油氣垂向運(yùn)移主控因素研究綜述

張 驍，車育龍

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

石油與天然氣的重要性隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日益增強(qiáng)，而與其相反，逐年的開采導(dǎo)致了油氣的開發(fā)難度不斷上升。一方面，對(duì)現(xiàn)有油氣資源需進(jìn)行準(zhǔn)確把握和深層次開發(fā)，努力降低在開發(fā)過程中的損耗，提高效率;另一方面，也要配合愈見成熟的理論不斷尋找新的可供開采的油氣資源。無論是上述兩方面中的哪一方面，對(duì)油氣的生成、運(yùn)移、儲(chǔ)集等過程的研究都是重中之重，而油氣垂向運(yùn)移的研究在這之中也屬于必要的。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 油氣垂向運(yùn)移的主要通道和運(yùn)移時(shí)間

就烴類而言，它們的有效分子直徑分別為 CH4(3.8×10－10m)、C2H6(4.4 × 10－10m)、C3H8(5.1 × 10－10m)、iC4H10(5.3×10－10m)、nC5H12(5.8×10－10m)。顯然，分子量越大，則直徑越大，越不利于向上運(yùn)移。油氣藏的蓋層一般都是泥巖、頁巖等較致密的巖層，它們隨著埋深的增加，孔隙直徑越來越小，而且由于結(jié)構(gòu)水(即吸附于孔隙壁上不能流動(dòng)的吸附水)的存在，使其有效流通孔徑更小，如據(jù)Jungtem和Karwell等人的統(tǒng)計(jì)，埋深為2 500m的泥巖，有效流通空間為6×10－10～36×10－10m;如果考慮到孔隙的喉頭(不同孔隙之間的連通部位)直徑比孔隙直徑還常常小得多，那么可供流動(dòng)的有效空間大小會(huì)更小。這樣，烴類的有效分子直徑與泥巖可供流動(dòng)的有效空間大小相差無幾，烴類組分要以泥巖孔隙作為運(yùn)移通道無疑是較困難的，它們要向上運(yùn)移必須具備更好的運(yùn)移通道(陳遠(yuǎn)榮等，2001)［7］。

在橫向上，可供油氣運(yùn)移的通道很多，但是在垂向上，由于要穿過不同層位，因此運(yùn)移的通道主要就是斷層。

斷層作為油氣垂向運(yùn)移時(shí)的主要路徑和通道，可以說是整個(gè)油氣垂向運(yùn)移研究當(dāng)中最重要的一部分(張喜等，2007;徐海霞等，2008)［4，5］。

斷層在發(fā)育形成過程中，必然在斷層兩側(cè)伴隨產(chǎn)生大量的微小裂隙，而且斷層規(guī)模越大，活動(dòng)越強(qiáng)烈，反復(fù)活動(dòng)的次數(shù)越多，則產(chǎn)生的微裂隙量也越多，從而越有利于油氣各組分的垂向運(yùn)移(主要為滲濾運(yùn)移作用)。而斷層連通的位置也影響了油氣是否能夠成藏。

而斷層的研究不能參照現(xiàn)今的形態(tài)，而必須考慮到其在地質(zhì)歷史時(shí)期所曾經(jīng)有過的特征。

首先，斷層不是在地層一開始形成時(shí)就有的，而是在地層前期形成之后在后期的構(gòu)造活動(dòng)當(dāng)中形成的。因此，它和油氣發(fā)生運(yùn)移的時(shí)間之間的關(guān)系也決定了后期油氣成藏的形態(tài)(R.Jonk al.，2005)［3］。

其次，斷層不是一直呈開放或者封閉狀態(tài)的，它在形成之后都會(huì)經(jīng)歷不同的開放或封閉階段。而斷層在地質(zhì)歷史時(shí)期的封閉性，尤其是油氣運(yùn)聚成藏時(shí)期的封閉性，才是決定油氣是否會(huì)沿著一條斷層垂向運(yùn)移的重要因素。如何正確確定這些時(shí)期的時(shí)間，正是斷層研究最重要的一步。

1.1.1 斷層的垂向封閉性

張喜等人［4］認(rèn)為，斷裂在垂向上能否對(duì)油氣形成封閉，關(guān)鍵取決于斷裂帶是否為泥質(zhì)填充及其內(nèi)泥質(zhì)成分能否發(fā)生塑性變形流動(dòng)堵塞斷裂緊閉所遺留下來的空間。只有同時(shí)滿足了上述兩個(gè)條件，斷裂在垂向上才是封閉的，如果兩個(gè)條件均不滿足或其中任何一個(gè)條件不滿足，則斷裂在垂向上是不封閉的或封閉性變差。

在實(shí)際研究和操作過程中，由于鉆至斷裂帶的井一般較少，同時(shí)對(duì)斷裂帶進(jìn)行鉆井取心難度較大，所以實(shí)際觀察和實(shí)測(cè)斷裂帶填充物的巖性基本不可能。因此，可以根據(jù)斷裂斷距、斷移地層巖性和厚度等資料來估計(jì)斷裂帶中泥質(zhì)含量(Rm)，當(dāng)其大于50%時(shí)就認(rèn)為斷裂帶以泥質(zhì)填充為主，否則就是以砂質(zhì)填充為主。

另一方面，泥質(zhì)成分發(fā)生塑性變形流動(dòng)是發(fā)生在斷裂帶中的泥質(zhì)受到大于5 MPa的斷裂面應(yīng)力(p)作用的情況下發(fā)生的。這樣，就可以得出斷裂垂向封閉性在實(shí)際研究和操作過程中的兩個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即Rm大于50%和p大于5 MPa。

在一條斷裂形成時(shí)，它是開放的。而當(dāng)其所受到的斷裂面應(yīng)力達(dá)到5 MPa時(shí)方可使泥巖發(fā)生塑性變形，堵塞斷裂緊閉所遺留下來的滲漏空間，在垂向上形成封閉。因此，斷面應(yīng)力等于5 MPa的時(shí)期可以被當(dāng)做一個(gè)標(biāo)志時(shí)期，以用來判斷斷層的垂向封閉何時(shí)首次形成。

計(jì)算斷面應(yīng)力大小的公式為:

式中:p為斷裂面應(yīng)力;p1為上覆沉積載荷對(duì)斷裂面產(chǎn)生的應(yīng)力;p2為區(qū)域主壓應(yīng)力對(duì)斷裂面產(chǎn)生的應(yīng)力;ρr為上覆沉積巖平均密度;ρw為地層水平均密度;Z為斷裂面埋深;α為斷裂面傾角;σ1為區(qū)域主壓應(yīng)力;β為區(qū)域主壓應(yīng)力與斷裂走向之間的夾角。

利用該公式，令p=5 MPa，求取與之對(duì)應(yīng)的斷裂面埋深Z，即為斷裂垂向封閉性形成深度。然后再參考地層厚度、沉積速率、剝蝕厚度等資料，便可以推測(cè)出斷裂垂向封閉首次形成的時(shí)期。

在這之后，斷裂的垂向封閉性要受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。具體來說，當(dāng)構(gòu)造開始活動(dòng)時(shí)斷裂就開啟，而當(dāng)其結(jié)束活動(dòng)之后斷裂在上覆沉積載荷和區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)的作用下再次垂向封閉。因此，只要確定出斷裂垂向封閉首次形成之后所發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次和活動(dòng)時(shí)間，便可大致確定出斷裂開啟和封閉的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，便可確定出一條斷裂垂向封閉的演化史。

1.1.2 斷層封閉性總體評(píng)價(jià)

斷層的封閉性分別體現(xiàn)在橫向上和縱向上，但實(shí)際上還需要一個(gè)方法，能將上述兩者綜合起來進(jìn)行整體判斷，這樣就能將斷層的封閉性結(jié)論應(yīng)用到不同的研究當(dāng)中去。張立寬、羅曉容等人［1］利用斷層連通概率法來評(píng)價(jià)地質(zhì)歷史的時(shí)間尺度上有機(jī)物運(yùn)移時(shí)斷層的封閉性。該方法基于對(duì)在整個(gè)油氣運(yùn)移的過程中由于斷層的開放和封閉特征而導(dǎo)致的儲(chǔ)層中可觀測(cè)到的有機(jī)物所進(jìn)行觀察而來。

影響斷層封閉性的因素有很多，并且這些因素都是綜合影響斷層而并非某個(gè)因素單獨(dú)對(duì)斷層進(jìn)行影響，但不同的因素其對(duì)斷層封閉性影響的大小不同，而且一些因素在實(shí)際操作中是否可以得到量化數(shù)據(jù)也是一個(gè)很重要的方面，因此，真正能夠在斷層封閉性總體評(píng)價(jià)當(dāng)中得到利用的因素就是斷層面附近泥巖層當(dāng)中的流體壓力、垂直于斷層面的正應(yīng)力和斷層泥比率這三個(gè)因素。

斷層泥比率(SGR)也稱斷層泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反映斷層封閉性，其值越大封閉性越好。公式為，其中Lv為垂直斷距。

斷層面附近泥巖層當(dāng)中的流體壓力可以通過測(cè)井資料結(jié)合實(shí)測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算，而垂直于斷層面的正應(yīng)力也可通過實(shí)測(cè)資料和區(qū)域主壓應(yīng)力資料結(jié)合斷層面的深度計(jì)算得出。

可定義一個(gè)無量綱的系數(shù)FOI，用來表示斷層的封閉性。

FOI是決定斷層開放的參數(shù)——由斷層附近的泥巖層中的流體壓力表示——和決定斷層封閉的參數(shù)——由斷層泥比率和斷面上的正應(yīng)力表示——之間的比值。這個(gè)公式的形式是由三參數(shù)間的關(guān)系以及FOI是無量綱的這一事實(shí)所所決定的。

以中國(guó)東北部渤海灣盆地歧口凹陷埕北斷階帶的實(shí)測(cè)資料為例，當(dāng)中117個(gè)FOI值按照0.5的增量被分成了8段。每一段當(dāng)中統(tǒng)計(jì)出總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量(N)和被當(dāng)作運(yùn)移路徑上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量(n)。這樣，在統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度上斷層連通概率就以作為百分率的Np(n/N)顯示了出來。擬合表明FOI在0.75以下時(shí)斷層連通概率是0;FOI在0.75到3.25之間時(shí)，Np和FOI間呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式的關(guān)系;當(dāng)FOI值大于3.25時(shí)，斷層連通概率是1。Np值為1表明數(shù)據(jù)點(diǎn)都是被當(dāng)作在運(yùn)移路徑之上。

統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果當(dāng)中的二次多項(xiàng)式特征導(dǎo)致了以下的關(guān)系。

Np為斷層連通概率，F(xiàn)OI為斷層開放系數(shù)。

當(dāng)然，不同的地區(qū)其擬合出的二次多項(xiàng)式的具體參數(shù)不同，但Np與FOI之間的關(guān)系則是基本吻合的。

從這一方法當(dāng)中即可對(duì)斷層的封閉性做出綜合判斷。再結(jié)合地質(zhì)歷史時(shí)期的相關(guān)資料，就可以對(duì)斷層在地質(zhì)歷史時(shí)期，特別是油氣運(yùn)聚時(shí)期的斷層封閉性做出判斷，從而進(jìn)一步進(jìn)行油氣垂向運(yùn)移的下一步研究。

1.2 油氣垂向運(yùn)移的動(dòng)力

油氣垂向運(yùn)移的進(jìn)行除了需要通道外，還需要有動(dòng)力。

地層中存在著大量的流體，這些流體在特定的條件下會(huì)形成過剩壓力，在斷層開啟時(shí)不同地層間是否具有過剩壓力以及過剩壓力的大小就會(huì)在層間形成明顯的壓力差，而這個(gè)壓力差不僅是油氣垂向運(yùn)移的基礎(chǔ)(王高平，2013)［12］，也是油氣垂向運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?付廣等，2004;王高平，2013)［9，13］。

壓力差造成的地下流體的流動(dòng)為涌流運(yùn)移(張敏強(qiáng)，2000)［12］。

在這種運(yùn)移的過程中，油氣先是沿?cái)嗔衙骐S水(或泥漿)快速上升，因?yàn)檫@時(shí)的天然氣或溶于水中，或浮力方向與水動(dòng)力方向一致。在上升的過程中，隨溫度、壓力的降低，溶解的油氣不斷地從水中分離出來，游離相所占的比例逐漸增加，其浮力也不斷變大形成向上涌流;進(jìn)入淺部滲透地層或微裂隙帶后，油氣的浮力方向與水動(dòng)力方向不一致，一部分油氣便有可能在些滲透層段中已構(gòu)成的圈閉中滯留，而不隨流體繼續(xù)流動(dòng)，從而形成天然氣藏。

在上述過程中，地層中的壓力迅速調(diào)整，地層中的過剩壓力不斷降低，直到其中過剩壓力消失或斷裂閉合。在這種條件下，水流速度雖然很小，但地下深處的游離天然氣可憑借自身的浮力向上運(yùn)移。在深處，隨游離相天然氣的析出，深部烴源巖不斷生成天然氣給予補(bǔ)充，溶解－解析動(dòng)平衡不斷增大壓差維持天然氣的滲流，天然氣向上運(yùn)移至合適的圈閉中聚集成藏。這類運(yùn)移方式很可能與斷裂或裂隙較弱的開啟條件有關(guān)。

在斷層開啟時(shí)，在存在過剩壓力的地層中首先會(huì)出現(xiàn)橫向上的高壓流體進(jìn)入斷層的情況，這樣就會(huì)對(duì)垂向上的流體運(yùn)移造成阻礙，而流體能否通過斷層進(jìn)行垂向運(yùn)移就需要考慮到橫向高壓流體進(jìn)入斷層之后產(chǎn)生的壓力與垂向上的壓力共同形成的壓力梯度的大小和方向。

除了過剩壓力引起的壓力差以外，還存在著其他一些動(dòng)力方面的因素，比如不同位置下烴類的不同濃度形成的濃度差以及烴類與水之間、烴類各組分之間密度不同而造成的浮力等等［11］，但這些因素對(duì)油氣垂向運(yùn)移的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及過剩壓力造成的壓力差對(duì)其的影響。

2 現(xiàn)存問題

1)在斷層的開放時(shí)期與地質(zhì)活動(dòng)時(shí)期所對(duì)應(yīng)時(shí)，前述方法默認(rèn)為地質(zhì)活動(dòng)開始時(shí)斷層開放，而地質(zhì)活動(dòng)結(jié)束時(shí)斷層封閉。但在實(shí)際上，一條斷裂停止活動(dòng)后，并非會(huì)馬上形成封閉，尤其是后期成巖作用形成的垂向封閉可能要滯后于斷裂停止活動(dòng)時(shí)間，如果把斷裂封閉形成時(shí)期確定為斷裂停止活動(dòng)時(shí)期，可能較實(shí)際偏早。

2)在斷裂活動(dòng)過程中，除了構(gòu)造應(yīng)力方向?qū)ζ溟_啟程度有影響外，斷裂性質(zhì)、活動(dòng)強(qiáng)度和斷移地層巖性等均有影響。斷裂靜止活動(dòng)后其垂向封閉性除與斷層面所受壓力有關(guān)外，斷裂帶物質(zhì)成分及后期成巖作用對(duì)其也有影響。這些因素需要進(jìn)一步在定量研究中有所考慮。

3)在同一條斷層當(dāng)中，受斷層活動(dòng)歷史及斷距大小和巖性變化等因素的影響，一條斷層不同位置和不同深度，其封閉性能有差異。從理論上講，考慮到這一差異之后斷層上的每一個(gè)點(diǎn)都與其他位置都不同，但在實(shí)際操作過程中只能將斷層盡量分成小段，然后對(duì)每一小段進(jìn)行均一化判斷。這就產(chǎn)生了定量計(jì)算值與實(shí)際情況間的差異。

4)斷層連通概率法是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)應(yīng)不同的實(shí)際情況其精確程度也不盡相同。

5)油氣垂向運(yùn)移的控制因素有很多，主控因素也包含多方面內(nèi)容，但目前這些因素很多還只是被獨(dú)立出來進(jìn)行研究，而各因素相互之間的影響及其對(duì)油氣垂向運(yùn)移的綜合影響并沒有一個(gè)成熟的結(jié)論。

3 發(fā)展趨勢(shì)分析

1)對(duì)于斷層開放時(shí)間的判斷，在對(duì)應(yīng)到地質(zhì)活動(dòng)時(shí)間之后，還應(yīng)根據(jù)地質(zhì)活動(dòng)和其他因素(如后期成巖作用)對(duì)地層當(dāng)中各因素的影響來進(jìn)一步修正斷層在地質(zhì)活動(dòng)結(jié)束之后從開放變回封閉所需要的延遲時(shí)間，從而使斷層的封閉史更加精確。

2)對(duì)斷層活動(dòng)的定量研究當(dāng)中，除了考慮到現(xiàn)有的構(gòu)造應(yīng)力方向和斷層面垂向應(yīng)力的因素之外，還需要進(jìn)一步考慮到斷裂性質(zhì)、活動(dòng)強(qiáng)度、斷移地層巖性、斷裂帶物質(zhì)成分和后期成巖作用等因素，修正方法，使斷層活動(dòng)的定量研究更加準(zhǔn)確。

3)對(duì)斷層封閉性能的定量評(píng)價(jià)中，要以目前的分段評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，配合更加詳盡的資料，改進(jìn)計(jì)算方式，結(jié)合數(shù)學(xué)上的極限理論對(duì)斷層進(jìn)行更加符合現(xiàn)實(shí)的評(píng)價(jià)。

4)斷層連通概率法當(dāng)中的各因素在具體情況下對(duì)斷層封閉性的貢獻(xiàn)情況不盡相同，而同時(shí)還有其他次要因素也會(huì)對(duì)斷層造成影響。這就需要在目前的公式基礎(chǔ)上，進(jìn)一步參考各因素的貢獻(xiàn)情況然后做出權(quán)重方面的改進(jìn)，從而使公式更加符合實(shí)際情況。

5)對(duì)油氣垂向運(yùn)移造成影響的因素需要以各因素的獨(dú)立研究以及個(gè)別幾個(gè)因素的綜合研究為基礎(chǔ)，進(jìn)一步得出有關(guān)全部主控因素對(duì)油氣垂向運(yùn)移綜合影響的評(píng)價(jià)方法。

4 結(jié)語

油氣的垂向運(yùn)移決定了油氣是否可以從烴源巖當(dāng)中被順利排出，以及具體能夠運(yùn)移多遠(yuǎn)，在何處停滯下來產(chǎn)生聚集和儲(chǔ)集。在地層傾角大的區(qū)域，垂向上的運(yùn)移通道除了斷層和裂隙之外也有可能是層間的不整合面等，但在地層傾角小或近水平的區(qū)域，垂向運(yùn)移通道只有可能是斷層和裂隙。因此，無論地層傾角為何，對(duì)斷層和裂隙的研究就是研究油氣垂向運(yùn)移的重點(diǎn)。

對(duì)油氣垂向運(yùn)移的動(dòng)力研究也可以歸結(jié)到對(duì)斷層的研究當(dāng)中去，具體來說是對(duì)斷層啟閉性的研究。垂向運(yùn)移的動(dòng)力主要是層間的過剩壓力差，而這個(gè)差值也是決定了對(duì)應(yīng)位置的斷層在開啟的時(shí)間段內(nèi)是否可以允許其中的油氣克服阻力進(jìn)行垂向運(yùn)移的關(guān)鍵。

斷層在開啟的時(shí)間段內(nèi)(即形成時(shí)和卷入構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的時(shí)間)也不是完全能夠允許或者完全不允許油氣通過，而是在同一個(gè)斷層的不同位置都有不同的連通概率，所以即使是同一個(gè)斷層，在不同的深度段當(dāng)中也會(huì)有不同的性質(zhì)，在對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)必須將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去。

上述研究都是針對(duì)垂向運(yùn)移的通道和動(dòng)力來進(jìn)行的，而油氣本身也是不可忽視的一方面。通道條件再好，沒有油氣進(jìn)入也談不上油氣的垂向運(yùn)移，因此對(duì)油氣垂向運(yùn)移的研究也需要對(duì)烴源巖在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的排烴位置和排烴量等都劃進(jìn)考慮的范疇之內(nèi)。

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