天然气脉冲式二次运移过程

李文学,吕延防

(1.大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江大庆 166405; 2.东北石油大学,黑龙江大庆 163318)

天然气脉冲式二次运移过程

李文学1,吕延防2

(1.大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江大庆 166405; 2.东北石油大学,黑龙江大庆 163318)

从宏观上看,天然气在运载层中的运移是加速运移过程;从微观上看,天然气运移属于脉冲式运移过程.脉冲式运移的形成机理:一是由气水密度差造成的气柱高剩余压力间歇式突破运移阻力引起的;二是由间歇式构造变动所造成的断层或裂缝形成运移通道引起的.根据天然气加速运移与脉冲式运移形成机理,提出天然气在运载层中运移与聚集的全过程表现为加速式与脉冲式交替运移过程.

天然气运移;排替压力;脉冲;毛细管力;浮力

0 引言

在静水条件下,游离相天然气运移的主要动力是浮力,阻力是毛细管力[1-5].吕延防根据前人的实验数据,通过理论计算发现,在静水条件下,游离相质量不变的天然气在均质运载层中的运移为加速式运移过程[6].实际上,天然气二次运移的加速度远大于文献[5]的计算值,尤其在源岩区内,运载层顶部的大连通孔隙内部可能存在很多运移的或待运移的气柱,当下倾方向的气柱运移到这里时,孔隙内气柱与之汇聚,使运移的气柱长度瞬时加大,浮力上升,运移速度增加.运移速度增大的气柱在运移途中不断地以滚雪球的方式汇集分散在运载层内部的气体,使其运移速度越来越快.从宏观上看,这一过程是加速运移过程;从微观上看,这一加速过程与质量不变而体积增加的加速过程不同,它是在原气柱靠自身体积膨胀的基础上增加气柱质量的加速过程,并且具有突发性质,这一运移方式贯穿天然气聚散的整个过程,称为脉冲式运移.

1 脉冲式运移机理

1.1 高剩余压力

在静水条件下,导致天然气发生聚集的根本因素是遮挡物的高排替压力,即遮挡物最大连通孔隙的毛细管压力[7-9].不论是二次运移途中运载层的相变,还是盖层的弯曲(即背斜)以及断层的遮挡,其封堵烃气的机理皆如此.

由于遮挡物岩性和物性不同,封堵烃气能力也不同,其封堵能力表示为

式中:hg为遮挡物所能封堵的最大临界气柱高度;p1,p2分别为遮挡物和储层的排替压力;Δρwg为气水密度差;g为重力加速度.

由于气体相对分子质量小、密度轻,当其发生聚集后,整个聚集体内的压力几乎不随深度的增加而增大.

背斜式气藏压力分布见图1,其中:h1为水势面至气藏顶面的垂直高度;pA为气藏顶部的气藏压力;pB为气水界面上的地层压力,其大小等于气水界面到水势面(h1+h2)的静水柱重力;pC为C点的静水压力,其大小与A点至水势面静水柱重力相等.由图1可知:气藏顶部的压力近似等于底部气水界面上的压力,即为该气水界面上的静水柱压力.这样,气藏顶点的压力比同深度的静水柱压力高,其高出的数值是气藏高度的静水柱重力,称为剩余压力[10],可表示为

图1 背斜气藏压力分布

式中:Δp为剩余压力;ρw为水的密度;h2为气藏高度.气体的剩余压力近似等于气柱的浮力,在剩余压力作用下,气体表现出突破盖层最大连通孔隙毛细管压力向上运移的趋势.

当剩余压力增高到大于盖层岩石中最大连通孔隙的毛细管压力时,气体穿过盖层发生再次运移,直至剩余压力小于盖层排替压力时为止[11];随着气体不断聚集,剩余压力再度增加,当其再次超过盖层排替压力时,气体重新突破盖层发生运移.气体不断聚集,此过程不断重复进行[12].

这种由高剩余压力引起的脉冲式运移,主要发生在连通孔隙相对较大的遮挡物中.如运载层中沿上倾方向由中砂岩相变为细砂岩,断层充填物的排替压力略高于储层的排替压力;或断层两盘的砂岩对接,且上倾方向的另一盘砂岩的排替压力稍高于对接的目的盘砂岩的排替压力;背斜上覆盖层孔渗性较大(尤其是假盖层)等.尽管这类储层具有一定封闭能力,但其封闭能力较低,一旦气藏的剩余压力高到一定程度便易于被贯穿并允许气体通过,形成天然气运移的一次脉冲,气体的这种脉冲式运移过程也是气体聚集与散失的动平衡过程[13].

1.2 构造变动

如果遮挡物本身的封闭性能非常好,气体的剩余压力几乎不能超过遮挡体的排替压力,气体将发生最大限度的聚集,直到整个圈闭被充满.在气源不断供应的情况下,后续气体将通过溢出点继续运移.若不发生构造变动,聚集的天然气永远被遮挡于圈闭之中.除非气源供应中断,气体靠扩散在漫长的地史中通过遮挡物逸散掉.

然而,在地质发展的历史中,构造运动是永恒的,只不过反映在地壳的明显变动上具有间歇性特点,油气的聚集恰是这种间歇性变动处于暂时相对静止的平衡产物,一旦发生构造变动,油气将重新分布,以达到新状态下新的平衡.

构造变动的表现形式是地层的弯曲和裂缝及断层的产生.当地层弯曲到超过岩层的抗弯强度时,必然产生裂缝,裂缝进一步发展形成断层;断层的活动伴生新的裂缝,直到引起地壳变动的地应力释放到不足以继续导致构造变动时,这种活动才暂时停止.当地应力继续积聚到超过岩石的抗挠强度时,应力将沿地壳的软弱面再次释放,原来的断层重新活动.

构造运动相对静止时,天然气聚集在圈闭之中形成天然气藏;在活动时期,由于断层的产生或活动,气藏遮挡物受到破坏[14],天然气沿断层或裂缝向压力降低的方向发生再运移,这一现象尤其以断层遮挡气藏更为明显[15].

对泥质遮挡物,如果形成与其中的断层或裂缝倾角不大,当地应力释放后,在上覆地层载荷压力下,可能会使断层或裂缝重新闭合,天然气沿其中的运移也因此停止.如断层或裂缝张开与闭合的时间间隔不长,且原生天然气富集量较高,原生气藏不会被彻底破坏,随着源岩内天然气不断排出,气藏的富集量重新增加.在下次构造运动到来时,断层重新复活,成藏的天然气再次运移;若断层或裂缝张开的时间稍长,原生气藏可能被彻底破坏,但当断层和裂缝闭合以后,天然气可能还会在此发生聚集,直到下一次张裂的产生.

与聚集相比,天然气的这种运移过程在瞬间发生,并随构造的多期活动而多次进行,故亦认为该形式的运移方式为脉冲式运移.

2 加速式与脉冲式交替运移模式

图2 加速式与脉冲式交替运移模式

加速式与脉冲式交替运移模式见图2.在地层倾斜的背景下,当气柱进入运载层顶部,其长度达到上浮的临界值时,便沿运载层顶部最大连通孔隙向上倾方向加速运移.一旦在运移途中遇到遮挡,气柱停止加速运移过程并发生聚集.当聚集后的天然气剩余压力超过遮挡物的排替压力或遮挡物中产生裂缝时,气体通过遮挡物发生脉冲式再运移,并进入另一个运载层中.如果这种再运移的天然气没有进入圈闭,则将沿运载层再进行加速式运移,直到遇到另一个遮挡为止.

由于运载层的物性多变或在上倾方向上被多条具封闭能力的断层切割,致使天然气在运移全过程中加速式与脉冲式交替进行.

3 结论

(1)气体发生聚集以后,由于剩余压力过高或遮挡物被破坏,气体将发生再次运移.天然气的再次运移过程为脉冲式运移过程.

(2)在二次运移的全过程中,天然气运移以加速式与脉冲式2种运移方式交替进行.

[1]郭栋,王兴谋,张金功.山东济阳坳陷二氧化碳气成藏模式分析[J].现代地质,2006,20(3):441-448.

[2]Liu K Y,Eadington P.A new method for identifying secondary oil migration pathways[J].Journal of Geochemical Exploration,2003,78(2):389-394.

[3]Bekele E,Person M.Modeling secondary oilmigration with core-scale data:Viking Formation,Alberta basin[J].AAPGBulletin,2002,86(10):55-74.

[4]Tim T S.Mechanics of secondary hydrocarbon migration and entrapment[J].AAPGBulletin,1979,63(5):723-760.

[5]金之钧,李有柱,李明宅.油气聚集成藏理论[M].北京:石油工业出版社,2000:107-112.

[6]吕延防.天然气的加速式二次运移过程研究[J].现代地质,2008,22(4):577-579.

[7]吕延防,陈章明,付广,等.盖层排替压力研究[J].大庆石油学院学报,1993,17(4):1-8.

[8]杨淑宏.断裂输导通道类型及输导油气特征[J].大庆石油学院学报,2005,29(2):43-44.

[9]霍秋立,汪振英,李敏.海拉尔盆地贝尔凹陷油源及油气运移研究[J].吉林大学学报,2006,36(3):377-383.

[10]张厚福,张万选.石油地质学[M].北京:石油工业出版社,1989:152-154.

[11]郝石生.天然气运聚动平衡理论及研究[J].天然气地球科学,1993,2(3):95-108.

[12]郝石生,柳广弟.天然气资源评价的运聚动平衡模型[J].石油勘探与开发,1993,20(3):16-21.

[13]郝石生.天然气运聚动平衡及其地质勘探实践[J].地球科学进展,1990,5(2):48-49.

[14]吕延防,黄劲松,付广,等.砂泥岩薄互层段中断层封闭性的定量研究[J].石油学报,2009,30(6):824-829.

[15]吕延防,王振平.油气藏破坏机理分析[J].大庆石油学院学报,2001,25(3):5-9.

The process of pulse secondary m igration of natural gas/2011,35(2):38-40

L IWen-xue1,LV Yan-fang2
(1.Oil Recovery Plant N o.1,D aqing Oil Field Corp.L td.,Daqing,Heilongjiang 166405,China;2.N ortheast Petroleum University,D aqing,Heilong jiang 163318,China)

From amacro pointof view,natural gasmigration is to accelerate themigration p rocess in reservoir layer,but themicro level,gasm igration is pulsemigration p rocess.There are two mechanism s about the pulse formation migration,one is high residual p ressure caused by the density difference betw een gas and w ater co lum n,the p ressure break through the resistance in batch-type,and the gas m igrate in the pulsemigration,the second is due to intermittent faultsor cracksopening caused by tectonic,and the gasm igrate by the faults o r cracks in pulse migration.Acco rding to accelerate the m igration of natural gasmigration and the pulse formation mechanism,the model of natural gasmigration in the reservoir layer is p roposed,i.e.,the w hole p rocess of natural gas m igration and accum ulation is a p rocess of accelerated and pulsed alternating migration.

gasmigration;disp lacement p ressure;pulse;capillary force;buoyancy

TE122.1

A

1000-1891(2011)02-0038-03

2011-02-26;审稿人:付 广;编辑:张兆虹

教育部博士点专项科研基金项目(20060220002)

李文学(1967-),男,博士,高级工程师,主要从事油气资源评价与开发地质方面的研究.