哈得遜油田東河砂巖油藏形成過程物理模擬

李笑冉

摘 ? ? ?要：為分析哈德遜油田東河砂巖油氣成藏過程，基于相似理論利用物理模擬實驗的相似性原理，用先進的構造物理模擬實驗方法定量開展哈得遜油田東河砂巖油藏動態(tài)調整過程，闡述其油氣成藏機理。研究表明：不同位置含油飽和度的變化存在明顯的規(guī)律性，油藏的油水界面長期處于傾斜狀態(tài)，若經足夠長的時間，油水界面也將轉換為水平，研究認識為該區(qū)域及塔里木盆地其他地區(qū)的下一步油氣勘探提供有價值的實驗依據和理論支持。

關 ?鍵 ?詞：哈德遜油田;東河砂巖;油藏形成;物理實驗

中圖分類號：TE312 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）05-0961-04

Abstract： In order to analyze the oil and gas accumulation process of Donghe sandstone in Hudson oilfield， based on the similarity theory and the similarity principle of physical simulation experiment， the dynamic adjustment process of Donghe sandstone reservoir in Hudson oilfield was quantitatively carried out by the advanced structural physical simulation experiment method， and the oil and gas accumulation mechanism was expounded. The research showed that the change of oil saturation at different positions had obvious regularity， and the oil-water interfaceof the reservoir was inclined for a long time. If it passes through a long time， the oil-water interface will also change to be horizontal. The research and understanding will provide valuable experimental basis and theoretical support for the next oil-gas exploration in this area and other areas of Tarim basin.

Key words： ?Hudson oilfield; Donghe sandstone; reservoir formation; physical experiment

現(xiàn)代科學研究中模擬實驗研究既是理論分析的依據，也是檢驗理論的準繩，具有很重要的實際作用和理論研究意義[1]。相似理論是研究支配相似系統(tǒng)的性質以及如何用模型實驗解決實際問題的一門科學，是進行模擬實驗的依據?，F(xiàn)代的物理模擬實驗研究已從以往的巖石圈固體變形模擬，拓展到油氣勘探領域中沉積層固體變形與孔隙內存儲的油氣流體耦合和疊置關系的模擬，是涉及固體動力學與流體動力學的多學科綜合研究。

對于古油藏調整、改造過程中油氣藏的聚集狀態(tài)的研究剛剛起步，因此存在諸多問題急需解決，包括：

（1）古油藏動態(tài)調整過程中油氣的聚集是一應勢應時變化的運動流體，它的特性變化是介質/載體和時間的變量，既是一地質過程也是一物理過程，對于這些特性變化迫切需要通過創(chuàng)新的物理模擬實驗給予佐證。

（2）調整過程中油氣聚集的動力學機制，油藏的運移過程一定受到不同力系的綜合控制和制約，古油藏調整過程中的動力學與油氣從烴源巖中排出后的初次、二次運移存在何種差異。

（3）古油藏調整、改造過程中油氣的聚集與輸導層或儲層的物性之間的關系，任何儲集層都存在非均質性，儲層非均質性與油氣運移之間的內在聯(lián)系如何。

（4）古油藏調整、改造過程中油氣流體運移的主流和主導方向對研究其聚集特點意義重大，也是勘探生產研究最為關注的焦點。

（5）古油藏調整、改造過程中的油氣聚集形式如何。

針對研究過程中出現(xiàn)的上述種種疑問，在精細分析和研究哈得遜油田東河砂巖油藏成藏機理的基礎上，開展了古油藏調整、改造后油氣聚集成藏過程的物理模擬實驗，即構造體系形成和演化及均質儲層條件下古油藏調整、改造過程中油氣聚集形式的物理模擬實驗。依據實驗結果論證：

（1）地層翹傾條件下油氣聚集過程。

（2）油氣聚集過程中的動力機制。

1 ?物理模擬實驗地質模型

由于受諸多條件的限制，實驗室條件下的物理模擬實驗不可能完全再現(xiàn)地下深部實際的巖石物理參數，物理模擬實驗過程中應優(yōu)先考慮影響古油藏調整、改造過程中油氣聚集最主要的因素，因此對剖面的選擇必須進行多方面因素的綜合，尤其是剖面的走向，只有選擇合適的剖面，才能使模擬實驗達到令人滿意的效果。

地質和鉆孔資料分析表明，庫車期（6Ma±）以來哈得遜油田東河砂巖油藏的調整主要是自北向南逐漸向南遷移的，而系列實驗Ⅰ和系列實驗Ⅱ主要考慮不同物性條件下古油藏的調整過程，因此剖面的位置必須沿著古油藏調整的線路展開，而且沿著該調整路徑還必須有合適的圈閉能供油氣充注、聚集，從而形成不同聚集形式的油藏。

考慮到上述諸多因素，系列實驗選擇的剖面北起HD17，經HD113、HD111、HD112、HD4-44、HD4-30、HD4至HD401，HD17井附近是庫車期開始時，古油藏調整到哈得遜地區(qū)的位置所在，HD4井附近又存在哈得4號構造圈閉，以供油氣的充注和聚集，而HD401井到達了東河砂巖油藏的油水邊界。

HD17井至HD401井連井剖面近南北方向展布，長約31km，它北接含油飽和度較低的HD17井和至今已連續(xù)多年高產、穩(wěn)產的HD4井，是開展哈得遜油田東河砂巖油藏形成過程物理模擬實驗的最佳剖面之一。自6.0 Ma至現(xiàn)今，哈得遜油田HD17至HD401井剖面石炭系東河砂巖段由6.0 Ma時期的北高南低變化到現(xiàn)今的北低南高，地層埋深北部為 ? 1 874 m，南部為1 582 m，平均埋深1 728 m。

2 ?實驗裝置

為開展創(chuàng)新的哈得遜油田后油藏形成過程的系列實驗，自行研發(fā)設計了一系列新型實驗裝置和技術。

（1）FM-2可實施地層傾斜與反轉的大維度實驗裝置，應用該新型實驗裝置開展了實驗，該裝置可以實現(xiàn)6.0 Ma時期的向南傾斜，變化到現(xiàn)今的向北傾斜的相似的構造地質過程，實驗裝置：L=1 800 mm，W=800 mm，H=1 200 mm，實驗裝置左側底部安裝有3個液壓千斤頂，右側有活動底版，可以滿足實驗模型的抬升和沉降的反轉過程（圖1）。

（2）FM-3附有精細液壓驅動系統(tǒng)的實驗裝置，應用該新型實驗裝置開展了系列實驗，實驗裝置底部安裝有4個分體式高精度負載卸壓活塞，活塞的行程可以達到200 mm，該裝置可以在實驗室條件下理想地再現(xiàn)哈得遜油田6.0 Ma以來東河砂巖段地層傾斜反轉的相似地質過程，是一創(chuàng)新使用的新型實驗裝置。

（3）不同的流體具有不同的折光反射系數，水流體的折光反射系數是1.33，油流體的折光反射系數是1.47，利用它們之間的折光反射系數差可以辨識出模型任一點孔隙流體介質是水流體還是油流體。利用巖層孔隙油流體入射光強度與反射光強度比，可以獲得模型任一區(qū)域孔隙油流體的含油飽和度。據此研制出油藏動態(tài)調整含油飽和度激光光導檢測儀應用于系列實驗的含油飽和度檢測。

（4）可控制流體壓力和流量的古油藏形成的飽和水和飽和油充注實驗裝置，應用該裝置進行了系列實驗模型的飽和水和飽和油充注（圖2）。

（5）依據PVT原油黏度確定實驗油樣品，用SYD-265D型黏度儀進行了實驗油樣品黏度測定。

（6）將先進的激光數碼動態(tài)成像技術應用于本課題“哈得遜油田后油藏形成模擬實驗的實驗模型飽和水和古油藏建立飽和油的觀察和成像記錄中，這是迄今為止我國率先觀察和記錄下砂巖顆粒被放大150～180倍，實驗模型飽和水和飽和油的顯微影像。

先進的構造模擬試驗裝置是開展高精度哈得遜油藏形成過程模擬實驗的重要條件，能夠在實驗室條件下再現(xiàn)6.0 Ma至現(xiàn)今哈得遜油田后油藏形成的相似構造地質過程，哈得遜油田6.0 Ma至現(xiàn)今經歷了一次急劇的地層埋深和反轉過程，在此過程中石炭系東河砂巖段由6.0 Ma時期的地層埋深深度大約3 500 m，增加到現(xiàn)今的大約5 100 m，地層埋深深度大約增加了1 600 m，平均埋深量0.27 mm/a。地層傾角變化是低幅傾角變化，但是在此過程中地層傾斜方向發(fā)生了重要變化，由6.0 Ma時期的向南傾斜，變化到現(xiàn)今的向北傾斜，F(xiàn)M-2和FM-3實驗裝置可以滿足這一相似的構造地質變化過程。

哈得遜油田后油藏形成過程的物理模擬實驗與常規(guī)的構造模擬實驗大不相同，常規(guī)的構造模擬實驗研究是追蹤含油構造體系的形成和演化，確證含油氣構造體系幾何和物理特性與相關地質要素之間的關系，給出有利的含油氣構造體系的展布，而哈得遜油田后油藏形成過程的物理模擬實驗開展的是含油構造體系形成和演化中，油藏的動態(tài)調整過程，是一項輸導層和目的層固體變形與油藏流體流動之間耦合關系的新的模擬實驗。

3 ?實驗相關物理參數

3.1 ?實驗材料的選取和模型地層的確定

系列實驗Ⅰ的模型以哈得遜油田石炭系上泥巖段（C3）、標準灰?guī)r段（C4）、中泥巖段（C5）和東河砂巖段（C9）以及石炭系下伏的志留系粉砂質泥巖段地層為主體，系列實驗Ⅰ選取了6種天然地質介質作為實驗材料，自下而上包括：河南省三門峽地區(qū)天然泥質粉砂巖作為志留系替代實驗材料，渤海灣昌黎地區(qū)天然砂巖作為東河砂巖段替代實驗材料，河南省三門峽地區(qū)藍色染色泥巖作為石炭系中泥巖段替代實驗材料，河北省唐山地區(qū)黃色染色灰?guī)r作為石炭系標準灰?guī)r段替代實驗材料，河南省三門峽地區(qū)黃色染色灰?guī)r作為石炭系上泥巖段替代實驗材料，浙江省臨海地區(qū)?20～50 mm的礫石顆粒作為石炭系上覆P、T、J、K、E、N和Q地層的沉積載荷物的替代實驗材料。物理實驗中精確的實驗材料選取和優(yōu)化的實驗模型設計是全面了解古油藏調整、改造后新油藏的形成過程的重要途徑。表1給出系列實驗所使用的實驗材料名稱、樣品采集地點、單個模型樣品量、所替代的層段等參數。

3.2 ?實驗幾何比例系數

實驗橫向間距相似系數Cl=25 000，縱向間距相似系數Cv=1 000。實驗模型可以將實驗模型中任一點的變化與所代表的實際地質體相同點的實際地質特征和油藏分布特征進行對比，提高了實驗實施精度和實驗的量值化分析（表2）。

3.3 ?實驗時間相似系數

實驗實施之前進行了古油藏的充注，充注時間為20 d，而后模型進行了靜止，充注模型靜止時間為7 d（表3）。

3.4 ?實驗步驟和時間

實驗分為3個階段：

（1）實驗模型古油藏充注階段，實驗時間576 h。

（2）實驗模型靜止階段，實驗時間128 h。

（3）調整、改造后的油藏形成過程實驗實施階段，實驗時間672 ?h。

實驗中含油飽和度的檢測是使用《激光光導纖微含油飽和度檢測儀》記錄出來的，再結合7個階段的實驗照片影像證據和激光動態(tài)數碼成像圖作出的綜合解釋。

4 ?實驗結果及討論

實驗是儲集層物性均質的條件下古油藏調整、改造過程中新油藏的形成過程模擬實驗。從實驗結果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）古油藏調整過程中，均質儲集層中含油飽和度的變化規(guī)律。實驗結果分析顯示，古油藏調整及油藏形成過程中，不同位置含油飽和度的變化存在明顯的規(guī)律性。

隨著油藏的不斷調整，受擴散作用的影響，其前緣部位及后緣部位的飽和度相對較低，后緣（靠近古油藏）的含油飽和度逐漸降低，而前緣的含油飽和度也在不斷調整之中。含油飽和度的極值既不在充注油氣的前緣，也不在后緣，而是位于油氣聚集過程中的中間地帶，即油藏的中部含油飽和度最高，因此油氣的勘探目標應主要集中在古油藏調整和形成非水平油水界面油藏聚集的中間地帶。

（2）古油藏調整過程中，油水界面始終處于傾斜狀態(tài)。實驗結果發(fā)現(xiàn)，古油藏在調整過程中，油藏的油水界面，始終處于非穩(wěn)定狀態(tài)，即長期處于傾斜狀態(tài)。只要古油藏一直處于調整狀態(tài)，其油水界面也會一直保持著目前的非穩(wěn)定狀態(tài)而難以達到平衡。

（3）油藏傾斜油水界面與水平油水界面之間的轉換。油藏的油水界面傾斜和水平并不是一成不變的，只要有足夠的時間，傾斜的油水界面也可以轉換為水平的油水界面。實驗的模擬實驗任務完成以后，保持實驗模型處于構造活動停止的靜止狀態(tài)，大約經過3 d的時間，其中的油水界面達到了基本平衡的狀態(tài)。依據本次物理模擬實驗時間的相似性原理，即哈得遜油田東河砂巖油藏傾斜油水界面在靜止大約3 Ma以后即能達到穩(wěn)定而統(tǒng)一的油水界面（圖3）。

5 ?結 論

形成了古油藏原油調整的物理模擬技術，對哈得遜油藏原油的調整過程進行了物理模擬，模擬結果和目前的地質現(xiàn)象及認識相符合，并得出了許多有啟示性認識。

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