油氣微滲漏方式定量判別思考

楊 俊

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

烴類微滲漏是指油氣藏形成后，烴類不斷向外滲漏、散失的過程[1]。地球化學(xué)勘探(化探)以研究輕烴為主，主要為氣態(tài)烴的微滲漏。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種微滲漏方式，在實際應(yīng)用中往往強調(diào)一種方式的作用，即使綜合考慮幾種方式，也僅停留在定性階段。本文在前人烴類微滲漏方式研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合一般地質(zhì)規(guī)律，建立理想地質(zhì)模型，提出微滲漏方式判別系數(shù)，探討烴類微滲漏方式定量描述方法，為油氣化探地球化學(xué)場的成因解釋與評價奠定基礎(chǔ)。

1 微滲漏方式

滲漏包括滲透和擴(kuò)散2種作用[2]。所謂滲透，系指由壓力差造成的烴類以游離相或者水溶相通過孔隙和裂隙等通道連續(xù)或斷續(xù)運移；擴(kuò)散作用指由濃度差引起的物質(zhì)分子的移動[3-4]。Abrams定義宏滲漏為可視的、高濃度的烴類整體流動；微滲漏指低濃度的烴類運移，不可視，但可檢測[5-7]。宏滲漏主要有滲溢方式和油氣粒方式；微滲漏主要有微泡方式、水溶方式和擴(kuò)散方式。

1.1 微泡方式

膠體氣泡運移最早由MacElvain[8]提出，Price將其改進(jìn)為主要沿微裂隙運移[9]，被人們普遍肯定和接受[10-11]。

這種理論認(rèn)為，烴類氣體在水中的溶解是有限的，其濃度超過溶解度時就形成許多微泡，其大小為膠體粒度。氣體是以超小(膠體粒徑)氣泡遷移的，與大氣泡相比，微氣泡可顯示出與分子類似的布朗運動，擺脫“粘著”效應(yīng)沿曲折路徑以每秒數(shù)毫米的速度快速上移；與溶解氣體和單分子氣體相比，在做垂向遷移時微氣泡不需要足夠的壓力差或者濃度差即可上浮[12]。

Price得出結(jié)論：膠態(tài)氣泡運移具有高垂向速度和較低流量的理想組合，可以很好的解釋新充儲氣庫上方土壤烴氣濃度為何迅速濃集，而在儲層氣耗盡之后異常迅速消失的原因[9]。

Saeed，Arp，Klusman先后用達(dá)西定律論證支持了這一學(xué)說[13]。Wen Baihong和Putikov從物理化學(xué)實驗和數(shù)學(xué)模擬的角度證實了這種運移機制的可行性[14]。

1.2 水溶方式

湯玉平等認(rèn)為溶有烴類物質(zhì)的水溶液可以通過地層中廣泛發(fā)育的微裂隙向上運移，即使微裂隙中毛細(xì)管阻力大到足以擋住大部分獨立相態(tài)的油氣時，大部分溶有烴類的水溶液仍能向上滲逸，從而提出“水溶壓驅(qū)混相裂隙滲透”運移機制。這種機制認(rèn)為深部微量油氣以水為主要載體，在垂向壓力梯度和浮力的驅(qū)動下，在溫壓變化的環(huán)境中，以水溶烴或烴類膠體形式，呈混相以滲透方式為主，通過各種巖層縫隙系統(tǒng)向上做間歇遞進(jìn)式的微量運移[12]。辛忠斌等在分析了烴類運移的分子相態(tài)、膠束狀態(tài)和油氣乳狀液相態(tài)后認(rèn)為，上述諸相態(tài)是油氣微運移的非主要相態(tài)，含油氣水相是油氣發(fā)生微運移最普遍和優(yōu)先起作用的相態(tài)，提出了“含油氣水相運移機制”[15]。李明誠研究認(rèn)為，分散狀的油珠氣泡很難通過微小的孔隙通道，而水在水潤濕的巖石中幾乎可以毫不受阻地通過孔隙喉道，這就使人們想到烴類溶在水中以水溶液狀態(tài)運移[16]。

1.3 擴(kuò)散方式

研究表明，當(dāng)孔隙直徑小于1 nm時，無論施加多大的外力，流體都不可能呈連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生流動，只能以分子形式擴(kuò)散運移[17]。

擴(kuò)散方式指的是烴類分子在濃度差的作用下呈分子相態(tài)的滲漏遷移。擴(kuò)散方式?jīng)]有特定的方向性，只要存在濃度差，可向各個方向以分子形式遷移[15,18]。擴(kuò)散方式在含油氣地區(qū)普遍存在，不論是生油區(qū)或是儲油區(qū)，不論是分散的還是聚集的，只要有濃度差就會發(fā)生[15]。

1.4 導(dǎo)致化探異常的主要微滲漏方式

烴類從油氣藏到地表，微滲漏方式并不是一成不變的，而是隨地質(zhì)條件變化而變化。地表化探異常的形成，不同學(xué)者強調(diào)不同烴類微滲漏機制，尚存在爭議。目前大部分學(xué)者認(rèn)為引起近地表化探異常的烴類微滲漏方式主要是微泡方式和水溶方式。

大部分取自天然氣儲集層或正在開采的氣藏上方的資料，報道的微滲漏速度為100～1 000 m/a[19]。Leythaeuser[20]等認(rèn)為擴(kuò)散作用時刻都在發(fā)生，速率慢且量微，不能解釋由于地下油田開采導(dǎo)致地表油氣地球化學(xué)場的快速變化[12]。滲溢方式滲漏速度快、滲漏量大且需要良好的通道系統(tǒng)，一般會導(dǎo)致油氣藏的直接破壞，在地表形成宏觀的油氣苗[12,21]；大量油珠氣泡在含油氣飽和度很低的油氣藏上覆蓋層中不可能大規(guī)模存在。因此，擴(kuò)散方式、滲溢方式和油氣粒方式不是化探異常的主要貢獻(xiàn)者。

因此，本文僅考慮微泡方式和水溶方式，結(jié)合一般地質(zhì)規(guī)律，提出理想地質(zhì)模型并進(jìn)行條件假設(shè)，探討烴類微滲漏方式的定量描述方法。

2 模型及條件假設(shè)

2.1 地質(zhì)模型及計算模型

天然氣在地層水中的溶解量是相當(dāng)可觀的[22-24]。水溶相天然氣在運移過程中，因溫度、壓力等地質(zhì)條件改變，處于過飽和狀態(tài)時便釋放出來[25]，因此，地層中烴類微滲漏方式存在轉(zhuǎn)變。

烴類微滲漏系統(tǒng)平衡后，各個地層中烴類供給與散失、溶解與析出、吸附與解吸附等都達(dá)到平衡。當(dāng)滲漏源上覆各蓋層厚度和面積相等時，系統(tǒng)平衡后任意地層供給烴量(Qs)與散失烴量(Ql)相等，第N個地層散失烴量就是第N+1個地層補充烴量，因此對所有地層Qs和Ql都是同一常數(shù)，等于“滲漏源”散失烴量即直接蓋層補充烴量(圖1)。溶解與析出平衡說明任意地層中地層水都飽和天然氣。吸附與解吸附平衡說明巖石或者土壤顆粒都達(dá)到了最大吸附量。因此，微滲漏系統(tǒng)平衡后，“滲漏源”Ql數(shù)值上等于上覆各蓋層Qs，且都呈微泡方式。

蓋層中原始水溶烴量可能很大，但是大部分地層水不能垂向遷移，因此不能代表水溶方式微滲漏烴量，只有可垂向遷移的水溶烴量才代表水溶方式滲漏烴量。利用任意地層中垂向可動水溶烴量(Qmwh)與補充烴量(Qs)之比可判別上覆蓋層中各微滲漏方式重要性。處于平衡狀態(tài)的烴類微滲漏系統(tǒng)，地層水飽和烴類，下部地層的補充烴類以微泡方式進(jìn)行微滲漏。因此，若Qmwh/Qs>100%，則呈水溶方式微滲漏的烴類多于微泡方式；若Qmwh/Qs<100%，則呈水溶方式微滲漏的烴類少于微泡方式。

圖1 微滲漏地質(zhì)模型Fig.1 Geological model of micro-seepage

稍做改進(jìn)，定義微滲漏方式判別系數(shù)W，其等于任意地層中垂向可動水溶烴量(Qmwh)除以“滲漏源”補充到地層中的烴量(Qs)與垂向可動水溶烴量(Qmwh)之和，即水溶方式占地層中所有微滲漏方式的百分比，見公式(1)：

(1)

F=f(P,T,礦化度)

(2)

V=f(Sw,Φ,H,S,I)=SwΦHSI

(3)

式中：Qmwh為任意地層中垂向可動水溶烴量，m3；Qs為“滲漏源”補入直接蓋層再遞次補入上覆所有蓋層的烴量，m3；F為天然氣在地層水中的溶解度，m3(氣)/m3(水)，其是壓力(P，MPa)、溫度(T，℃)和地層水礦化度(mg/L)的函數(shù)；V為可動地層水體積，m3，其是含水飽和度(Sw，%)、孔隙度(Φ，%)、地層厚度(H，m)、地層面積(S，m2)、可動地層水比例(I，%)的函數(shù)。

顯而易見，W介于0到1之間。0

“滲漏源”中烴類可呈游離相、水溶相和分子相擴(kuò)散補入直接蓋層：

Qs=Qf+Qw+Qd

(4)

式中：Qf為滲漏源中烴類呈游離相補入直接蓋層的烴量，m3；Qw為滲漏源中烴類呈水溶相補入直接蓋層的烴量，m3；Qd為滲漏源中烴類呈分子相擴(kuò)散補入直接蓋層的烴量，m3。

“滲漏源”以游離相補入直接蓋層的烴量可用改進(jìn)的達(dá)西公式計算：

(5)

(6)

式中：K為直接蓋層滲透率，μm2；μ為油氣粘度，Pa·s；H為直接蓋層厚度，m；S為直接蓋層面積(模型中所有地層面積相等，皆用S表示)，m2；P2,P1分別為直接蓋層頂、底板地層壓力，Pa；t為油氣穿透直接蓋層的時間，s；v為微滲漏速度，m/s。

對公式(5)，采用烴水兩相流體有效滲漏率進(jìn)行修正：

(7)

式中：Ko為烴水兩相中烴相有效滲透率，μm2；μo為烴類粘度，Pa·s。

同理，以水溶相補入直接蓋層的烴量為：

(8)

式中：Kw為烴水兩相中水相有效滲透率，μm2；F為烴類在地層水中的溶解度，m3/m3；μw為地層水粘度，Pa·s。

從公式(7),(8)可以看出，游離相和水溶相補充烴量都與蓋層厚度無關(guān)，當(dāng)壓差、面積、油氣粘度和溶解度一定后，分別與Ko/v和Kw/v呈正比。

烴水兩相有效滲透率可由實驗測得，本文為計算方便，對公式(7)和(8)做簡單假設(shè)，即假設(shè)Ko=Kλo和Kw=Kλw。

(9)

(10)

式中：λo為“滲漏源”含烴飽和度；λw為“滲漏源”含水飽和度，λo+λw=100%。

以分子相擴(kuò)散補充的烴量：

(11)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)，10-7cm2/s；dc/dz為濃度梯度，10-6/m；S為“滲漏源”面積，m2；t為滲漏時間，s。

2.2 條件假設(shè)及評價

假設(shè)某地區(qū)，遠(yuǎn)離地表，無氧化作用和微生物作用地層，建立等厚地質(zhì)模型(圖1)。地層為正常壓實，數(shù)學(xué)模型為：

Φ=Φoe-cz

(12)

式中：Z為埋藏深度，m；Φo為基準(zhǔn)面處巖石孔隙度；Φ為相對基準(zhǔn)面深度為Z處巖石孔隙度。

假定各地層參數(shù)，地層面積1 km2，各蓋層厚度200 m，礦化度10 000 mg/L，地溫梯度3.4 ℃/hm，壓力梯度為靜水壓力梯度1 MPa/hm。泥巖Φo=52%，C=0.000 70，砂巖Φo=34%，C=0.000 40[26](表1)。直接蓋層有效滲透率K=0.01×10-3μm2，油氣粘度10 mPa·s，地層水粘度4 mPa·s。

前人[22-24]從實驗和理論方面研究天然氣在地層水中的溶解度，本次采用郝石生(1993)提供的回歸方程[22]計算“蓋層1～10”中(圖1)天然氣溶解度，由公式(2)和(3)計算可動水溶天然氣量(表2)。

由公式(9)和(10)計算不同K/v條件下游離相和水溶相補充烴量。Leythaeuser[20]研究了烷烴有效擴(kuò)散系數(shù)，取天然氣擴(kuò)散系數(shù)為10×10-7cm2/s，由公式(10)計算擴(kuò)散補充烴量。補充烴量以游離相為主，水溶相其次，擴(kuò)散相基本可以忽略(表3)。

表1 地質(zhì)模型參數(shù)Table 1 Parameters of geological model

注：溫度、壓力和孔隙度對應(yīng)該地層中間深度，地表溫度取15 ℃。

表2 地質(zhì)模型中天然氣溶解度、原始水溶天然氣及可動水天然氣量Table 2 Natural gas solubility, original gas content in water and gas content in movable water in geological model

表3 地質(zhì)模型微滲漏系統(tǒng)補充烴量Table 3 Supplementary hydrocarbon amount in micro-seepage system of geological model

圖2 相同K,v，不同I情況下深度與W關(guān)系K=0.01×10-3 μm2，v=200 m/a。Fig.2 Relationships between depth and W with the same “K”, “v” and different “I”

圖3 不同K,v，相同I情況下深度與W關(guān)系I=5%。Fig.3 Relationships between depth and W with different “K”, “v” and the same “I”

由表2和表3可求得微滲漏方式判別系數(shù)(W)(圖2,3)。

3 地質(zhì)意義

由表3和圖2,3可以看出：

(1)K/v愈大，Qs越大(表3)。說明K/v越小，直接蓋層封蓋能力越好，“滲漏源”對微滲漏系統(tǒng)補充烴量越小；反之補充烴量越大。

(2)直接蓋層決定微滲漏系統(tǒng)補充烴量，即K/v確定時，地層由深部至淺部，W有變大趨勢(圖2)，說明水溶方式隨地層變淺有增加趨勢。

(3)隨著垂向可動水比例I的增大，W有增大趨勢(圖2)。說明蓋層中垂向可動水含量是影響微滲漏方式的重要因素之一。

(4)W隨著直接蓋層封蓋能力變差而減小(圖3)。說明直接蓋層封蓋能力越差，對微滲漏系統(tǒng)補充烴量越多，微泡方式越重要，導(dǎo)致W減小。如果存在從“微泡方式為主”向“水溶方式為主”轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變層位將隨著直接蓋層封蓋能力變差而逐漸上移。說明直接蓋層封蓋能力是影響上覆蓋層中烴類微滲漏方式的重要因素之一。

(5)垂向上若巖性相同，同為砂巖或者泥巖，W一直變大；但是砂巖、泥巖互層時，W并不一直增大(圖2,3)。同一深度的砂巖、泥巖壓實系數(shù)不同，孔隙度存在差別，即使天然氣溶解度相同，砂巖中Qmwh也高于泥巖，會造成砂巖中W大于泥巖，使得水溶方式在砂巖中較泥巖中大。等厚地質(zhì)模型中，“蓋層3”為泥巖，淺于“蓋層2”砂巖，天然氣在“蓋層3”中的溶解度大(表2)，但是由于“蓋層3”孔隙度小(表1)，Qmwh要小，導(dǎo)致“蓋層3”中W小于“蓋層2”(圖2,3)。說明地層物性也是影響微滲漏方式的重要因素之一。

4 結(jié)束語

通過建立等厚地質(zhì)模型，根據(jù)一般地質(zhì)規(guī)律，假定相關(guān)參數(shù)，計算微滲漏方式判別系數(shù)，從而達(dá)到定量評價微滲漏方式的目的，研究認(rèn)為：

1)地層中烴類微滲漏方式并不是一成不變的。地層由深部到淺部，因地質(zhì)條件的變化，往往水溶方式所占比例逐漸變大，微泡方式所占比例逐漸減小，擴(kuò)散方式相對以上2種方式可以忽略不計。擴(kuò)散一般不是形成地表烴類異常的主要作用，而是形成大范圍背景場；而滲透(微泡方式和水溶方式)才是形成地表烴類異常的主要方式。

2)烴類微滲漏方式判別系數(shù)的提出，使微滲透方式定量判別成為可能。等厚地質(zhì)模型分析計算還表明，烴類微滲漏過程中，微滲漏方式主要受直接蓋層的封蓋能力、地層物性和垂向可動水含量的影響。

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