构造变形与烃类充注一体化物理模拟的难点及解决策略

王学军，单亦先，劳海港，王 勇，崔营滨

(1.中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司 地质科学研究院，山东 东营 257015；2.中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580；3.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

构造变形与烃类充注一体化物理模拟的难点及解决策略

王学军1，单亦先2，劳海港3，王 勇1，崔营滨1

(1.中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司 地质科学研究院，山东 东营 257015；2.中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580；3.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

复杂断裂带在含油气盆地中具有极其重要的地质意义，它不仅体现了盆地的构造变形，同时也是盆地中油气运聚的重要区带。通过对比国内外油气充注实验，针对构造变形及烃类充注实验的关键技术问题进行了攻关，如构造模型的保护问题、密封问题、烃类着色问题等。通过改进实验装置，最大程度地保护了构造模型，防止模型的二次变形；针对装置不同构造部位密封的需求，分别研制了不同型号的密封胶；对于烃类充注放大、缩小的假象，通过添加吸色介质来真实地反映烃类充注过程。实践证实，所做的模拟实验能较好地再现地下真实的构造变形及其烃类充注过程。

构造变形；烃类充注；装置密封；烃类着色

构造物理模拟的最初构造现象是由Hall[1]模拟褶皱层所完成的，而后构造物理模拟不断与实际地质结构相结合[2-3]，逐渐重视模型材料的相似性与构造装置的改进[4-5]，从而促进了构造模拟技术与理论的不断向前发展[6-7]。近年来，国内外学者在构造模拟及油气充注实验研究方面取得了一系列研究成果[8-13]，但很少有学者将构造变形实验与油气充注实验这两大类合二为一。笔者为了更真实地反映油区地质情况，进行了构造变形与油气充注一体化的实验。实验过程中遇到诸多技术难题，如构造模型的保护问题、密封问题、烃类着色问题等。通过数次的反复实验，上述问题得到了有效的解决，并在此平台上针对渤海湾盆地东营凹陷复杂断裂带构造变形及其烃类充注进行了效果测试。

1 一体化物理模拟的难点及解决策略

1.1构造模型的保护

构造变形与烃类充注一体化物理模拟是将变形与充注在同一模型中进行，因此其最大难点在于“保护变形复杂的模型在不受到破坏的条件下进行密封与烃类充注的实验”。国内外的油气充注实验目前多采用摆模型的方式来模拟油气充注[14-15]，不存在对实验模型进行搬动的问题，其缺陷是不能真实反映地下复杂的构造变形。对于构造变形与烃类充注一体化的物理模拟而言，构造变形后的模型需要进行整体密封，而密封涉及到对模型进行搬动的难题，目前国内外所使用的构造物理模拟装置缺乏对这一功能的研发。

基于典型构造变形样式的形成及构造模型的保护问题，结合模块化的设计理念，对中国石油大学(华东)仪表厂的构造实验装置进行了改进[16]。该实验装置主要的模块有动力头模块、上下盖板、变形模块、旋转圆盘模块4个部分(图1a)，实验过程中重点是对实验模型的底部进行分块处理。考虑到主实验台底部既是构造模型变形的基础，又是后续油气充注的观察面，故设计中将主实验台底部设计成活动板(图1b)，并在底部活动板中镶嵌强度足够大的40 cm×25 cm的透明玻璃。这样既能从上、下2个观测面同时观察变形，同时也可使构造模型进行自由翻动，在构造变形后无需经过模型的搬运即可对模型进行密封，从而保留了构造变形的初始状态，不会对构造模型造成二次破坏。

1.2密封的难点及解决策略

鉴于本次烃类充注实验是基于复杂构造变形情况下的烃类充注，不同于前人通过摆模型的方式进行油气运移实验，而且为了更加准确地记录油气充注实验过程，需要对构造模型的观察面去掉加固钢板条。这种实验条件给密封带来一系列技术难题，通过多次实验很好地解决了3个实验密封问题。

一是观察面所使用的玻璃与构造模型的岩层之间接触面的密封问题。如果接触面处理不好，往往造成油气的“蹿流”现象，即油气没有按照构造变形所形成的断裂带进行运移，而是顺着观察的玻璃面与构造模型之间的接触面向上运移，造成实验的失败。如图2a中的①，由于接触面处理不当，造成油气的迅速“蹿流”。为了防止油气“蹿流”现象，在玻璃面板与实验模型表面分别均匀涂抹一层能将玻璃面板和模型材料粘合在一起的“Ⅰ型”特制胶(特制胶由中国石油大学(华东)仪表厂研制)。经反复实验证明，这种胶具有良好的弹性、粘稠性、固结性、透明性和较差的渗透性，可以防止染色的油气沿玻璃面板和实验介质间的空隙蹿流，避免油气充注实验的失真。

图1 构造变形与烃类充注一体化物理模拟实验的模块化装置Fig.1 Modular device for integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

图2 构造变形与烃类充注一体化物理模拟实验的密封问题Fig.2 Sealing for integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

二是密封金属框与构造模型的岩层之间的密封问题，同样要防止因边界效应形成的“蹿流”。由于这个接触面不同于上面所阐述的接触面，而且受模型变形的影响，变形面崎岖不平，对密封胶的要求也有所不同(图2a中的②)。为了能将密封金属框与模型体紧密粘合在一起，密封胶的要求是具有良好的流动性、速凝性、固结性和较差的渗透性，从而起到封堵侧面空隙的作用。首先将侧面顶部用密封条封死，然后在金属密封框与模型的空隙中注入“Ⅱ”型特制胶(图2b)，从而很好地满足了实验要求。

三是实验过程中断裂带的保护问题。在挤入“Ⅰ”型密封胶的同时，往往由于胶体渗入断裂带或裂缝中，造成油气并非沿着断裂所形成的优势运移通道运移(图2a中的③)，进而影响了断裂、裂缝对流体的疏导效果。针对这种问题的策略是先用“Ⅰ”型密封胶均匀封堵断裂带及容易产生裂缝的表面，待胶体凝固后再进行密封。

1.3烃类着色的难点及解决策略

国内外学者对烃类充注进行了大量实验，但在精细实验过程中烃类着色还存在一些问题。针对与烃类相似的航空煤油材料不容易着色的问题，通过尝试甲基红、油性红染料等，均因为在模型中着色太浅，人为地将烃类充注的范围缩小。一方面由于模型中岩层过滤、吸附染料，大分子的染料停留在表面注入口处，造成观察面染料集中，局部流体运移路径缩小的现象(图3a)；同时造成岩层内部烃类着色过浅，不易观察流体的运移路径(图3b)。另一方面受密封胶的影响，观察面上油料与染料进行混溶，油气运移路径被放大，从而造成对流体运移观察的失真(图3c)，其显著的标志在于流体路径边缘出现毛刺。

通过反复实验，在模型材料中加入5%的吸色微小颗粒，这些吸色微小颗粒遇染料和烃类液体时，吸附变色，同时也不影响构造变形的效果。染料选择分子小、易溶于小分子有机溶液、难溶于高分子有机溶液的溶剂，从而根本上解决了烃类着色的难题。

2 实验的效果测试

基于构造变形与油气充注一体化实验3个方面技术难题的解决方案，结合渤海湾盆地东营凹陷沙三段构造变形与油气分布进行了效果测试。东营凹陷沙三段主要的构造变形特征是断裂发育，并且断裂是油气运移的主要通道[17-20]。

在构造变形过程中，为了更好地模拟实际的构造变形，有效消除模型的边界效应，实验中采用了56 cm×37 cm×25 cm的大型构造模型，对复杂断裂带形成及油气充注过程进行了模拟。通过使用构造变形与烃类充注一体化装置，很好地保护了模型(模型自动翻转并进行密封)。在油气充注过程中，遵循上述的密封技术与烃类着色手段，对构造模型进行烃类充注模拟实验(图4)。在模型下方进行烃类充注，烃类首先沿着断裂形成的油气运移优势通道向地层上部运移，从而证实断裂是沟通烃源岩与圈闭的重要通道。

3 结论

1)利用构造变形与烃类一体化实验装置底部模块化设计，实现了构造模型的自由翻动，从而防止了模型的二次破坏。针对观察面与岩层、金属框与岩层的密封问题，分别采用了“Ⅰ型”特制胶与“Ⅱ”型特制胶，有效地防止了油气“窜流”的边界效应。在模型材料中加入5%的吸色微小颗粒，同时选择分子小、易溶于小分子有机溶液、难溶于高分子有机溶液的溶剂，从而解决了烃类的着色问题。

图3 构造变形与烃类充注一体化物理模拟实验中烃类失真的现象Fig.3 Distortion of hydrocarbon migration in integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

图4 构造变形与烃类充注一体化物理模拟实验的效果测试Fig.4 Practice of integrated physical simulation of tectonic deformation and hydrocarbon charging

2)构造变形与烃类充注一体化物理模拟实验证实，烃类首先沿着断裂形成的油气运移优势通道向地层上部运移，断裂是沟通烃源岩与圈闭的重要通道。

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(编辑韩 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。

王学军(1966—)，男，博士，教授级高级工程师，从事油气勘探科研生产研究。E-mail: wangxuejun977.slyt@sinopec.com。

国家重大科技专项“渤海湾盆地精细勘探关键技术”(2011ZX05006)资助。