恢復古水動力場定量研究油氣運聚

李忠權，彭 戟，應丹琳，應文峰，，李 應，龍 偉

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2國土資源部構造成礦成藏重點實驗室（成都理工大學），成都610059；3.中國石油 西南油氣田分公司，成都610041；4.密蘇里科技大學 地質與地球物理學院，美國615401）

古水動力場是指各地質歷史時期的古水勢面貌，研究和恢復古水動力場的目的就是了解油氣運移富集區塊，以便更好地為勘探服務［1－3］。油氣運移一般包括初次運移和二次運移兩個過程：初次運移為油氣首先從生油層同水一起進入儲集層，進而在儲集層中由油、氣、水高勢區向低勢區進行二次運移，并在運移道路上的圈閉中油氣聚集成藏；而后期水動力場變化，也會造成已形成油氣藏散失和重新運移 。因此可見，古水動力條件與油氣運移及聚集密切相關。

長期以來，許多學者致力于油氣運聚的定量研究，但方法不一［4，5］。本文著重介紹三維古水動力場恢復的理論基礎及解決方法，以此為基礎，將油氣初次運移與二次運移聯系在一起，對油氣運聚作出定量評價，其結果對指導油氣勘探有較大意義。

1 數理模型的建立

建立此模型有如下假設：（1）儲層無區域性排水斷裂；（2）壓實水量是滲流層唯一補給源；（3）固體顆粒壓縮性遠小于巖石壓縮性，所以認為顆粒體積不變。

在滲流區域取一個無限小立方體，如圖1所示，根據質量守恒定律

式中：vx、vy、vz分別為X、Y、Z方向的滲流速度分量；W為單位時間、單位面積壓實水量；δ為儲層厚度；q為滲流層孔隙度；ρ為液體密度；t為時間。

圖1 計算水動力單元示意圖Fig.1 Sketch map of calculating hydraulie unit

我們在化簡此式時，有兩點與普通水文不同：（1）儲層上覆總應力是變化的，據泰薩基公式

式中：σ總為總應力；σ有為有效應力；p為水壓力。

則 dσ有＝dσ總－dp

（2）儲層的海拔高度是不斷變化的，即

式中：H為水頭高度；Z0為儲層距海平面的距離。

式中：β為液體體積壓縮率。

最后推導出古水動力場數理方程

式中：K為滲透系數；Ss為儲水率，Ss＝ρg（α＋qβ）。

2 恢復各地質時期古水動力場

古水動力場數理方程（1）是二階偏微方程。如此復雜的方程，要求出它的解析解是不可能的。為此，可采用有限單元法，解出水頭的數值解［6］。

用有限單元法解出古水頭的關鍵是邊界性質確定及參數的給出。

2.1 邊界的確定

經反復對比計算，選用了導水系數和壓實水量相結合的辦法確定。

導水系數的定義是：滲透系數×滲流層厚度，它反映滲流層的導水能力。一般情況下地層往往由導水系數小的區域流向導水系數大的區域，因此可在導水系數等值線圖上將研究區劃分成幾個區，如圖2；然后對每個區進一步劃分成若干個三角形單元，如圖3。這樣，根據各區域的壓實水量等于各三角單元的總排泄水量的原則，利用各控制點的壓實水量，近似求出邊界的排泄量。

2.2 參數的確定

（1）垂直總應力（σ/Pa），按下式計算

圖2 用導水系數等值線圖劃分滲流區域Fig.2 Diagram showing the vadose zones devided by the contour map of transmissivity coefficients

圖3 單元劃分示意圖Fig.3 Sketch map of subdivision

式中：δi為i層厚度（m），由壓實計算獲得；qi為i層孔隙度，由壓實計算獲得；ρsi為i層巖石骨架密度；ρwi為i層孔隙水的密度。

（2）巖石骨架壓縮率（α/Pa－1）

式中：δ為巖石厚度（m），Δδ及d（Δδ）都可根據壓實計算得到。

有效應力σ有，是采用疊代法求出：首先將前期埋深比前期水頭值求出壓力系數，用該值乘以后期埋深，則得該期的近似水頭值，并換算成水壓，又有σ有＝σ總－p，可求出σ有1，求出近似的巖石骨架壓縮率α1。用該α1值作計算求出近似水頭值H1，將其換算成近似地層壓力，代入σ有＝σ總－p，求得新的σ有2，進而求得新的σ有和水頭值H2。如果疊代前后水頭值的誤差平均大于10 m，需再次進行疊代，直到平均誤差小于10m為止，其α值就比較準確。一般疊代2次，最多3次。

（3）液體壓縮率（β/Pa－1），按地層平均溫度和平均礦化度查表獲得。

（4）孔隙度（q），由壓實計算可得。

（5）單位時間、單位面積壓實總水量［W/（m3·Ma－1），包括上、下泥巖擠入儲層壓實量］，由壓實計算可得。

（6）儲層厚度（δ/m），由壓實計算可得。

（7）Δt為各階段經歷的間隔時間（Ma）。

（8）K為滲透系數（m/Ma），K＝kρg/ν（其中k為滲透率）。

（9）地層水運動黏度（ν/Pa·s），據含鹽量、地溫，查表獲得。

3 用恢復的古水動力場對油氣運聚進行定量分析

用上述方法，就可以恢復各個地質時期的古水動力場（圖4）。在此基礎上，可以對油氣二次運聚的演變過程進行定量分析。

圖4 四川盆地侏羅系陽新統水動力圖Fig.4 Hydrodynamic map of Yangxin in Jurassic in Sichuan Basin

a.二次運移同油氣在地下的相態有密切關系，只有計算了各控制點在各個地質時期的氣油比、氣水比之后，再同油氣在地下的溶解度比較，才能作出油氣的相態判斷。而氣油比、氣水比、油氣在地下溶解度的定量解，都要以古水動力場為基礎。首先根據各期的水頭等值線圖所反映的流向來計算各點的單寬油、氣、水量。它反映了油、氣、水在儲層中運移量的動態。利用各地質時期的單寬流量進一步計算出各期的氣油比、氣水比；再按各地質時期目的層的水頭值、埋藏深度、地溫梯度，根據一定的公式計算出氣在原油中的地層水的溶解度。這樣，由上所求烴的溶解度及實際氣油比、氣水比可計算出相態值，其值大小反映了某種烴類的相態。當相態值小于或等于0，說明地層中僅存在油（含溶解氣）兩相；當相態值大于0或等于1時，說明地層中存在飽和氣體的油相和含溶解氣或被氣體飽和的水兩相；當相態值大于1，則有飽和氣的油相、飽和氣的水相以及飽和態的游離氣相三相存在。可見相態值可作為判斷各個時期油氣在儲層中的相態準則，所以它對油氣運聚有重要意義。

b.在油氣全部溶解于地層水時，其運移主要受水勢控制。當出現油、氣、水中的2種以上相態時，其運移主要受水動力和浮力的合力作用，即流體自身勢的控制。由水頭值，根據哈伯特流體勢的公式，計算出油勢和氣勢。

c.由各地質時期的相態值、油氣勢及油氣流量的展布特征，結合古構造的演化，可對各地質時期油氣聚集程度作出定量評價。整個過程見圖5。

圖5 油氣評價數值模擬流程圖Fig.5 Flow chart of numerical simulation of oil and gas evaluation

4 四川盆地陽新統油氣運聚分析

四川盆地二疊系陽新統是一套生物繁盛的碳酸鹽臺地相沉積，從晚二疊世直到第三紀沉積期，陽新統一直處于深埋環境，至喜馬拉雅第Ⅱ幕達到最大埋深，根據地質資料和地質發展史的分析，可以將其劃分為8個期：晚二疊世、中三疊世、中三疊世、晚三疊世、早侏羅世、中侏羅世、晚侏羅世、白堊紀—第三紀，用上述方法，以區內46口鉆井為計算節點對各期古水動力場、油氣運聚進行模擬分析，編制出陽新統8個地質時期的古水動力圖、油氣流量及相態圖、油氣勢圖及聚集分區圖（因篇幅有限，僅附1張圖，見圖6），展示了白堊紀－早第三紀有機質達到成熟階段，處于成氣高峰期，四川南部以樂山－瀘州隆起為中心的低勢區為富氣區，川東豐都－墊江－大竹一帶也為含氣區，其聚集分區的展布同目前勘探效果較為一致，為勘探區帶優選提供重要的指示。

圖6 四川盆地白堊紀至早第三紀陽新統油氣勢及聚集分區圖Fig.6 Map of the potential energy and the accumulation partition of oil and gas in Yangxin from Cretaceous to early Tertiary in Sichuan Basin

5 結論

a.以壓實為機制所建立的壓實流古水動力方程，采用盆地模擬技術，可重現目的層古水動力場，編制的油勢、氣勢、油氣單寬流量等反映油氣運移的等值線圖，可成為判斷油氣運移方向的直觀方法。

b.四川盆地二疊系陽新統自白堊紀－早第三紀以來，南部以樂山－瀘州隆起為中心的低勢區為富氣區，東部豐都－墊江－大竹一帶也為含氣區。

［1］樓章華，金愛民，田煒卓，等.論陸相含油氣沉積盆地地下水動力場與油氣運移、聚集［J］.地質科學，2005，40（3）：305－318.Lou Z H，Jin A M，Tian W Z，etal.Origin and evolution of hydrocdynamics and the migration，accumulation of petroliferous sedimentary basins［J］.Chinese Journal of Geology，2005，40（3）：305－318.（In Chinese）

［2］王震亮，陳荷立.試論古水動力演化的旋回性與油氣的多期次運聚［J］.沉積學報，2002，20（2）：339－344.Wang Z L，Chen H L.A view on cycles of paleohydrodynamics evolution and phases of hydrocarbon migration and accumulation［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2002，20（2）：339－344.（In Chinese）

［3］楊緒允.論含油氣盆地地下水動力環境［J］.石油學報，1989，10（4）：27－34.Yang X Y.On the underground hydrodynamic environment in an oil-gas basin［J］.Acta Petrolei Sinica，1989，10（4）：27－34.（In Chinese）

［4］曾濺輝.臺北凹陷地下水動力特征及其對油氣運移和聚集的影響［J］.沉積學報，2000，18（2）：273－278.Zeng J H.Hydrocarbon characteristics and its effect on oil-gas migration and accumulation in Taibei depression［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2000，18（2）：273－278.（In Chinese）

［5］康永尚，郭黔杰.論油氣成藏流體動力系統［J］.地球科學，1998，23（3）：281－284.Kang Y S，Guo Q J.On oil and gas migration and accumulation fluid dynamic systems［J］.Earth Science，1998，23（3）：281－284.（In Chinese）

［6］薛禹群，葉淑君，謝春紅.多尺度有限單元法在地下水模擬中的應用［J］.水利學報，2004，35（7）：7－13.Xue Y Q，Ye S J，Xie C H，etal.Application of multi-scale finite element method to simulation of groundwater flow［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004，35（7）：7－13.（In Chinese）