平面壓降梯度計算原則及其應(yīng)用

馮月琳，劉 華，2，宋國奇，3，袁飛飛

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 2.海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)國家功能實驗室，山東 青島 266071； 3.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257001)

超壓作為含油氣盆地中油氣運移主要動力來源[1]，影響著含油氣盆地中油氣的運移指向和空間分布[2-5]。目前用來表征油氣運移動力強(qiáng)弱的參數(shù)主要有壓力系數(shù)、剩余壓力和壓力梯度[6-9]，壓力系數(shù)和剩余壓力均表征的是某一點相對于靜水壓力的大小，是判別地層壓力異常程度的一個主要參數(shù)，提供了認(rèn)識超壓盆地油氣富集規(guī)律的思路。隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)油氣在超壓盆地中的運移過程是一個極不均勻的過程，即便是均一介質(zhì)，油氣一般也只沿有限路徑發(fā)生運移，這一認(rèn)識，為超壓控制下油氣優(yōu)勢運移研究提出了新的挑戰(zhàn)，地層壓力梯度也應(yīng)運而生。“地層壓力梯度”是指單位深度或某一方向單位距離內(nèi)地層流體壓力的變化幅度，即把大尺度流體勢、剩余壓力研究微分化。壓降梯度則是指以超壓中心為起點，壓力在某一方向減小的速率，可以反映超壓流體的流動方向及運移過程中流速變化，并對油氣分布最終規(guī)律進(jìn)行定量的動力解釋。傳統(tǒng)壓降梯度計算公式為沿流體流動方向單位路程長度上壓力的變化[9]，該計算方法僅考慮初始點壓力和終點壓力，計算出的結(jié)果也為起始點和終點間平均壓降梯度，忽視了油氣運移介質(zhì)不同導(dǎo)致的不均一現(xiàn)象[10-12]。因此對于壓降梯度的計算尺度選擇極為重要，不同的計算尺度可能會得出截然不同的結(jié)果。針對這一問題，本文試圖在壓力梯度定義的基礎(chǔ)上，充分考慮平面上壓力降低的多種影響因素，建立復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)條件下的壓降梯度計算原則，為油氣運移方式解釋提供理論依據(jù)。

1 壓降梯度計算原則

合理的計算井位和計算尺度選擇是壓降梯度計算的關(guān)鍵。實際地質(zhì)體中油氣運移是一個極不均一的過程，油氣運移通道的宏觀非均質(zhì)性導(dǎo)致在不同方向壓力分配的不均一，尤其在沉積相邊界以及斷層附近，砂體物性及油氣運移方式改變的臨界點，常出現(xiàn)壓力的快速遞變即壓降梯度的變化區(qū)。但是沉積相邊界和斷層對于壓降梯度的影響范圍在邊界很難直接確定，壓力等值線的疏密變化恰好可以較為直觀地反映壓力的變化速率：等間距的壓力等值線表示在一定范圍內(nèi)油氣輸導(dǎo)通道物性較為均勻，該區(qū)域范圍內(nèi)壓力均勻降低；非等間距的壓力等值線則反映在該區(qū)域內(nèi)油氣輸導(dǎo)通道存在一定的非均質(zhì)性，該區(qū)域內(nèi)壓力非均勻降低。壓力等值線越密，壓降梯度越高；而等值線分布越疏，壓降梯度越低。因此可以根據(jù)等值線分布的特征，分情況進(jìn)行壓降梯度的計算。

1.1 壓力均勻降低區(qū)帶

壓力均勻降低區(qū)內(nèi)，壓力一直以同一速率降低，因此沿著壓力降低方向或垂直于壓力系數(shù)等值線的方向，任意兩點的壓降梯度可以代表該區(qū)域內(nèi)的壓降梯度。沿壓力降低方向，垂直于壓力等值線分別在超壓中心和邊部選擇計算點(圖1a)計算壓降梯度，具體公式如下：

(1)

式中：P1、P2為井1、井2計算深度處油氣藏流體壓力，MPa；L12為井1、井2計算點間的空間距離，km；X12為井1、井2計算點間的水平距離，km；H12為井1、井2計算點間的垂直距離，km。

1.2 壓力非均勻降低區(qū)帶

沉積相的變化導(dǎo)致砂體物性的變化以及斷層的分割會造成壓力的非均勻降低，順沿壓力降低方向可以將不均勻壓力等值線分為多個均勻降低的等值線，分段進(jìn)行壓降梯度計算。

圖1 壓降梯度計算參數(shù)示意Fig.1 Calculation parameters of pressure decrease gradient

1.2.1 沉積相變區(qū)

沉積相變化必然會引起沉積砂體物性的改變，因此常常在沉積相變化的邊界附近，會出現(xiàn)壓降梯度的改變。在計算壓降梯度時，在緊鄰沉積相邊界處，分別在兩沉積相內(nèi)補(bǔ)充點P3′和P3對具有相同壓降梯度的區(qū)域(圖1b)進(jìn)行計算：

(2)

(3)

式中：G13′、G32為井1和井3′、井2和井3計算點間壓降梯度，MPa/km；P1、P3′、P3、P2為井1、井3、井3′和井2計算深度處油氣藏流體壓力，MPa；L13′、L32為井1和井3′、井3和井2計算點間的空間距離，km；X13′、X32為井1和井3′，井3和井2計算點間的水平距離，km；H13′、H32為井1和井3′、井3和井2計算點間的垂直距離，km。

1.2.2 斷層分割區(qū)

斷層兩側(cè)壓力系數(shù)存在明顯差異，計算壓降梯度時，需加密斷層兩側(cè)壓力預(yù)測井位，沿著壓力降低方向，分別計算斷層上盤、斷層下盤以及沿斷層的壓降梯度。圖1c為斷層附近平面壓降梯度計算方法示意，斷層控制下，計算井1、井2間的壓降梯度時，沿著壓降方向，在斷層上盤補(bǔ)充壓力預(yù)測井3、下盤補(bǔ)充壓力預(yù)測井4，分別計算斷層上盤(井1、井3)、斷層下盤(井2、井4)以及沿斷層(井3、井4)的壓降梯度，分段表征壓降梯度變化特征，具體公式為(4)和(5)。

(4)

(5)

斷層兩側(cè)壓降梯度計算可以按照沉積相邊界兩側(cè)壓降梯度計算方法進(jìn)行處理，而沿斷層的壓降梯度計算要根據(jù)斷層的斷距、側(cè)向封堵性和斷層的活動性進(jìn)行討論。

斷層對壓力降低的影響分為2種：一種是未切斷砂體(圖1d的斷層1)；另一種是切斷連通砂體(圖1d的斷層2)。斷層1情況較為簡單，斷層斷距較小，斷層兩側(cè)仍存在砂體對接，對于油氣側(cè)向運移影響不大，超壓流體主要通過斷層兩側(cè)對接砂體進(jìn)行運移，因此沿斷層壓降梯度可以忽略不計。在計算斷層2 壓降梯度時，首先考慮斷層側(cè)向封閉性，評價參數(shù)主要為斷層泥比(SGR)，當(dāng)SGR小于研究區(qū)斷層封閉臨界值時，斷層兩側(cè)對接砂體側(cè)向連通，斷層與沉積相邊界作用類似，在斷層的影響下斷層兩側(cè)壓降梯度會有所改變，因此在計算壓降梯度時，以斷層為分割點，在斷層兩側(cè)壓降梯度依據(jù)公式(1)～(3)進(jìn)行分段計算。

SGR大于斷層封閉臨界值時，斷層側(cè)向連通性降低，通過斷層進(jìn)行垂向壓力輸導(dǎo)的超壓流體占絕大部分。若此時斷層在油氣運移期活動，活動的斷層為超壓流體提供了一個高滲透的通道[13]，則沿斷層壓降梯度計算公式為：

(6)

若斷層在油氣運移期不活動時，由于無法判斷沿斷層壓力降低是否均勻，可通過超壓流體能量守恒來計算沿斷層壓降梯度[14-16]。通過公式(3)算出的壓降梯度為所有能量分配完之后的平均壓降梯度(圖 1d )，能量分配公式遵從公式(7)：

G總=G壓力+G浮力-G重力-G毛細(xì)管力

(7)

式中：G總為斷層中流體總壓降梯度，MPa/km；G壓力為沿斷層實際壓降梯度，MPa/km；G重力為重力梯度，MPa/km；G毛細(xì)管力為毛細(xì)管力梯度，MPa/km；G浮力為浮力梯度，MPa/km。

因此實際壓降梯度為：

G總=G壓力-G浮力+G重力+G毛細(xì)管力

(8)

實際運移過程中油滴的浮力和重力可忽略不計，因此根據(jù)圖4模型中各參數(shù)意義，公式(8)具體為：

(9)

式中：σ為油、水界面張力，N/m；θ為斷層傾角，(°)。

2 地質(zhì)應(yīng)用

2.1 地質(zhì)概況

渤南洼陷作為沾化凹陷內(nèi)埋深最大的次級負(fù)向構(gòu)造單元，從南向北依次發(fā)育緩坡帶、斷階帶、深洼帶以及陡坡帶4個構(gòu)造帶，具有北陡南緩、東陡西緩的斷陷湖盆特征(圖2a)[17-19]。研究區(qū)共發(fā)育沙一、沙三和沙四3套主力烴源巖[20]，從已發(fā)現(xiàn)油氣分布來看，油氣分布范圍、油氣富集程度在緩坡帶、洼陷帶、陡坡帶存在一定差異[21]。同時，渤南洼陷廣泛發(fā)育超壓，超壓的分布格局與研究區(qū)的構(gòu)造沉降中心相匹配[22-23]。靠近洼陷沉降中心位置，地層壓力明顯增高，隨地勢向周圍變緩，地層壓力也逐漸降低，但壓力向四周降低的幅度并不相同，即使沿同一方向，超壓也并不是以同一速率進(jìn)行降低。因此，本文以渤南洼陷沙三中亞段為例，開展壓降梯度的計算，從而為渤南洼陷油氣不同運移方式下油氣的分布規(guī)律進(jìn)行定量解釋。

渤南洼陷古近系沙三沉積時期主要發(fā)育3類沉積相，即三角洲、湖泊及近岸水下扇[24-26]。Es3中沉積時期湖平面較低，物源方向來自于孤北凸起的三角洲沉積相大面積發(fā)育，順延物源方向，由于沉積相演變，壓力等值線出現(xiàn)非均勻變化，壓降梯度不均勻降低(圖3)，尤其在兩類沉積相邊界，井點加密按照公式(2)、(3)進(jìn)行壓降梯度的計算。

渤南洼陷主要發(fā)育四級斷層[27]。一級斷層為控凹斷層，渤南洼陷僅有一條，即北部埕南斷層。二級斷層為控洼斷層，同時也是主要的油源斷層，斷距可在1 km以上，自南向北為孤南斷層、孤北斷層、渤深4斷層和義東斷層，二級斷層的側(cè)向封堵性、垂向封堵性以及在成藏期的活動性，會影響深部超壓流體的分布，進(jìn)而影響研究區(qū)超壓的分布。三、四級斷層為一、二級斷層的派生和次生斷層，在渤南洼陷約有110條。三級斷層延伸不長，斷距為十米到幾十米不等，對壓力分布具有一定調(diào)節(jié)作用。從以上分析來看，主要考慮二級斷層對于壓降梯度的影響作用。根據(jù)羅文生[28]等對于渤南洼陷斷裂活動與油氣成藏關(guān)系研究可知，孤南、孤北等斷層Es3沉積期的SGR以及斷層在成藏期活動性見表1。

圖2 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷區(qū)域概況Fig.2 Comprehensive geological setting of Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

圖3 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷沙三中壓降梯度計算井位及壓降梯度平面分布規(guī)律Fig.3 Well locations in different pressure decrease gradient regions and plane distribution of pressure decrease gradient in the middle section of the third member of Shahejie Formation in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

表1 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷成藏期斷層封堵性及活動性統(tǒng)計Table 1 Fault sealing and activity during hydrocarbon accumulation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

當(dāng)SGR大于0.4時，斷層具有良好的封閉性，渤南洼陷除孤南、孤北斷層外，其他斷層均側(cè)向封堵；并且側(cè)向封堵的斷層在東營期活動性大于3.4 m/Ma，館陶期活動性大于1.9 m/Ma，斷層垂向開啟，可以作為油氣運移通道。兩期成藏中，渤深4斷層?xùn)|側(cè)、孤南斷層和孤北斷層在成藏期活動性較強(qiáng)，渤深4斷層中段和西段活動較弱。因此渤深4斷層?xùn)|段附近壓降梯度按照公式(3)計算，渤深4斷層中段按照公式(4)～(6)進(jìn)行壓降梯度計算，渤深4斷層西段、孤南斷層以及孤北斷層可按照公式(2)進(jìn)行計算。

2.2 壓降梯度計算結(jié)果

在不同壓降梯度區(qū)利用公式(1)～(6)進(jìn)行壓降梯度計算，由于數(shù)據(jù)井?dāng)?shù)量及分布限制，不能完全覆蓋研究區(qū)求取壓降梯度，考慮到實際操作可行性，不能無限密集地求取壓降梯度，因此一般計算疏密相等壓力系數(shù)等值線降低速率，且代表一定范圍內(nèi)壓降梯度范圍。圖3為計算壓降梯度值所代表的范圍，顏色越深代表壓降梯度越高, 深藍(lán)色多位于深洼帶和斷階帶的斷層附近，并且越靠近超壓中心，斷層側(cè)向封堵性越好，斷層在成藏期活動速率越大，壓降梯度越高。例如雖然渤深4斷層?xùn)|段和孤西斷層均緊鄰深洼中心且側(cè)向封堵，但由于渤深4斷層?xùn)|段活動性(14.8 m/Ma)低于孤西斷層活動性(64.7 m/Ma)，孤西斷層附近壓降梯度(渤深5向渤深3方向壓降梯度為11.25 MPa/km)遠(yuǎn)高于渤深4斷層?xùn)|段附近壓降梯度。

計算結(jié)果共48組數(shù)據(jù)(表2)。深洼帶壓降梯度最高，平均壓降梯度為7.46MPa/km；其次為斷階帶，平均壓降梯度為5.30 MPa/km；陡坡帶平均壓降梯度為3.18 MPa/km(圖4a)。同時，深洼帶和斷階帶壓降梯度最大值和最小值間差值最大，分別為7.64 MPa/km和7.49 MPa/km，其次為陡坡帶5.41 MPa/km，緩坡帶數(shù)值較為平均，最大值和最小值間差值為2.72 MPa/km(圖4a)。

表2 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷壓降梯度計算結(jié)果Table 2 Calculation results of pressure decrease gradient in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

3 油氣地質(zhì)意義

選擇距超壓中心具有相似距離的沉積相邊界及斷層附近壓降梯度進(jìn)行統(tǒng)計(圖4b)，統(tǒng)計結(jié)果表明：斷層分割影響下的壓降梯度要遠(yuǎn)大于沉積相邊界附近的壓降梯度，并且斷層下盤的壓降梯度要高于斷層上盤的壓降梯度。在洼陷區(qū)高壓降梯度指示油氣運移過程中具有較大動力，因此通過壓降梯度的計算可以明確油氣從超壓中心排出后的優(yōu)勢運移方向。渤南洼陷壓降梯度最高值(12.12 MPa/km)位于孤西斷層附近，該方向上油氣生成后直接通過孤西斷層運移至淺部，但由于孤西斷層斷面呈凹型，油氣發(fā)散式運移至洼陷北部義34井附近成藏，通過對于油氣藏含油高度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該油氣藏含油高度最高為125 m。而在洼陷區(qū)圍繞的斷階帶，壓降梯度可以反映油氣藏的充注特征，壓降梯度越大的位置油氣充注受阻力越大，而壓降梯度越小的位置油氣藏充滿度越高，因此可以通過壓降梯度大小明確油氣的主要富集區(qū)。

圖4 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷壓降梯度特征Fig.4 Characteristics of pressure decrease gradient in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

圖5 渤海灣盆地沾化凹陷渤南洼陷不同油氣藏最大含油氣高度及其對應(yīng)的壓降梯度Fig.5 Maximum hydrocarbon-bearing height and corresponding pressure decrease gradient in different reservoirs in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

4 結(jié)論

(1)均勻壓力降低區(qū)壓降梯度計算可利用傳統(tǒng)公式進(jìn)行直接結(jié)算；非均勻降低區(qū)則需要在沉積相邊界及斷層附近進(jìn)行分段計算。其中，過斷層壓降梯度計算需要考慮斷層側(cè)向封堵及斷層的活動性，分情況進(jìn)行計算。

(2)壓降梯度計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，渤南洼陷中心深洼帶壓降梯度最高，其次為斷階帶和陡坡帶，緩坡帶壓降梯度最低，高壓降梯度一般在斷層附近發(fā)育。

(3)斷層附近平面壓降梯度要高于沉積相邊界附近平面壓降梯度。洼陷高壓降梯度方向指示油氣優(yōu)勢運移方向，斷階帶低壓降梯度位置反映油氣富集位置。

致謝：審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見。勝利油田勘探開發(fā)研究院的劉雅利首席專家、林紅梅主任以及劉鵬高級工程師等對本項研究提供了很多的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝。