油气二次运移可视化物理模拟实验技术研究进展

公言杰 ，柳少波 ，姜林 ，洪峰 ，张赞武

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083；3.中国石化中原油田分公司油藏经营管理办公室，河南 濮阳 457001）

0 引言

油气成藏研究包括成藏的最基本条件，诸如油源、储层、盖层、圈闭，以及成藏条件在地质历史配合所发生的动力学过程及其结果［1-8］。在成藏学研究历史上，如何利用实验室条件模拟漫长地质历史条件下的油气成藏过程，是众多地质学家一直探讨的问题。

油气二次运移可视化物理模拟技术是通过物理模拟把地质学、成藏动力学、流体动力学等学科结合起来，从动态的、立体的、可视的、定量的角度来认识油气运移成藏史，是一种有力的油气地质研究工具［9］。

油气二次运移可视化物理模拟实验是油气成藏研究的重要手段，在石油地质理论的发展中起着重要作用，主要体现在3个方面：一是确定油气成藏参数；二是模拟油气成藏过程；三是探讨油气成藏机制。

1 实验技术类型

油气二次运移可视化物理模拟实验本质在于实验条件模拟实际地质条件，物理模拟实验设备的选取对于实验技术起决定性控制作用。针对油气二次运移可视化物理模拟实验技术的分类，国外学者没有提出明确的方案；曾溅辉等［10］则根据实验模型的性质及形状将其分为一维模型、二维模型、三维模型和微观模型实验技术。

笔者通过广泛调研国内外实验技术方法，提出根据实验装置将油气二次运移可视化物理模拟技术划分为3种类型：1）一维玻璃管油气运移模拟实验；2）二维可视油气运移模拟实验；3）三维油气运移模拟实验。在此基础上，总结了3类实验技术类型的差异性（见表1）。

表1 3类技术类型特征对比

2 实验条件

在明确了油气二次运移可视化物理模拟实验技术分类基础上，笔者系统梳理了国内外油气二次运移可视化物理模拟实验技术采用的实验条件。

1）模拟砂体。包括2类，即散样与实际岩心样品。玻璃珠与石英砂是使用的主要散样样品，不同目数的散样样品可以模拟不同物性的砂体模型，这种样品可以根据需要设置尺寸与分布状态，但是由于没有经过压实胶结，孔渗都较高。实际岩心样品一般采用油田储层柱塞样品，这种样品可以真实模拟实际储层孔渗，但往往尺寸有限。

2）模拟流体及参数。包括模拟流体的类型、矿化度、pH值，模拟油样的黏度、密度参数，模拟实验气体的比例。有关参数均需根据实验需求调节设置。

3）模拟成藏方式。包括幕式、连续充注；成藏动力方面，包括浮力、压差、水动力、构造运动力、热能充注速率等。

4）模拟封闭条件。仪器顶部聚集还是散失，影响模拟实验砂体最终成藏结果。

5）模拟温压条件。一般采用真实岩心模拟实验，需要模拟实际地层条件下的温压。散样样品由于设备局限采用室温常压。

3 研究进展

Munn［11］最早通过物理模拟实验研究了流动的水对石油在地层中分布的影响，油气二次运移可视化物理模拟实验技术随之诞生。Emmons等［12-21］针对不同实验目的进行过相应的二次运移可视化物理模拟实验研究。近年来，随着国内外一批先进的物理模拟重点实验室相继建立，油气二次运移模拟研究取得了重要进展。

3.1 油气二次运移条件、路径

Emmons［12］研究了浮力对石油聚集的影响。Illing［13］研究了水和石油通过粗细交替砂层的渗流机理。Dembicki等［16］在 60.0 cm×2.5 cm 的填满亲水沉积物的玻璃管中进行了油气二次运移实验，认为在绝大多数情况下，石油可能在多孔、渗透性沉积地层中沿有限通道二次运移，只有极少量油在运移通道中以残余油的形式损失掉。

张发强等［20］利用填装玻璃微珠的玻璃管模型，观察静水条件下油在饱含水孔隙介质中靠浮力形成优势运移路径，以及随后沿已形成的路径运移的过程。研究发现：油气的运移表现出强烈非均一性，存在运移主路径；运移过程中存在前缘跳跃（haines jump）与分段运移现象；运移路径一旦形成，其形态和空间展布特征基本保持稳定不变（见图1）。

图1 前缘跳跃现象与分段运移现象［21］

Catalan等［17］使用装有玻璃珠或砂粒的玻璃管，通过设置玻璃珠粒度、油的密度、油水界面张力以及玻璃管倾角等条件，进行油或气驱水实验，研究静水条件下石油的二次运移。同时提出了几个重要的油气二次运移规律：连续油相运移存在临界运移高度；油气沿有限的固定通道运移；倾斜地层油气运移的效率大于垂直地层油气运移的效率；二次运移速度取决于孔隙结构、油气密度、初始运移高度。

3.2 油气二次运移模式

Lenormand［22］研究了孔隙介质中二次运移模式，用毛细管数和黏性比值系数将毛细管力和黏性力对油气运移的影响概化为3种现象：黏性指进、毛细指进、稳定驱替（见图2a）。Tokunaga研究了二次运移作用力，提出油气运聚存在2种不同驱替形式，即A型整体驱替和B型指进驱替模式。A型具有高Ca/Bo值（Ca为排替流体的黏滞力与系统的毛细管力之比，Bo为排替流体在被排替流体中所受浮力与毛细管力之比），B型具有低Ca/Bo值。张发强等利用填装玻璃微珠的玻璃管湿填法强亲水模型，系统观察了不同原始油柱高度和注入速率的染色煤油在饱含水孔隙介质中的运移过程，讨论了石油二次运移路径的模式及其条件（见图2b）。

图2 二次运移模式［20,22］

3.3 油气运移动力与成藏机制

Munn研究了流动水对石油在地层中分布的影响，提出了石油运移的水力说［11］；Hubbert研究了水动水条件对于油、气、水界面分布的控制影响［14］；Hill研究了石油浮力作用下的成藏过程［15］；Tomas等开展了背斜圈闭条件下油气运移成藏模拟实验［16］。 张云峰［23］开展了烃源岩之下岩性油藏成藏二维模拟实验，并提出这种油藏的形成需满足2个必要的地质条件，即烃源岩层的超压和连通烃源岩层与下伏砂体的断层，足够大的超压为油气向下运移提供动力，而断层则成为油气向下运移的通道。邱楠生、方家虎［24］研究了热作为油运移动力的二维物模实验。陶士振、曾溅辉研究了岩性、成岩、毛细管力3种不同圈闭成藏机理，提出压差、渗透率级差控制岩性圈闭成藏，物性、充注压力共同作用控制毛细管压力圈闭的成藏 （据2009中国石油大学（北京）物理模拟实验内部报告）。 陈冬霞、庞雄奇［25］进行了核磁共振二维油气运移模拟实验，观测了岩性圈闭中油的聚集成藏过程并定量模拟了不同条件下砂体中的含油性。

为了深入研究和探索致密油运聚机制，笔者与西北大学孙卫教授合作，设计由载玻片与盖玻片夹持的岩石薄片模型，加入带刻度引槽，优化注入系统的原油注入速度，并利用显微镜，实现微观尺度的原油注入实验观测。

具体实验流程由抽真空系统、加压系统、显微镜观察系统、图像采集系统4个部分组成（见图3）。

1）抽真空系统。利用抽真空压力泵对模型抽真空，降低气体原因造成的实验误差。

2）加压系统。采用氮气瓶加压，数字压力仪测压。

3）显微观察系统。以尼康体视显微镜为主，配有数码照相，可随时观察各种现象并同时照相或录相。

4）图像采集系统。配有高分辨率的照相机和摄像头，可以将视频信号从摄像头中采集到计算机上。

图3 二次运移可视化物理模拟实验流程

油驱水实验过程中，油首先沿模型中连通较好的大孔隙向前推进，随着油驱水压力（p）的不断提高，模型中含油面积不断扩大，直至出口端只出油不出水，最终确定该模型的含油饱和度（见图4、图5）。从实验观察可发现，致密油成藏过程主要表现为以下3个阶段：

1）当油流经连通较好的大孔隙和微裂缝时，便很快在此形成通道，连续相的油绕过小孔隙，使连通较好的油流渗流通道周围小孔隙中的水残留下来，形成较大面积的残余水，即在模型中油的分布是不均匀的（见图 4a，4b）。

2）在油驱水过程中，当孔隙中连续的油相通过喉道时，常发生卡断现象，断下的油滴可在孔隙中重新聚合，并在通过下一个喉道进入孔隙时，可能再次发生卡断，最终卡断的油滴将聚集在大孔道孔中央，孔喉比越大，卡断的频率越高（见图4c）。

图4 二次运移可视化成藏过程局部照片（×60）

图5 模型成藏全过程

3）随着驱替压力逐渐增大，油驱水通道不断增多，油从大孔隙逐渐进入小孔隙，由单一的渗流通道逐渐形成网状或连片状，使其中的水不断被排出。但在部分孔隙盲端或角隅、颗粒边缘夹缝和矿物破裂解理缝中的水，由于毛细管力和岩石表面物理性质（润湿性、界面张力）的作用，仍被残留下来形成残余水。由此可以看出，孔隙越均匀、孔喉比越小的模型，含油饱和度越高（见图 5）。

4 发展趋势

经过100余年的发展，从最经典最常用的一维玻璃管模型到复杂的三维物理模拟，从简单的常温常压模型到高温高压模型，从最初粗粒的玻璃珠散样样品到不同目数的散样样品与实际岩心样品，油气二次运移可视化物理模拟实验技术逐渐走向成熟。对油气二次运移可视化物理模拟实验未来的发展趋势，本文认为有以下方面。

4.1 物理建模技术

1）建立更加符合地质条件的物理模型。物理模型的建立离不开地质模型，而地质模型需要依靠最新地质地震资料进行典型剖面与系统盆地分析来获取。因此，通过提高地质地震资料质量，获取更符合实际地质条件的地质模型，从而建立相应的物理模型，是未来成藏物理模拟实验物理建模的发展趋势。

2）点模型—线模型—剖面模型—体模型。最早的一维玻璃管模型属于点模型，即选取了研究区域研究层位的某一个典型岩石，以其为参考标准，模拟相应孔渗条件下的油气运聚情况。把不同深度的样品作为一个系列模拟研究，之后研究不同井位、不同区域的样品，就是“点模型—线模型—剖面模型—体模型”的发展趋势。

3）与数学模拟相结合，定量研究。物理模拟实验与数值模拟实验是分不开的。随着计算机、数学技术的不断发展，将物理模拟与数学模拟相结合，使用大量必须参数进行定量研究，是未来成藏物理模拟实验物理建模的发展趋势。

4.2 模型相似性标准技术

1）材料向接近实际地层、实际条件、多样化发展。目前国内外使用的物理模拟实验地层模拟样品主要有实际岩心、人工岩心、玻璃珠等散样。尽管实际岩心是相似性最好的材料，但是由于对于盛装实验仪器要求有限制，同时不同地区储层物性差异性较大，无法作标准比对研究；因此，可以通过制取人工岩心柱塞样品作为标准样品。散样由于易获取、易撑装、易观察，可以通过加压降低孔渗性，目前得到广泛应用（见表2）。

表2 物理模拟样品特性对比

2）边界条件：边界条件对于模型的约束具有很重要的意义。多参数定量标定、更接近实际地层条件是未来的发展趋势。

5 结论

1）油气二次运移可视化物理模拟实验技术是可视定量地研究油气运移成藏的重要手段。按照实验装置可将其划分为一维玻璃管油气运移模拟实验、二维可视油气运移模拟实验、三维油气运移模拟实验技术3种类型。

2）一维玻璃管油气运移模拟实验技术易装填操作，应用最早最广，主要应用于油气运移条件、机理与路径与模式的研究；二维可视油气运移模拟实验技术主要应用于模拟油气分布差异性控制因素；三维油气运移模拟实验技术可精细表征油气运移成藏过程。

3）油气二次运移可视化物理模拟实验技术发展趋势包括：建立更加符合地质条件的物理模型、单维度模型到多维度模型、结合数学模拟建模等物理建模技术；样品向接近实际地层条件、多样化发展；边界条件向多参数定量标定、更接近实际地层条件发展。

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