致密砂巖氣藏動(dòng)力平衡方程模型及烴源層水氣增壓定量模擬

致密砂巖氣藏動(dòng)力平衡方程模型及烴源層水氣增壓定量模擬

0致密砂巖氣藏成藏模式2007年，世界致密砂巖產(chǎn)量達(dá)到2903.08m3，天然氣總量占13%，這一比例逐年上升。中國致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)還處于初期階段,未來潛力很大。致密砂巖氣藏屬于連續(xù)型氣藏,具有連續(xù)型氣藏的特點(diǎn):其形成與氣在水中的浮力關(guān)系不大,即氣的運(yùn)聚基本不受浮力驅(qū)動(dòng);其沒有明顯的底水和邊水接觸面,且出現(xiàn)氣水倒置現(xiàn)象;其不是由許多分散的具有獨(dú)立邊界的氣藏所構(gòu)成,即無明顯的圈閉界限。因此,傳統(tǒng)的針對分散分布?xì)獠氐囊?guī)模和個(gè)數(shù)的資源評(píng)價(jià)和預(yù)測方法不適用于致密砂巖氣藏。Schmoker考慮到非常規(guī)氣藏與常規(guī)氣藏的差異,提出了連續(xù)型氣藏的概念,并指出了兩種可能的資源評(píng)價(jià)思路,即原地氣源評(píng)價(jià)和低滲儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)。國內(nèi),羅文軍等以川中川南過渡帶內(nèi)江—大足地區(qū)上三疊統(tǒng)須二段致密砂巖氣藏為例探討了致密砂巖氣藏成藏模式;唐海發(fā)等提出了致密砂巖氣藏儲(chǔ)集層流動(dòng)單元的劃分方法及隨機(jī)模擬流程;譚志亮等探析了四川廣安須家河組氣藏的深盆氣特征;張柏橋描述了盆地中心天然氣系統(tǒng)成藏機(jī)理;金之鈞、張金川、解國軍等描述了根緣氣、深盆氣成藏平衡原理及數(shù)學(xué)模型[13,14,15,16,17,18,19];鄒才能等最近幾年在致密砂巖氣藏評(píng)價(jià)方面做了大量研究,并取得階段性成果[1,20,21,22,23,24,25,26]。以上研究為致密砂巖氣成藏?cái)?shù)值模擬奠定了基礎(chǔ),但是在細(xì)化數(shù)值模型及數(shù)值模型的實(shí)際應(yīng)用等方面,目前國內(nèi)外還沒有成功實(shí)例。本文針對致密砂巖氣成藏動(dòng)力的特殊性,提出了生氣增壓定量計(jì)算模型,突破了致密砂巖氣成藏過程動(dòng)態(tài)模擬的技術(shù)瓶頸,從而實(shí)現(xiàn)了從“氣源”到“圈閉充注”的動(dòng)態(tài)模擬,為油氣資源評(píng)價(jià)和鉆探目標(biāo)評(píng)價(jià)提供了新方法。1西藏模擬方法1.1置換式排驅(qū)和運(yùn)移特點(diǎn)在常規(guī)儲(chǔ)集層及常規(guī)圈閉氣藏中,天然氣的運(yùn)移總體遵循置換式運(yùn)移原理,即在天然氣向上運(yùn)移的同時(shí),地層水不斷向下運(yùn)移,形成了氣水之間的置換式排驅(qū)和運(yùn)移特點(diǎn),其驅(qū)動(dòng)力來自于浮力。而對于致密砂巖氣藏而言,致密儲(chǔ)集層與氣源巖大面積接觸,天然氣的運(yùn)移方式表現(xiàn)為氣水之間的廣泛排驅(qū)和氣水界面的整體推進(jìn),其過程類似活塞式排驅(qū),其運(yùn)移動(dòng)力來源于烴源巖的生烴作用,在生氣膨脹力作用下氣水倒置界面得以維持并整體向上運(yùn)移,從而形成大面積的地層飽含氣狀態(tài)。烴源巖層越厚,單位體積生氣量越大,產(chǎn)生的壓力就越大,形成的致密砂巖氣藏規(guī)模也就越大。1.2烴源巖項(xiàng)目壓力根據(jù)致密砂巖氣藏的活塞式排驅(qū)特點(diǎn),張金川等建立了動(dòng)態(tài)平衡方程。本文提出了弱水動(dòng)力條件下的平衡方程,即天然氣運(yùn)移的阻力包括上覆儲(chǔ)集層毛細(xì)管壓力、天然氣重力、地層水壓力等,驅(qū)動(dòng)力主要為烴源巖生氣產(chǎn)生的壓力。驅(qū)動(dòng)力和阻力之間的平衡方程為:在(1)式中:(1)毛細(xì)管壓力可用拉普拉斯方程求出,其關(guān)鍵參數(shù)孔喉半徑由孔喉半徑與孔隙度回歸的關(guān)系曲線求得;(2)天然氣重力可直接求出;(3)地層水壓力,在成藏時(shí)一般為靜水壓力,成藏后的壓力可用現(xiàn)今壓力代替,也可用有效骨架應(yīng)力模型求解;(4)烴源巖中游離氣壓力,為烴源巖生氣增壓后烴源巖中流體和游離相天然氣的壓力,簡稱“游離氣壓力”。烴源巖大量生氣能產(chǎn)生巨大的膨脹壓力,這早已是石油地質(zhì)研究者的共識(shí),但是迄今只有定性描述,未有生氣增壓定量計(jì)算模型,無法真正定量模擬致密砂巖氣藏的成藏過程。1.3采用定量天然氣泵送的概念和應(yīng)用條件1.3.1地層壓力與地下天然氣體積系數(shù)在正常條件下,天然氣的壓力(p)、體積(V)和溫度(T)三者之間服從理想氣體狀態(tài)方程;在地下高溫、高壓條件下,p、V和T三者之間的關(guān)系可用研究區(qū)的p-V-T曲線來表示。為了更好地解釋生氣增壓定量計(jì)算模型,有必要先了解地層壓力與地下天然氣體積系數(shù)的關(guān)系。圖1a為四川盆地須家河組氣藏天然氣體積系數(shù)與地層壓力的關(guān)系圖,該圖一方面說明地層壓力越大,天然氣的體積越小;另一方面也說明,只要知道天然氣的體積系數(shù),就能求得對應(yīng)體積系數(shù)的壓力。根據(jù)這一原理,建立烴源層生氣增壓定量計(jì)算模型:模型中涉及的生油氣量、氣散失量及飽和度等重要參數(shù)在常規(guī)的盆地模擬系統(tǒng)中均能計(jì)算得出,本文不再贅述。1.3.2突出生烴作用和差異壓實(shí)作用超壓的成因很多,除了生烴作用以外主要還有差異壓實(shí)作用、水熱作用等,相比之下,生烴作用和差異壓實(shí)作用是最主要的兩種成因。地層壓實(shí)成巖后,壓實(shí)作用基本停止,此時(shí)壓實(shí)作用對排烴基本沒有貢獻(xiàn),生氣作用成為排氣的主要?jiǎng)恿?。以上模型?天然氣運(yùn)移的動(dòng)力主要為生氣產(chǎn)生的超壓,該模型僅適用于先成巖致密后成藏的地質(zhì)條件。1.4致密砂巖氣藏1.4.1實(shí)測數(shù)據(jù)和屬性(1)天然氣體積系數(shù)與地層壓力關(guān)系曲線(見圖1a),來自鄰區(qū)氣藏實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果;(2)束縛水飽和度與孔隙度關(guān)系曲線(見圖1b),來自本區(qū)或鄰區(qū)氣藏實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果;(3)烴源層埋深、厚度、孔隙度、生氣量、排氣量(游離氣量)等,來自盆地模擬(包括地史、熱史、成巖史、生氣史)的結(jié)果;(4)儲(chǔ)集層埋深或頂界構(gòu)造圖、等厚圖(見圖2),儲(chǔ)集層孔隙度等值圖、孔喉半徑等值圖(見圖3),現(xiàn)今儲(chǔ)集層流體壓力系數(shù)等,來自鉆井?dāng)?shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)及其屬性建模結(jié)果(見表1);(5)蓋層排替壓力參考前人研究成果取15MPa。1.4.2運(yùn)移動(dòng)能和運(yùn)移阻力(1)建立地質(zhì)模型。文中地質(zhì)模型數(shù)據(jù)來自構(gòu)造圖和盆地模擬地質(zhì)演化史成果圖。(2)在平面上劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格邊界盡可能與構(gòu)造線(如斷層線等)一致。本文采用角點(diǎn)網(wǎng)格建模與插值技術(shù)完成層平面建模與斷面建模。(3)在縱向上按油氣層組細(xì)分儲(chǔ)集層。本文將須二段由下向上分為10個(gè)細(xì)層(細(xì)層1,細(xì)層2,…,細(xì)層10),每層的厚度相同。(4)計(jì)算運(yùn)移驅(qū)動(dòng)力——烴源巖層中游離相天然氣壓力pg,也稱注入壓力,由靜水壓力和超壓兩部分構(gòu)成,其值由公式(2)、公式(3)計(jì)算獲得。(5)計(jì)算運(yùn)移阻力——細(xì)層1的毛細(xì)管壓力、天然氣重力、地層水壓力等。(6)比較運(yùn)移驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)移阻力,如果驅(qū)動(dòng)力小于阻力則不能運(yùn)移,即細(xì)層1不能成藏,停止對該點(diǎn)的模擬;如果驅(qū)動(dòng)力大于阻力則烴源層中的氣能進(jìn)入細(xì)層1,并排擠出細(xì)層1中的部分水。(7)天然氣進(jìn)入細(xì)層1并達(dá)到短暫平衡后,隨著烴源巖層生氣量的增加,游離相天然氣壓力pg也增加。重新計(jì)算pg,并計(jì)算細(xì)層2的運(yùn)移阻力。(8)比較運(yùn)移驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)移阻力,如果驅(qū)動(dòng)力小于阻力則不能運(yùn)移,即細(xì)層2不能成藏,停止對該點(diǎn)的模擬;如果驅(qū)動(dòng)力大于阻力則烴源層中的氣能進(jìn)入細(xì)層2,并排擠出細(xì)層2中的部分水。(9)重復(fù)步驟(7)和(8),直到驅(qū)動(dòng)力小于阻力或遇到蓋層為止(如果壓差超過蓋層排替壓力,則天然氣將會(huì)突破蓋層散失掉一部分,直到壓差小于蓋層排替壓力天然氣才停止運(yùn)移)。(10)計(jì)算天然氣聚集量,模擬結(jié)束(見圖4)。1.4.3細(xì)層中束縛水飽和度進(jìn)入致密儲(chǔ)集層的天然氣聚集量可用下式表示:對比驅(qū)動(dòng)力與阻力的相對大小,如果確定天然氣只能進(jìn)入到細(xì)層3,則上式中n取3。另外,細(xì)層中束縛水飽和度可通過類比相鄰地區(qū)的致密氣藏獲得,一般在30%~60%,天然氣體積系數(shù)可根據(jù)細(xì)層地層壓力在p-V-T曲線上反插值求得。進(jìn)入致密儲(chǔ)集層的天然氣會(huì)有部分損失,如部分溶解在地層水中,還有一部分向外擴(kuò)散等,這些損失可用溶解氣公式和擴(kuò)散氣公式計(jì)算,在不要求高精度時(shí)可不考慮。2烴源層厚度特征研究區(qū)東西長92km,南北寬70km,有效面積3855km2,目的層為上三疊統(tǒng)須家河組二段(T3x2),埋深2060~2420m(海拔-1760~-2120m),厚度76~140m;烴源層為須一段(T3x1),厚度小于50m;蓋層為須三段(T3x3),厚度在40~110m。截至2008年底,該區(qū)已鉆探64口井,其中工業(yè)氣流井34口,已發(fā)現(xiàn)合川1井塊氣田與潼南2井塊氣田,儲(chǔ)量2340×108m3。合川氣藏儲(chǔ)集層的平均孔隙度小于10%,一般滲透率小于0.1×10-3μm2,平均孔喉直徑小于1μm,屬于典型的致密砂巖氣藏。2.1個(gè)網(wǎng)格平面模擬網(wǎng)格尺寸為1km×1km,共6440(92×70)個(gè)網(wǎng)格;縱向上分為12層,最底層為烴源層須一段,最頂層為蓋層須三段,中間10層為儲(chǔ)集層須二段。2.1.1孔隙度-滲透率模型將目的層分為10個(gè)小層,每層厚度在7~14m,分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)小層的砂巖厚度、砂巖孔隙度和滲透率,并將其分別繪制成平面等值圖(見圖3)。根據(jù)孔喉半徑與孔隙度和滲透率之間的關(guān)系可推算孔喉半徑分布,或根據(jù)毛細(xì)管壓力與孔隙度和滲透率之間的關(guān)系推算毛細(xì)管壓力分布。2009年,NelsonPH用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立了孔隙度與孔喉直徑的關(guān)系,本文采用同樣的方法,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。2.1.2源層生烴強(qiáng)度圖、蓋層厚度分布圖、目的層性能圖模擬中還需要一些平面參數(shù),包括目的層頂面構(gòu)造圖(見圖2)、烴源層生烴強(qiáng)度圖、蓋層厚度分布圖、目的層現(xiàn)今壓力系數(shù)等。文中采用的盆地模擬數(shù)據(jù)(包括地史、熱史、成巖史、生氣史)均為中國石油勘探開發(fā)研究院盆地綜合模擬系統(tǒng)BASIMS2009的模擬結(jié)果。2.2模擬結(jié)果2.2.1烴源層游離氣壓力采用本文介紹的方法,定量模擬全區(qū)生氣增壓史,得出:(1)在第1關(guān)鍵時(shí)刻(距今65Ma,最大埋深),烴源層中游離氣壓力為39.3~44.0MPa,壓力系數(shù)在1.0~1.3(見圖6a);(2)在第2關(guān)鍵時(shí)刻,即現(xiàn)今,烴源層中游離氣壓力為23.0~33.9MPa,壓力系數(shù)為1.2~1.5,在本區(qū)生烴中心合川122井附近壓力最大,可達(dá)33.9MPa(見圖6b);(3)從全區(qū)分布看,模擬區(qū)南部生氣增壓小,向北逐漸增加。2.2.2儲(chǔ)集層精細(xì)結(jié)構(gòu)把模擬區(qū)的儲(chǔ)集層分為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層和非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層,其中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層是個(gè)相對的概念,即在一個(gè)普遍低孔、低滲透—特低滲透的背景下,具有相對高的孔隙度及滲透率指標(biāo)的儲(chǔ)集層。文獻(xiàn)在測井解釋、巖心和壓汞分析等資料的基礎(chǔ)上,將孔隙度大于8%、滲透率大于0.5×10-3μm2、厚度大于0.25m的儲(chǔ)集層定義為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層。本文將孔隙度7%(對應(yīng)的孔喉半徑為0.1μm,毛細(xì)管壓力約1MPa)作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層和非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的分界線,即常規(guī)氣藏與致密砂巖氣藏的界限;把孔隙度4.5%(對應(yīng)的孔喉半徑為0.05μm,毛細(xì)管壓力約2MPa)作為致密砂巖氣藏最小孔喉界限。致密砂巖氣藏的模擬對象為非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層,其成藏驅(qū)動(dòng)力為生氣產(chǎn)生的超壓,模擬結(jié)果見表2和圖7;常規(guī)巖性氣藏的模擬對象為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層,其成藏驅(qū)動(dòng)力為浮力,模擬結(jié)果見表2和圖8。由表2可知:(1)浮力驅(qū)動(dòng)的常規(guī)巖性氣藏在距今65Ma時(shí)已成藏,后期的抬升對其影響不大;(2)超壓驅(qū)動(dòng)的致密砂巖氣藏在距今65Ma至現(xiàn)今的抬升過程中,由于地層壓力降低,壓差增大,驅(qū)動(dòng)油氣向更遠(yuǎn)處運(yùn)移(見圖9),聚集在儲(chǔ)集層中的天然氣增加了980×108m3,約占總量的20%;(3)在距今65Ma和現(xiàn)今,致密砂巖氣聚集量與常規(guī)氣聚集量比值分別為4.5和5.9,說明致密砂巖氣占主導(dǎo)地位;(4)須二段最終天然氣總聚集量為4800×108m3。2.3用于檢測的指導(dǎo)作用2.3.1兩大巖性氣藏構(gòu)造分布縱向上看,常規(guī)巖性氣藏主要分布在須二段中上部,特別是構(gòu)造高部位,如背斜、斷鼻或上超尖滅處(見圖10a);致密砂巖氣藏主要分布在須二段中下部,特別是構(gòu)造低部位和斜坡處(見圖10b)。平面上看,常規(guī)巖性氣藏主要分布在潼南2井區(qū)、合川1井區(qū)和合川101井區(qū),這些地區(qū)的特點(diǎn)是儲(chǔ)集層孔隙度相對較大(大于7%)且為局部構(gòu)造高點(diǎn);致密砂巖氣藏主要分布在常規(guī)巖性氣藏之外且生氣增壓較大的合川7井附近,這些地區(qū)的特點(diǎn)是儲(chǔ)集層孔隙度相對較小(小于7%)且為構(gòu)造相對低部位?？傊?這兩類氣藏分布具有互補(bǔ)性。2.3.2常規(guī)氣藏和致密砂巖氣藏由于目前勘探成果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計(jì)常規(guī)氣藏與致密砂巖氣藏的規(guī)模及分布,因此只能對比已發(fā)現(xiàn)氣藏與模擬總氣藏的分布。圖11為模擬得到的常規(guī)氣藏和致密砂巖氣藏總資源豐度分布圖,本區(qū)已發(fā)現(xiàn)的2340×108m3儲(chǔ)量主要分布在潼南2井塊至合川1井塊一帶(見圖11);模擬得到須二段天然氣資源量為4800×108m3,其中潼南2井塊至合川1井塊一帶(紅色框范圍)為2055×108m3,模擬結(jié)果符合率達(dá)88%。2.3.3致密砂巖氣藏圖8揭示,模擬得到的常規(guī)氣藏除了合川101井以北地區(qū)外,其他的兩大塊(潼南2井塊、合川1井塊)已被發(fā)現(xiàn);圖7顯示,模擬得到的致密砂巖氣藏除了合川7井至合川103井地區(qū)已被發(fā)現(xiàn)外,還有許多地區(qū)的氣藏(如合川113井以南、合川121井以北等)未被發(fā)現(xiàn)。因此,建議下步的勘探重點(diǎn)轉(zhuǎn)向致密砂巖氣藏,主要突破方向?yàn)楹洗ǖ臇|北部、潼南北部和潼南的東南部等區(qū)域(見圖12)。3儲(chǔ)集層致密砂巖氣藏分布及控制策略先成巖后成藏的致密砂巖氣藏分布在烴源巖之上的一定范圍內(nèi)(本區(qū)在150m以內(nèi),即須二段絕大部分地層),由于天然氣柱的浮力小于毛細(xì)管壓力,因此天然氣運(yùn)移的主要驅(qū)動(dòng)力為烴源巖生氣產(chǎn)生的超壓。烴源巖層越厚,單位體積生氣量越大,產(chǎn)生的壓力就越大,形成的致密砂巖氣藏規(guī)模也就越大。在合川—潼南地區(qū)的成功應(yīng)用表明:本文提出的致密砂巖氣成藏模擬方法和評(píng)價(jià)流程具有可操作性,提出的烴源巖生氣增壓定量計(jì)算模型是預(yù)測致密砂巖氣藏分布范圍的關(guān)鍵。合川—潼南地區(qū)的模擬結(jié)果證明:須一段烴源層生氣強(qiáng)度決定生氣增壓的大小,須二段儲(chǔ)集層物性分布決定致密砂巖氣藏的分布。須二段未發(fā)現(xiàn)資源