烴氣在泥巖和砂巖中的微滲漏特征及油氣勘探意義

黃臣軍，王國(guó)建，盧 麗，楊 帆，高俊陽

(中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

烴氣在泥巖和砂巖中的微滲漏特征及油氣勘探意義

黃臣軍，王國(guó)建，盧 麗，楊 帆，高俊陽

(中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

利用2個(gè)小型的烴氣微滲漏實(shí)驗(yàn)裝置，模擬了泥巖和砂巖中烴氣微滲漏的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的烴組分含量達(dá)到平衡后則相對(duì)穩(wěn)定，且平衡后的各組分占總烴含量的百分比不受測(cè)點(diǎn)烴組分及總烴含量大小的影響，而與測(cè)點(diǎn)至烴源的距離有關(guān)。這一特征在油氣勘探上具有2點(diǎn)啟示：一是通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M或?qū)嵉販y(cè)量烴組分的平衡時(shí)間，可以計(jì)算烴氣的微滲漏速率，進(jìn)而可以根據(jù)烴氣的微滲漏模式來估算油氣藏的散失量；二是通過井中化探或氣測(cè)錄井研究烴組分占總烴含量的百分比在垂向地層中的變化規(guī)律，可以預(yù)測(cè)油氣藏的深度。

烴類微滲漏；烴組分分異；平衡時(shí)間；油氣藏散失量；油氣藏深度；實(shí)驗(yàn)?zāi)M

油氣藏中的烴類在各種驅(qū)動(dòng)力的作用下，可以穿透上覆巖層緩慢地、持續(xù)地向地表發(fā)生微滲漏并可被現(xiàn)代分析儀器所檢測(cè)，這是油氣地球化學(xué)勘探的理論基礎(chǔ)[1-5]。前人在烴氣微滲漏機(jī)制方面已做過很多研究[2-3,6-8]，但絕大多數(shù)是在理論上的計(jì)算或數(shù)值模擬。關(guān)于油氣運(yùn)移物理模擬的研究比較少見，為數(shù)不多的物理模擬主要集中于油氣在成藏之前的初次運(yùn)移與二次運(yùn)移方面[9-13]；也有少量關(guān)于烴類微滲漏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M的研究[3,5,14]。本文研制了2個(gè)小型烴氣微滲漏裝置，模擬烴氣在泥巖和砂巖中的微滲漏特征，以期為計(jì)算油氣藏散失量及預(yù)測(cè)油氣藏深度提供依據(jù)。

1 烴氣微滲漏模擬裝置與實(shí)驗(yàn)程序

1.1烴氣微滲漏模擬裝置

烴氣微滲漏的簡(jiǎn)化地質(zhì)模型[3,5]包括油氣藏、直接蓋層和上覆蓋層。在本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，將直接蓋層和上覆蓋層進(jìn)一步簡(jiǎn)化成同一種巖性，即泥巖或砂巖。實(shí)驗(yàn)裝置采用全密封設(shè)計(jì)，主要由上部空腔圓柱體、下部?jī)?chǔ)氣腔(兩者之間由微孔砂芯片隔離)、側(cè)壁取氣口和頂部取氣口組成(圖1)。在2個(gè)模擬裝置的上部空腔圓柱體內(nèi)分別灌注混凝土和石英砂，用以模擬泥巖和砂巖；底部?jī)?chǔ)氣腔內(nèi)注入一定量的標(biāo)準(zhǔn)氣，用以模擬油氣藏。

圖1 烴類微滲漏實(shí)驗(yàn)?zāi)M用的小型裝置Fig.1 Mini apparatus for hydrocarbon micro-seepage simulation

1.2烴氣微滲漏實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)可分為4個(gè)程序：1)將2個(gè)模擬裝置分別命名為“水泥柱”和“石英砂柱”。每個(gè)裝置側(cè)壁上設(shè)計(jì)有4個(gè)取氣口(圖1)，分別編號(hào)為1，2，3，4，水泥柱1號(hào)取氣口命名為“水泥柱1”，石英砂柱1號(hào)取氣口命名為“石英砂柱1”，其他類同。2個(gè)裝置的頂部取氣口分別命名為“水泥柱頂”和“石英砂柱頂”，儲(chǔ)氣腔底部的取氣口分別命名為“水泥柱底”和“石英砂柱底”。2個(gè)裝置的1號(hào)取氣口使用微孔砂芯將取氣腔與圓柱體內(nèi)環(huán)境隔離，2，3，4號(hào)取氣口使用半透膜隔離，頂部取氣口與圓柱體內(nèi)環(huán)境直接接觸。其中4號(hào)取氣口內(nèi)接閥芯，使內(nèi)端口伸入至圓柱體內(nèi)腔的中軸線位置。2)進(jìn)行柱體灌注。向水泥柱上部空腔灌注混凝土，使用的水泥和石英砂的配比為2∶1(體積)，石英砂按粗(8～16 目)、中(16～32 目)、細(xì)(70～120 目)等比例混合；向石英砂柱上部空腔灌注飽和水的細(xì)石英砂(70～120 目)。3)通入標(biāo)準(zhǔn)氣。待灌注的柱體固結(jié)(水泥柱)或壓實(shí)(石英砂柱)后，首先向裝置下部的儲(chǔ)氣腔注滿純凈水，然后用排水法向儲(chǔ)氣腔內(nèi)注入一定量的標(biāo)準(zhǔn)氣(標(biāo)準(zhǔn)氣的烴組分含量(摩爾分?jǐn)?shù)/10-6)：CH4為359, C2H6為193, C2H4為 83, C3H8為123, C3H6為64,iC4H10為71,nC4H10為95,iC5H12為53,nC5H12為73)，氣體壓力為0.1 MPa。4)取樣測(cè)試。通氣前首先對(duì)模擬泥巖和砂巖進(jìn)行烴組分背景濃度測(cè)試，之后每周定期取樣測(cè)試一次。測(cè)試儀器為Agilent 6890N GC系統(tǒng)。

2 烴氣微滲漏模擬結(jié)果

2.1烴氣微滲漏模擬裝置的性能分析

水泥柱中第4次測(cè)試的各測(cè)點(diǎn)的烴組分含量(圖2a)大小關(guān)系是：水泥柱底(儲(chǔ)氣腔)gt;水泥柱2(半透膜)≈水泥柱3(半透膜)≈水泥柱4(半透膜)gt;水泥柱柱頂(直接接觸)，水泥柱1(砂芯)除甲烷外，其他組分接近空白。石英砂柱中第4次測(cè)試的各測(cè)點(diǎn)的烴組分含量(圖2b)大小關(guān)系是：石英砂柱底(儲(chǔ)氣腔)gt;石英砂柱1(砂芯)gt;石英砂柱3(半透膜)≈石英砂柱4(半透膜)gt;石英砂柱頂(直接接觸)，石英砂柱2(半透膜)為空白。

綜合水泥柱和石英砂柱的測(cè)試結(jié)果，水泥柱1和石英砂柱2測(cè)點(diǎn)的烴組分接近空白值，說明這2個(gè)取氣口發(fā)生故障，樣品測(cè)試值無效。2個(gè)模擬柱的其他測(cè)點(diǎn)的烴組分含量變化規(guī)律相似，大小順序?yàn)椋簝?chǔ)氣腔gt;砂芯測(cè)點(diǎn)gt;半透膜測(cè)點(diǎn)(各半透膜測(cè)點(diǎn)的含量近似)gt;頂部測(cè)點(diǎn)(砂芯測(cè)點(diǎn)與半透膜測(cè)點(diǎn)位于同一高度，頂部測(cè)點(diǎn)離氣源最遠(yuǎn))。這說明各半透膜透氣性相似，砂芯的透氣性大于半透膜；測(cè)點(diǎn)離氣源越遠(yuǎn)，烴組分含量越小。可見，除了水泥柱1和石英砂柱2取氣口發(fā)生故障外，其他取氣口均正常工作。

圖2 水泥柱和石英砂柱中 各測(cè)點(diǎn)烴組分含量曲線(第4次測(cè)試)Fig.2 Hydrocarbon componential content of sampling points in simulated mudstone and sandstone (4th testing)

2.2模擬泥巖中的烴氣微滲漏特征

固結(jié)后的模擬泥巖物性為：視密度為2.08 g/cm3，孔隙度為17.78%，滲透率為0.016 6 mD，突破壓力為5.228 MPa，中值半徑為14.094 nm，優(yōu)勢(shì)孔隙范圍為10.2～25.0 nm，其物性相當(dāng)于Ⅳ-Ⅴ類泥巖[15]。

水泥柱4號(hào)測(cè)點(diǎn)各烴組分占總烴含量的百分比隨時(shí)間的變化(圖3)可以看出，第1次測(cè)試中，CH4、C2H6、C2H4占總烴的百分比均大于標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)應(yīng)組分的百分比，且前者與后者的差值隨烴組分分子半徑增大而減??；C3-C5的百分比均小于標(biāo)準(zhǔn)氣中對(duì)應(yīng)組分的百分比，且前者與后者的差值隨烴組分分子半徑增大而增大；在第2,3次測(cè)試中，CH4百分比逐漸降低，C2H6和C2H4百分比先升后降，C3以上的百分比逐漸增大；第4次測(cè)試，CH4百分比增大，C2、C3百分比繼續(xù)降低，C4以上烴組分百分比繼續(xù)增大。從水泥柱4號(hào)測(cè)點(diǎn)各烴組分含量隨時(shí)間的變化(圖4)可以看出，隨時(shí)間的遷移，烴氣各組分含量逐漸降低，降低幅度大致隨烴組分分子半徑增大而減小。水泥柱的其他幾個(gè)正常測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果具有與4號(hào)測(cè)點(diǎn)類似的規(guī)律。

以上現(xiàn)象的原因是，烴氣在水泥柱中向上運(yùn)移，CH4運(yùn)移速率最大，隨烴組分分子半徑的增大，運(yùn)移速率逐漸減小。由于是一次性向儲(chǔ)氣腔中注入定量的標(biāo)準(zhǔn)氣，即整個(gè)模擬系統(tǒng)中的烴氣最大總量是一定的，隨著烴氣不斷地被采樣抽出，模擬系統(tǒng)中的烴氣總量將越來越少。因此，運(yùn)移速率越大的烴組分，每次采樣被抽出的數(shù)量也越多，其含量降低的幅度也越大。從而造成了運(yùn)移速率最大的烴組分占總烴含量的百分比逐漸降低，運(yùn)移速率其次的先增大后降低，而運(yùn)移速率較小的則逐漸增大。

圖4 水泥柱4號(hào)測(cè)點(diǎn)各烴組分含量隨時(shí)間的變化Fig.4 Hydrocarbon componential content vs. time of sampling point no. 4 in simulated mudstone

2.3模擬砂巖中的烴氣微滲漏特征

由于模擬砂巖是沒有經(jīng)過膠結(jié)的松散細(xì)粒石英砂，因此其孔滲性要比地層中的砂巖好得多。

從第4次測(cè)試的兩測(cè)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)烴組分含量的比值(圖5)可以看出，石英砂柱4相對(duì)于石英砂柱底(情形一)、石英砂柱1相對(duì)于石英砂柱底(情形二)、石英砂柱4相對(duì)于石英砂柱1(情形三)的烴組分含量的比值具有隨烴組分分子半徑增大而減小的趨勢(shì)。因此，在以上3種情形中，前者與后者之間均存在一定的相對(duì)梯度，且不同組分的相對(duì)梯度亦不同，具有隨烴組分分子半徑增大而變大的趨勢(shì)。

根據(jù)情形一和情形二，石英砂柱中的上部測(cè)點(diǎn)相對(duì)于底部測(cè)點(diǎn)(相當(dāng)于烴源)均存在一定的相對(duì)梯度，且隨著烴組分分子半徑的增大，相對(duì)梯度變大。這說明烴氣向上運(yùn)移要受到孔隙介質(zhì)(模擬砂巖)的滲濾作用，且隨著烴組分分子半徑的增大，其運(yùn)移阻力增強(qiáng)，從而造成了圖5所示的烴組分含量的比值隨分子半徑增大而減小的現(xiàn)象。另外，在情形三中，砂柱4與內(nèi)環(huán)境的接觸口位于圓柱體的中軸線位置，砂柱1與內(nèi)環(huán)境的接觸口位于側(cè)壁，2個(gè)測(cè)點(diǎn)處于同一高度；不同的是，砂柱4與內(nèi)環(huán)境之間由半透膜隔離，而砂柱1與內(nèi)環(huán)境之間由砂芯隔離，由于砂芯的孔滲性極好，可以看作是與內(nèi)環(huán)境自由連通的。從情形三(圖5)可以看出，石英砂柱4與1之間也具有一定的相對(duì)梯度，這說明半透膜對(duì)烴氣也具有一定的滲濾作用。

由于石英砂柱1與內(nèi)環(huán)境之間是由砂芯隔離的，可以看作是與內(nèi)環(huán)境自由連通的，因此該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)最能反映測(cè)點(diǎn)處的微滲漏情況。由圖6可見，一方面，石英砂柱中CH4占總烴含量百分比大于標(biāo)準(zhǔn)氣中CH4的百分比，C2-C5各組分百分比均小于標(biāo)準(zhǔn)氣，且隨碳原子數(shù)增加，這種差異逐漸增大；另一方面，隨著時(shí)間的變化，各烴組分占總烴含量的百分比幾乎不變。圖7表示的是石英砂柱1號(hào)測(cè)點(diǎn)烴組分含量隨時(shí)間的變化，可以看出，烴組分含量總體呈變小趨勢(shì)。因此，上述的石英砂柱中1號(hào)測(cè)點(diǎn)烴氣微滲漏總的特征是：測(cè)點(diǎn)的烴組分含量隨時(shí)間的遷移具有一定的波動(dòng)性，總體呈變小趨勢(shì)，而各烴組分占總烴含量的百分比幾乎不隨時(shí)間發(fā)生變化。這說明測(cè)點(diǎn)烴組分占總烴含量的百分比與烴組分及總烴含量大小無關(guān)。

圖5 石英砂柱中兩測(cè)點(diǎn)之間 對(duì)應(yīng)烴組分含量的比值(第4次測(cè)試)Fig.5 Ratio of hydrocarbon componential content between 2 sampling points in simulated sandstone (4th testing)

圖6 石英砂柱1號(hào)測(cè)點(diǎn)烴組分占 總烴含量百分比隨時(shí)間的變化Fig.6 Hydrocarbon componential percentage in total hydrocarbon vs. time of sampling point no. 1 in simulated sandstone

圖7 石英砂柱1號(hào)測(cè)點(diǎn)烴組分含量隨時(shí)間的變化Fig.7 Hydrocarbon componential content vs. time of sampling point no. 1 in simulated sandstone

對(duì)比模擬砂巖和泥巖中的烴氣微滲漏特征，兩者之間的區(qū)別在于：前者的烴組分占總烴含量的百分比隨時(shí)間遷移幾乎不發(fā)生變化；而后者出現(xiàn)運(yùn)移速率最大的烴組分占總烴含量的百分比逐漸降低、運(yùn)移速率其次的先增大后降低、運(yùn)移速率最小的則逐漸增大的規(guī)律。究其原因是模擬砂巖的孔滲性遠(yuǎn)比模擬泥巖的好，烴氣在砂巖中運(yùn)移速度快，烴組分平衡時(shí)間短，在兩次取樣間隔時(shí)間內(nèi)，各烴組分都已達(dá)到平衡狀態(tài)，雖然每次取樣會(huì)減少模擬系統(tǒng)內(nèi)的總烴含量，但各烴組分均是按平衡狀態(tài)的烴組分比例同步減少，因此，模擬系統(tǒng)內(nèi)部殘余烴氣的烴組分百分比幾乎保持不變。而烴組分在模擬泥巖中運(yùn)移速度慢，平衡時(shí)間長(zhǎng)，在取樣的間隔時(shí)間內(nèi)，烴組分沒有達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 結(jié)論與啟示

1)孔隙性介質(zhì)(如巖石)對(duì)烴類運(yùn)移具有滲濾作用，烴組分分子半徑越大，其所受到的運(yùn)移阻力也越大。這導(dǎo)致烴類通過上覆巖層發(fā)生垂向微滲漏時(shí)會(huì)出現(xiàn)分異效應(yīng)，即距烴源越遠(yuǎn)，重?zé)N組分含量越少，而輕烴組分含量相對(duì)增大。因此，烴類微滲漏會(huì)在垂向地層中形成特定的烴組分變化規(guī)律。

2)烴組分含量達(dá)到平衡狀態(tài)需要一定的平衡時(shí)間，這個(gè)平衡時(shí)間可以通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來獲得。根據(jù)烴氣微滲漏的平衡時(shí)間，可以計(jì)算烴氣在巖層中的微滲漏速率，進(jìn)而可以根據(jù)油氣藏的微滲漏模式來計(jì)算油氣藏散失量。

3)根據(jù)平衡狀態(tài)的烴組分占總烴含量的百分比不受測(cè)點(diǎn)烴組分及總烴含量大小的影響，而與測(cè)點(diǎn)至烴源的距離有關(guān)的特點(diǎn)，研究井中化探或氣測(cè)錄井的烴組分百分比在垂向上的變化規(guī)律，可以為油氣藏深度預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

致謝:陳偉鈞為本文模擬裝置的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，湯玉平、徐文明、吳傳芝等人為本文的修改提供了寶貴意見，在此一并感謝！

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(編輯徐文明)

Micro-seepageofhydrocarbongasinmudstoneandsandstoneanditssignificanceforoilandgasexploration

Huang Chenjun, Wang Guojian, Lu Li, Yang Fan, Gao Junyang

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

Two mini apparatus were initially made and employed for the experimental simulation of hydrocarbon gas micro-seepage through mudstone and sandstone separately. It was found out that the ratio of hydrocarbon gas components would maintain stable if they had reached the balance state in a certain sampling point and the balanced componential percentage in the total hydrocarbon was in positive correlation with the distance between sampling point and hydrocarbon resource. These characters of hydrocarbon micro-seepage have two pieces of significance: On one hand, the balance time could be calculated through experimental research or field measurement. According to the balance time, the micro-seepage velocity of hydrocarbon gas could be accounted, as well as the micro-seepage amount of hydrocarbon gas from a reservoir further according to micro-seepage model. On the other hand, through the study of the characteristics of the vertical curve of hydrocarbon componential percentage in total hydrocarbon tested from core geochemical exploration or hydrocarbon gas logging, the depth of a potential reservoir is likely to be predicted.

hydrocarbon micro-seepage; hydrocarbon componential differentiation; balance time; micro-seepage amount; reservoir depth; experimental simulation

1001-6112(2013)04-0445-04

10.11781/sysydz201304445

TE132.4

A

2012-10-16；

2013-05-29。

黃臣軍(1983—)，男，碩士，助理工程師，從事油氣地球化學(xué)勘探研究。E-mail: huangcj.syky@sinopec.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072099)資助。