天然氣脈沖式二次運移過程

李文學,呂延防

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

天然氣脈沖式二次運移過程

李文學1,呂延防2

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

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

天然氣運移;排替壓力;脈沖;毛細管力;浮力

0 引言

在靜水條件下,游離相天然氣運移的主要動力是浮力,阻力是毛細管力[1-5].呂延防根據(jù)前人的實驗數(shù)據(jù),通過理論計算發(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)運載層中的運移為加速式運移過程[6].實際上,天然氣二次運移的加速度遠大于文獻[5]的計算值,尤其在源巖區(qū)內(nèi),運載層頂部的大連通孔隙內(nèi)部可能存在很多運移的或待運移的氣柱,當下傾方向的氣柱運移到這里時,孔隙內(nèi)氣柱與之匯聚,使運移的氣柱長度瞬時加大,浮力上升,運移速度增加.運移速度增大的氣柱在運移途中不斷地以滾雪球的方式匯集分散在運載層內(nèi)部的氣體,使其運移速度越來越快.從宏觀上看,這一過程是加速運移過程;從微觀上看,這一加速過程與質(zhì)量不變而體積增加的加速過程不同,它是在原氣柱靠自身體積膨脹的基礎上增加氣柱質(zhì)量的加速過程,并且具有突發(fā)性質(zhì),這一運移方式貫穿天然氣聚散的整個過程,稱為脈沖式運移.

1 脈沖式運移機理

1.1 高剩余壓力

在靜水條件下,導致天然氣發(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管壓力[7-9].不論是二次運移途中運載層的相變,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.

由于氣體相對分子質(zhì)量小、密度輕,當其發(fā)生聚集后,整個聚集體內(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圖1,其中:h1為水勢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面(h1+h2)的靜水柱重力;pC為C點的靜水壓力,其大小與A點至水勢面靜水柱重力相等.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管壓力向上運移的趨勢.

當剩余壓力增高到大于蓋層巖石中最大連通孔隙的毛細管壓力時,氣體穿過蓋層發(fā)生再次運移,直至剩余壓力小于蓋層排替壓力時為止[11];隨著氣體不斷聚集,剩余壓力再度增加,當其再次超過蓋層排替壓力時,氣體重新突破蓋層發(fā)生運移.氣體不斷聚集,此過程不斷重復進行[12].

這種由高剩余壓力引起的脈沖式運移,主要發(fā)生在連通孔隙相對較大的遮擋物中.如運載層中沿上傾方向由中砂巖相變?yōu)榧毶皫r,斷層充填物的排替壓力略高于儲層的排替壓力;或斷層兩盤的砂巖對接,且上傾方向的另一盤砂巖的排替壓力稍高于對接的目的盤砂巖的排替壓力;背斜上覆蓋層孔滲性較大(尤其是假蓋層)等.盡管這類儲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,形成天然氣運移的一次脈沖,氣體的這種脈沖式運移過程也是氣體聚集與散失的動平衡過程[13].

1.2 構造變動

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,直到整個圈閉被充滿.在氣源不斷供應的情況下,后續(xù)氣體將通過溢出點繼續(xù)運移.若不發(fā)生構造變動,聚集的天然氣永遠被遮擋于圈閉之中.除非氣源供應中斷,氣體靠擴散在漫長的地史中通過遮擋物逸散掉.

然而,在地質(zhì)發(fā)展的歷史中,構造運動是永恒的,只不過反映在地殼的明顯變動上具有間歇性特點,油氣的聚集恰是這種間歇性變動處于暫時相對靜止的平衡產(chǎn)物,一旦發(fā)生構造變動,油氣將重新分布,以達到新狀態(tài)下新的平衡.

構造變動的表現(xiàn)形式是地層的彎曲和裂縫及斷層的產(chǎn)生.當?shù)貙訌澢匠^巖層的抗彎強度時,必然產(chǎn)生裂縫,裂縫進一步發(fā)展形成斷層;斷層的活動伴生新的裂縫,直到引起地殼變動的地應力釋放到不足以繼續(xù)導致構造變動時,這種活動才暫時停止.當?shù)貞^續(xù)積聚到超過巖石的抗撓強度時,應力將沿地殼的軟弱面再次釋放,原來的斷層重新活動.

構造運動相對靜止時,天然氣聚集在圈閉之中形成天然氣藏;在活動時期,由于斷層的產(chǎn)生或活動,氣藏遮擋物受到破壞[14],天然氣沿斷層或裂縫向壓力降低的方向發(fā)生再運移,這一現(xiàn)象尤其以斷層遮擋氣藏更為明顯[15].

對泥質(zhì)遮擋物,如果形成與其中的斷層或裂縫傾角不大,當?shù)貞︶尫藕?在上覆地層載荷壓力下,可能會使斷層或裂縫重新閉合,天然氣沿其中的運移也因此停止.如斷層或裂縫張開與閉合的時間間隔不長,且原生天然氣富集量較高,原生氣藏不會被徹底破壞,隨著源巖內(nèi)天然氣不斷排出,氣藏的富集量重新增加.在下次構造運動到來時,斷層重新復活,成藏的天然氣再次運移;若斷層或裂縫張開的時間稍長,原生氣藏可能被徹底破壞,但當斷層和裂縫閉合以后,天然氣可能還會在此發(fā)生聚集,直到下一次張裂的產(chǎn)生.

與聚集相比,天然氣的這種運移過程在瞬間發(fā)生,并隨構造的多期活動而多次進行,故亦認為該形式的運移方式為脈沖式運移.

2 加速式與脈沖式交替運移模式

圖2 加速式與脈沖式交替運移模式

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

由于運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,致使天然氣在運移全過程中加速式與脈沖式交替進行.

3 結論

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

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

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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

教育部博士點專項科研基金項目(20060220002)

李文學(1967-),男,博士,高級工程師,主要從事油氣資源評價與開發(fā)地質(zhì)方面的研究.