構造變形與烴類充注一體化物理模擬的難點及解決策略

王學軍，單亦先，勞海港，王 勇，崔營濱

(1.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司 地質科學研究院，山東 東營 257015；2.中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580；3.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

構造變形與烴類充注一體化物理模擬的難點及解決策略

王學軍1，單亦先2，勞海港3，王 勇1，崔營濱1

(1.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司 地質科學研究院，山東 東營 257015；2.中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580；3.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

復雜斷裂帶在含油氣盆地中具有極其重要的地質意義，它不僅體現(xiàn)了盆地的構造變形，同時也是盆地中油氣運聚的重要區(qū)帶。通過對比國內外油氣充注實驗，針對構造變形及烴類充注實驗的關鍵技術問題進行了攻關，如構造模型的保護問題、密封問題、烴類著色問題等。通過改進實驗裝置，最大程度地保護了構造模型，防止模型的二次變形；針對裝置不同構造部位密封的需求，分別研制了不同型號的密封膠；對于烴類充注放大、縮小的假象，通過添加吸色介質來真實地反映烴類充注過程。實踐證實，所做的模擬實驗能較好地再現(xiàn)地下真實的構造變形及其烴類充注過程。

構造變形；烴類充注；裝置密封；烴類著色

構造物理模擬的最初構造現(xiàn)象是由Hall[1]模擬褶皺層所完成的，而后構造物理模擬不斷與實際地質結構相結合[2-3]，逐漸重視模型材料的相似性與構造裝置的改進[4-5]，從而促進了構造模擬技術與理論的不斷向前發(fā)展[6-7]。近年來，國內外學者在構造模擬及油氣充注實驗研究方面取得了一系列研究成果[8-13]，但很少有學者將構造變形實驗與油氣充注實驗這兩大類合二為一。筆者為了更真實地反映油區(qū)地質情況，進行了構造變形與油氣充注一體化的實驗。實驗過程中遇到諸多技術難題，如構造模型的保護問題、密封問題、烴類著色問題等。通過數(shù)次的反復實驗，上述問題得到了有效的解決，并在此平臺上針對渤海灣盆地東營凹陷復雜斷裂帶構造變形及其烴類充注進行了效果測試。

1 一體化物理模擬的難點及解決策略

1.1構造模型的保護

構造變形與烴類充注一體化物理模擬是將變形與充注在同一模型中進行，因此其最大難點在于“保護變形復雜的模型在不受到破壞的條件下進行密封與烴類充注的實驗”。國內外的油氣充注實驗目前多采用擺模型的方式來模擬油氣充注[14-15]，不存在對實驗模型進行搬動的問題，其缺陷是不能真實反映地下復雜的構造變形。對于構造變形與烴類充注一體化的物理模擬而言，構造變形后的模型需要進行整體密封，而密封涉及到對模型進行搬動的難題，目前國內外所使用的構造物理模擬裝置缺乏對這一功能的研發(fā)。

基于典型構造變形樣式的形成及構造模型的保護問題，結合模塊化的設計理念，對中國石油大學(華東)儀表廠的構造實驗裝置進行了改進[16]。該實驗裝置主要的模塊有動力頭模塊、上下蓋板、變形模塊、旋轉圓盤模塊4個部分(圖1a)，實驗過程中重點是對實驗模型的底部進行分塊處理?？紤]到主實驗臺底部既是構造模型變形的基礎，又是后續(xù)油氣充注的觀察面，故設計中將主實驗臺底部設計成活動板(圖1b)，并在底部活動板中鑲嵌強度足夠大的40 cm×25 cm的透明玻璃。這樣既能從上、下2個觀測面同時觀察變形，同時也可使構造模型進行自由翻動，在構造變形后無需經(jīng)過模型的搬運即可對模型進行密封，從而保留了構造變形的初始狀態(tài)，不會對構造模型造成二次破壞。

1.2密封的難點及解決策略

鑒于本次烴類充注實驗是基于復雜構造變形情況下的烴類充注，不同于前人通過擺模型的方式進行油氣運移實驗，而且為了更加準確地記錄油氣充注實驗過程，需要對構造模型的觀察面去掉加固鋼板條。這種實驗條件給密封帶來一系列技術難題，通過多次實驗很好地解決了3個實驗密封問題。

一是觀察面所使用的玻璃與構造模型的巖層之間接觸面的密封問題。如果接觸面處理不好，往往造成油氣的“躥流”現(xiàn)象，即油氣沒有按照構造變形所形成的斷裂帶進行運移，而是順著觀察的玻璃面與構造模型之間的接觸面向上運移，造成實驗的失敗。如圖2a中的①，由于接觸面處理不當，造成油氣的迅速“躥流”。為了防止油氣“躥流”現(xiàn)象，在玻璃面板與實驗模型表面分別均勻涂抹一層能將玻璃面板和模型材料粘合在一起的“Ⅰ型”特制膠(特制膠由中國石油大學(華東)儀表廠研制)。經(jīng)反復實驗證明，這種膠具有良好的彈性、粘稠性、固結性、透明性和較差的滲透性，可以防止染色的油氣沿玻璃面板和實驗介質間的空隙躥流，避免油氣充注實驗的失真。

圖1 構造變形與烴類充注一體化物理模擬實驗的模塊化裝置Fig.1 Modular device for integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

圖2 構造變形與烴類充注一體化物理模擬實驗的密封問題Fig.2 Sealing for integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

二是密封金屬框與構造模型的巖層之間的密封問題，同樣要防止因邊界效應形成的“躥流”。由于這個接觸面不同于上面所闡述的接觸面，而且受模型變形的影響，變形面崎嶇不平，對密封膠的要求也有所不同(圖2a中的②)。為了能將密封金屬框與模型體緊密粘合在一起，密封膠的要求是具有良好的流動性、速凝性、固結性和較差的滲透性，從而起到封堵側面空隙的作用。首先將側面頂部用密封條封死，然后在金屬密封框與模型的空隙中注入“Ⅱ”型特制膠(圖2b)，從而很好地滿足了實驗要求。

三是實驗過程中斷裂帶的保護問題。在擠入“Ⅰ”型密封膠的同時，往往由于膠體滲入斷裂帶或裂縫中，造成油氣并非沿著斷裂所形成的優(yōu)勢運移通道運移(圖2a中的③)，進而影響了斷裂、裂縫對流體的疏導效果。針對這種問題的策略是先用“Ⅰ”型密封膠均勻封堵斷裂帶及容易產(chǎn)生裂縫的表面，待膠體凝固后再進行密封。

1.3烴類著色的難點及解決策略

國內外學者對烴類充注進行了大量實驗，但在精細實驗過程中烴類著色還存在一些問題。針對與烴類相似的航空煤油材料不容易著色的問題，通過嘗試甲基紅、油性紅染料等，均因為在模型中著色太淺，人為地將烴類充注的范圍縮小。一方面由于模型中巖層過濾、吸附染料，大分子的染料停留在表面注入口處，造成觀察面染料集中，局部流體運移路徑縮小的現(xiàn)象(圖3a)；同時造成巖層內部烴類著色過淺，不易觀察流體的運移路徑(圖3b)。另一方面受密封膠的影響，觀察面上油料與染料進行混溶，油氣運移路徑被放大，從而造成對流體運移觀察的失真(圖3c)，其顯著的標志在于流體路徑邊緣出現(xiàn)毛刺。

通過反復實驗，在模型材料中加入5%的吸色微小顆粒，這些吸色微小顆粒遇染料和烴類液體時，吸附變色，同時也不影響構造變形的效果。染料選擇分子小、易溶于小分子有機溶液、難溶于高分子有機溶液的溶劑，從而根本上解決了烴類著色的難題。

2 實驗的效果測試

基于構造變形與油氣充注一體化實驗3個方面技術難題的解決方案，結合渤海灣盆地東營凹陷沙三段構造變形與油氣分布進行了效果測試。東營凹陷沙三段主要的構造變形特征是斷裂發(fā)育，并且斷裂是油氣運移的主要通道[17-20]。

在構造變形過程中，為了更好地模擬實際的構造變形，有效消除模型的邊界效應，實驗中采用了56 cm×37 cm×25 cm的大型構造模型，對復雜斷裂帶形成及油氣充注過程進行了模擬。通過使用構造變形與烴類充注一體化裝置，很好地保護了模型(模型自動翻轉并進行密封)。在油氣充注過程中，遵循上述的密封技術與烴類著色手段，對構造模型進行烴類充注模擬實驗(圖4)。在模型下方進行烴類充注，烴類首先沿著斷裂形成的油氣運移優(yōu)勢通道向地層上部運移，從而證實斷裂是溝通烴源巖與圈閉的重要通道。

3 結論

1)利用構造變形與烴類一體化實驗裝置底部模塊化設計，實現(xiàn)了構造模型的自由翻動，從而防止了模型的二次破壞。針對觀察面與巖層、金屬框與巖層的密封問題，分別采用了“Ⅰ型”特制膠與“Ⅱ”型特制膠，有效地防止了油氣“竄流”的邊界效應。在模型材料中加入5%的吸色微小顆粒，同時選擇分子小、易溶于小分子有機溶液、難溶于高分子有機溶液的溶劑，從而解決了烴類的著色問題。

圖3 構造變形與烴類充注一體化物理模擬實驗中烴類失真的現(xiàn)象Fig.3 Distortion of hydrocarbon migration in integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

圖4 構造變形與烴類充注一體化物理模擬實驗的效果測試Fig.4 Practice of integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

2)構造變形與烴類充注一體化物理模擬實驗證實，烴類首先沿著斷裂形成的油氣運移優(yōu)勢通道向地層上部運移，斷裂是溝通烴源巖與圈閉的重要通道。

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(編輯韓 彧)

Difficultiesandsolvingstrategiesforintegratedphysicalsimulationoftectonicdeformationandhydrocarboncharging

Wang Xuejun1, Shan Yixian2, Lao Haigang3, Wang Yong1, Cui Yingbin1

(1.GeoscienceResearchInstituteofSINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China; 2.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China;3.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China)

Complex fracture belt in petroliferous basin has extremely important geological significance, which not only embodies basin tectonic deformation, but also serves as the target for petroleum migration and accumulation. Through the comparison of domestic and foreign oil and gas injection experiments, the key technical problems of tectonic deformation and hydrocarbon injection experiments were studied, such as the protection of tectonic model, the problem of sealing up and the problem of hydrocarbon coloring. Through the improvement of device, the tectonic model was protected and the secondary deformation was prevented. Sealants of different types were designed to meet the needs of different parts of the model. For the distortion of hydrocarbon migration, color absorbing medium was added. The modeling experiment can reproduce the real underground structure deformation and hydrocarbon charging process.

tectonic deformation; hydrocarbon injection; device for sealing; hydrocarbon coloring

1001-6112(2013)04-0453-04

10.11781/sysydz201304453

TE135

A

2012-07-05；

2013-05-16。

王學軍(1966—)，男，博士，教授級高級工程師，從事油氣勘探科研生產(chǎn)研究。E-mail: wangxuejun977.slyt@sinopec.com。

國家重大科技專項“渤海灣盆地精細勘探關鍵技術”(2011ZX05006)資助。