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油氣資源評價原理與方法

1、研究思路

運用承擔盆地和靶區研究的含油氣系統理論,以動態分析為基礎,重點解剖,理論與實踐相結合,研究油氣從生成到成藏的全過程,力求提供更準確、更可信的資源評價結果(圖4-4-1)。

圖 4-4-1 油氣資源評價研究流程圖

模擬計算從地質埋藏歷史分析入手,進行地層剝蝕和巖石壓實模擬,同時結合巖石物性的演化規律和物性的相互關系進行模擬、並重建物性隨地質時代的變化、埋藏深度的增加、地層溫度的升高、烴巖油氣的生成、地層流體運移的演化過程。重建了物性隨地質年代變化、埋藏深度增加、地層溫度升高、烴巖油氣生成和地層流體運移的演化過程。在這壹演化過程中,由於巖石物性、流體運移速度、巖石孔隙度和滲透率演化、溫度場差異、斷層活動、流體自身性質等方面的差異,會出現欠壓實和過壓實現象,從而形成流體的選擇性流動,流體勢發生變化,這是油氣運移和聚集動態過程的反映。因此,圍繞流體勢演化建立巖石模型、壓實方程、溫度場演化模型、油氣模型、三維三相流體運移方程,模擬不同地質時期不同地層的超壓、地層壓力、溫度,進而計算古今流體勢,劃分油氣運聚單元,確定含油氣系統邊界。資源評價采用成因法,在盆地模擬的基礎上,通過對油氣生成、排出和運移、保存條件的研究,估算油氣資源量。

2.軟件介紹

美國普拉特河協會開發的Basin Mod 1D、2D、View、Flow、Risk等盆地模擬軟件在國外應用廣泛,可將孔隙、滲流、運移、聚集、熱演化等計算有機地結合起來。此外,考慮到斷層滲透性,聚集模型可以很好地實現。另外,考慮到斷層的滲透性,聚集模型可以很好地模擬油氣聚集區,圖形功能強。本書主要使用 Basin Mod 1D、2D 和 View(圖 4-4-2 至圖 4-4-4)。

圖 4-4-2 盆地模擬流程圖

圖 4-4-3 盆地模擬工作流程圖

圖 4-4-4 2D 盆地模擬計算流程圖

3.油氣壓力和油氣排水作用模擬方法

(1)油氣壓力模擬

油氣壓力是模擬油氣生產歷史的壹個關鍵概念。由於不同成分的密度不同,當酪蛋白降解為油、氣和渣油時,會導致孔隙壓力顯著增加,從而引起油氣快速排出和巖石破碎;另壹方面,這種烴壓力還可能影響後續沈積的流體流動/壓實過程。

水、石油和天然氣的密度受溫度和孔隙壓力的影響。幹酪素的密度取決於其成分,也與成熟度有關。根據模型的物理處理方法,當酪蛋白轉化為油氣時,孔隙率會增加。

孔隙率變化=降解酪蛋白體積-殘渣體積

假設殘渣保持固態,水和生成的油氣占據新形成的孔隙空間。在這個新的孔隙空間中,油、氣和水的壓力大約等於總孔隙壓力。如果孔隙壓力超過破裂極限,那麽物質(油、氣和水)將及時從孔隙空間中排出,這樣孔隙壓力就不會超過破裂臨界值。孔隙度、溫度、巖石靜壓和酪蛋白降解程度決定了壓力的大小。

在酪蛋白降解過程中,在?t時間內,體積變化等於:

V=mo/ρo+mg/ρg+mr/ρr-mk/ρk (4-4-1)

式中:?V是體積變化;m是質量;ρ是密度;下標o、g、r和k分別指油、氣、殘渣和酪蛋白。

在計算中,密度是溫度和孔隙壓力的函數,酪蛋白的密度與成熟度有關;成熟度越高,密度越大。

式(4-4-1)可寫成:

V=(Vo/ρo+Vg/ρg+Vr/ρr)?t-(Vo+Vg+Vr)/ρk?t (4-4-2)

式中:V 指油氣水的生成速率;?t 為時間段。

新孔隙度按下式計算:

φ=φold+?φ (4-4-3)

式中:φold 為油氣生成前的孔隙度;?φ 為油氣生成後增加的孔隙度。

也可以寫成:

φ=φold+mk/ρk-mr/ρr (4-4-4)

因此,由於生成流體(油)而產生壓力:

pL=(1/cp)-(?ρL/ρL)/(1+?ρL/ρL) (4-4-5)

而 cp 是液體壓縮系數。

由於生氣產生的壓力為:

Pg=(1/2)-fg-?Ng-kk-T (4-4-6)

其中:fg 是氣體分子的自由度;Ng 是氣體的密度;Kk 是波爾茲曼常數(1.38E-16erg/k);T 是溫度。

因此,碳氫化合物的總壓力為:

P hydrocarbon = ?PL + ?Pg (4-4-7)

(2) 排出模擬

1) 排出系數。對於石油,可假設排油前後骨架不壓縮性、含油飽和度相同,有

V0=(1-φ0)=V(1-φ)(4-4-8)

華北前古生界系統油氣資源戰略調查與評價

式中:??V為排出流體的體積;Cex為烴源巖的排出系數,小數;φ0為采油開始後(壓實前)瞬時烴源巖的孔隙度,小數;φ0為烴源巖在上述時刻(壓實後)之後任何時刻的孔隙度,小數; V0為烴源巖在開始采油(壓實前)之後任何時刻的體積,小數; V0為烴源巖在上述時刻(壓實後)之後任何時刻的體積,小數。.

排采系數的歷史沿革如下:

華北前新生代系統油氣資源戰略調查與評價

k=2、3、......直到今天

式中:Cexi為埋藏時間(等於0)時烴源巖的排出系數,為小數,Cex1基本無用,故任意設為0;Cexk為埋藏時間(等於0)時烴源巖的體積,為小數;V0為該時刻之後(壓實後)任意時刻的體積;V0為該時刻之後的體積。Cexk 為埋藏時間時烴源巖的排出系數,k=2,3,...,直到今天;φk-1 為埋藏時間時烴源巖的孔隙度,小數,根據烴源巖的埋藏歷史由地質歷史模型求得;φk 為埋藏時間時烴源巖的孔隙度,小數,根據烴源巖的埋藏歷史由地質歷史模型求得。

對於天然氣,應考慮烴源巖排烴前後的壓力和氣體飽和度。

2)油氣排泄強度。單井烴源巖排烴強度的計算公式為

華北前古生界油氣資源戰略調查與評價

k=2,3,...,直到今天

式中.Eex1為烴源巖在埋藏期(等於0)的排烴強度,104t/km2,實際上Eex1為0;Eexk為埋藏期的排烴強度,Eexk為埋藏期的排烴強度。實際上,Eex1為零;Eexk在埋藏時間內的烴源巖排烴強度,104t/km2;Eexk-1在埋藏時間內的烴源巖排烴強度,104t/km2;E-ok在埋藏時間內的烴源巖排烴強度,104t/km2,由烴史模型確定;Soir烴源巖的約束油飽和度,數值較小,可取為0.10 左右;Cexk 在埋藏時間的排油系數 烴源巖在埋藏時的排油系數,小數,由式(4-4-11)計算。

3)流體勢計算。哈伯特(Hubbert,1953)首次將流體勢的概念引入石油地質學,認為地下流體的滲流是壹個機械運動的過程,地下流體單位質量的總機械能定義為流體勢,用下式表示:

華北前古生界系統油氣資源戰略調查與評價

公式:φ為流體勢,J/kg;g為重力加速度,m/s2;z為相對基準面高程,m;P為地層流體壓力,Pa;e為孔隙流體密度,kg/m3;q為流體流速,m/s。

gz 表示重力引起的勢能;它表示壓力引起的壓能;q2/2 表示單位質量流體流動的動能。由於地下孔隙流體流動通常非常緩慢,q2/2 通常可以忽略不計,因此地層條件下的流體勢能可以簡單地用勢能和壓能之和來表示,即 .當地下流體之間存在電位差時,流體總是自發地從高電位區流向低電位區。在油氣盆地的孔隙流動中,除了水之外,還有油和氣,因此除了水勢之外,還有油勢和氣勢,水和油可視為不可壓縮流體,其密度不隨壓力變化而變化,在壓力變化不大的範圍內,氣體密度可視為不變。這樣水勢、油勢和氣勢可表示如下:

φw=gz+P/ew(4-4-15)

φo=gz+P/eo(4-4-16)

φg=gz+P/eg(4-4-17)

油氣在親水介質中的運移還受毛細力(2б/r)的影響,因此油勢和氣勢應寫成

φo=gz+P/eo±2б/r,其中б為油水邊界張力;(4-4-18)

φg=gz+P/eg±2б/r,其中б為氣水邊界張力。(4-4-19)

式中:毛細管力+號表示毛細管力為附加動力時流體從細孔隙空間進入粗孔隙空間;-號表示毛細管力為阻力時流體從粗孔隙空間進入細孔隙空間。然而,流體勢分析主要是確定流體(油、氣、水)的運移方向,如各流動點的質量均不考慮毛管力,從定性上講,並不影響流體運移的大方向。為了簡化流體勢的分析,仍按式(4-4-15)、(4-4-16)和(4-4-17)計算。

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