致密砂岩气藏成藏过程的物理模拟实验.pdf

第5 3卷 第6期 2 0 0 7年1 1月地 质 论 评 GEOLOGICAL REVIEW Vol. 53 No. 6 Nov . 2007注:本文为国家自然科学基金资助项目(编号40472078)的成果 收稿日期:2007205222 ;改回日期:2007209219 ;责任编辑:章雨旭 作者简介:姜福杰,男,1979年生在读博士研究生,主要从事石油地质方面的研究联系: 010 - 89733768 ; Email : jfjhtb @致密砂岩气藏成藏过程的物理模拟实验姜福杰1 ,2),庞雄奇1 ,2),姜振学1 ,2),田丰华1 ,2)1)中国石油大学盆地与油藏研究中心,北京昌平, 102249 ;2)中国石油大学石油天然气成藏机理教育部重点实验室,北京昌平, 102249内容提要:致密砂岩气藏具有广阔的资源前景,可以有效地弥补常规天然气资源的不足但其成藏过程和气水 分布关系的研究是一个相对不足而又非常重要的领域,它的完善直接关系到勘探的成败本文正是针对这一研究 领域,采用物理模拟实验方法,通过实际资料的调研,建立了二维的实验模型,对致密砂岩气藏的成藏过程和气水分 布关系进行了模拟。

实验结果表明,致密砂岩气藏的成藏过程可以分为三个阶段,分别为:充注前期(能量积累阶 段)、 充注期(幕式充注成藏阶段)、 充注后期(气藏保存阶段)其中,幕式充注成藏阶段是致密气藏成藏的关键时期 而导致气水分布关系复杂的原因在于储层的非均质性关键词:致密气藏;物理模拟;成藏过程;气水分布关系致密砂岩气藏作为一种非常规气藏,潜在着巨大的资源前景,可以有效弥补常规天然气储量的递减,在气藏的勘探开发中已成为国内外众多学者研究的热点和前沿问题(李健等,2002 ;唐海发等,2007)20世纪60年代以来,国内外已探明致密砂岩气藏中可采天然气储量超过100×1012m3,与常规可采天然气剩余量119×1012m3十分接近随着勘探的深入,致密气藏的比重仍将继续增加,这也使得该类气藏越来越 多 的 为 世 界 所 瞩 目(Jones , et al. , 1980 ;Kazemi , 1982 ;Spencer , 1985 , 1989 ; Ward , et al. ,1987 ;Soeder , et al. , 1987 , 1990 ; Kunskras , 1996 ;王金琪,1993)国内外许多学者都在这一领域对其形成与分布、 成藏机理及开发方式等进行了研究(Spencer , 1989 ;关德师等,1995 ;戴金星等,1996 ;王金琪,2000 ;宫秀梅等,2005)。

但是目前对致密砂岩气藏的成藏过程及气水分布关系的研究还相对薄弱,也是研究的难点所在物理模拟实验是研究油气运移规律的一种重要方法,迄今为止油气运移物理模拟实验已广泛的应用于常规气藏的研究中(Dembichi , et al. , 1989 ;Catalan , et al. , 1992 ; Thomas , et al. , 1995 ;曾溅辉等,1997 ,2000a ,2000b ,2001 ;曾溅辉,2000 ;张洪等,2004) ;相比之下,致密砂岩气藏的物理模拟实验研究相对薄弱,而且主要集中在深盆气的研究领域内(庞雄奇等,2003 ;米敬奎等,2005 ;马新华等,2004)鉴于此,本文针对致密砂岩气藏存在的难点问题,通过物理模拟实验对致密砂岩气藏的成藏过程和气水分布关系的特点进行了初步的探索1 实验的地质模式根据国内外致密砂岩气藏的综合调研可知(图1) ,致密砂岩气藏储层一般具有一定的非均质性,气藏一般分布在致密砂岩背景下的 “相对高渗透砂体”内,这种 “相对” 是指:致密砂岩气藏的孔隙度和渗透率分别在12 %和1×10- 3μm2之下,但相对于其围岩来讲,孔渗性相对较高。

在这一研究的基础之上,建立了本次实验的地质模型(图2)2 实验装置简介2. 1 实验材料 根据上述的地质模式建立了本次实验模型(图3) ,此模型的建立主要考虑两个因素,一是符合建立的地质模式;二是必须和实验装置统一起来实验中采用两种粒径的石英砂:相对高渗砂体用015～0125mm的粒径(高渗砂体1、2) ,低渗砂体用0101～0125mm的粒径二维模型的实验主体为钢体结构,转载中国中国科技论文科技论文 图1 国内外典型致密砂岩气藏分布特征与地质模式Fig. 1 Distribution and geological model of typical sandstone gas reservoirs over the world(a)怀俄明州Red Desert盆地致密砂岩气藏剖面示意图; (b)圣湖安盆地白垩系致密砂岩气藏剖面示意图;(c)阿尔伯达盆地Spirit River组气藏剖面示意图; (d)鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏示意图(a) sketch map of the tight2sand gas reservoirs profile in Red Desert basin , Wyoming;(b) sketch map of the tight2sand gas reservoirs profileat the Cretaceous Fm. in San Juan basin ;(c) sketch map of the gas reservoirs profile at the Spirit River Fm. in Alberta basin; (d) sketchmap of the Paleozoic tight2sand gas reservoirs profile in the Ordos basin其边框和后壁用环氧酚醛玻璃布层压板制成,这使模型有足够的强度和良好的热性能。

模型的前壁用钢 化玻璃或有机玻璃制成,通过玻璃可直接观察实验现 象或进行摄影和摄像石英砂装入砂箱的同时让其 饱和水,并在装入的过程中,敲击振荡,以便砂体压 实,为了便于观察,实验中注入的水用红墨水浸染,当有气体通过时,砂体颜色会变白,这样,通过砂体颜色 的变化可以观察气体在其中运移充注情况2. 2 实验装置 本次实验装置是自行设计,二维砂箱的规格80cm×60cm×6cm ,采用注气钢瓶向饱含水的二维实验模型中注气,注气孔在实验模型的右下侧,为了 模拟底部均匀注气的效果,采用网孔状注气钢管注 气,这样注入的气体就可以沿着网孔均匀注入致密砂 体气体从底部向上推挤致密砂体中的水,水排出后 通过流量计直接进入收集量筒,实验装置详见图33 实验过程及现象在实验模型完善以后,开始注气,实验描述及实 验现象见图版 Ⅰ、 Ⅱ图2 致密砂岩气藏成藏过程的地质模式图Fig. 2 Geomodel of gas charging in tight sandstone548第6期姜福杰等:致密砂岩气藏成藏过程的物理模拟实验中国科技论文图3 致密砂岩气藏成藏过程的实验模型示意图Fig. 3 Experimental sketch map of gas charging in tight sandstone图4 致密砂体出水速率与天然气成藏阶段划分图Fig. 4 Velocity of water draining from tight sandstone and division of gas2accumulation stages4 实验现象讨论与结论4. 1 成藏过程 从上述实验现象不难看出,在致密砂岩内天然气的运移和聚集呈幕式(忽快忽慢) ,表现为其运移和聚集是一个积累的过程,必须经历从量变到质变的转化。

按照出气孔出水速率的变化特征,致密砂体内的天然气成藏大致可以分为如下3个阶段(图4)第一阶段:称之为充注前期(能量积累阶段)也就是在注气初始的一段时间内,天然气并不能进入致密砂体,而是当注入量达到一定程度,压力积累到可以突破孔隙水的毛细管阻力作用才开始进入致密砂体第二阶段:称之为充注期(幕式充注成藏阶段)这一阶段,致密砂体内的天然气主要依靠气体的膨胀力排驱水,并呈指状向上运移当低渗砂体与 “相对648地 质 论 评2007年中国科技论文高渗砂体” 相连通时,出水速率明显增快然而,随着出水速率的变快,低渗砂体内的气柱迅速萎缩并与 “相对高渗砂体” 分离如此反复,直到砂箱内的天然 气分布范围保持稳定 第三阶段:称之为充注后期(气藏保存阶段)此 阶段天然气分布范围不再变化,出水孔不再出水,而是有游离相的天然气直接喷出,表明砂箱内的低渗砂 体和 “相对高渗砂体” 保持了很好的连通性,整个致密 砂体内形成统一的天然气聚集图5 致密砂体物理模拟实验结束时的气水分布示意图Fig. 5 Sketch map of gas and water distribution at the end of physical simulationexperiments of tight sandstone4. 2 气水分布关系 致密砂体内的气水分布关系随着天然气的充注 是不断发生变化的。

在气藏成藏的最初阶段,自由水分布空间随着天然气的充注不断变小,低渗砂体内的 气柱分布范围随着与 “相对高渗砂体” 的连通和分离 呈幕式的变化在低渗砂体的左侧,气柱与相对高渗 砂体相连后始终保持连通,而右侧的气柱与高渗砂体 相连接则呈脉冲式,这也导致了气水分布关系的不断变化实验结束,即当砂箱内的气体分布范围不再变 化时,可以清晰地看到,砂箱内的高渗砂体完全被天 然气充满,而低渗砂体则以气柱的方式和平行于注气管的水平方式存在着气体的聚集带在实验模型的下部,低渗砂体与高渗砂体1之间存在着一个滞留水 区域,这一区域完全被天然气所包围,而在高渗砂体1和高渗砂体2之间,存在着一个范围较大的滞留水 带,这一区域也基本被天然气所包围(图5)如果钻 井位置如图5所示,那么在这一井段气水分布关系将会十分复杂,而在整个区域内,气水边界的确定也很 困难,但是,从实验现象不难看出,在致密砂体背景下 的 “相对高渗砂体” 仍是天然气聚集的最有利部位,在 气源岩的上方一般会存在一个水平的天然气聚集带 从实验过程和现象不难看出,导致致密砂体内气水分 布关系复杂的原因在于储层的非均质性以及低渗、 高渗砂体的分布关系4. 3 实验结论(1)致密砂体内的天然气运移的动力来自于气体本身的膨胀力,即天然气充注的强度。

2)致密砂体内的天然气成藏呈现幕式聚集的特点,一般情况下,在气柱与相对高渗砂体相连时,天 然气聚集速率较快 (3)致密砂体内的天然气成藏可以分为三个阶748第6期姜福杰等:致密砂岩气藏成藏过程的物理模拟实验中国科技论文段,分别为:充注前期(能量积累阶段)、 充注期(幕式充注成藏阶段)、 充注后期(气藏保存阶段)每一阶 段对应的出气口的出水速率各有特点,第一阶段保持 匀速,第二阶段时快时慢的脉冲式变化,第三阶段出 气口以游离的天然气为主4)致密砂体内的天然气成藏后,气水分布关系比较复杂一般地,相对高渗砂体完全被天然气充 满,而低渗砂体则只在注气管的范围内存在一个水平 的天然气聚集带,在箱体的左右两侧各存在一个指状 的气柱分布带5 讨论物理模拟实验可以很好地再现油气成藏的过程, 但是由于实验环境与实际地质条件之间存在着很大 的差别,难免会导致实验结果和实际情况之间的误 差本次致密砂岩的物理模拟实验很好地再现了致 密砂体内的天然气运聚成藏的过程,并解释了致密砂体内气水分布关系复杂的原因,但是,由于实验条件 的限制,认识上难免存在一些偏差首先就是致密砂 体的获取,尽管实验过程中选用的石英砂的粒径很 小,但是。