油氣二次運(yùn)移通道穩(wěn)定性及其成因機(jī)制*

姜 林，薄冬梅，洪 峰，郝加慶，樊 陽，3

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 海淀 100083 2.“盆地構(gòu)造與油氣成藏”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司，北京 海淀 100083 3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580

油氣二次運(yùn)移通道穩(wěn)定性及其成因機(jī)制*

姜 林1，2，薄冬梅1，洪 峰1，2，郝加慶1，2，樊 陽1，2，3

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 海淀 100083 2.“盆地構(gòu)造與油氣成藏”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司，北京 海淀 100083 3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580

烴源巖生成的油氣要經(jīng)過一定距離的二次運(yùn)移后才能在有效的圈閉中聚集成藏，因此油氣二次運(yùn)移的過程對(duì)于油氣最終聚集率有很大的影響。原油的二次運(yùn)移過程可分為活塞式和優(yōu)勢(shì)式，天然氣二次運(yùn)移是一種由活塞式和優(yōu)勢(shì)式兩種基本運(yùn)移方式組成的斷續(xù)式運(yùn)移。二次運(yùn)移模式的不同導(dǎo)致了油氣運(yùn)移路徑的穩(wěn)定性存在差異，采用染色煤油和氮?dú)夥謩e進(jìn)行二次運(yùn)移過程物理模擬實(shí)驗(yàn)，通過多次充注的方式探討油氣二次運(yùn)移通道穩(wěn)定性，并結(jié)合油氣水物性特征差異及其與孔隙巖石的關(guān)系分析了其成因機(jī)制。認(rèn)為原油二次運(yùn)移過程中形成比較穩(wěn)定的運(yùn)移通道，運(yùn)移效率較高；天然氣二次運(yùn)移過程中形成一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)移通道，運(yùn)移散失量較大。

二次運(yùn)移；優(yōu)勢(shì)通道；潤(rùn)濕性；穩(wěn)定性；運(yùn)聚效率

姜 林，薄冬梅，洪 峰，等．油氣二次運(yùn)移通道穩(wěn)定性及其成因機(jī)制[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（3）：54–58．

Jiang Lin,Bao Dongmei,Hong Feng,et al．Stability and Formation Mechanism Analysis of Secondary Migration Pathway of Hydrocarbon[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：54–58．

油氣聚集效率是資源評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，目前認(rèn)為運(yùn)移過程中儲(chǔ)集層滯留烴量是烴類散失的重要原因，并且天然氣的運(yùn)聚效率遠(yuǎn)低于原油[1-4]，但是其成因機(jī)制尚需要進(jìn)行深入地探討。

油氣在巖石孔隙運(yùn)移過程中，并非在所有的運(yùn)載層中都發(fā)生二次運(yùn)移，而僅僅是沿部分優(yōu)勢(shì)通道運(yùn)移[5-12]，而這種優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道的穩(wěn)定性也直接影響了油氣的運(yùn)聚效率。穩(wěn)定的運(yùn)移通道往往運(yùn)移散失量較低，而不穩(wěn)定的運(yùn)移通道通常運(yùn)移散失量較高。原油的二次運(yùn)移過程可分為活塞式和優(yōu)勢(shì)式[13-16]，天然氣二次運(yùn)移則是一種由活塞式和優(yōu)勢(shì)式兩種基本運(yùn)移方式組成的斷續(xù)式運(yùn)移[17]，油氣的運(yùn)移模式的差異會(huì)影響其運(yùn)移通道的穩(wěn)定性。因此，開展油氣二次運(yùn)移通道穩(wěn)定性研究對(duì)于烴類運(yùn)移散失的成因及油氣運(yùn)聚效率的差異都具有重要的地質(zhì)意義。

1 油氣水與孔隙巖石的關(guān)系

儲(chǔ)集層中呈流體形式存在的物質(zhì)主要有石油、天然氣和地層水。石油呈液態(tài)，主要由分子量較高的烴類物質(zhì)組成；天然氣呈氣態(tài)，一般主要是甲烷到丁烷，其中以甲烷最多；地層水呈液態(tài)，主要是由分子量非常小的水分子組成[18-19]。油氣水物理性質(zhì)上的差異導(dǎo)致三者與孔隙巖石之間存在不同的關(guān)系：地層水與沉積物共生，并伴隨整個(gè)成巖過程，一般巖石都具有親水性，而水分子具有一定的極性，容易被巖石吸附而形成吸附水；原油則主要是由大分子量化合物組成，而且極性大都強(qiáng)于水分子（如瀝青質(zhì)等）。因此，原油在充滿地層水的孔隙中運(yùn)移時(shí)，不僅會(huì)排驅(qū)巖石孔隙中央的地層水，還會(huì)置換孔隙巖石表面的吸附水，而最終將孔隙巖石表面變?yōu)橛蜐?rùn)濕；天然氣呈氣態(tài)，一般由甲烷（CH4）和一些重?zé)N氣（C2+）的組分構(gòu)成，大都無極性，而且分子量較小、分子間的相互作用力很弱，不具備置換巖石顆粒表面吸附水的能力，因此，當(dāng)天然氣進(jìn)入水濕的巖石孔隙時(shí)，只能排驅(qū)孔隙中央的與巖石表面沒有作用或作用力非常弱的地層水，而基本上不會(huì)影響到巖石表面的吸附水。

2 油氣多次充注物理模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用一維可視油氣運(yùn)移物理模擬裝置，模型管長(zhǎng)150 cm，內(nèi)徑38 mm，外徑42 mm，填充物是玻璃微珠（玻璃珠酸泡堿泡去雜質(zhì)，浸在蒸餾水中水潤(rùn)濕），玻璃微珠直徑為0.59～0.71 mm。

2.1 模型填裝

主要進(jìn)行飽和蒸餾水填裝模型。飽和蒸餾水填充玻璃微珠時(shí)首先將玻璃管一端膠塞封閉，然后注入一定量的蒸餾水，再使用漏斗將玻璃珠與蒸餾水一起注入玻璃管，蒸餾水溢出，最終玻璃珠填滿玻璃管，形成飽和蒸餾水模型。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

主要進(jìn)行管線連接和安裝實(shí)時(shí)攝錄裝置，即將照相機(jī)與計(jì)算機(jī)互聯(lián)，通過計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)的拍攝頻率，實(shí)現(xiàn)相機(jī)間隔照相、計(jì)算機(jī)直接存儲(chǔ)照片的功能。

2.3 模擬實(shí)驗(yàn)

主要進(jìn)行注入并采出流體。注入流體過程采用的方法是底部持續(xù)慢速注入原油/氮?dú)?，采出流體過程采用的方法是頂部采出收集，當(dāng)注油氣停止時(shí)關(guān)閉頂部出口。首先以1.0 mL/min的速度注入20.0 mL煤油，以0.02 MPa的壓力注入氮?dú)?0 s，煤油/氮?dú)膺\(yùn)移至模型頂部、不再形成運(yùn)移后，再次以同樣方式注入同樣數(shù)量的煤油/氮?dú)?，觀察運(yùn)移路徑是否改變，通過照相機(jī)實(shí)時(shí)拍照的方式記錄染紅色煤油及氮?dú)獾倪\(yùn)移過程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，煤油一次充注的過程出現(xiàn)了活塞式和優(yōu)勢(shì)式兩種模式，當(dāng)以一定速率注入煤油的時(shí)候，首先在模型底部形成活塞式的充注，充注率較高，隨著油柱高度的不斷增大，煤油逐漸沿有限的優(yōu)勢(shì)通道運(yùn)移，而且在運(yùn)移的整個(gè)過程中，運(yùn)移的速率逐漸增大，運(yùn)移至頂部時(shí)，逐漸形成了聚集，而且運(yùn)移路徑上的煤油殘留量在減少導(dǎo)致顏色逐漸變淡；二次充注煤油沿前期運(yùn)移路徑運(yùn)移，運(yùn)移通道未改變，并在模型頂部形成了聚集，運(yùn)移路徑上的顏色也在逐漸變淡，最終聚集量與充注量相當(dāng)（圖1）。

氮?dú)庖淮纬渥⒌倪^程顯示氣體沿有限的通道運(yùn)移，而且運(yùn)移的速率較快，充注完成后，氣體幾乎都滯留分散在模型中下部；二次充注氮?dú)鈺r(shí)，氣體沿更多運(yùn)移路徑運(yùn)移，運(yùn)移通道更加復(fù)雜，形成斷續(xù)式運(yùn)移，并且氣體在通道中滯留量較大，放置一段時(shí)間后，氣體在模型頂部形成聚集，但運(yùn)移路徑上的滯留量仍然較大（圖2）。

圖1 油二次充注物理模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程Fig.1 Diagram of multi-oil filling physical simulation experiment

圖2 氣二次充注物理模擬實(shí)驗(yàn)過程Fig.2 Diagram of multi-oil filling physical simulation experiment

3 油氣運(yùn)聚過程差異分析

油氣多次充注物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原油和天然氣的二次運(yùn)移過程是不同的，原油二次運(yùn)移主要是一種優(yōu)勢(shì)式運(yùn)移，天然氣二次運(yùn)移主要是一種斷續(xù)式運(yùn)移；在運(yùn)移路徑上的殘留量也有很大差異，原油在運(yùn)移路徑上的殘留量相對(duì)較低，而天然氣在運(yùn)移路徑上的殘留量相對(duì)較高。結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，油氣二次運(yùn)移過程首先與其發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，油、氣、水的物化性質(zhì)及其與孔隙巖石的相互作用關(guān)系直接影響了油氣二次運(yùn)移過程。

地層水伴隨著地層的演化過程，是巖石孔隙中的原生流體，并且占據(jù)了絕對(duì)量的優(yōu)勢(shì)；而油氣是成巖之后進(jìn)入巖石孔隙的流體物質(zhì)，是次生流體。在某種意義上說，油氣的運(yùn)移可以看作是在巖石孔隙和地層水中進(jìn)行的，并且與地層水的運(yùn)動(dòng)相伴。原油與地層水均呈液態(tài)，雖然原油密度比地層水小，但是各組分分子一般較水分子大，其中瀝青質(zhì)分子不僅分子量高，而且具有比地層水更強(qiáng)的極性。因此在浮力作用下，原油在巖石孔隙中運(yùn)移時(shí)，不僅會(huì)排驅(qū)孔隙中央的地層水，而且會(huì)置換被吸附在巖石表面的地層水，最終將水濕巖石變?yōu)橛蜐瘢⑶倚纬上鄬?duì)穩(wěn)定的運(yùn)移通道。從從原油運(yùn)移過程來看，主要是優(yōu)勢(shì)式運(yùn)移，當(dāng)活塞式運(yùn)移原油的垂直液柱高度增大到一定程度，浮力大于毛細(xì)管阻力，并達(dá)到一個(gè)臨界的壓力差時(shí)，浮力將對(duì)原油的運(yùn)移產(chǎn)生作用，在浮力的驅(qū)動(dòng)下，原油將沿毛細(xì)管阻力較小的、孔隙度滲透率較高的優(yōu)勢(shì)通道運(yùn)移。天然氣是由低分子量的烴類或非烴氣體組成，一般呈氣態(tài)，與原油和地層水的差異明顯，密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原油和地層水，分子間相互作用力非常弱，擴(kuò)散能力較強(qiáng)。由于天然氣分子小，而且沒有極性，因此不能置換吸附在巖石表面的地層水。從天然氣的運(yùn)移方式上看，與原油運(yùn)移明顯不同的是天然氣運(yùn)移是一種斷續(xù)式運(yùn)移，不能形成類似與原油運(yùn)移的穩(wěn)定的運(yùn)移通道，而是在一定范圍內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)運(yùn)移通道。

因此，油氣二次運(yùn)移模式的不同導(dǎo)致了其運(yùn)移路徑的穩(wěn)定性存在差異，原油二次運(yùn)移過程中形成比較穩(wěn)定的運(yùn)移通道，運(yùn)移效率較高，在運(yùn)移路徑上的殘留量相對(duì)較低；天然氣二次運(yùn)移過程中形成一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)移通道，運(yùn)移散失量較大，在運(yùn)移路徑上的殘留量相對(duì)較高。

4 結(jié) 論

（1）原油具有比地層水更大的分子量和更強(qiáng)的極性，二次運(yùn)移過程中可以改變巖石潤(rùn)濕性，并與孔隙巖石建立穩(wěn)定的關(guān)系，形成相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)移通道，后期原油可沿該運(yùn)移通道運(yùn)移，運(yùn)移損失量低，運(yùn)移效率相對(duì)較高。

（2）天然氣不具備改變巖石潤(rùn)濕性的能力，在水潤(rùn)濕的巖石空隙中運(yùn)移的過程中，不能形成類似原油二次運(yùn)移的穩(wěn)定通道，而是一種動(dòng)態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)移通道，運(yùn)移路徑的變化導(dǎo)致運(yùn)移范圍增大，運(yùn)移散失量大，運(yùn)移效率相對(duì)較低。

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編輯：王旭東

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Stability and Formation Mechanism Analysis of Secondary Migration Pathway of Hydrocarbon

Jiang Lin1，2,Bao Dongmei1,Hong Feng1，2,Hao Jiaqing1，2,Fan Yang1，2，3
1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development，CNPC，Haidian，Beijing 100083，China 2.Key Laboratory of Basin Structure and Hydrocarbon Accumulation，CNPC，Haidian，Beijing 100083，China 3.School of Earth Sciences and Technology，China University of Petroleum（East China），Qingdao，Shandong 266580，China

In order to accumulate in effective trap，hydrocarbon generated form source rocks has to go through a certain distance of secondary migration，therefore the process of hydrocarbon secondary migration has a great influence on ultimate hydrocarbon accumulation rate.The secondary migration process of crude oil can be divided into two types：piston pattern and advantage pattern；the secondary migration of gas is an intermittent migration process composed of piston pattern and advantage pattern.The difference of secondary migration pattern leads to the differences in the migration pathway stability between oil and gas.This study used dyed kerosene and nitrogen to conduct physical simulation experiment of secondary migration process respectively，and discussed secondary migration pathway stability of oil and gas through way of more than one filling，and analyzed its formation mechanism in view of the different physical characteristics between oil，gas and water and the relation of the difference to porosity of reservoir rock.In our opinion，a fairly stable migration pathway could be formed in the process of oil secondary migration，so its transport efficiency is higher；natural gas forms a relatively stable dynamic migration pathway in the process of secondary migration，the loss amount while migrating is larger.

secondary migration；preferential migration pathway；wettability；stability；migration and accumulation efficiency

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.08.11.05.html

姜林，1976年生，男，漢族，山東牟平人，高級(jí)工程師，博士，主要從事油氣藏的形成與分布方面的研究工作。E-mail：jianglin01@petrochina.com.cn

薄冬梅，1974年生，女，漢族，山東東營(yíng)人，博士，主要從事油氣分布規(guī)律與數(shù)學(xué)地質(zhì)研究。E-mail：bdmei@petrochina.com.cn

洪 峰，1962年生，男，漢族，廣東湛江人，高級(jí)工程師，主要從事油氣分布規(guī)律研究。E-mail：hfe@petrochina.com.cn

郝加慶，1980年生，男，漢族，安徽安慶人，碩士，主要從事石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)研究。E-mail：haojiaqing@petrochina.com.cn

樊陽，1990年生，女，漢族，山東鄆城人，碩士，主要從事油氣藏的形成與分布研究。E-mail：fanyang1228@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.08.11.05

1674-5086（2014）03-0054-05

TE122.1

A

2013–08–11 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2014–05–21

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05003–001）；中國(guó)石油科技項(xiàng)目（2011B–04）；中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院院級(jí)項(xiàng)目（2011Y–004）。