天然氣脈沖式二次運(yùn)移過(guò)程

李文學(xué),呂延防

(1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江大慶 166405; 2.東北石油大學(xué),黑龍江大慶 163318)

天然氣脈沖式二次運(yùn)移過(guò)程

李文學(xué)1,呂延防2

(1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江大慶 166405; 2.東北石油大學(xué),黑龍江大慶 163318)

從宏觀上看,天然氣在運(yùn)載層中的運(yùn)移是加速運(yùn)移過(guò)程;從微觀上看,天然氣運(yùn)移屬于脈沖式運(yùn)移過(guò)程.脈沖式運(yùn)移的形成機(jī)理:一是由氣水密度差造成的氣柱高剩余壓力間歇式突破運(yùn)移阻力引起的;二是由間歇式構(gòu)造變動(dòng)所造成的斷層或裂縫形成運(yùn)移通道引起的.根據(jù)天然氣加速運(yùn)移與脈沖式運(yùn)移形成機(jī)理,提出天然氣在運(yùn)載層中運(yùn)移與聚集的全過(guò)程表現(xiàn)為加速式與脈沖式交替運(yùn)移過(guò)程.

天然氣運(yùn)移;排替壓力;脈沖;毛細(xì)管力;浮力

0 引言

在靜水條件下,游離相天然氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿κ歉×?阻力是毛細(xì)管力[1-5].呂延防根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),在靜水條件下,游離相質(zhì)量不變的天然氣在均質(zhì)運(yùn)載層中的運(yùn)移為加速式運(yùn)移過(guò)程[6].實(shí)際上,天然氣二次運(yùn)移的加速度遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[5]的計(jì)算值,尤其在源巖區(qū)內(nèi),運(yùn)載層頂部的大連通孔隙內(nèi)部可能存在很多運(yùn)移的或待運(yùn)移的氣柱,當(dāng)下傾方向的氣柱運(yùn)移到這里時(shí),孔隙內(nèi)氣柱與之匯聚,使運(yùn)移的氣柱長(zhǎng)度瞬時(shí)加大,浮力上升,運(yùn)移速度增加.運(yùn)移速度增大的氣柱在運(yùn)移途中不斷地以滾雪球的方式匯集分散在運(yùn)載層內(nèi)部的氣體,使其運(yùn)移速度越來(lái)越快.從宏觀上看,這一過(guò)程是加速運(yùn)移過(guò)程;從微觀上看,這一加速過(guò)程與質(zhì)量不變而體積增加的加速過(guò)程不同,它是在原氣柱靠自身體積膨脹的基礎(chǔ)上增加氣柱質(zhì)量的加速過(guò)程,并且具有突發(fā)性質(zhì),這一運(yùn)移方式貫穿天然氣聚散的整個(gè)過(guò)程,稱(chēng)為脈沖式運(yùn)移.

1 脈沖式運(yùn)移機(jī)理

1.1 高剩余壓力

在靜水條件下,導(dǎo)致天然氣發(fā)生聚集的根本因素是遮擋物的高排替壓力,即遮擋物最大連通孔隙的毛細(xì)管壓力[7-9].不論是二次運(yùn)移途中運(yùn)載層的相變,還是蓋層的彎曲(即背斜)以及斷層的遮擋,其封堵烴氣的機(jī)理皆如此.

由于遮擋物巖性和物性不同,封堵烴氣能力也不同,其封堵能力表示為

式中:hg為遮擋物所能封堵的最大臨界氣柱高度;p1,p2分別為遮擋物和儲(chǔ)層的排替壓力;Δρwg為氣水密度差;g為重力加速度.

由于氣體相對(duì)分子質(zhì)量小、密度輕,當(dāng)其發(fā)生聚集后,整個(gè)聚集體內(nèi)的壓力幾乎不隨深度的增加而增大.

背斜式氣藏壓力分布見(jiàn)圖1,其中:h1為水勢(shì)面至氣藏頂面的垂直高度;pA為氣藏頂部的氣藏壓力;pB為氣水界面上的地層壓力,其大小等于氣水界面到水勢(shì)面(h1+h2)的靜水柱重力;pC為C點(diǎn)的靜水壓力,其大小與A點(diǎn)至水勢(shì)面靜水柱重力相等.由圖1可知:氣藏頂部的壓力近似等于底部氣水界面上的壓力,即為該氣水界面上的靜水柱壓力.這樣,氣藏頂點(diǎn)的壓力比同深度的靜水柱壓力高,其高出的數(shù)值是氣藏高度的靜水柱重力,稱(chēng)為剩余壓力[10],可表示為

圖1 背斜氣藏壓力分布

式中:Δp為剩余壓力;ρw為水的密度;h2為氣藏高度.氣體的剩余壓力近似等于氣柱的浮力,在剩余壓力作用下,氣體表現(xiàn)出突破蓋層最大連通孔隙毛細(xì)管壓力向上運(yùn)移的趨勢(shì).

當(dāng)剩余壓力增高到大于蓋層巖石中最大連通孔隙的毛細(xì)管壓力時(shí),氣體穿過(guò)蓋層發(fā)生再次運(yùn)移,直至剩余壓力小于蓋層排替壓力時(shí)為止[11];隨著氣體不斷聚集,剩余壓力再度增加,當(dāng)其再次超過(guò)蓋層排替壓力時(shí),氣體重新突破蓋層發(fā)生運(yùn)移.氣體不斷聚集,此過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行[12].

這種由高剩余壓力引起的脈沖式運(yùn)移,主要發(fā)生在連通孔隙相對(duì)較大的遮擋物中.如運(yùn)載層中沿上傾方向由中砂巖相變?yōu)榧?xì)砂巖,斷層充填物的排替壓力略高于儲(chǔ)層的排替壓力;或斷層兩盤(pán)的砂巖對(duì)接,且上傾方向的另一盤(pán)砂巖的排替壓力稍高于對(duì)接的目的盤(pán)砂巖的排替壓力;背斜上覆蓋層孔滲性較大(尤其是假蓋層)等.盡管這類(lèi)儲(chǔ)層具有一定封閉能力,但其封閉能力較低,一旦氣藏的剩余壓力高到一定程度便易于被貫穿并允許氣體通過(guò),形成天然氣運(yùn)移的一次脈沖,氣體的這種脈沖式運(yùn)移過(guò)程也是氣體聚集與散失的動(dòng)平衡過(guò)程[13].

1.2 構(gòu)造變動(dòng)

如果遮擋物本身的封閉性能非常好,氣體的剩余壓力幾乎不能超過(guò)遮擋體的排替壓力,氣體將發(fā)生最大限度的聚集,直到整個(gè)圈閉被充滿(mǎn).在氣源不斷供應(yīng)的情況下,后續(xù)氣體將通過(guò)溢出點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)移.若不發(fā)生構(gòu)造變動(dòng),聚集的天然氣永遠(yuǎn)被遮擋于圈閉之中.除非氣源供應(yīng)中斷,氣體靠擴(kuò)散在漫長(zhǎng)的地史中通過(guò)遮擋物逸散掉.

然而,在地質(zhì)發(fā)展的歷史中,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是永恒的,只不過(guò)反映在地殼的明顯變動(dòng)上具有間歇性特點(diǎn),油氣的聚集恰是這種間歇性變動(dòng)處于暫時(shí)相對(duì)靜止的平衡產(chǎn)物,一旦發(fā)生構(gòu)造變動(dòng),油氣將重新分布,以達(dá)到新?tīng)顟B(tài)下新的平衡.

構(gòu)造變動(dòng)的表現(xiàn)形式是地層的彎曲和裂縫及斷層的產(chǎn)生.當(dāng)?shù)貙訌澢匠^(guò)巖層的抗彎強(qiáng)度時(shí),必然產(chǎn)生裂縫,裂縫進(jìn)一步發(fā)展形成斷層;斷層的活動(dòng)伴生新的裂縫,直到引起地殼變動(dòng)的地應(yīng)力釋放到不足以繼續(xù)導(dǎo)致構(gòu)造變動(dòng)時(shí),這種活動(dòng)才暫時(shí)停止.當(dāng)?shù)貞?yīng)力繼續(xù)積聚到超過(guò)巖石的抗撓強(qiáng)度時(shí),應(yīng)力將沿地殼的軟弱面再次釋放,原來(lái)的斷層重新活動(dòng).

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)靜止時(shí),天然氣聚集在圈閉之中形成天然氣藏;在活動(dòng)時(shí)期,由于斷層的產(chǎn)生或活動(dòng),氣藏遮擋物受到破壞[14],天然氣沿?cái)鄬踊蛄芽p向壓力降低的方向發(fā)生再運(yùn)移,這一現(xiàn)象尤其以斷層遮擋氣藏更為明顯[15].

對(duì)泥質(zhì)遮擋物,如果形成與其中的斷層或裂縫傾角不大,當(dāng)?shù)貞?yīng)力釋放后,在上覆地層載荷壓力下,可能會(huì)使斷層或裂縫重新閉合,天然氣沿其中的運(yùn)移也因此停止.如斷層或裂縫張開(kāi)與閉合的時(shí)間間隔不長(zhǎng),且原生天然氣富集量較高,原生氣藏不會(huì)被徹底破壞,隨著源巖內(nèi)天然氣不斷排出,氣藏的富集量重新增加.在下次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)到來(lái)時(shí),斷層重新復(fù)活,成藏的天然氣再次運(yùn)移;若斷層或裂縫張開(kāi)的時(shí)間稍長(zhǎng),原生氣藏可能被徹底破壞,但當(dāng)斷層和裂縫閉合以后,天然氣可能還會(huì)在此發(fā)生聚集,直到下一次張裂的產(chǎn)生.

與聚集相比,天然氣的這種運(yùn)移過(guò)程在瞬間發(fā)生,并隨構(gòu)造的多期活動(dòng)而多次進(jìn)行,故亦認(rèn)為該形式的運(yùn)移方式為脈沖式運(yùn)移.

2 加速式與脈沖式交替運(yùn)移模式

圖2 加速式與脈沖式交替運(yùn)移模式

加速式與脈沖式交替運(yùn)移模式見(jiàn)圖2.在地層傾斜的背景下,當(dāng)氣柱進(jìn)入運(yùn)載層頂部,其長(zhǎng)度達(dá)到上浮的臨界值時(shí),便沿運(yùn)載層頂部最大連通孔隙向上傾方向加速運(yùn)移.一旦在運(yùn)移途中遇到遮擋,氣柱停止加速運(yùn)移過(guò)程并發(fā)生聚集.當(dāng)聚集后的天然氣剩余壓力超過(guò)遮擋物的排替壓力或遮擋物中產(chǎn)生裂縫時(shí),氣體通過(guò)遮擋物發(fā)生脈沖式再運(yùn)移,并進(jìn)入另一個(gè)運(yùn)載層中.如果這種再運(yùn)移的天然氣沒(méi)有進(jìn)入圈閉,則將沿運(yùn)載層再進(jìn)行加速式運(yùn)移,直到遇到另一個(gè)遮擋為止.

由于運(yùn)載層的物性多變或在上傾方向上被多條具封閉能力的斷層切割,致使天然氣在運(yùn)移全過(guò)程中加速式與脈沖式交替進(jìn)行.

3 結(jié)論

(1)氣體發(fā)生聚集以后,由于剩余壓力過(guò)高或遮擋物被破壞,氣體將發(fā)生再次運(yùn)移.天然氣的再次運(yùn)移過(guò)程為脈沖式運(yùn)移過(guò)程.

(2)在二次運(yùn)移的全過(guò)程中,天然氣運(yùn)移以加速式與脈沖式2種運(yùn)移方式交替進(jìn)行.

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The process of pulse secondary m igration of natural gas/2011,35(2):38-40

L IWen-xue1,LV Yan-fang2
(1.Oil Recovery Plant N o.1,D aqing Oil Field Corp.L td.,Daqing,Heilongjiang 166405,China;2.N ortheast Petroleum University,D aqing,Heilong jiang 163318,China)

From amacro pointof view,natural gasmigration is to accelerate themigration p rocess in reservoir layer,but themicro level,gasm igration is pulsemigration p rocess.There are two mechanism s about the pulse formation migration,one is high residual p ressure caused by the density difference betw een gas and w ater co lum n,the p ressure break through the resistance in batch-type,and the gas m igrate in the pulsemigration,the second is due to intermittent faultsor cracksopening caused by tectonic,and the gasm igrate by the faults o r cracks in pulse migration.Acco rding to accelerate the m igration of natural gasmigration and the pulse formation mechanism,the model of natural gasmigration in the reservoir layer is p roposed,i.e.,the w hole p rocess of natural gas m igration and accum ulation is a p rocess of accelerated and pulsed alternating migration.

gasmigration;disp lacement p ressure;pulse;capillary force;buoyancy

TE122.1

A

1000-1891(2011)02-0038-03

2011-02-26;審稿人:付 廣;編輯:張兆虹

教育部博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20060220002)

李文學(xué)(1967-),男,博士,高級(jí)工程師,主要從事油氣資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)地質(zhì)方面的研究.