油气优势运移通道形成“三要素”分析——以苏北盆地高邮凹陷XJZ油田为例

李鹤永，田　坤，邱旭明，刘启东，刘　震，宋丽艳

(1.中国石化 江苏油田分公司，江苏 扬州　225012；2.中国石油大学 石油天然气成藏机理教育部重点实验室，北京　102249)



油气优势运移通道形成“三要素”分析
——以苏北盆地高邮凹陷XJZ油田为例

李鹤永1，田坤1，邱旭明1，刘启东1，刘震2，宋丽艳1

(1.中国石化 江苏油田分公司，江苏 扬州225012；2.中国石油大学 石油天然气成藏机理教育部重点实验室，北京102249)

油气优势运移通道研究是勘探目标评价的重要内容，其形成主要受输导层的非均质性、通道产状和运移动力3种“要素”控制。结合计算分析和针对苏北盆地高邮凹陷XJZ油田的油气运移模拟实验，进一步论述了油气优势运移通道形成中“三要素”的作用机理。“三要素”中“动力”要素是核心，控制着油气运移的趋势和方向；“产状”要素对“动力”要素起约束作用；“非均质性”要素决定着油气能否运移以及运移速度。油气优势运移通道实际上是“三要素”综合作用的结果。

非均质性；通道产状；流体动力；优势运移通道；高邮凹陷；苏北盆地

油气优势运移通道是地下油气在非均质输导层(储层、断层或不整合面等)内运移过程中优先选择的路径通道。国内外大量数值和实验模拟等研究[1-20]均表明，油气二次运移主要集中于输导层内的有限优势通道中进行，油气藏分布受优势运移通道控制作用明显[1]，因此优势运移通道研究对于评价有利勘探区带和目标至关重要。

目前关于油气优势运移通道的研究，注重单因素、强调通道本身条件的较多，综合分析较少。实际上，形成优势运移通道的主体并非通道本身，而是其中的油气。优势运移通道是输导层中的油气在多种外界条件推动和约束下最终形成的运移路径。因此在讨论优势运移通道时，如只考虑通道本身的因素，只会得出片面的结论。

笔者在前人研究的基础上，归纳并总结了控制油气优势运移通道形成的3个基本要素。并以流体为核心，综合分析油气运移通道的形成，通过以典型油藏为原型设计并展开模拟实验研究，求证了分析结果。

1　优势运移通道形成主控因素

研究油气优势运移通道，关键是主控因素的确定，对于该问题，各学者持不同的观点。表1归纳了国内外不同学者研究优势运移通道时所侧重的主要控制因素[21-34]。实际上，油气优势运移通道的形成是个复杂的过程，是油气在输导层内部运移过程中多种因素综合作用的结果。综合这些因素的特点，可大体分为3大类：①形成优势通道的各种输导层本身的非均质性因素，包括输导层内及层间非均质性、断层开启或封闭程度等；②封闭层底面和断面形态、产状以及输导体间的叠置样式都属于通道产状的范畴，与构造形态直接相关；③不论是稳态流还是瞬态流，都属于流体动力范畴。这3大类可对应于3种宏观地质条件：输导系统内部结构的非均质性、输导层构造特征(包括形态、产状)和输导动力条件。

表1　油气优势运移通道控制因素分类

2　优势运移通道形成的“三要素”

以上分析表明，优势运移通道的形成主要受如下3个基本要素控制：①非均质性(输导层内非均质性及层间非均质性)；②产状(输导层顶面形态产状以及输导体间邻接配置)；③动力(流体流动样式、流体势场分布)。实际地质条件下的优势通道通常是三要素联合影响下形成的复合结果，可概括为在一定的流体动力条件下，油气通过一系列具有特定几何特征的非均质输导层时优先选择的运移路径。

2.1动力要素

动力包括浮力和水动力，其中水动力条件还可划分为稳态流和瞬态流。

稳态流指的是油气在浮力和稳定水动力条件下运移的流体状态。地下水运动十分缓慢条件下可以认为浮力是主要的运移动力。浮力流的优势通道方向永远都是向上的。曾溅辉等[25]通过2D物理模拟证明，油气在浮力作用下优先充注断层的上升盘。这主要是因为上升盘接受的油气柱高度比下降盘要大，油珠所受浮力大，油气进入砂层的动力大，使上升盘成为优势通道。庞雄奇等[28]综合考虑了水动力和浮力的作用，提出优势通道取决于浮力和水动力在运移方向上的分量大小。因此稳态流作用下的优势通道取向于水动力和浮力合力的方向。

瞬态流条件下油气运移的规律和稳态流相差很大，曾溅辉等[25]、张善文等[3]利用二维模型模拟了快速幕式流条件下油气在输导层内的运移和聚集效应。实验证明，幕式(瞬态流)条件下，油首先充注断层上部和下部砂层。因此瞬态流作用下油气充注作用优势取向为近注入口方向。

2.2产状要素

产状要素包括输导层顶面或封闭层底面的几何形状、产状(倾向、倾角、位置等)以及输导层之间邻接配置关系。油气在运移动力的驱动下，其运移方向主要受运移通道产状约束，优势运移通道的取向永远趋向于动力合力分量最大的通道方向，即趋向于与运移动力夹角最小的方向。输导层顶面或封闭层底面形成的构造脊是重要的优势运移通道[1,26]。

2.3非均质性要素

非均质性要素是指输导层内或层间存在的非均质现象。非均质性是油气运移阻力产生的直接原因，阻力的大小取决于输导层非均质性的强弱，方向与运移方向相反。因此，在其他外界条件相同的情况下，油气优先选择孔渗性最好，即阻力最小的路径运移。曾溅辉等[25]通过实验证实，稳态流作用下，石油优先充注物性较好的砂层。对于断层则是断层封闭性越差，其通道性越强。庞雄奇等[28]称此类优势通道为级差优势通道。

3　优势运移通道形成“三要素”分析

形成优势运移通道的主体是油气，而非通道本

身。对于每一个油珠或气泡，动力是形成运移的前提条件，不同运移动力下优势运移通道的取向不同。因此，“动力”，即油气运移过程中所受的各种推动力(主要包括水动力、浮力等)的合力，是核心要素，控制着油气运移的趋势和方向；但这个合力大小和方向还要受输导层顶面或封闭层底面形态及产状的约束，也就是第二要素“产状”。油气运移阻力主要为毛细管阻力，主要由输导层非均质性决定，即“三要素”中的第三要素“非均质性”。

三要素中，“动力”和“产状”二要素决定了油气运移的具体方向；“非均质性”要素决定着油气能否运移以及油气运移的速度，它的大小由非均质性决定，方向与油气运移的实际方向相反，与产状无关。油气优势运移通道的形成实际上是“三要素”综合作用的结果。宏观上的运移趋势也可由运移动力、输导系统和构造三者所统一起来。下面以石油在倾斜板状地层内不同物性和走向的河道砂拼接而成的输导体内运移为例，说明优势运移通道的形成过程。

图1为一倾斜板状地层中发育有2条拼接在一起的砂体，分别为砂体1和砂体2，地层与水平面的夹角为θ，砂体1和砂体2延伸方向与板状地层倾斜线的夹角分别为θ1和θ2。假设运移动力只有浮力，砂体1和砂体2的平均毛细管阻力分别为H1和H2，现在来分析一下砂体1或砂体2在何种情况下为优势通道。

该情况下优势通道的方向即是油珠在输导层内所受合力的方向，该合力受三要素直接控制，即受浮力(动力要素)、砂体产状(产状要素)和毛细管阻力(非均质性要素)的联合控制。以下为同一油珠在2个砂体内的受力情况分析。

设运移上来的单个连续油珠所受浮力大小为H。在“产状”和“非均质性”要素影响下，推动油珠沿砂体1运移的合力F1大小为：

F1=H·sinθ·cosθ1-H1

同理，油珠沿砂层2运移的合力F2大小为：

F2=H·sinθ·cosθ2-H2

只有在运移合力大于0的情况下，油珠才可能在输导层内向前运移，合力越大，运移速度越快。因此，通过分析油珠在不同砂层内所受合力的相对大小，就能够判断出油气运移优先选择的路径，或优势运移路径。

(1)当θ1>θ2，H1>H2，即砂体1与地层倾斜线夹角大，且砂体1毛细管阻力也比砂体2大。F1和F2的大小关系如图2所示，在油气不断充注过程中，会发生下列变化：①随着油气的充注，连续油柱高度不断增高，浮力随之增大，当浮力H增加到H>H2/(sinθcosθ2)时，F2>0>F1，砂体2开始有油气运移，但此时砂体1内无油气运移；②当浮力H增加到H>H1/(sinθcosθ1)时，F2>F1>0，两砂体内都有油气运移，但砂体2具有优势。

图1　油气优势运移通道选择示例

(2)当θ1>θ2，H1H1/(sinθcosθ1)时，F1>0>F2，砂体1开始有油气运移，但此时砂体2内无油气运移；②当浮力H继续增加到H>H2/(sinθcosθ2)时(未到交点处)，F1>F2>0，两砂体内都有油气运移，但砂体1具有优势；③当浮力H继续增加到H>(H2-H1)/(sinθcosθ2-sinθcosθ1)时，F2>F1>0，两砂体内都有油气运移，但砂体2具有优势。

图2　运移合力与浮力变化关系(θ1>θ2，H1>H2)

图3　运移合力与浮力变化关系(θ1>θ2，H1

从以上分析可以看出，在运移动力较小的情况下，油气优先沿着阻力较小的输导体运移；随着动力的增强，产状因素作用逐渐显现，如果动力足够大，产状成为影响优势通道的决定因素，具有有利产状的输导体成为最终的优势通道。因此，非均质性或毛细管阻力并不是影响优势通道的决定性因素，优势通道的选择与输导体的产状和油气运移动力有重要关系。

4　优势运移通道模拟实验分析

4.1实验模型和实验条件

该实验主要以苏北盆地高邮凹陷XJZ油藏为原型(图4)。该油藏供烃源岩为下伏阜四段暗色泥岩，原油主要通过断层进入上部戴南组及三垛组地层。实验模型中储层相对渗透率依据油藏实际物性数据(表2)进行等比例放大。该油田发育有3类断层，一类为二级控凹断层，一类为三级同生断层，还有一类为早期形成的四级断层，设计实验时，设定3类断层渗透性依次降低。

根据实际地质原型，设计实验模型如图5所示。实验模型尺寸为50 cm×30 cm×2 cm。模型中F1为主断层，它与下伏油源层相通，F2和F3为分支断层；模型中布置6个压力传感器，黑色同心小圆圈表示其位置；砂层之间被宽约1 cm的非渗透层隔开，每个砂层右端分别设有1个出口。斜线充填的部分为非渗透性地层，主要以橡胶充填；砂层主要为白色纯净的亲水石英砂；充注油为用天然色素染成红色的煤油(密度0.75 g/cm3)；实验用水为蒸馏水(密度1.0 g/cm3)。实验模型的有关参数如表3所示。

图4　苏北盆地高邮凹陷XJZ油田油藏剖面

层位孔隙度/%渗透率/10-3μm2垛一段22920戴二段18520戴一段1224

图5　实验模型示意

依据研究区成藏特征，考虑到可能的流体运聚特征，实验中设计2种充注方式，分别为稳态充注和幕式充注，实验条件如表4所示。

表3　实验模型参数

实验1采用稳态充注，充注流体为油，注油速率为0.1 mL/min。通过连续不间断的充注，让油在模型中运移聚集，同时记录每个出口的排液情况，实验过程中拍摄记录油的运移路径和过程。

实验2采用幕式充注，每次充注压力为2.5 MPa，注油量约13 mL。实验开始前先使模型各砂层充分饱含水。每次向模型注油前先关闭阀门，当ISCO泵与模型之间的高压容器压力达到2.5 MPa时迅速打开阀门，让流体通过注入口进入模型，模拟断层幕式开启、流体幕式释放的过程。连续记录每个出口的排液量。重复以上实验过程，至出口排出的油水比稳定、且模型内油运移达到稳定时，即可停止实验，同时拍摄和记录整个充注过程中油运移聚集的特征。

4.2实验过程及结果分析

实验过程及结果如图6和图7所示，不同的充注方式，优先充注的通道和最终成藏的部位差异很大。下面结合控制优势运移通道形成的三要素阐明其形成的机制。

(1)稳态充注条件下，油气优先充注物性较好的输导层，首先沿着物性条件相对较好的断层F1运移，充注顺序为注入口—断层F1下部—砂层S2左—断层F1上部—砂层S1左—断层F2上部—砂层S1右—出口1；随着油气充注的持续进行，油突破断层F2时又形成了注入口—断层F1下部—砂层S2左—断层F2中上部—砂层S1右—出口1通道，后来的通道逐渐成为主要通道。油气最终富集于砂层S2左侧和砂层S1。实验1表明，在稳态运移动力较小的条件下，油主要沿阻力最小的路径运移，非均质性因素占主导作用。此实验与运移动力较小情况下优势运移通道的形成分析相一致。

(2)幕式条件下，油气优先充注距注入口近的S3砂层，至F1与F2断层拼接处时，与实验1相反，主要沿F2断层运移，通过F2断层后先充注F2上盘砂体，后充注下盘砂体，最终各砂体均有油气聚集。实验2表明，由于压差很大，产状因素作用增强，甚至超过非均质性因素，油气更多地沿产状较陡的F2断层运移，优先充注断层上盘砂体。由于动力足够强，各输导体均对油有输导作用，最终可形成各砂层均有油气聚集的结果。实验2的过程和结果与动力足够大情况下优势通道的形成分析十分一致。

图6　实验1稳态充注条件下油的运移过程图中黄色为油，白色为砂体饱含水

图7　实验2幕式充注条件下油的运移过程图中黄色为油，白色为砂体饱含水

实验1与实验2对比表明，不同运移动力条件下油气优势运移通道的取向差异很大。运移动力较小的稳态充注情况下，油气优先充注物性好的输导体；动力较强的幕式充注条件下，物性虽差但产状有利的输导体同样可成为优势运移通道。两实验进一步证实了前面的理论计算得出的结论。

实验结果也表明XJZ油藏主要的成藏方式是幕式充注，该条件下深层物性差的砂体均可形成油气富集。

5　结论

综合前人研究成果，并通过本文的理论计算和实验分析表明，油气优势运移通道的形成主要受输导层非均质性、通道产状和运移动力“三要素”控制。“动力”要素是核心，控制着油气运移的总体趋势和方向；“产状”要素对“动力”要素起约束作用；“非均质性”要素决定着油气能否运移以及油气运移的速度。“三要素”分析表明，非均质性或毛细管阻力并不是影响优势运移通道的决定性因素，优势通道的选择与输导体的产状和油气运移动力有重要的关系。当运移动力较小情况下，油气优先沿着阻力较小的输导体运移；随着动力的增强，产状因素作用逐渐显现，如果动力足够大，具有有利产状的输导体可成为最终的优势通道。油气优势运移通道实际上是“三要素”综合作用的结果。宏观上的油气运移趋势也可由运移动力、构造和输导系统三者所统一起来。

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(编辑韩彧)

Three factors controlling petroleum migration pathways: A case study of XJZ oilfield in the Gaoyou Sag, North Jiangsu Basin

Li Heyong1, Tian Kun1, Qiu Xuming1, Liu Qidong1, Liu Zhen2, Song Liyan1

(1.SINOPECJiangsuOilfieldBranchCompany,Yangzhou,Jiangsu225012,China; 2.KeyLaboratoryforHydrocarbonAccumulationMechanismofMinistryofEducation,UniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The analysis of prevailingpetroleum migration pathways can help evaluate petroleum exploration targets. Three factors control migration pathways, including the heterogeneity of carrier beds, the attitude of migration pathways and fluid dynamic force. A case study was made in the XJZ oilfieldin the Gaoyou Sag, North Jiangsu Basin, to considerthe controlling effects on petroleum migration pathways. Fluid dynamic force plays a core role and controls the direction of petroleum migration. The attitude of pathways constrainsfluid dynamic force. The he-terogeneity of carrier beds determines whether petroleum can migrate and the velocity of migration. Petroleum migration pathways are determined bythe interaction of three factors.

heterogeneity;attitude of migration pathways;fluid dynamic force;prevail petroleum migration pathways; Gaoyou Sag; North Jiangsu Basin

1001-6112(2016)05-0577-07doi：10.11781/sysydz201605577

2016-04-14；

2016-07-12。

李鹤永(1974—)，男，博士，高级工程师，从事石油地质研究。E-mail：liheyong@163.com。

中国石油化工股份有限公司项目“苏北盆地构造体系、演化与成藏研究”(P15077)和江苏油田分公司项目“汉留断裂带油气富集规律研究及圈闭评价”(JS14001)联合资助。

TE122.1

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