油气二次运移通道稳定性及其成因机制*

2014-06-07 05:59薄冬梅郝加庆

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年3期

姜林，薄冬梅，洪峰，郝加庆，樊阳，3

1.中国石油勘探开发研究院，北京海淀 100083 2.“盆地构造与油气成藏”重点实验室·中国石油天然气集团公司，北京海淀 100083 3.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580

油气二次运移通道稳定性及其成因机制*

姜林1，2，薄冬梅1，洪峰1，2，郝加庆1，2，樊阳1，2，3

烃源岩生成的油气要经过一定距离的二次运移后才能在有效的圈闭中聚集成藏，因此油气二次运移的过程对于油气最终聚集率有很大的影响。原油的二次运移过程可分为活塞式和优势式，天然气二次运移是一种由活塞式和优势式两种基本运移方式组成的断续式运移。二次运移模式的不同导致了油气运移路径的稳定性存在差异，采用染色煤油和氮气分别进行二次运移过程物理模拟实验，通过多次充注的方式探讨油气二次运移通道稳定性，并结合油气水物性特征差异及其与孔隙岩石的关系分析了其成因机制。认为原油二次运移过程中形成比较稳定的运移通道，运移效率较高；天然气二次运移过程中形成一种动态的相对稳定的运移通道，运移散失量较大。

二次运移；优势通道；润湿性；稳定性；运聚效率

姜林，薄冬梅，洪峰，等．油气二次运移通道稳定性及其成因机制[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（3）：54–58．

Jiang Lin,Bao Dongmei,Hong Feng,et al．Stability and Formation Mechanism Analysis of Secondary Migration Pathway of Hydrocarbon[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：54–58．

油气聚集效率是资源评价的重要参数，目前认为运移过程中储集层滞留烃量是烃类散失的重要原因，并且天然气的运聚效率远低于原油[1-4]，但是其成因机制尚需要进行深入地探讨。

油气在岩石孔隙运移过程中，并非在所有的运载层中都发生二次运移，而仅仅是沿部分优势通道运移[5-12]，而这种优势运移通道的稳定性也直接影响了油气的运聚效率。稳定的运移通道往往运移散失量较低，而不稳定的运移通道通常运移散失量较高。原油的二次运移过程可分为活塞式和优势式[13-16]，天然气二次运移则是一种由活塞式和优势式两种基本运移方式组成的断续式运移[17]，油气的运移模式的差异会影响其运移通道的稳定性。因此，开展油气二次运移通道稳定性研究对于烃类运移散失的成因及油气运聚效率的差异都具有重要的地质意义。

1 油气水与孔隙岩石的关系

储集层中呈流体形式存在的物质主要有石油、天然气和地层水。石油呈液态，主要由分子量较高的烃类物质组成；天然气呈气态，一般主要是甲烷到丁烷，其中以甲烷最多；地层水呈液态，主要是由分子量非常小的水分子组成[18-19]。油气水物理性质上的差异导致三者与孔隙岩石之间存在不同的关系：地层水与沉积物共生，并伴随整个成岩过程，一般岩石都具有亲水性，而水分子具有一定的极性，容易被岩石吸附而形成吸附水；原油则主要是由大分子量化合物组成，而且极性大都强于水分子（如沥青质等）。因此，原油在充满地层水的孔隙中运移时，不仅会排驱岩石孔隙中央的地层水，还会置换孔隙岩石表面的吸附水，而最终将孔隙岩石表面变为油润湿；天然气呈气态，一般由甲烷（CH4）和一些重烃气（C2+）的组分构成，大都无极性，而且分子量较小、分子间的相互作用力很弱，不具备置换岩石颗粒表面吸附水的能力，因此，当天然气进入水湿的岩石孔隙时，只能排驱孔隙中央的与岩石表面没有作用或作用力非常弱的地层水，而基本上不会影响到岩石表面的吸附水。

2 油气多次充注物理模拟实验

实验采用一维可视油气运移物理模拟装置，模型管长150 cm，内径38 mm，外径42 mm，填充物是玻璃微珠（玻璃珠酸泡碱泡去杂质，浸在蒸馏水中水润湿），玻璃微珠直径为0.59～0.71 mm。

2.1 模型填装

主要进行饱和蒸馏水填装模型。饱和蒸馏水填充玻璃微珠时首先将玻璃管一端胶塞封闭，然后注入一定量的蒸馏水，再使用漏斗将玻璃珠与蒸馏水一起注入玻璃管，蒸馏水溢出，最终玻璃珠填满玻璃管，形成饱和蒸馏水模型。

2.2 实验准备

主要进行管线连接和安装实时摄录装置，即将照相机与计算机互联，通过计算机控制照相机的拍摄频率，实现相机间隔照相、计算机直接存储照片的功能。

2.3 模拟实验

主要进行注入并采出流体。注入流体过程采用的方法是底部持续慢速注入原油/氮气，采出流体过程采用的方法是顶部采出收集，当注油气停止时关闭顶部出口。首先以1.0 mL/min的速度注入20.0 mL煤油，以0.02 MPa的压力注入氮气30 s，煤油/氮气运移至模型顶部、不再形成运移后，再次以同样方式注入同样数量的煤油/氮气，观察运移路径是否改变，通过照相机实时拍照的方式记录染红色煤油及氮气的运移过程。

实验结果显示，煤油一次充注的过程出现了活塞式和优势式两种模式，当以一定速率注入煤油的时候，首先在模型底部形成活塞式的充注，充注率较高，随着油柱高度的不断增大，煤油逐渐沿有限的优势通道运移，而且在运移的整个过程中，运移的速率逐渐增大，运移至顶部时，逐渐形成了聚集，而且运移路径上的煤油残留量在减少导致颜色逐渐变淡；二次充注煤油沿前期运移路径运移，运移通道未改变，并在模型顶部形成了聚集，运移路径上的颜色也在逐渐变淡，最终聚集量与充注量相当（图1）。

氮气一次充注的过程显示气体沿有限的通道运移，而且运移的速率较快，充注完成后，气体几乎都滞留分散在模型中下部；二次充注氮气时，气体沿更多运移路径运移，运移通道更加复杂，形成断续式运移，并且气体在通道中滞留量较大，放置一段时间后，气体在模型顶部形成聚集，但运移路径上的滞留量仍然较大（图2）。

图1 油二次充注物理模拟实验实验过程Fig.1 Diagram of multi-oil filling physical simulation experiment

图2 气二次充注物理模拟实验过程Fig.2 Diagram of multi-oil filling physical simulation experiment

3 油气运聚过程差异分析

油气多次充注物理模拟实验结果表明，原油和天然气的二次运移过程是不同的，原油二次运移主要是一种优势式运移，天然气二次运移主要是一种断续式运移；在运移路径上的残留量也有很大差异，原油在运移路径上的残留量相对较低，而天然气在运移路径上的残留量相对较高。结合实际地质条件，油气二次运移过程首先与其发生的地质环境密切相关，油、气、水的物化性质及其与孔隙岩石的相互作用关系直接影响了油气二次运移过程。

地层水伴随着地层的演化过程，是岩石孔隙中的原生流体，并且占据了绝对量的优势；而油气是成岩之后进入岩石孔隙的流体物质，是次生流体。在某种意义上说，油气的运移可以看作是在岩石孔隙和地层水中进行的，并且与地层水的运动相伴。原油与地层水均呈液态，虽然原油密度比地层水小，但是各组分分子一般较水分子大，其中沥青质分子不仅分子量高，而且具有比地层水更强的极性。因此在浮力作用下，原油在岩石孔隙中运移时，不仅会排驱孔隙中央的地层水，而且会置换被吸附在岩石表面的地层水，最终将水湿岩石变为油湿，并且形成相对稳定的运移通道。从从原油运移过程来看，主要是优势式运移，当活塞式运移原油的垂直液柱高度增大到一定程度，浮力大于毛细管阻力，并达到一个临界的压力差时，浮力将对原油的运移产生作用，在浮力的驱动下，原油将沿毛细管阻力较小的、孔隙度渗透率较高的优势通道运移。天然气是由低分子量的烃类或非烃气体组成，一般呈气态，与原油和地层水的差异明显，密度远远小于原油和地层水，分子间相互作用力非常弱，扩散能力较强。由于天然气分子小，而且没有极性，因此不能置换吸附在岩石表面的地层水。从天然气的运移方式上看，与原油运移明显不同的是天然气运移是一种断续式运移，不能形成类似与原油运移的稳定的运移通道，而是在一定范围内的相对稳定的动态运移通道。

因此，油气二次运移模式的不同导致了其运移路径的稳定性存在差异，原油二次运移过程中形成比较稳定的运移通道，运移效率较高，在运移路径上的残留量相对较低；天然气二次运移过程中形成一种动态的相对稳定的运移通道，运移散失量较大，在运移路径上的残留量相对较高。

4 结论

（1）原油具有比地层水更大的分子量和更强的极性，二次运移过程中可以改变岩石润湿性，并与孔隙岩石建立稳定的关系，形成相对稳定的运移通道，后期原油可沿该运移通道运移，运移损失量低，运移效率相对较高。

（2）天然气不具备改变岩石润湿性的能力，在水润湿的岩石空隙中运移的过程中，不能形成类似原油二次运移的稳定通道，而是一种动态的相对稳定的运移通道，运移路径的变化导致运移范围增大，运移散失量大，运移效率相对较低。

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编辑：王旭东

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Stability and Formation Mechanism Analysis of Secondary Migration Pathway of Hydrocarbon

Jiang Lin1，2,Bao Dongmei1,Hong Feng1，2,Hao Jiaqing1，2,Fan Yang1，2，3
1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development，CNPC，Haidian，Beijing 100083，China 2.Key Laboratory of Basin Structure and Hydrocarbon Accumulation，CNPC，Haidian，Beijing 100083，China 3.School of Earth Sciences and Technology，China University of Petroleum（East China），Qingdao，Shandong 266580，China

In order to accumulate in effective trap，hydrocarbon generated form source rocks has to go through a certain distance of secondary migration，therefore the process of hydrocarbon secondary migration has a great influence on ultimate hydrocarbon accumulation rate.The secondary migration process of crude oil can be divided into two types：piston pattern and advantage pattern；the secondary migration of gas is an intermittent migration process composed of piston pattern and advantage pattern.The difference of secondary migration pattern leads to the differences in the migration pathway stability between oil and gas.This study used dyed kerosene and nitrogen to conduct physical simulation experiment of secondary migration process respectively，and discussed secondary migration pathway stability of oil and gas through way of more than one filling，and analyzed its formation mechanism in view of the different physical characteristics between oil，gas and water and the relation of the difference to porosity of reservoir rock.In our opinion，a fairly stable migration pathway could be formed in the process of oil secondary migration，so its transport efficiency is higher；natural gas forms a relatively stable dynamic migration pathway in the process of secondary migration，the loss amount while migrating is larger.

secondary migration；preferential migration pathway；wettability；stability；migration and accumulation efficiency

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.08.11.05.html