西南石油大学学报(自然科学版)  2020, Vol. 42 Issue (2): 118-124
油气聚集形成异常高压机理初探    [PDF全文]
胡黎明    
克拉玛依职业技术学院石油工程系, 新疆 克拉玛依 834000
摘要: 异常高压的形成机理十分复杂,是一个未完全解决的学术难题,有待进一步深入研究。通过分析油气运移、聚集成藏与储集层排水特点,从油气"充注"动力、异常高压的定量计算、异常高压的保存与释放等方面,对油气聚集形成异常高压的机理进行了初步探索。结果表明,在生储交界处,油气运移进入储集层的主要动力为毛管压力,生油层孔隙毛管半径越小,油气从生油层向储集层"充注"的动力也越大,生油层孔隙毛管半径是影响储集层中地层压力系数最大值的重要因素之一;在一定地质历史时期,只要运移进入储集层的油气量略大于储集层排出的水量,即可形成较大的异常高压;储集层中的异常高压由盖层通过毛管压力封堵而得以保存;在油气聚集区域之外的储盖交界处不存在毛管压力,储集层可通过盖层向外排水释放压力。油气聚集形成异常高压理论,能够合理解释为什么大多数油气藏的压力高于相同深度的静水液柱压力,地层压力系数略大于1.0,但非常高的异常高压油气藏却很少的客观现实;也能够合理解释较高的异常高压的形成原因。
关键词: 油气聚集    异常高压    地层压力    储集层    机理    
Preliminary Study on the Mechanism of Abnormal High Pressure Formed by Oil and Gas Accumulation
HU Liming    
Department of Petroleum Engineering, Karamay Vocational & Technical College, Karamay, Xinjiang 834000, China
Abstract: The formation mechanism of abnormal high pressure is very complex, and it is an unsolved academic problem, which needs to be further studied. By analyzing the characteristics of oil and gas migration, accumulation and reservoir drainage, the mechanism of abnormal high pressure formed by oil and gas accumulation is preliminarily explored from the aspects of "filling" power of oil and gas, quantitative calculation of abnormal high pressure, preservation and release of abnormal high pressure. The results show that the main driving force of oil and gas migration into reservoir is capillary pressure at the junction of reservoir and reservoir. The smaller the radius of pore capillary, the greater the power of oil and gas "filling" from reservoir to reservoir. The radius of pore capillary is one of the important factors affecting the maximum formation pressure coefficient in reservoir. The abnormal high pressure can be formed if the oil and gas volume of reservoir is slightly larger than the water discharged from reservoir; the abnormal high pressure in reservoir can be preserved by capillary pressure plugging; there is no capillary pressure at the reservoir-cap junction outside the oil and gas accumulation area, and the reservoir can release pressure through the drainage of caprock. The theory of abnormal high pressure formed by hydrocarbon accumulation can reasonably explain the fact that the pressure of most reservoirs is higher than that of hydrostatic column at the same depth, and that the formation pressure coefficient is slightly greater than 1.0, but high abnormal high pressure reservoirs is very few; it can also reasonably explain the cause of formation of high abnormal high pressure.
Keywords: oil and gas accumulation    abnormal high pressure    formation pressure    reservoir    mechanism    
0 引言

油气聚集成藏是一个漫长的地质过程,储集层中异常高压的形成具有时间跨度长、空间尺度大的特点,很难在实验室模拟再现。因此,异常高压的形成机理是一个十分复杂的研究课题。国内外学者开展了大量研究,认为异常高压的形成机理主要有:欠压实作用、挤压作用、构造抬升、水热增压、蒙脱石脱水、生烃作用、与流体流动和浮力相关的增压作用等[1-5]。通过文献调研发现[6-13]:欠压实作用是大多数异常高压形成的主要原因;挤压作用是山前高陡构造带异常高压形成的主要原因;少数的异常高压是由欠压实和挤压作用以外的其他原因造成。

然而,对异常高压的形成机理学术界存在不同的观点。例如:李传亮深入研究了岩石的变形机制后,对岩石欠压实概念提出了质疑,认为欠压实是地质学中最荒谬的概念之一[14];周鹏高等对挤压作用形成异常高压开展了定量研究,结果表明挤压作用可以形成轻微的压力异常,但难以形成较高的异常高压,一般不是异常高压形成的主要原因[15];夏新宇等研究了构造抬升对地层压力的影响,结果表明构造抬升倾向于形成异常低压,而不是形成异常高压[16]。至今,异常高压的形成机理仍然是一个未完全解决的学术难题,有待进一步深入研究。前人的研究成果指出,异常高压是外来流体进入封闭地层的结果[17],深层地层出现异常高压,大多数都与油气聚集有关[18]。通过分析油气运移、聚集成藏与储集层排水特点,本文对油气聚集形成异常高压的机理进行了初步探索。

1 油气聚集与地层压力的关系

生油层生成的油气通过初次运移进入储集层,在储集层中向上运移,遇到阻碍后沿储集层上倾方向进行二次运移,最终在圈闭中聚集成藏,这是油气藏形成的基本过程[1]。油气从生油层运移进入储集层,是生油层向储集层“充注”油气、储集层向外排水的动态过程(图 1)。若储集层中的孔隙空间最初饱和了地层水,在一定的地质历史时期,油气运移进入储集层,而储集层被围岩绝对封闭而完全不排水,则储集层中必然形成异常高压;若运移进入储集层中的油气量大于储集层的排水量,储集层中也会形成异常高压;若运移进入储集层中的油气量小于等于储集层的排水量,储集层中不会形成异常高压。

图1 油气聚集与储集层排水示意图 Fig. 1 Schematic map of oil and gas accumulation and reservoir drainage

以下针对某一封闭的背斜圈闭进行研究,该圈闭特点如下:生、储、盖组合配置如图 1所示,生油层位于储集层下倾方向,横向上圈闭顶部与生油层有一定距离;围岩(盖层、遮挡物和底板)的孔隙开度和渗透率小于储集层,对储集层起封闭作用;在生油层生成油气之前,生油层、储集层和围岩均饱和地层水,各岩层中地层压力等于静水液柱压力。

2 油气“充注”动力分析 2.1 储集层中为正常压力

地层受到水的长期浸泡而呈亲水特征。以油为研究对象,在生油层与储集层交界处,其下、上两端分别受毛管压力${p_{{\rm{c}}1}}$${p_{{\rm{c}}2}}$作用;下端受生油层中地层水的压力${p_{{\rm{w}}1}}$,上端受储集层中地层水的压力${p_{{\rm{w}}2}}$;设油滴自身压力为${p_{\rm{o}}}$,油滴单位面积上的重力为${p_{\rm{G}}}$;油滴受力如图 2所示。

图2 生储交界处油滴受力图 Fig. 2 Force diagram of oil at the junction of source and reservoir

若储集层排水畅通,从生油层运移进入储集层的油量等于储集层排水量,储集层中为正常压力,油滴下、上两端地层水的压力满足

$ {p_{{\rm{w}}1}}{\rm{ = }}{p_{{\rm{w2}}}} + {\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}{H_{\rm{o}}} $ (1)

式中:$p_{{\rm{w}}1}$—下端受生油层中地层水的压力,kPa;

$p_{{\rm{w}}2}$—上端受储集层中地层水的压力,kPa;

$\rho _{\rm{w}}$—地层水密度,g/cm$^3$

g—重力加速度,g=9.8 m/s$^2$

$H_{\rm{o}}$—油滴高度,m。

油滴单位面积上的重力为

$ {p_{\rm G}}{\rm{ = }}{\rho _{\rm{o}}}{\rm{g}}{H_{\rm{o}}} $ (2)

式中:

$\rho _{\rm{o}}$—地层原油密度,g/cm$^3$

油滴下、上两端所受的毛管压力分别为[19]

$ {p_{{\rm{c1}}}} = \dfrac{{2\sigma \cos \varphi }}{{{r_1}}} $ (3)
$ {p_{{\rm{c2}}}} = \dfrac{{2\sigma \cos \varphi }}{{{r_2}}} $ (4)

式中:

$\sigma$—油水界面张力,mN/m;

$\varphi$—润湿角,(°);

$r_1$$r_2$—生油层与储集层中孔隙毛管半径,$ \mathsf{μ}$m。

垂直向上方向油滴所受合力$\Delta p$

$ \Delta p = \left( {{p_{{\rm{w}}1}} + {p_{{\rm{c}}1}} - {p_{\rm{o}}}} \right){\rm{ - }}\left( {{p_{{\rm{w2}}}} + {p_{{\rm{c2}}}} - {p_{\rm{o}}}} \right){\rm{ - }}{p_{\rm{G}}}{\rm{ = }}2\sigma \cos \varphi \left( {1/{r_1} - 1/{r_2}} \right) + \left( {{\rho _{\rm{w}}} - {\rho _{\rm{o}}}} \right){\rm{g}}{H_{\rm{o}}} $ (5)

由式(5)可知,油从生油层运移进入储集层,其所受合力为下、上两端的毛管压力之差,以及浮力与重力之差。

2.2 储集层中为异常高压

若储集层排水不畅,运移进入储集层中的油量大于储集层的排水量,储集层中形成异常高压,此时油滴下、上两端地层水的压力不再满足式(1)。

设油水交界面深度为${D_{\rm{c}}}$,则生油层中地层水压力为

$ {p_{{\rm{w}}1}}{\rm{ = }}{\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}{D_{\rm{c}}} $ (6)

设储集层中地层压力系数为$\alpha$,则储集层中地层水压力为

$ {p_{{\rm{w2}}}}{\rm{ = }}\alpha {\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}{D_{\rm{c}}} $ (7)

一般情况下,生油层毛管半径远小于储集层毛管半径,即${r_1} \ll {r_2}$,油滴上端的毛管压力、自身重力均远小于下端的毛管压力,式(5)可简化为

$ \Delta p = {p_{{\rm{c}}1}} + {p_{{\rm{w}}1}} - {p_{{\rm{w2}}}} $ (8)

储集层中形成异常高压之后,水相压力${p_{{\rm{w2}}}}$较大,当${p_{{\rm{w2}}}}$大到一定程度后垂向上油滴所受合力为0,生油层中的油停止向储集层中运移,储集层中地层压力达到最大,此时

$ {p_{{\rm{w2}}}} = {p_{{\rm{c}}1}} + {p_{{\rm{w}}1}} $ (9)

将式(3)、式(6)、式(7)代入式(9),可得储集层中地层压力系数最大值${\alpha _{\max }}$

$ {\alpha _{\max }}{\rm{ = }}1 + \dfrac{{2\sigma \cos \varphi /{r_1}}}{{{\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}{D_{\rm{c}}}}} $ (10)

若油水界面张力$\sigma$=30 mN/m,润湿角$\varphi$=30°,根据式(10)计算得到储集层中地层压力系数最大值与生油层孔隙毛管半径之间的关系,如图 3所示。

图3 地层压力系数最大值与生油层毛管半径的关系 Fig. 3 The relationship between maximum pressure coefficient and capillary radius of oil-generating reservoir

在生储交界处,油气从生油层向储集层“充注”的主要动力为毛管压力,当油水界面张力和润湿角一定时,生油层孔隙毛管半径越小毛管压力越大,油气从生油层向储集层“充注”的动力也越大。因此,生油层孔隙毛管半径是影响储集层中地层压力系数最大值的重要因素之一。

3 异常高压的定量计算 3.1 储集层孔隙及流体变化特点

假设油气聚集与储集层排水过程具有如下特点:(1)从生油层运移进入储集层的地层流体为单相油,不含气体;(2)油运移进入储集层之前,储集层孔隙空间饱和了地层水,地层压力等于静水液柱压力;(3)运移进入储集层的油量大于储集层排水量。

在一定地质历史时期内,油气聚集与储集层排水之后,储集层孔隙体积膨胀,地层压力升高,孔隙及流体变化特点如表 1所示。

表1 油气聚集与储集层排水过程中孔隙及流体变化特点 Tab. 1 Characteristics of pore and fluid changes during oil and gas accumulation and reservoir drainage

根据叠加原理,可以分两步来模拟油气聚集与储集层排水之后的“最终状态”。步骤1,等压排水:假设运移进入储集层的油量等于储集层排出水量,该过程孔隙体积、地层压力保持不变;将该过程运移进入的油称为“一次进入油”;将孔隙中剩余的水称为“剩余水”。步骤2,升压不排水:假设油继续向储集层运移,而储集层不排水,最终孔隙体积膨胀、地层压力升高;将该过程运移进入的油称为“二次进入油”,其本质为运移进入储集层的油量与排出的水量之差(流体增量)。上述两个步骤中孔隙及流体变化特点如表 2所示。

表2 模拟油气聚集与储集层排水过程 Tab. 2 Simulating oil and gas accumulation and reservoir drainage process
3.2 计算模型

设储集层深度为$D$,油运移进入储集层之前,储集层中地层压力${p_{\rm{p}}}$

$ {p_{\rm{p}}} = {\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}D $ (11)

表 2中“等压排水”后的状态作为研究起点,设储集层孔隙体积为${V_{\rm{p}}}$,“剩余水”体积为${V_{\rm{w}}}$,“一次进入油”体积为${V_{\rm{o}}}$,则有

$ {V_{\rm{p}}} = {V_{\rm{w}}} + {V_{\rm{o}}} $ (12)

“二次进入油”在储集层聚集之后,设油层厚度与储集层厚度之比为$\gamma$,油层的含油饱和度为${S_{\rm{o}}}$,则有

$ {V_{\rm{o}}}{\rm{ = }}{V_{\rm{p}}}\gamma {S_{\rm{o}}} $ (13)
$ {V_{\rm{w}}}{\rm{ = }}{V_{\rm{p}}} - {V_{\rm{o}}}{\rm{ = }}{V_{\rm{p}}}\left( {1 - \gamma {S_{\rm{o}}}} \right) $ (14)

设储集层孔隙体积增大$\Delta{V_{\rm{p}}}$($\Delta{V_{\rm{p}}}$>0),“剩余水”体积压缩$\Delta {V_{\rm{w}}}$($\Delta {V_{\rm{w}}}$>0),“一次进入油”体积压缩$\Delta {V_{\rm{o}}}$($\Delta {V_{\rm{o}}} > 0$),则“二次进入油”在储集层中的体积$V_{\rm{o}}^*$(m$^3$)为

$ V_{\rm{o}}^*{\rm{ = }}\left( {{V_{\rm{p}}} + \Delta {V_{\rm{p}}}} \right) - ({V_{\rm{w}}} - \Delta {V_{\rm{w}}}) - ({V_{\rm{o}}} - \Delta {V_{\rm{o}}}) = \\ \;\;\;\; \Delta {V_{\rm{p}}} + \Delta {V_{\rm{w}}} + \Delta {V_{\rm{o}}} $ (15)

设储集层中地层压力升高$\Delta {p_{\rm{p}}}$,根据式(13)$\sim$式(15)可得“二次进入油”体积与孔隙体积之比为

$ \dfrac{{V_{\rm{o}}^*}}{{{V_{\rm{p}}}}} = \dfrac{{\Delta {V_{\rm{p}}} + \Delta {V_{\rm{w}}} + \Delta {V_{\rm{o}}}}}{{{V_{\rm{p}}}}}{\rm{ = }}\dfrac{{\Delta {V_{\rm{p}}}}}{{{V_{\rm{p}}}\Delta {p_{\rm{p}}}}}\Delta {p_{\rm{p}}}\!+\! \\ \;\;\;\left(\!{1\!-\!\gamma {S_{\rm{o}}}}\!\right)\dfrac{{\Delta {V_{\rm{w}}}}}{{{V_{\rm{w}}}\Delta {p_{\rm{p}}}}}\Delta {p_{\rm{p}}}\!+\! \gamma {S_{\rm{o}}}\dfrac{{\Delta {V_{\rm{o}}}}}{{{V_{\rm{o}}}\Delta {p_{\rm{p}}}}}\Delta {p_{\rm{p}}}{\rm{ = }}\\ \;\;\; \;\;\;\left[ {{c_{\rm{p}}} + \left( {1 - \gamma {S_{\rm{o}}}} \right){c_{\rm{w}}} + \gamma {S_{\rm{o}}}{c_{\rm{o}}}} \right]\Delta {p_{\rm{p}}} $ (16)

式中:

$c_{\rm{p}}$—储集层岩石的压缩系数,kPa$^{-1}$

$c_{\rm{w}}$—地层水的压缩系数,kPa$^{-1}$

$c_{\rm{o}}$—地层原油的压缩系数,kPa$^{-1}$

由式(11)、式(16)可得,储集层中地层压力系数$\alpha$

$ \alpha\!=\!\dfrac{{{p_{\rm{p}}}\!+\!\Delta {p_{\rm{p}}}}}{{{\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}D}} = 1\!+\!\dfrac{{V_{\rm{o}}^*/{V_{\rm{p}}}}}{{\left[ {{c_{\rm{p}}}\!+\!\left( {1\!-\!\gamma {S_{\rm{o}}}} \right){c_{\rm{w}}}\!+\! \gamma {S_{\rm{o}}}{c_{\rm{o}}}} \right]{\rho _{\rm{w}}}{\rm{g}}D}} $ (17)

取地层水的密度$\rho_{\rm{w}}$=1.03 g/cm$^3$、压缩系数$c_{\rm{w}}$=4.0$\times$10$^{-7}$ kPa$^{-1}$;原油的压缩系数$c_{\rm{o}}$=2.5$\times$10$^{-6}$ kPa$^{-1}$;油层厚度与储集层厚度之比$\gamma$ =0.5,油层的含油饱和度$S_{\rm{o}}$=50%;当储集层深度$D$=3 000 m时,岩石的压缩系数取$c_{\rm{p}}$=1.0$\times$10$^{-8}$ kPa$^{-1}$;当储集层深度$D$=5 000 m时,岩石的压缩系数取$c_{\rm{p}}$=7.0$\times$10$^{-9}$ kPa$^{-1}$;根据式(17)计算储集层地层压力系数,结果如图 4所示。

图4 流体增量对地层压力系数的影响 Fig. 4 Effect of fluid increment on formation pressure coefficient

图 4可以看出,只要运移进入储集层的油量略大于储集层排出的水量,即可形成较大的异常高压。若储集层埋深为5 000 m,运移进入储集层的油量比储集层排出的水量多5%孔隙体积,储集层中地层压力系数可达到2.06。

4 异常高压的保存与释放

地层封闭是异常高压形成的必要条件,只有封闭的地层才可能在某些特定条件下出现异常高压[20-21],良好的盖层是异常高压得以保存的基本条件。油气在储集层顶部聚集成藏之后,在储盖交界处,油水(气水)两相共存,盖层毛管半径远小于储集层毛管半径,油水(气水)上、下两端存在较大的毛管压力差。前人的研究表明,盖层通过毛管压力把油气封堵在储集层中,盖层与储集层的毛管压力差值越大,能够封堵的油气数量就越多[22],如图 5所示。

图5 毛管压力封堵油气示意图 Fig. 5 Capillary pressure plugging for oil and gas

盖层可以封堵油气,却不能封堵地层水[22]。在油气聚集区域之外的储盖交界处为单相地层水,因此不存在毛管压力。储集层中形成异常高压之后,在压差作用下可以通过盖层向外排水(图 6)。显然,盖层渗透率越低,储集层向外排水的速度越慢,异常高压的保存时间越久。现实中典型的异常高压油气藏具有良好的盖层保护,例如克拉2气藏的盖层为致密膏盐层,地层压力系数达到2.0[23]。实际上大多数油气藏的压力高于相同深度的静水液柱压力,地层压力系数略大于1.0,但较高的异常高压油气藏很少,原因之一就在于储集层向外排水释放压力。

图6 储集层排水示意图 Fig. 6 Reservoir outward drainage
5 结论

(1) 油气聚集形成异常高压理论,能够合理解释大多数油气藏的压力高于相同深度的静水液柱压力,地层压力系数略大于1.0,但较高的异常高压油气藏很少的客观现实;也能够合理解释较高的异常高压的形成原因。

(2) 在一定的地质历史时期,只要运移进入储集层的油气量略大于储集层的排水量,储集层中就可以形成异常高压。

(3) 在生储交界处,油气运移进入储集层的主要动力为毛管压力,生油层孔隙毛管半径是决定储集层中地层压力系数最大值的重要因素之一。

(4) 储集层中的异常高压由盖层通过毛管压力封堵而得以保存;在油气聚集区域之外的储盖交界处不存在毛管压力,储集层可通过盖层向外排水释放压力。

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