深部油气藏.pdf

第2 0 卷薷4 期1 9 9 9年 1 2月 新疆石曲井托信喜 ‘ 9 ③ qr t - H． A．ED E ME H KO T．A．] 3 oTReB 深部油气藏 叵 、 】 H A 摘 要 翻 译 墨望兰 新 疆 石油 局 勘 探开 发 研 究院 校对本刊编辑部 p ， f ； 。 2 从理论和实验的角度，论逮 了深部油气蘸存在的可能性及其温度、压力的条件．并阐明了高温、 高压条件下储集层的沉积 原理和分布特征 ，得出 了相应 的结论“ 临界油气蘸 可以存在 于 1 0 0 MP a 1 3 5 0 4 0 0 ℃的极 端条件 下；裂缝一孔 隙型 细粒储集 层在深 部的产能可 能 比浅层同类储 集层 高；在 深 部高温、 高压 条件下，可能 出现 差异 层状储集层 等． 主量词高温高压深部 断层储集层油气蘸 在高温 大于 1 0 0℃ 、高压 大于 2 2 MP a 条件下存在着液体烃类的可能性，已 被 B． 中． AH p e e B， A． H． Bo r O M O n o B， A． 中． 皿o6 p 丑 H c K M n， 3 ． B． He K a n 1 0 H等 从理 论 上所证实。无论是在俄罗斯，还是在其他 国家，都在 5 k m 以下的井 中获得过液态烃。 为了在 5 k m 和更深的地层 中发现油气藏 ，并有效地开发它们 ．必须对 油气藏的结 构和烃类的演化有一个十 分明确的认识。 高温高压条件下流体 的理化状态 在 1 0 0℃以上和 2 2 MP a以上 时，油气藏的流体系统是由气态烃类 、石 油蒸汽、石 油、水蒸汽和水组成。此 时，油气藏的流体 系统处在一种特殊的环境 中压 力超过水的 临界压力 2 1 ． 8 5 MP a ，而温度低于水的临界温度 3 7 4℃ 。显然，这也是大部分石油 的临界温度 。在文献中提供的有关石油临界温度的资料是极少的，从轻质油 的 2 5 0℃至 较重原油的 4 0 0℃以上 。确定上述组分混合物的临界点是未来的任务。 目前仅能确定 ， 混合物温度 比临界温度低 ，但 随着混合物 的增多，其温度趋近于临界温度 。随温度的提 高，天然气 的密度、粘度增高，而石油的密度和粘度则 降低 。由于越来越 多的石油溶于 天然气 ，它们的物理性质也变得很相近 。最终，液相和气相 蒸汽 的界面 消失，之间 的表面张力趋近于零。过渡带的形成取代 了气 一油界面 ，这种过渡带可 以分布在整个油 气藏 内。 通过 对各含 油气 省天然 储集层 中原油性质 随深度和温 度 的增加 而发 生变化 的分 析、室内石油热演化实验 、原油性质 随深度变化的数学模拟 ，我们可 以得出结论，在后 生作用带 即在深部和高温高压带烃类流体的演化是有一定规律的。A． 中． 皿 o 6 p R H C - H H n 1 9 6 1 曾指出 ，随着深度和温度 的增加 ，烃类分子结构由不太稳定、大 、杂、混 维普资讯 l 0 卉■石曲科垃信喜 9 9 9 年 l 2月 向比较简单、稳定的分子结构过渡 ，是烃类后生演化 的基本规律 。他曾著文指出．就是 在 1 0 0℃条件下，高分子甲烷烃类 仍具有正 的 自由能。因此 ， 其动力学特征是不稳定的， 并力求 向较低分子的烃类转变。芳香环比较稳定，随着后生作用的增强 ，它们仅能从石 蜡环烷结构 中释放 出来。由此可见，根据 A ． o． 且o 6 1o 月 H c x H n 的意见 ．随着埋深和温度 的提高，液态烃类结构 向简单化方向的发展 ，导致较低分子的甲烷烃类和 简单芳香环增 多，不太稳定的环烷烃环数减少和石油密度 降低。 An ． A ． F i e T p o B对不 同含 油气 省和石 油热 演化 的室 内研究 ．仅 从理 论 上证 实了 A ． 中． ,／ I o 6 p ,q H C K lI I关于石油和凝析油后生演化 的观点。当石油在 1 5 0 4 0 0℃发生热 解时．表现出很强的生气作用，在热解产物 中正构烷烃含量高，环烷烃含 量较低 与原 始石油相比 ，烷烃， 环烷烃 1 ． 5 ～2 ． 0 ，汽 油组分增加至1 0％～ 1 5％。分 析 了石油熟解 资料后。A ． A I I e T p O B 认 为，烷烃 的破坏是石油热解 的基本作用。首先是长的石蜡链 、 环烷族烃和芳烃与烷烃链环脱离。现 已证 实，C C 键在碳 环中要 比烷烃链 中牢 固些 。 烷烃链的破坏使 C ～c ， 的正构烷烃普遍减小 ，使 c． ， ～c 烷烃的质量分数增加 。 根据热解实验资料 ．在 3 0 0℃以前 原油热解进行得非常缓慢，而在 3 5 0 3 6 0℃热 解速度 急剧增加 ．是 3 0 0℃前的 5 0 6 0倍 。 与自然条件相 比，在实验室条件下温 度的影响是 “ 瞬间的 ” 。热解 的长时间作用过 程 ．在实验中需用 高温来补偿 。这些假 设可以阐明石油在深部随温度升 高而变化的总趋 势 而正是轻质汽油馏分的增加可以解释组分的甲烷化，其余较轻的烷烃 主要是 C ． ～ C ， 由于长链的破坏而脱离环烃和芳烃 。A． 0 ． 且 o 6 p H c K “ 认为 ．甲基和 芳香环的不 变原则 是石油后生变 化的普遍规律之一。 由于采用 了相 关程度很高的回归方程分析对 比石油 的性质和组分与埋深 、温度和 压力之间的关系，使我们有可能明确烃类流体 的性质 、组分及相态随埋深 、温度的增加 而发生变化的方 向。根据 高加索山前 中生界和新生界 同一层的中子伽 马测井 资料统计 ， 在 3 k m 以上主要 为油藏，3 ～4 k m为油藏和凝析气藏，5 ～6 k m主要为凝析气藏和气藏 及少量油藏。此时，石油密度有降至 0 ．8 1 3 ～O ．8 0 0 g ／ c r n 。的趋 势，而 甲基烷烃组分的含 量增加 是 8 5 ％～9 O ％。 综合滨里海 、普里皮雅特坳 陷、高加索 山前 、南里海地区的石 油性质随埋深而变 化的实际资料后指 出，所有含油气省的石油密度变化的总趋势是 ．在超过 4 ～5 k m 时为 O 8 5 0 0 ． 8 0 0 g ／ c m ’ ，而轻质组分含量从 3 O ％增加 至 7 5 ％。 对蒂曼 一伯朝 拉和滨里海两个大型含 油气省的石 油和凝析油的性质 和成分 资料进 行了较详细的研究，发现石油密度变化的相 同趋 势，这在滨里海含油气 省 中表现得尤为 突 出。在该含油气省 中，随着埋深由 1 k m增至 6 k m，石油密度 由 0 ．8 5 0 0 、9 0 0 g ， c m 降 至 0 ， 8 0 0 g ／ c m ；在 4 5 ～5 ．0 k m 以下时密度变化剧烈．此时温度在 1 0 0℃以上 ，地层压 力在 4 0 MP a以上 。在蒂曼一伯朝拉含油气省这一深度也是石油密度变化 的拐点，此时 温度约为 1 2 0℃，压 力为 7 O MP a 。 与石油相 反，凝析油的密度随埋深而 增加 。如在蒂曼一伯朝拉含油气 省中 ，凝析 油密度 由2 ～3 k m 的 0 ． 7 0 0 m g ／ c m’ ，增加至 5 ～6 k m 的 O ． 8 0 0 g ， c m。 ，此 时温度 在 1 0 0℃ 以上，压力超过 6 0 MP a 。 在滨里海含油气省， 凝析 油密度也有类似 的变化 ， 从 O ． 7 8 0 g ／ c m ， 增加至 O 8 2 2 g ／ c m 。 维普资讯 第 2 0 卷第 4 期 夏明 生 深 部 油气 陬 ‘1 1。 石 油变轻 和凝 析油变重在 5 ～6k m 深度最 为剧烈 ，此 时温度 高于 1 0 0℃，压力 大于 6 0Ⅳ a 。 如上所述 ，如果说石油变轻与温度升高 高温引起烃链破坏 、复杂结构 的简单化 、 轻质汽油镏分 的再生有关，那么凝析油密度的增加则是 由其 他因素引起的。随着温度和 压力的增加，越来越多的高分子石油组分溶于天然气 中。随着埋藏深度的增加 ，凝析油 中的烷烃 一 环烷烃分子的环化程度也 明显增加 。 综合 实验室资料和实际资料后指 出，在深部 大于 5 k m可 能存在着独特 的油气 藏 。根据其特 征判断，这些烃类流体介于典型 的石油与典型的凝析油之间，它们也含有 相 当数量的可 溶性天然气 。 首先是在深部高温 条件下 后生作用 中期第 3阶段 MK ， 和第 4阶段 MI G能生成 天然气的地层 有机质可作为气源， 在 MK ， 阶段液态和气态烃 的比 石油， 天然气 为 O ． 5 ， 在 MK J 阶段为 0 ．2 ；其次是石油也可作为气源，石油在热解演变过程 中可分解 出大量的 气态烃。 根据 井下产物 的成分和状 态常常难 以判断油气藏的物理状态 。油气 藏可能是带油 环 的凝析气藏或高油气比的油藏 ，也可能是 “ 过渡 型的油气藏 由液态烃类蒸汽和 天然气混合物组成的单一相态 的油气藏 。上述相态在开发条件下具有本质的区别。为了 确定油气藏的实际相态 ，就要进行更进一步的研究。 随着盆地的下沉，油气藏 中石油、天然气和水的关系也将发生变化镕 于天然气 或 水中的石油含量增加 ，结果形成 了乳化物 过渡带 ，这是 一种在油气藏各层 中广泛 分 布的气油溶液 过渡带 。乳化物可 能是流体 以高速度 流入井底 而形成的。这种油气 藏 被称为过渡相态 的油气藏 。 在较 高的温压条件下 2 8 0 3 5 0℃ ，液态烃和水可 以无限互溶 。上部气 油 或石 油蒸气 过渡带与下部水油层互溶，结果形成了统一的油气藏。无限互溶是在 超临界状 态和近临界状态下存在着流体 的标志。在靠近这一带时，发现早期互不相溶 的流体其溶 解度 急剧 增大 。这种不 同化学 成分 的石 油和 水 的特点 出现在 l 2 O ～ 1 5 O℃时，而在 l 8 O℃时变得尤为明显。未被天然气饱和 的油藏经过蒸汽态 的改造 同样可 以成 为上述油 气藏 。显然，它们应被称为临界态油气藏。在这类油气藏中，由于流体系统变为均质系 统从而失去了相间张力，使密度和成分变化较大 ，相渗透 率 没有相态，但有不同成分 ， 不 同大小的分子等急剧变化 。这种流体系统的界线将根据特有的容积、热动力环境 、 运移方向 运移通道和系统 能量来确定 。 储集层 储集层是一个 多方位的研 究课题，本文仅研究一个问题 即孔隙介质 中石油与水的 关系。既然沉积岩基本上是亲水的，那么它们也就成为研究的对象 。首先必须弄清楚水 和油是以何种方式同时赋存在储集层中的。为此 ，研究一下 下述方案 见 图 1 。应当 指 出，在任何情况下，水都毫不例外地存在着水膜 。孔隙被水 见图 1 一A或被油 见 图 1 13 完全充填，推测油水在整个孔隙体积中按达西定律 自由地迁移 。在亲水层 中 维普资讯 卉叠石■科置信毫 9 9 9 年 1 2月 水将力求把 油从小孔 隙中捧驱到较大 的孔 隙 中 在憎水条件 下则相反 。由此可见 ．在 油气藏的某一储集层中，可 能存在着既被 油 又被水充填 的孔隙 。在生产井中，水总是最 先出现 ，即使 井位于 含 油区 内远离 含油边 界。水的数量变化不大 在 出现 水锥和舌状 水淹之前 ，这取决于饱含 水孔隙与饱含 油 孔隙之 比和相渗透率条件。 当石 油 向地 层 中渗流时 ，也表 现为均 衡状态 见 图 1 一B ，对于石油 的初始运 E ． c ■ 3四 4 圈 1 孔豫 中油和水存在的几种形式 拄 I 喜 有木一 的孔黑 壁I 柬 - 岫 I ． _ 在近蕞 界状 寿 下．水 、稚和 天嚣气 的棍 台钧 ． 动来说 ．必须要克服脱离表面膜 的阻力 。为此 ，表面张力越 大、孔隙半径越小 ，则需要 克服的阻力也就越大。井在生产 时，将会 出现 “ 初始梯度 ”或 “ 破裂梯度” 由于表面 现象的静 电特征，受 电场变化的影响，躁油产量 也发生变化 。随着温 度的升高 ，水一油 间的表面张力降低 ；当温度 为临界温度 区时 ， 水 一油表面张力趋于零 。 但是，温度在 1 0 0 ℃以上和压力在 9 2 MP a以上时，表面张力降低表现得非常明显，在这种情况下油和水 的粘度 也 降低 。 在 以下情况下 见图 1 一r ，推测在水 油 、水 中可形成烃类小泡 ，在重力作 用下孔隙中的烃泡 可以上浮 ，孔喉变 窄， 相互连通 阻碍着这种运动 ． 烃 滴为了通过隘 口． 就必须改变烃滴形态 ，以降低其表面积 ，为此就 要丢失一些附加能量 贾敏效应 。这 些小滴聚集起来就可 以造成相应 的水 油乳化物或天然气 乳化物 见图 l 一皿 。乳化物 迁移速度根低 ，但它却可以受电场影响而遭破坏。沿喉道被拉长为链状 的烃滴在地层 中 可形成柱状、不均衡状 见图 1 一E 。 B ． B ． C a B q e H ． O 和 A ． J I ． K o a Ⅱ o B的著作论证 了 烃 以这种形式流动是有利的。当地层温度 和压力提高时，地层流体总是力求趋 向l临界状 态。这种状态 的特 点是流体有无 限的互溶性 如 同蒸气 中的蒸气 ，缺少界面 、表面张 力和重力差异等。物质的迁移可 以依混相 机理进 行。 对油气水系统 的l临界点研 究得很不够 。它们 在根大程度上是在高于水 的临界 压力 2 2 MP a 和 l 0 0℃以上 特别是在 1 5 0 2 4 0℃以上 确定的。上述温度 已很少引起 人们的注意，因此应注意近临界现象的存在 。在天然气中 出现凝析现象 ．可以认 为是上 述事件 的特 殊现象。在这种条件下，还谈不上天然气 中液态烃的溶解 问题 。在参考文献 中广泛讨论了关于液态石油在天然气 中的溶解度 问题 ．很少有人从物 理学观点去论证 。 毫无疑 问，由于天然气加入，轻质油蒸气将发 生变化 。在这种情 况下，随着温度 的增高 ， 凝析油变 重 ．成分变得复杂化 。在 T ． A ． B o T H e B等人 的著作中举 出了石油和凝 析油成 分变化的实例 。在处于水的临界压力以上的烃藏中．温度 的变化对石油蒸汽和水蒸汽 的 影响很小，可将这类 油气藏称 为 “ 近l临界油气藏或简称 为l 临界油气藏 ” 。根据 自身特点 判断，这种 具有低粘度、无界面的单一物质，由于没有重力区别，对于相态的转移将 是 非常有利 的。 上述关系可用密点 见图 1 一 形象地表示 。由于被过渡带所取代，故没有 明显 的水一油或天然气界面。在两种条件下油气藏 中可 出现过渡 带第 1个条件是 ，在温度 相对较低的条件下 局部较小 按孔隙半径 的孔隙 中保存着水．这些水 随后将 同油 天 h h h h h h h 卜 h 知 h 卜 E 曩 维普资讯 第2 0 卷第4 期 夏 明生深部油气藏 I 3 然气 一道进入井 中；第 2 个条件是临界油气藏，水蒸汽 、石油和天然气同处在一个孔 隙中 。由于没有表面张力膜和重力分界区 图 1 一 的密集 点 ，也就没有相界面 ．如 同没有相渗透率一样 。 在储集层研究中应注意两个问题 在深层是否存在储集层和储集层的动能。 从深部获 得高产液流证实了深部储集 层的存在 。应该说深埋除了使储集 层性能变 差，甚至完全丧失储集性层 固结、胶结 外，还 会出现反 向效应溶蚀作用 ，造成 构造缝或收缩缝和欠压实作用 。我们仅对欠压实作用作为一种影响储集层的因素进行 了 研究。这在文献 中很少提到，要将被不易捧 出的流体 水、石油充满 的储集层压实 ， 就耍将这些流体从孔隙 中捧出 运移、化 学变化使体积缩小 。流体 的捧除和储集层 的 压实作用是同时发生并相互影响的。如果流体的捧除根困难或不 能全面排除，那么储集 层的压实程度就变差或者压实过程变慢。在储集层中产生异常高地层压力 的时间取决于 地层压实的速度和地层压力的松驰速度。当然。随着压力的增大 ，储集层 中的裂缝也增 加，若不以孔穴形式存在 其值很小，为 2 ％～4 ％就 以适于流体迁移 的喉道存 在。 根据粘度 早期变化明显 、表面张力的影响急剧变小 、流体 的重力性质接近 、没有 相界面等可以断定 ．深部储集层 根据渗透率判断 具有相似的表面特征 ．具有较高的 产能。重要 的是 。某些曾起着盖层作用的地层 泥质粉砂岩 ．有 时是泥岩 在温压条件 发生变化 时．可 以成为深部的良好储集层 。值得注意的是， 目前油气藏的各种勘探方法 和开发方法几乎都是建立在重力原则之上的 ，但随着压力和温度 的升高．重力的影响程 度将急剧减少。 在沉积岩 包括储集层 形成过程中 ，常常 出现岩石成分 、矿物粒度和所 含有机 质以及水化学组分诸方面的非均质 性。水化学组分在压 实作用的地球化学介质 中还可 以 发生变化 。 由于这一原因，在沉积过程中还造成 了环境的非均匀性 由于非均匀的压实作用、 非均匀的有效应力场 、温度 的非均 匀影响等 ，这种非均匀环境将进一步加强。使均质的 热力场作用于这一环境．由于热传 导和热容量的非均匀性 ，在介质的不同地层将产生不 同的温度 。 由此 可见 ．在成 岩过程 中含油气层的矿物成分 、有机 质发生有规律 的变化 取决于 古深度 、高温作用的强度和时间。非均质性是这种变化 的最重要的特 点，这种非均质性 造成地层不同地段的势能差异和地层总的动力强度 。而地层总的动力强度是深部最活跃 的 因素 。 盖层 和沉积层在 深部的发 育特征反映在层状储集层及 其圈 闭的特点上 。层状储集 层反映的是储集层与盖层 上部、侧 向和底部的隔层 之间的关系，它可能反映着它们 相互之 间的变化 ，某些储集层 由于受成岩作用和后生作用 的影响可能失去 自身的渗透 性 。 同时，非储集层，例如泥岩 ，在 近地表条件下 由于失去了水份、流体和相应 的弹 性而可能成为适于储 集临界流体的致密储集层。可见，随着深度 的增加 ．储集层性能可 能会得到改善 。而盖层性质可能会变差。 层状 储集层构造形态的改造不可 能不 反映到其 动力学特征上 。在这类储集层 中地 层能量 的分布取决于盆地类型 是静水盆地 ，还是水动力 自流盆地 。但是 ．具有这种 维普资讯 1 4 卉叠石曲井置信毫 9 9 9年 l 2 月 能量特 点的层状储集层仅对沉积层最上部来说才是典型的。当它下沉到深部时．由于地 层的压实和各种次生地球化学作用 ，层状储集层将会 出现上述现象。这里由于量不涉及 到物质成分 的变化问题，我们认为层状储集层的主要特 性_ 孑 L 隙度、渗透率将发生急 剧的变 化。如果说早期的层状储集层或多或少是均质 的，那么 ，目前在不同地段出现 了 非均质性，直至它们之间完全失去联系。 自流水型的水动力环境变为封 闭的环境、出现 异常压力， 这些都可作为出现非均质性的外部标志 。 流体的侧 向运移是早期过程的特征。 在这种条件下 ．油气藏的势能与整个层状储集层的势能相比要小。层状储集层的进一步 分异使侧向运移更加 困难。大量的天然水力压裂现象可 以引起流体从层状储集层 向其他 有利地带运移 。也可出现弹性势能 异常高地层压力 ，能量的分布 开始具有分散性质 。 总的来说．油气藏和层状储集层的势能差异开始减小 ，而在一些个别地带它们又完全一 样。我们曾正确地提出将层状储集层划分为单一的一种类型差 异性层状储集层的问 题，在相应 的条件下，层状储集层可变 为差异性层状储集层 。 在 每一个 由这种储集层组成 的断块中，都可 以形成圈 闭，形成 具有独特含油范围 的油气藏或 “ 过渡带 ” 。所形成的圈闭不仅受控于断层 ，而且还受控于储集层中的次生 变化 带 并不是指受 褶皱作用控制的圈闭群 。在这种条件下，这类油气藏通常表现为 断层遮挡的油气藏．这进 一步证实存在着断层 。断层面的遮挡性大 部分都是推测的。在 这种条件下 ．断距超过地层厚度就成为必不可少的条件 。我们根据相反的资料 ．提出了 几个例证。最近指出，由弹性形变经过塑性形变最后才发生 断裂。塑性形变的特 点是地 层厚度变薄，构造形态发 生变化．最后过渡为断层。褶皱变形 塑性变形 伴随厚度的 减薄 ．物质的流动。厚度 的减薄．必然伴随孔隙度 和渗透率 的降低 ，即形成运移的屏障 圈闭M． A n t o n e l l i n i 和 A．A g d l n都对这一 问题 进行过研 究。通常 ，应把被构造角砾 岩充填的断裂带看作是地层的切割带，它们具有一定的 随 时间而变化 的孔隙度和渗 透 率 。 可见 ．经常起遮挡作 用的并不是断层面，而是靠 近断层 的渗透层变差的地带。在 这种条件下，断层的断距对遮挡作用并没有多大意 义。 结 论 1 ．“ 临界油气藏 ”可 以存在于压力 高达 1 0 0 MP a 也可 能更 高 、温度 高达 3 5 O ～ 4 0 0 ℃的极端条件下。 2 ．在深部 ，由于欠压实作用，所有 的表面现 象的影响下降及流体粘度 降低 ，某些 储集层的渗流特征将增强 。 3 ．裂缝一孔 隙型细粒储集层在深部可能具有比浅层 同类储集层高的产能。 4 ．在深 部高温 、高压条件下 ，可能出现 “ 差异层状 储集 层” ，其中异 常高地层 压 力呈不均匀分布 。 5 ．在深部高温、高压条件下，圈闭的特征也有可能会 发生变化 ，这一问题 同其 他 问题一样还需要进一步研究。 维普资讯 第∞ 告第4期 夏明生深部油气藏 -I 5 参考文献 1 ． Aph e A ． r．oHS H qe c xHe O C HO H M aB l,n l C e HH R 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