油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術研究進展

公言杰 ，柳少波 ，姜林 ，洪峰 ，張贊武

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083；3.中國石化中原油田分公司油藏經(jīng)營管理辦公室，河南 濮陽 457001）

0 引言

油氣成藏研究包括成藏的最基本條件，諸如油源、儲層、蓋層、圈閉，以及成藏條件在地質歷史配合所發(fā)生的動力學過程及其結果［1-8］。在成藏學研究歷史上，如何利用實驗室條件模擬漫長地質歷史條件下的油氣成藏過程，是眾多地質學家一直探討的問題。

油氣二次運移可視化物理模擬技術是通過物理模擬把地質學、成藏動力學、流體動力學等學科結合起來，從動態(tài)的、立體的、可視的、定量的角度來認識油氣運移成藏史，是一種有力的油氣地質研究工具［9］。

油氣二次運移可視化物理模擬實驗是油氣成藏研究的重要手段，在石油地質理論的發(fā)展中起著重要作用，主要體現(xiàn)在3個方面：一是確定油氣成藏參數(shù)；二是模擬油氣成藏過程；三是探討油氣成藏機制。

1 實驗技術類型

油氣二次運移可視化物理模擬實驗本質在于實驗條件模擬實際地質條件，物理模擬實驗設備的選取對于實驗技術起決定性控制作用。針對油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術的分類，國外學者沒有提出明確的方案；曾濺輝等［10］則根據(jù)實驗模型的性質及形狀將其分為一維模型、二維模型、三維模型和微觀模型實驗技術。

筆者通過廣泛調研國內(nèi)外實驗技術方法，提出根據(jù)實驗裝置將油氣二次運移可視化物理模擬技術劃分為3種類型：1）一維玻璃管油氣運移模擬實驗；2）二維可視油氣運移模擬實驗；3）三維油氣運移模擬實驗。在此基礎上，總結了3類實驗技術類型的差異性（見表1）。

表1 3類技術類型特征對比

2 實驗條件

在明確了油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術分類基礎上，筆者系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術采用的實驗條件。

1）模擬砂體。包括2類，即散樣與實際巖心樣品。玻璃珠與石英砂是使用的主要散樣樣品，不同目數(shù)的散樣樣品可以模擬不同物性的砂體模型，這種樣品可以根據(jù)需要設置尺寸與分布狀態(tài)，但是由于沒有經(jīng)過壓實膠結，孔滲都較高。實際巖心樣品一般采用油田儲層柱塞樣品，這種樣品可以真實模擬實際儲層孔滲，但往往尺寸有限。

2）模擬流體及參數(shù)。包括模擬流體的類型、礦化度、pH值，模擬油樣的黏度、密度參數(shù)，模擬實驗氣體的比例。有關參數(shù)均需根據(jù)實驗需求調節(jié)設置。

3）模擬成藏方式。包括幕式、連續(xù)充注；成藏動力方面，包括浮力、壓差、水動力、構造運動力、熱能充注速率等。

4）模擬封閉條件。儀器頂部聚集還是散失，影響模擬實驗砂體最終成藏結果。

5）模擬溫壓條件。一般采用真實巖心模擬實驗，需要模擬實際地層條件下的溫壓。散樣樣品由于設備局限采用室溫常壓。

3 研究進展

Munn［11］最早通過物理模擬實驗研究了流動的水對石油在地層中分布的影響，油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術隨之誕生。Emmons等［12-21］針對不同實驗目的進行過相應的二次運移可視化物理模擬實驗研究。近年來，隨著國內(nèi)外一批先進的物理模擬重點實驗室相繼建立，油氣二次運移模擬研究取得了重要進展。

3.1 油氣二次運移條件、路徑

Emmons［12］研究了浮力對石油聚集的影響。Illing［13］研究了水和石油通過粗細交替砂層的滲流機理。Dembicki等［16］在 60.0 cm×2.5 cm 的填滿親水沉積物的玻璃管中進行了油氣二次運移實驗，認為在絕大多數(shù)情況下，石油可能在多孔、滲透性沉積地層中沿有限通道二次運移，只有極少量油在運移通道中以殘余油的形式損失掉。

張發(fā)強等［20］利用填裝玻璃微珠的玻璃管模型，觀察靜水條件下油在飽含水孔隙介質中靠浮力形成優(yōu)勢運移路徑，以及隨后沿已形成的路徑運移的過程。研究發(fā)現(xiàn)：油氣的運移表現(xiàn)出強烈非均一性，存在運移主路徑；運移過程中存在前緣跳躍（haines jump）與分段運移現(xiàn)象；運移路徑一旦形成，其形態(tài)和空間展布特征基本保持穩(wěn)定不變（見圖1）。

圖1 前緣跳躍現(xiàn)象與分段運移現(xiàn)象［21］

Catalan等［17］使用裝有玻璃珠或砂粒的玻璃管，通過設置玻璃珠粒度、油的密度、油水界面張力以及玻璃管傾角等條件，進行油或氣驅水實驗，研究靜水條件下石油的二次運移。同時提出了幾個重要的油氣二次運移規(guī)律：連續(xù)油相運移存在臨界運移高度；油氣沿有限的固定通道運移；傾斜地層油氣運移的效率大于垂直地層油氣運移的效率；二次運移速度取決于孔隙結構、油氣密度、初始運移高度。

3.2 油氣二次運移模式

Lenormand［22］研究了孔隙介質中二次運移模式，用毛細管數(shù)和黏性比值系數(shù)將毛細管力和黏性力對油氣運移的影響概化為3種現(xiàn)象：黏性指進、毛細指進、穩(wěn)定驅替（見圖2a）。Tokunaga研究了二次運移作用力，提出油氣運聚存在2種不同驅替形式，即A型整體驅替和B型指進驅替模式。A型具有高Ca/Bo值（Ca為排替流體的黏滯力與系統(tǒng)的毛細管力之比，Bo為排替流體在被排替流體中所受浮力與毛細管力之比），B型具有低Ca/Bo值。張發(fā)強等利用填裝玻璃微珠的玻璃管濕填法強親水模型，系統(tǒng)觀察了不同原始油柱高度和注入速率的染色煤油在飽含水孔隙介質中的運移過程，討論了石油二次運移路徑的模式及其條件（見圖2b）。

圖2 二次運移模式［20,22］

3.3 油氣運移動力與成藏機制

Munn研究了流動水對石油在地層中分布的影響，提出了石油運移的水力說［11］；Hubbert研究了水動水條件對于油、氣、水界面分布的控制影響［14］；Hill研究了石油浮力作用下的成藏過程［15］；Tomas等開展了背斜圈閉條件下油氣運移成藏模擬實驗［16］。 張云峰［23］開展了烴源巖之下巖性油藏成藏二維模擬實驗，并提出這種油藏的形成需滿足2個必要的地質條件，即烴源巖層的超壓和連通烴源巖層與下伏砂體的斷層，足夠大的超壓為油氣向下運移提供動力，而斷層則成為油氣向下運移的通道。邱楠生、方家虎［24］研究了熱作為油運移動力的二維物模實驗。陶士振、曾濺輝研究了巖性、成巖、毛細管力3種不同圈閉成藏機理，提出壓差、滲透率級差控制巖性圈閉成藏，物性、充注壓力共同作用控制毛細管壓力圈閉的成藏 （據(jù)2009中國石油大學（北京）物理模擬實驗內(nèi)部報告）。 陳冬霞、龐雄奇［25］進行了核磁共振二維油氣運移模擬實驗，觀測了巖性圈閉中油的聚集成藏過程并定量模擬了不同條件下砂體中的含油性。

為了深入研究和探索致密油運聚機制，筆者與西北大學孫衛(wèi)教授合作，設計由載玻片與蓋玻片夾持的巖石薄片模型，加入帶刻度引槽，優(yōu)化注入系統(tǒng)的原油注入速度，并利用顯微鏡，實現(xiàn)微觀尺度的原油注入實驗觀測。

具體實驗流程由抽真空系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、顯微鏡觀察系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)4個部分組成（見圖3）。

1）抽真空系統(tǒng)。利用抽真空壓力泵對模型抽真空，降低氣體原因造成的實驗誤差。

2）加壓系統(tǒng)。采用氮氣瓶加壓，數(shù)字壓力儀測壓。

3）顯微觀察系統(tǒng)。以尼康體視顯微鏡為主，配有數(shù)碼照相，可隨時觀察各種現(xiàn)象并同時照相或錄相。

4）圖像采集系統(tǒng)。配有高分辨率的照相機和攝像頭，可以將視頻信號從攝像頭中采集到計算機上。

圖3 二次運移可視化物理模擬實驗流程

油驅水實驗過程中，油首先沿模型中連通較好的大孔隙向前推進，隨著油驅水壓力（p）的不斷提高，模型中含油面積不斷擴大，直至出口端只出油不出水，最終確定該模型的含油飽和度（見圖4、圖5）。從實驗觀察可發(fā)現(xiàn)，致密油成藏過程主要表現(xiàn)為以下3個階段：

1）當油流經(jīng)連通較好的大孔隙和微裂縫時，便很快在此形成通道，連續(xù)相的油繞過小孔隙，使連通較好的油流滲流通道周圍小孔隙中的水殘留下來，形成較大面積的殘余水，即在模型中油的分布是不均勻的（見圖 4a，4b）。

2）在油驅水過程中，當孔隙中連續(xù)的油相通過喉道時，常發(fā)生卡斷現(xiàn)象，斷下的油滴可在孔隙中重新聚合，并在通過下一個喉道進入孔隙時，可能再次發(fā)生卡斷，最終卡斷的油滴將聚集在大孔道孔中央，孔喉比越大，卡斷的頻率越高（見圖4c）。

圖4 二次運移可視化成藏過程局部照片（×60）

圖5 模型成藏全過程

3）隨著驅替壓力逐漸增大，油驅水通道不斷增多，油從大孔隙逐漸進入小孔隙，由單一的滲流通道逐漸形成網(wǎng)狀或連片狀，使其中的水不斷被排出。但在部分孔隙盲端或角隅、顆粒邊緣夾縫和礦物破裂解理縫中的水，由于毛細管力和巖石表面物理性質（潤濕性、界面張力）的作用，仍被殘留下來形成殘余水。由此可以看出，孔隙越均勻、孔喉比越小的模型，含油飽和度越高（見圖 5）。

4 發(fā)展趨勢

經(jīng)過100余年的發(fā)展，從最經(jīng)典最常用的一維玻璃管模型到復雜的三維物理模擬，從簡單的常溫常壓模型到高溫高壓模型，從最初粗粒的玻璃珠散樣樣品到不同目數(shù)的散樣樣品與實際巖心樣品，油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術逐漸走向成熟。對油氣二次運移可視化物理模擬實驗未來的發(fā)展趨勢，本文認為有以下方面。

4.1 物理建模技術

1）建立更加符合地質條件的物理模型。物理模型的建立離不開地質模型，而地質模型需要依靠最新地質地震資料進行典型剖面與系統(tǒng)盆地分析來獲取。因此，通過提高地質地震資料質量，獲取更符合實際地質條件的地質模型，從而建立相應的物理模型，是未來成藏物理模擬實驗物理建模的發(fā)展趨勢。

2）點模型—線模型—剖面模型—體模型。最早的一維玻璃管模型屬于點模型，即選取了研究區(qū)域研究層位的某一個典型巖石，以其為參考標準，模擬相應孔滲條件下的油氣運聚情況。把不同深度的樣品作為一個系列模擬研究，之后研究不同井位、不同區(qū)域的樣品，就是“點模型—線模型—剖面模型—體模型”的發(fā)展趨勢。

3）與數(shù)學模擬相結合，定量研究。物理模擬實驗與數(shù)值模擬實驗是分不開的。隨著計算機、數(shù)學技術的不斷發(fā)展，將物理模擬與數(shù)學模擬相結合，使用大量必須參數(shù)進行定量研究，是未來成藏物理模擬實驗物理建模的發(fā)展趨勢。

4.2 模型相似性標準技術

1）材料向接近實際地層、實際條件、多樣化發(fā)展。目前國內(nèi)外使用的物理模擬實驗地層模擬樣品主要有實際巖心、人工巖心、玻璃珠等散樣。盡管實際巖心是相似性最好的材料，但是由于對于盛裝實驗儀器要求有限制，同時不同地區(qū)儲層物性差異性較大，無法作標準比對研究；因此，可以通過制取人工巖心柱塞樣品作為標準樣品。散樣由于易獲取、易撐裝、易觀察，可以通過加壓降低孔滲性，目前得到廣泛應用（見表2）。

表2 物理模擬樣品特性對比

2）邊界條件：邊界條件對于模型的約束具有很重要的意義。多參數(shù)定量標定、更接近實際地層條件是未來的發(fā)展趨勢。

5 結論

1）油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術是可視定量地研究油氣運移成藏的重要手段。按照實驗裝置可將其劃分為一維玻璃管油氣運移模擬實驗、二維可視油氣運移模擬實驗、三維油氣運移模擬實驗技術3種類型。

2）一維玻璃管油氣運移模擬實驗技術易裝填操作，應用最早最廣，主要應用于油氣運移條件、機理與路徑與模式的研究；二維可視油氣運移模擬實驗技術主要應用于模擬油氣分布差異性控制因素；三維油氣運移模擬實驗技術可精細表征油氣運移成藏過程。

3）油氣二次運移可視化物理模擬實驗技術發(fā)展趨勢包括：建立更加符合地質條件的物理模型、單維度模型到多維度模型、結合數(shù)學模擬建模等物理建模技術；樣品向接近實際地層條件、多樣化發(fā)展；邊界條件向多參數(shù)定量標定、更接近實際地層條件發(fā)展。

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