùn)移通道的主體是油氣，而非通道本

身。對于每一個油珠或氣泡，動力是形成運(yùn)移的前提條件，不同運(yùn)移動力下優(yōu)勢運(yùn)移通道的取向不同。因此，“動力”，即油氣運(yùn)移過程中所受的各種推動力(主要包括水動力、浮力等)的合力，是核心要素，控制著油氣運(yùn)移的趨勢和方向；但這個合力大小和方向還要受輸導(dǎo)層頂面或封閉層底面形態(tài)及產(chǎn)狀的約束，也就是第二要素“產(chǎn)狀”。油氣運(yùn)移阻力主要為毛細(xì)管阻力，主要由輸導(dǎo)層非均質(zhì)性決定，即“三要素”中的第三要素“非均質(zhì)性”。

三要素中，“動力”和“產(chǎn)狀”二要素決定了油氣運(yùn)移的具體方向；“非均質(zhì)性”要素決定著油氣能否運(yùn)移以及油氣運(yùn)移的速度，它的大小由非均質(zhì)性決定，方向與油氣運(yùn)移的實際方向相反，與產(chǎn)狀無關(guān)。油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道的形成實際上是“三要素”綜合作用的結(jié)果。宏觀上的運(yùn)移趨勢也可由運(yùn)移動力、輸導(dǎo)系統(tǒng)和構(gòu)造三者所統(tǒng)一起來。下面以石油在傾斜板狀地層內(nèi)不同物性和走向的河道砂拼接而成的輸導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)移為例，說明優(yōu)勢運(yùn)移通道的形成過程。

圖1為一傾斜板狀地層中發(fā)育有2條拼接在一起的砂體，分別為砂體1和砂體2，地層與水平面的夾角為θ，砂體1和砂體2延伸方向與板狀地層傾斜線的夾角分別為θ1和θ2。假設(shè)運(yùn)移動力只有浮力，砂體1和砂體2的平均毛細(xì)管阻力分別為H1和H2，現(xiàn)在來分析一下砂體1或砂體2在何種情況下為優(yōu)勢通道。

該情況下優(yōu)勢通道的方向即是油珠在輸導(dǎo)層內(nèi)所受合力的方向，該合力受三要素直接控制，即受浮力(動力要素)、砂體產(chǎn)狀(產(chǎn)狀要素)和毛細(xì)管阻力(非均質(zhì)性要素)的聯(lián)合控制。以下為同一油珠在2個砂體內(nèi)的受力情況分析。

設(shè)運(yùn)移上來的單個連續(xù)油珠所受浮力大小為H。在“產(chǎn)狀”和“非均質(zhì)性”要素影響下，推動油珠沿砂體1運(yùn)移的合力F1大小為：

F1=H·sinθ·cosθ1-H1

同理，油珠沿砂層2運(yùn)移的合力F2大小為：

F2=H·sinθ·cosθ2-H2

只有在運(yùn)移合力大于0的情況下，油珠才可能在輸導(dǎo)層內(nèi)向前運(yùn)移，合力越大，運(yùn)移速度越快。因此，通過分析油珠在不同砂層內(nèi)所受合力的相對大小，就能夠判斷出油氣運(yùn)移優(yōu)先選擇的路徑，或優(yōu)勢運(yùn)移路徑。

(1)當(dāng)θ1>θ2，H1>H2，即砂體1與地層傾斜線夾角大，且砂體1毛細(xì)管阻力也比砂體2大。F1和F2的大小關(guān)系如圖2所示，在油氣不斷充注過程中，會發(fā)生下列變化：①隨著油氣的充注，連續(xù)油柱高度不斷增高，浮力隨之增大，當(dāng)浮力H增加到H>H2/(sinθcosθ2)時，F(xiàn)2>0>F1，砂體2開始有油氣運(yùn)移，但此時砂體1內(nèi)無油氣運(yùn)移；②當(dāng)浮力H增加到H>H1/(sinθcosθ1)時，F(xiàn)2>F1>0，兩砂體內(nèi)都有油氣運(yùn)移，但砂體2具有優(yōu)勢。

圖1　油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道選擇示例

(2)當(dāng)θ1>θ2，H1H1/(sinθcosθ1)時，F(xiàn)1>0>F2，砂體1開始有油氣運(yùn)移，但此時砂體2內(nèi)無油氣運(yùn)移；②當(dāng)浮力H繼續(xù)增加到H>H2/(sinθcosθ2)時(未到交點處)，F(xiàn)1>F2>0，兩砂體內(nèi)都有油氣運(yùn)移，但砂體1具有優(yōu)勢；③當(dāng)浮力H繼續(xù)增加到H>(H2-H1)/(sinθcosθ2-sinθcosθ1)時，F(xiàn)2>F1>0，兩砂體內(nèi)都有油氣運(yùn)移，但砂體2具有優(yōu)勢。

圖2　運(yùn)移合力與浮力變化關(guān)系(θ1>θ2，H1>H2)

圖3　運(yùn)移合力與浮力變化關(guān)系(θ1>θ2，H1

從以上分析可以看出，在運(yùn)移動力較小的情況下，油氣優(yōu)先沿著阻力較小的輸導(dǎo)體運(yùn)移；隨著動力的增強(qiáng)，產(chǎn)狀因素作用逐漸顯現(xiàn)，如果動力足夠大，產(chǎn)狀成為影響優(yōu)勢通道的決定因素，具有有利產(chǎn)狀的輸導(dǎo)體成為最終的優(yōu)勢通道。因此，非均質(zhì)性或毛細(xì)管阻力并不是影響優(yōu)勢通道的決定性因素，優(yōu)勢通道的選擇與輸導(dǎo)體的產(chǎn)狀和油氣運(yùn)移動力有重要關(guān)系。

4　優(yōu)勢運(yùn)移通道模擬實驗分析

4.1實驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒灄l件

該實驗主要以蘇北盆地高郵凹陷XJZ油藏為原型(圖4)。該油藏供烴源巖為下伏阜四段暗色泥巖，原油主要通過斷層進(jìn)入上部戴南組及三垛組地層。實驗?zāi)Ｐ椭袃酉鄬B透率依據(jù)油藏實際物性數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行等比例放大。該油田發(fā)育有3類斷層，一類為二級控凹斷層，一類為三級同生斷層，還有一類為早期形成的四級斷層，設(shè)計實驗時，設(shè)定3類斷層滲透性依次降低。

根據(jù)實際地質(zhì)原型，設(shè)計實驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。實驗?zāi)Ｐ统叽鐬?0 cm×30 cm×2 cm。模型中F1為主斷層，它與下伏油源層相通，F(xiàn)2和F3為分支斷層；模型中布置6個壓力傳感器，黑色同心小圓圈表示其位置；砂層之間被寬約1 cm的非滲透層隔開，每個砂層右端分別設(shè)有1個出口。斜線充填的部分為非滲透性地層，主要以橡膠充填；砂層主要為白色純凈的親水石英砂；充注油為用天然色素染成紅色的煤油(密度0.75 g/cm3)；實驗用水為蒸餾水(密度1.0 g/cm3)。實驗?zāi)Ｐ偷挠嘘P(guān)參數(shù)如表3所示。

圖4　蘇北盆地高郵凹陷XJZ油田油藏剖面

層位孔隙度/%滲透率/10-3μm2垛一段22920戴二段18520戴一段1224

圖5　實驗?zāi)Ｐ褪疽?/p>

依據(jù)研究區(qū)成藏特征，考慮到可能的流體運(yùn)聚特征，實驗中設(shè)計2種充注方式，分別為穩(wěn)態(tài)充注和幕式充注，實驗條件如表4所示。

表3　實驗?zāi)Ｐ蛥?shù)

實驗1采用穩(wěn)態(tài)充注，充注流體為油，注油速率為0.1 mL/min。通過連續(xù)不間斷的充注，讓油在模型中運(yùn)移聚集，同時記錄每個出口的排液情況，實驗過程中拍攝記錄油的運(yùn)移路徑和過程。

實驗2采用幕式充注，每次充注壓力為2.5 MPa，注油量約13 mL。實驗開始前先使模型各砂層充分飽含水。每次向模型注油前先關(guān)閉閥門，當(dāng)ISCO泵與模型之間的高壓容器壓力達(dá)到2.5 MPa時迅速打開閥門，讓流體通過注入口進(jìn)入模型，模擬斷層幕式開啟、流體幕式釋放的過程。連續(xù)記錄每個出口的排液量。重復(fù)以上實驗過程，至出口排出的油水比穩(wěn)定、且模型內(nèi)油運(yùn)移達(dá)到穩(wěn)定時，即可停止實驗，同時拍攝和記錄整個充注過程中油運(yùn)移聚集的特征。

4.2實驗過程及結(jié)果分析

實驗過程及結(jié)果如圖6和圖7所示，不同的充注方式，優(yōu)先充注的通道和最終成藏的部位差異很大。下面結(jié)合控制優(yōu)勢運(yùn)移通道形成的三要素闡明其形成的機(jī)制。

(1)穩(wěn)態(tài)充注條件下，油氣優(yōu)先充注物性較好的輸導(dǎo)層，首先沿著物性條件相對較好的斷層F1運(yùn)移，充注順序為注入口—斷層F1下部—砂層S2左—斷層F1上部—砂層S1左—斷層F2上部—砂層S1右—出口1；隨著油氣充注的持續(xù)進(jìn)行，油突破斷層F2時又形成了注入口—斷層F1下部—砂層S2左—斷層F2中上部—砂層S1右—出口1通道，后來的通道逐漸成為主要通道。油氣最終富集于砂層S2左側(cè)和砂層S1。實驗1表明，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)移動力較小的條件下，油主要沿阻力最小的路徑運(yùn)移，非均質(zhì)性因素占主導(dǎo)作用。此實驗與運(yùn)移動力較小情況下優(yōu)勢運(yùn)移通道的形成分析相一致。

(2)幕式條件下，油氣優(yōu)先充注距注入口近的S3砂層，至F1與F2斷層拼接處時，與實驗1相反，主要沿F2斷層運(yùn)移，通過F2斷層后先充注F2上盤砂體，后充注下盤砂體，最終各砂體均有油氣聚集。實驗2表明，由于壓差很大，產(chǎn)狀因素作用增強(qiáng)，甚至超過非均質(zhì)性因素，油氣更多地沿產(chǎn)狀較陡的F2斷層運(yùn)移，優(yōu)先充注斷層上盤砂體。由于動力足夠強(qiáng)，各輸導(dǎo)體均對油有輸導(dǎo)作用，最終可形成各砂層均有油氣聚集的結(jié)果。實驗2的過程和結(jié)果與動力足夠大情況下優(yōu)勢通道的形成分析十分一致。

圖6　實驗1穩(wěn)態(tài)充注條件下油的運(yùn)移過程圖中黃色為油，白色為砂體飽含水

圖7　實驗2幕式充注條件下油的運(yùn)移過程圖中黃色為油，白色為砂體飽含水

實驗1與實驗2對比表明，不同運(yùn)移動力條件下油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道的取向差異很大。運(yùn)移動力較小的穩(wěn)態(tài)充注情況下，油氣優(yōu)先充注物性好的輸導(dǎo)體；動力較強(qiáng)的幕式充注條件下，物性雖差但產(chǎn)狀有利的輸導(dǎo)體同樣可成為優(yōu)勢運(yùn)移通道。兩實驗進(jìn)一步證實了前面的理論計算得出的結(jié)論。

實驗結(jié)果也表明XJZ油藏主要的成藏方式是幕式充注，該條件下深層物性差的砂體均可形成油氣富集。

5　結(jié)論

綜合前人研究成果，并通過本文的理論計算和實驗分析表明，油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道的形成主要受輸導(dǎo)層非均質(zhì)性、通道產(chǎn)狀和運(yùn)移動力“三要素”控制?！皠恿Α币厥呛诵?，控制著油氣運(yùn)移的總體趨勢和方向；“產(chǎn)狀”要素對“動力”要素起約束作用；“非均質(zhì)性”要素決定著油氣能否運(yùn)移以及油氣運(yùn)移的速度。“三要素”分析表明，非均質(zhì)性或毛細(xì)管阻力并不是影響優(yōu)勢運(yùn)移通道的決定性因素，優(yōu)勢通道的選擇與輸導(dǎo)體的產(chǎn)狀和油氣運(yùn)移動力有重要的關(guān)系。當(dāng)運(yùn)移動力較小情況下，油氣優(yōu)先沿著阻力較小的輸導(dǎo)體運(yùn)移；隨著動力的增強(qiáng)，產(chǎn)狀因素作用逐漸顯現(xiàn)，如果動力足夠大，具有有利產(chǎn)狀的輸導(dǎo)體可成為最終的優(yōu)勢通道。油氣優(yōu)勢運(yùn)移通道實際上是“三要素”綜合作用的結(jié)果。宏觀上的油氣運(yùn)移趨勢也可由運(yùn)移動力、構(gòu)造和輸導(dǎo)系統(tǒng)三者所統(tǒng)一起來。

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(編輯韓彧)

Three factors controlling petroleum migration pathways: A case study of XJZ oilfield in the Gaoyou Sag, North Jiangsu Basin

Li Heyong1, Tian Kun1, Qiu Xuming1, Liu Qidong1, Liu Zhen2, Song Liyan1

(1.SINOPECJiangsuOilfieldBranchCompany,Yangzhou,Jiangsu225012,China; 2.KeyLaboratoryforHydrocarbonAccumulationMechanismofMinistryofEducation,UniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The analysis of prevailingpetroleum migration pathways can help evaluate petroleum exploration targets. Three factors control migration pathways, including the heterogeneity of carrier beds, the attitude of migration pathways and fluid dynamic force. A case study was made in the XJZ oilfieldin the Gaoyou Sag, North Jiangsu Basin, to considerthe controlling effects on petroleum migration pathways. Fluid dynamic force plays a core role and controls the direction of petroleum migration. The attitude of pathways constrainsfluid dynamic force. The he-terogeneity of carrier beds determines whether petroleum can migrate and the velocity of migration. Petroleum migration pathways are determined bythe interaction of three factors.

heterogeneity;attitude of migration pathways;fluid dynamic force;prevail petroleum migration pathways; Gaoyou Sag; North Jiangsu Basin

1001-6112(2016)05-0577-07doi：10.11781/sysydz201605577

2016-04-14；

2016-07-12。

李鶴永(1974—)，男，博士，高級工程師，從事石油地質(zhì)研究。E-mail：liheyong@163.com。

中國石油化工股份有限公司項目“蘇北盆地構(gòu)造體系、演化與成藏研究”(P15077)和江蘇油田分公司項目“漢留斷裂帶油氣富集規(guī)律研究及圈閉評價”(JS14001)聯(lián)合資助。

TE122.1

A