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油气沿断层输导的压力降模型

关 键 词:
地质 储层 沉积 地化 层序地层
资源描述:
       油 气 沿 断 层 输 导 的 压 力 降 模 型庄 嘉 翠 1 , 张 善 文 1, 2 , 王 永 诗 3 , 林 会 喜 3(1. 中 国 石 油 大 学 (华 东 ) 地 球 资 源 与 信 息 学 院 ,山 东 东 营 257061; 2. 中 国 石 化 股 份 胜 利 油 田 分 公 司 ,山 东 东 营 257001;3. 中 国 石 化 股 份 胜 利 油 田 分 公 司 地 质 科 学 研 究 院 ,山 东 东 营 257015)摘 要 :断 层 在 地 下 流 体 运 移 中 具 有 重 要 作 用 ,断 层 活 动 会 对 地 下 流 体 的 压 力 及 流 体 势 分 布 产 生 影 响 。 流 体 在 相 对封 闭 (未 喷 出 地 表 )的 较 宽 阔 的 断 裂 系 统 中 受 超 压 作 用 上 侵 流 动 时 ,其 性 质 接 近 于 流 体 力 学 中 有 压 管 流 的 流 动 情况 ,其 动 力 学 特 征 可 以 用 柏 努 利 方 程 进 行 描 述 。 为 获 得 油 气 沿 断 层 运 移 之 后 的 压 力 ,依 据 油 气 运 移 时 的 能 量 守 恒及 油 气 沿 势 能 降 低 方 向 运 移 的 原 则 ,探 索 性 地 利 用 柏 努 利 方 程 描 述 油 气 的 流 动 状 态 ,建 立 了 油 气 沿 断 层 输 导 时 的压 力 降 方 程 。 根 据 该 方 程 ,可 以 计 算 出 油 气 沿 断 层 纵 向 运 移 之 后 进 入 上 部 侧 向 输 导 层 时 的 剩 余 压 力 ,进 而 求 得 指明 油 气 运 移 方 向 的 剩 余 压 力 系 数 。 将 压 力 降 模 型 应 用 于 埕 北 凹 陷 的 周 边 油 田 ,发 现 流 体 向 上 运 移 后 剩 余 压 力 场 的空 间 变 化 与 上 部 油 气 分 布 格 局 相 吻 合 ,高 剩 余 压 力 系 数 分 布 带 指 示 了 油 气 运 移 方 向 ,说 明 该 模 型 具 有 较 高 的 可 信性 。关 键 词 :断 层 输 导 ;超 压 作 用 ;剩 余 压 力 ;剩 余 压 力 系 数 ;压 力 降 方 程 ;埕 北 凹 陷中 图 分 类 号 : 1 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1009 - 9603 (2008) 02 - 0046 - 03断 裂 是 油 气 运 移 ,尤 其 是 断 陷 盆 地 中 油 气 运 移的 主 要 通 道 [ 1 - 4 ]。 流 体 沿 断 裂 带 的 运 移 机 理 是 石 油地 质 学 界 长 期 以 来 所 关 注 和 争 论 的 问 题 。 近 年 来 ,随 着 油 气 成 藏 研 究 的 不 断 深 入 ,超 压 与 断 裂 带 流 体行 为 的 关 系 已 受 到 中 外 学 者 的 高 度 重 视 [ 4 - 7 ] ,然 而 ,目 前 该 方 面 的 研 究 还 处 于 探 索 阶 段 。根 据 运 移 环 境 及 阻 力 类 型 的 差 异 ,地 下 流 体 的流 动 状 态 大 体 可 划 分 为 2种 :在 多 孔 介 质 中 以 粘 滞力 为 主 要 阻 力 的 渗 流 ,在 构 造 裂 隙 中 以 惯 性 力 为 主要 阻 力 的 管 流 。 对 有 压 管 流 的 动 力 学 规 律 在 流 体 力学 中 已 有 成 熟 的 理 论 模 型 对 其 进 行 描 述 ,即 柏 努 利方 程 。 自 20世 纪 90年 代 以 来 ,柏 努 利 方 程 已 被 广泛 应 用 于 石 油 和 地 热 开 发 工 程 中 [ 8 ]。断 层 的 周 期 性 幕 式 活 动 使 得 流 体 运 移 也 具 有 周期 性 幕 式 运 动 的 特 点 。 在 断 层 幕 式 活 动 期 ,凹 陷 中原 始 压 力 平 衡 被 打 破 ,形 成 沿 断 层 的 压 力 释 放 区 ,油气 可 沿 压 力 即 势 能 降 低 方 向 运 移 至 上 部 地 层 中 ,深部 流 体 在 超 压 作 用 或 地 震 泵 作 用 下 以 在 断 层 带 内 的垂 向 运 移 和 进 入 储 层 后 的 侧 向 运 移 为 主 [ 9 - 10 ] ,油 气在 断 层 带 内 的 垂 向 运 移 ,近 似 于 流 体 力 学 中 的 有 压管 流 [ 8 ]。 笔 者 将 以 埕 北 凹 陷 周 边 油 田 为 例 ,探 讨 超压 作 用 下 流 体 以 有 压 管 流 模 式 上 侵 流 动 的 动 力 学 规律 ,并 探 索 应 用 所 得 动 力 学 方 程 进 行 模 拟 计 算 。 这项 工 作 对 油 气 成 藏 动 力 的 定 量 研 究 具 有 一 定 的 意义 [ 11 ]。1  力 学 系 统 及 压 力 降 模 型力 学 系 统 是 指 在 对 一 个 过 程 进 行 力 学 分 析 时 从若 干 对 象 中 取 出 需 要 研 究 的 部 分 [ 12 ]。 油 气 从 烃 源岩 沿 断 层 向 上 部 输 导 层 的 运 移 可 以 看 成 一 个 力 学 系统 (图 1) ,其 以 地 面 为 基 准 面 ,烃 源 岩 层 与 断 层 交 叉点 为 坐 标 原 点 O,取 沿 断 层 方 向 为 向 ,断 层 与仓 储 层 的 交 叉 点 为 点 A,流 体 的 运 动 过 程 符 合 能 量守 恒 定 律 。 柏 努 利 方 程 建 立 在 牛 顿 力 学 、 质 量 守 恒 、能 量 守 恒 等 基 本 定 律 的 基 础 上 ,可 对 流 体 因 所 处 高度 和 所 受 压 力 不 同 而 发 生 的 流 速 变 化 进 行 描 述 ,是流 动 流 体 中 能 量 守 恒 定 律 的 具 体 应 用 。 对 于 单 位 重量 的 理 想 不 可 压 缩 液 体 ,柏 努 利 方 程 的 数 学 表 达 式为 [ 13 ] 2g (1)式 中 : 体 在 原 点 O 处 的 高 程 , m; 体 在 原 点 地 层 压 力 , 为 流 体 容 重 , N /收 稿 日 期 2007 - 12 - 31;改 回 日 期 2008 - 01 - 25。作 者 简 介 :庄 嘉 翠 ,女 , 2005年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学 (华 东 )资 源 勘 查 工 程 专 业 ,现 为 该 校 矿 产 普 查 与 勘 探 专 业 在 读 硕 士 研 究 生 ,主 要 从 事油 气 田 的 形 成 与 分 布 研 究 。 联 系 电 话 : (0546) 8715496, E - 63. 15卷   第 2期                     油   气   地   质   与   采   收   率                   15, 22008年 3月                                         2008 体 在 原 点 O 处 的 流 速 , m / s,文 中 取 值 为 0; 力 加 速 度 , m / 取 值 为 9. 80m / 流 体在 点 高 程 , m; 体 在 点 地 层 压力 ,即 文 中 的 剩 余 压 力 , 体 在 点 流速 , m / s。式 (1)中 的 各 项 还 具 有 能 量 意 义 , Z, p /γ 和 2 具 有 流 体 单 位 位 能 、 单 位 压 能 和 单 位 动 能 的物 理 意 义 。 因 此 ,柏 努 利 方 程 的 含 义 是 ,当 不 可 压 缩均 质 流 体 流 过 断 面 上 不 同 高 度 时 ,单 位 质 量 流 体 所具 有 的 位 能 、 压 能 和 动 能 的 机 械 能 总 和 保 持 不 变 ,即为 一 常 数 ,但 在 3种 能 量 之 间 互 相 转 换 [ 8 ]。图 1  油 气 沿 断 层 运 移 的 压 力 降 模 型由 式 (1)可 知 ,对 于 理 想 不 可 压 缩 液 体 的 稳 定流 动 ,柏 努 利 方 程 即 为 流 体 势 平 衡 方 程 。 但 是 ,实 际的 流 体 为 粘 滞 性 液 体 ,流 体 沿 势 能 降 低 的 方 向 运 移 ,流 体 流 动 过 程 中 有 能 量 损 失 ;液 体 流 动 速 度 和 压 力在 断 面 上 并 不 是 均 匀 分 布 的 ,还 须 进 行 动 能 修 正 。因 此 ,在 实 际 流 体 力 学 研 究 中 ,柏 努 利 方 程 描 述 单 位重 量 的 不 可 压 缩 粘 滞 性 流 体 受 压 驱 动 的 流 动 状 态 的关 系 式 为 [ 14 ] 2g + 2)式 中 : 能 修 正 系 数 ,其 值 大 于 1,通 常 取1. 05~ 1. 10; 体 运 动 过 程 中 的 能 量 损 失 ,称为 液 柱 头 损 失 , m。式 (2)是 考 虑 能 量 损 失 的 柏 努 利 定 理 。 显 然 ,只 要 流 体 在 流 动 就 会 有 能 量 损 失 。 流 体 粘 滞 性 越大 ,管 道 壁 越 粗 糙 ,流 程 越 远 ,损 失 也 越 大 。 与 流 体 通 道 断 面 的 几 何 形 状 和 裂 隙 面 的 粗 糙 程 度 有关 ,在 流 体 力 学 中 包 括 沿 程 损 失 和 局 部 损 失 2部 分 ,笔 者 把 2种 损 失 综 合 考 虑 为 由 裂 隙 通 道 断 面 形 状 和裂 隙 面 粗 糙 程 度 及 通 畅 性 引 起 的 能 量 损 失 。 据 曼 宁的 研 究 [ 9 ] ,计 算 沿 程 损 失 的 曼 宁 公 式 为 L (3)式 中 : L 为 流 体 的 流 程 , m; 体 上 侵 的 流速 ,文 中 等 于 m / s; 才 系 数 , 2 / s; R 为 水力 半 径 , m。计 算 谢 才 系 数 的 经 验 公 式 为c = 1)式 中 : 裂 壁 的 粗 糙 系 数 ,结 晶 岩 石 表 面 的该 值 为 0. 02,有 断 续 阻 隔 的 裂 隙 时 该 值 为 0. 1~ 5。将 式 (4)代 入 式 (3)得 L v2 3 (5)因 此 ,根 据 流 体 力 学 通 用 的 曼 宁 公 式 ,可 以 把 地质 流 体 在 较 宽 阔 的 构 造 裂 隙 中 管 流 运 动 的 能 量 损 失精 确 地 计 算 出 来 。由 式 (2)及 式 ( 5)可 得 油 气 运 移 至 仓 储 层 时 的剩 余 压 力 的 计 算 公 式 ,即 断 层 输 导 油 气 的 压 力 降 方程 ,其 表 达 式 为 ( γ + ( L 3 ) 6)2  实 例 分 析以 埕 北 凹 陷 周 边 油 田 为 例 ,应 用 式 ( 6)可 以 计算 油 气 运 移 至 仓 储 层 的 剩 余 压 力 。 埕 北 断 层 (中 、东 段 )为 控 制 埕 北 凹 陷 的 边 界 断 层 ,在 研 究 区 内 的走 向 为 北 西 310° ~ 330° ,倾 角 为 40° ~ 45° ,倾 向 南西 ,断 面 呈 铲 状 。 该 断 层 活 动 始 于 中 生 代 末 期 ,古 近纪 早 期 及 晚 期 二 次 强 烈 活 动 ,新 近 纪 以 来 活 动 减 弱 ,第 四 纪 基 本 不 活 动 。 埕 北 30断 层 包 括 了 埕 北 30南断 层 和 埕 北 30北 断 层 。 埕 北 30南 断 层 走 向 北 东东 ,向 西 延 伸 至 埕 岛 主 体 南 与 埕 北 断 层 交 会 ,断 面 倾角 为 30° ~ 40° ,呈 铲 状 ,活 动 始 于 中 生 代 末 期 ,结 束于 第 四 纪 ;埕 北 30北 断 层 走 向 北 东 ,为 渤 中 凹 陷 南部 斜 坡 带 纵 切 拖 曳 断 层 。 埕 东 断 层 走 向 北 东 ,倾 向南 东 ,区 内 断 面 倾 角 为 47° ~ 59° ,活 动 始 于 沙 河 街组 沉 积 时 期 ,馆 陶 组 沉 积 时 期 仍 继 续 活 动 。 当 断 层切 割 凹 陷 烃 源 岩 时 ,凹 陷 中 原 始 压 力 平 衡 就 会 被 打破 ,形 成 沿 断 层 的 压 力 释 放 区 ,油 气 可 沿 压 力 降 低 方向 由 烃 源 岩 运 移 至 仓 储 层 中 。根 据 研 究 区 地 质 情 况 ,利 用 压 力 降 方 程 对 距 目前 最 近 的 一 次 成 藏 期 进 行 研 究 。 研 究 时 ,成 藏 期 的压 力 用 断 层 附 近 井 相 当 层 位 目 前 的 压 力 代 替 ; 源 岩 层 实 测 压 力 ;γ 值 为 目 前 烃 源 层 的 流 体 密度 与 重 力 加 速 度 的 乘 积 。 计 算 时 ,碎 屑 岩 张 裂 的 常·74·第 15卷   第 2期                   庄 嘉 翠 等 :油 气 沿 断 层 输 导 的 压 力 降 模 型                            见 宽 度 为 0. 10m,设 裂 隙 的 平 均 长 度 为 1 000m,则水 力 半 径 为 0. 05 m,并 认 为 全 区 一 致 。 研 究 区 围 岩主 要 是 碎 屑 岩 类 ,岩 石 的 粗 糙 系 数 为 0. 0 1 5 ~0. 018[ 14 ] ;考 虑 到 断 裂 带 的 通 畅 度 受 裂 缝 排 列 方 式等 多 种 因 素 的 影 响 ,因 此 粗 糙 系 数 取 4。 动 能 修 正系 数 . 1。 根 据 前 人 对 断 层 倾 角 及 断 裂 带 填 充物 泥 质 含 量 与 油 气 的 渗 流 速 度 关 系 模 拟 实 验 研 究 结果 [ 15 ] ,并 读 取 断 裂 带 内 油 气 的 渗 流 速 度 。 考 虑 到 幕式 排 烃 期 油 气 的 运 移 速 度 与 渗 流 速 度 的 关 系 [ 16 ] ,取所 读 取 速 度 的 3. 6 × 103倍 作 为 油 气 的 运 移 速 度 。将 以 上 参 数 代 入 压 力 降 方 程 ,得 到 油 气 沿 断 层 运 移后 的 剩 余 压 力 ,再 根 据 实 际 地 层 流 体 压 力 求 得 剩 余压 力 系 数 (表 1)。 将 所 得 值 投 到 平 面 图 上 ,还 可 以直 观 反 映 油 气 剩 余 压 力 系 数 的 分 布 特 征 (图 2)。 由图 2可 以 看 出 ,剩 余 压 力 分 布 特 征 与 目 前 油 气 分 布特 征 基 本 一 致 ,油 气 由 剩 余 压 力 系 数 高 处 向 低 处 运移 ,表 明 油 气 沿 断 层 运 移 至 上 部 地 层 的 剩 余 压 力 控制 着 油 气 在 上 部 储 层 的 分 布 。 这 一 结 果 不 仅 说 明 模型 的 可 靠 性 ,也 显 示 了 该 研 究 在 油 气 分 布 预 测 中 的意 义 。表 1  埕 北 凹 陷 周 边 油 田 油 气 沿 断 层 运 移 后 剩 余 压 力 及 剩 余 压 力 系 数 计 算 值井   号 ρ / ( m - 3 ) m m 106 Pa (m· ) 106 际 地 层 流 体 压 力 /106 余 压 力 系 数老 21 865  - 3 428. 75 - 1 810 43. 54 0. 072 21. 409 17. 756 1. 206埕 东 6 904. 9 - 2 816. 9 - 2 217. 5 27. 77 0. 100 8 16. 075 21. 754 0. 739新 桩 101 852. 8 - 3 487. 3 - 2 112. 5 40. 61 0. 100 8 15. 331 20. 724 0. 740埕 北 24 878. 8 - 3 171. 25 - 2 232. 5 34. 32 0. 072 21. 281 21. 901 0. 972埕 北 242 850. 1 - 2 936. 65 - 2 240 31. 07 0. 072 21. 709 21. 974 0. 988埕 北 32 870. 6 - 3 604. 7 - 2 206 41. 44 0. 064 8 23. 580 21. 641 1. 090埕 北 322 855 - 3 296. 65 - 1 848. 8 34. 13 0. 064 8 15. 974 18. 137 0. 881埕 北 12 853. 5 - 2 455. 5 - 2 184. 5 27. 41 0. 072 23. 754 21. 430 1. 108埕 北 古 2 845. 6 - 2 760. 79 - 2 262 28. 06 0. 072 21. 393 22. 190 0. 964埕 北 古 3 847 - 3 158. 14 - 2 121. 5 38. 03 0. 072 24. 152 20. 812 1. 160埕 北 深 19 886. 3 - 2 873. 25 - 2 501 36. 57 0. 072 31. 355 24. 535 1. 278胜 海 古 1 864. 7 - 2 344. 85 - 2 174. 5 23. 67 0. 057 6 21. 659 21. 332 1. 015胜 海 古 2 866. 9 - 2 434. 88 - 2 176. 5 26. 6 0. 068 4 23. 190 21. 351 1. 086图 2  埕 北 凹 陷 周 边 油 田 油 气 沿 断 层 运 移 后 剩 余 压 力系 数 (计 算 值 )与 油 气 分 布 关 系3  结 论应 用 所 建 立 的 油 气 沿 断 层 输 导 时 的 压 力 降 模型 ,可 以 计 算 出 油 气 沿 断 层 纵 向 运 移 之 后 进 入 上 部侧 向 输 导 层 时 的 剩 余 压 力 ,进 而 求 得 剩 余 压 力 系 数 。模 型 的 建 立 以 油 气 沿 断 层 运 移 过 程 中 压 力 、 势 能 降低 及 能 量 平 衡 为 基 础 ,并 且 充 分 考 虑 了 各 个 变 量 的地 质 意 义 ,是 比 较 接 近 实 际 地 质 情 况 的 定 量 化 模 型 ,最 终 求 取 的 剩 余 压 力 系 数 的 大 小 能 够 指 明 油 气 运 移的 方 向 ,对 勘 探 具 有 一 定 的 指 导 意 义 。将 压 力 降 模 型 应 用 于 埕 北 凹 陷 周 边 油 田 ,流 体向 上 运 移 后 剩 余 压 力 场 的 空 间 变 化 与 上 部 油 气 分 布格 局 相 吻 合 ,高 剩 余 压 力 系 数 分 布 带 指 示 油 气 运 移方 向 ,证 实 了 该 定 量 化 方 法 的 准 确 性 和 可 行 性 。由 于 地 质 条 件 的 复 杂 性 ,文 中 存 在 着 一 个 假 设条 件 ,即 该 模 型 主 要 针 对 以 石 油 运 移 为 主 的 情 况 ;另外 ,计 算 参 数 的 选 取 也 存 在 一 定 的 误 差 。 因 此 ,下 一步 还 会 通 过 更 深 入 的 工 作 不 断 对 模 型 进 行 完 善 ,使其 更 加 接 近 地 下 实 际 条 件 。参 考 文 献 :[ 1 ]  付 广 ,薛 永 超 ,付 晓 飞 . 油 气 运 移 输 导 体 系 及 其 对 成 藏 的 控 制[ J ]. 新 疆 石 油 地 质 , 2000, 22 (1) : 24 - 26.[ 2 ]  龚 再 生 ,杨 甲 明 . 油 气 成 藏 动 力 学 及 油 气 运 移 模 型 [ J ]. 中 国 海(下 转 第 52页 )·84·                               油   气   地   质   与   采   收   率                         2008年 3月部 分 受 断 层 封 堵 ,其 余 部 分 为 上 倾 尖 灭 。 闭 埋 深 为 2 700~ 3 800m ,其 产 状 表 现 为 西 北 高 东 南低 ,砂 体 厚 度 为 20~ 40m。 在 圈 闭 中 砂 体 厚 度 大 、 构造 位 置 适 中 的 部 位 部 署 了 锦 310井 ,在 预 测 的 目 的层 段 钻 遇 了 油 层 34. 3m /9层 、 低 产 油 层 7. 9m /4层 ,试 油 获 80 产 油 气 流 。 证 实 了 锦 1断 裂 坡折 带 之 下 为 西 部 凹 陷 有 利 的 岩 性 油 气 藏 发 育 区 带 。5  结 论辽 河 坳 陷 西 部 凹 陷 鸳 鸯 沟 古 近 系 沉 积 充 填 可 划分 为 1个 超 层 序 组 、 4个 超 层 序 和 8个 三 级 层 序 。三 级 层 序 内 湖 侵 体 系 域 优 质 烃 源 岩 和 层 序 界 面 控 制了 岩 性 油 气 藏 、 地 层 油 气 藏 发 育 的 部 位 。 该 区 主 要发 育 同 沉 积 断 裂 坡 折 型 层 序 ,坡 折 带 及 其 控 制 的 低位 体 系 域 砂 体 发 育 带 是 岩 性 油 气 藏 发 育 的 主 要 部位 。 锦 1 断 裂 坡 折 带 和 陡 坡 断 裂 坡 折 带 控 制 的 高 位 体 系 域 和 低 位 体 系 域 砂 体 成 藏条 件 优 越 ,是 岩 性 油 气 藏 勘 探 的 主 要 目 标 。致 谢 :在 论 文 研 究 过 程 中 一 直 得 到 辽 河 油 田 勘探 处 张 占 文 处 长 、 研 究 院 李 晓 光 院 长 以 及 盆 地 所 西区 室 刘 宝 鸿 、 鞠 俊 成 、 回 雪 峰 主 任 的 鼎 力 支 持 和 悉 心帮 助 ,在 此 表 示 诚 挚 的 谢 意 。参 考 文 献 :[ 1 ]  单 俊 峰 ,陈 振 岩 ,回 雪 峰 ,等 . 辽 河 坳 陷 西 部 凹 陷 坡 洼 过 渡 带 岩性 油 气 藏 形 成 条 件 [ J ]. 石 油 勘 探 与 开 发 , 2005, 32 ( 6) : 42 2 ]  朱 筱 敏 ,康 安 ,谢 庆 宾 ,等 . 内 蒙 古 前 家 店 凹 陷 侏 罗 系 层 序 地 层与 岩 性 圈 闭 [ J ]. 石 油 勘 探 与 开 发 , 2000, 27 (2) : 48 - 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