第十三章 油藏地球化学基础.ppt

第十三章油藏地球化学基础 油藏地球化学是应用经典的地球化学 无机和有机地球化学 理论和原理 结合油藏工程 石油工程和地质学的理论和方法 揭示油藏中有机与无机相互作用的机理 油藏流体非均质性的分布规律和形成机制 探索油气田储层 油藏 充注过程 聚集历史 成藏机制以及油田开发过程中动态监测技术等应用领域的一门地球化学的分支学科 该学科突破了单一学科的界限 吸取多种学科之长 弥补单一学科之不足 使油藏地球化学的研究能全方位地服务于油田勘探 油藏描述与评价 油田开发与采油工程等诸多领域 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 支撑油藏地球化学的一种主要观点认为 无论在垂向上还是横向上 油藏流体 油 气 水 的成分是非均质性的 因此 油藏地球化学的中心任务是认识油藏这一非均质性的分布 起因 并将其用于油藏勘探和油气开发 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 一 油藏的充注作用 人们对油藏中出现非均质性流体认识的历史 比油藏地球化学的形成 发展历史早约半个世纪 Sage和Lacey 1939 事实上 在长期的石油地质学和油气地球化学的研究中 人们早已注意到油藏流体存在这种非均质性 Espach和Fry 1951 Schulte 1980 Slentz 1981 目前对这种现象的地质解释主要是建立在England及其合作者的研究基础之上 Englarnd等 1987 England和Mackenzie 1989 England 1990 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 一 油藏的充注作用 1 不同演化阶段烃源岩生烃产物的组成差异不同时期生成的石油物质注入到同一储层后 依据油层中流体注入的先后顺序 其物理和化学组成存在一定差别 这种差别的大小与油藏充注的累积效应有关 这是油藏原油非均质性的物质基础 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 一 油藏的充注作用 2 油田 或油藏 的充注作用模式England等人曾经阐明 二次运移可理解为两个序次的推进过程 进入到具有最大入口半径的岩层 进入到右图中描述的那样岩层中的可进得去的孔隙 右图就是说明当运移中的石油遇到圈闭中的储层时 石油沿大的孔隙通道进入到储层并充填在相应的孔隙空间中 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 一 油藏的充注作用 2 油藏的充注作用模式油田 油藏 的充注作用过程 是和烃源岩的生烃 排烃 运移等过程紧密相关的 理想的概念模型是 形成油藏的圈闭捕获的是某烃源岩层不同生烃地质时期形成的油气 不同时期形成的油气通过运移作用延绵不断地注入到圈闭中 根据England等人 England等 1987 1990 England和Mackenzie 1989 的研究 石油最初是以枝状通过排驱压力最小的孔隙进入油藏范围内的储层的 烃源岩后期生成的石油通过注入点到达圈闭的同一侧后 它将如同一系列 波阵面 那样向圈闭内部推进 在横向上和垂向上取代先期生成的石油 结果使先期注入的成熟度较低的原油相对远离油源区 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 一 油藏的充注作用 烃源岩在地质历史过程中随成熟度增加的动态演化模式中所生成的物质 以生成时间的相对早晚展布在油藏范围内的平面上 因此 在油藏充注过程完成时 会造成石油柱在横向上和垂向上的成分变化 从而造成油藏流体在其注入过程中即存在非均质性 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 一 油藏的充注作用 油田 或油藏 的充注作用过程所造成的横向上成分的继承性非均质性 事实上反映了油藏石油的注入方向 即通过对这种非均质性的描述 可用以阐述油藏的注入历史和注入方向 应当说这种充注模式是油藏充注过程的简单化浓缩 对复杂的圈闭体系和油源系统 这种过程则会被相应地复杂化 显然 对这种复杂化现象的了解 同样来自对油藏成藏特征和流体非均质性的认识 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 England等 1989 认为 一旦油藏范围的孔隙空间达到高的含油饱和度时 油藏内非均质流体的混合作用 力图消除由充注过程带来的继承性成分变化 逐步建立石油柱的力学和化学平衡 England 1990 提出 石油柱的低速混合作用是部分或全部消除原油组成非均质性的主要因素 这种低速的混合作用方式主要包括 1 热对流混合作用2 密度驱动混合作用3 扩散混合作用 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 1 热对流混合作用理论上讲 储层在垂向上地温梯度的变化将会导致流体发生热对流作用 但实际上在多数的石油储层中 由地温梯度 储层特征及流体性质综合反映的瑞利数 Ra 尚未达到热对流所需的临界值 Ra 4 0 Englang 1981 1990 此外 重力作用往往阻碍热对流作用的顺利进行 由此可见 该作用在石油储层垂向上的混合作用不明显 然而 在储层侧面上 只要存在温度梯度 热对流作用就可以发生 但就地质时间而言 石油在储层中的热对流作用是相当缓慢的 因而热对流作用对储层石油组分的非均质性影响甚微 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 2 密度驱动混合作用地下烃类因密度的差异而处于不稳定状态 必将产生流体对流混合 造成这一混合作用的直接原因是地下流体的密度差异 故称之为密度驱动混合作用 其混合原理与上述热对流混合作用相似 前者是由于石油总体组成的变化而引起的密度差异所致 而后者是由于局部温度的差异引起热流梯度变化的结果 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 2 密度驱动混合作用在油区范围内储层的有效渗透率 K 是一个重要的参数 它有别于岩芯中实测的有效渗透率 其数值可能仅为岩芯实测值的1 100 通常用 K 值将储层划分为三种类型 K 100 10 3 m2 属极好储层 K 100 10 10 3 m2 属好储层 K 10 10 3 m2 属差储层 由19 5图可知 储层性能越好 密度驱动混合作用越有效 所需要混合时间 tDENS 越短 至今可大量观察到油藏侧向上密度梯度的存在 显然 上述结果暗示 任何继承性组成差异在多数情况下都不会被完全消除掉 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 3 扩散混合作用扩散是分子间自由运动而引起的微观现象 在一个流体柱中 扩散作用能够减弱甚至最终消除化学势的差异 假设温度和压力恒定 化学势在水平方向上的差异仅是浓度的函数 因此 扩散可以减小水平浓度的差异性 由于扩散混合时间与它涉及的距离平方成正比 所以井与井之间扩散的典型时间 总是大于tFILL 例如 对于 K 100 10 3 m2的储层 大约是1亿年 显然 对于井与井之间的混合 分子扩散作用就显得无能为力了 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 4 混合速率 单一油藏中储层混合时间的估算值 England 1989 tFILL 储层注入之后可能经历的时间 Tdiff 100m 扩散混合100m所需的时间 tDENS 密度混合所需时间 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 4 混合速率 通过对混合作用的认识 England和Mchenzie 1989 对这些混合机理的时间尺度数量级作了估算 他们认为 在不存在混合作用屏障的情况下 石油在油藏内的混合作用具备以下的特点 单个石油柱内 垂向上的扩散混合作用在地质学上是快速完成的 导致在1Ma时间幅度内以大约100m的规模建立重力分异的浓度梯度 横向上穿越大油田的石油柱的扩散混合作用 在地质学上是缓慢进行的 成分的非均质性可保持数十个百万年 这是因为 在引起全油田 油藏 的混合作用上 由于水平方向的浓度差异构成的化学势的不同引起的分子扩散作用 一般不是有效的混合作用 England等 1987 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 二 油田 油藏 流体的混合作用 5 流体分隔屏障对充注和混合作用的影响 油田 或油藏 中如不存在隔层屏障 且油田近期内未发生油田倾斜 充注或渗漏 石油柱在垂向上是均质的 横向上是非均质的 并处于力学平衡状态 Stoddart等 1995 Horstad 1995 否则 存在分隔屏障对流体充注和混合作用的影响 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 三 沿充注方向和运移方向石油化学组成的变化特征 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 四 焦油席的形成机理 焦油席 Tarmat 是指具有明显界定范围的富沥青质的石油带 Wilhelms和Larter 1995 是在不同地质 地球化学条件下石油中沥青质相对富集的结果 也就是说 与同油藏原油的化学组成比较 其化学组成的主要特征是沥青质的含量高 而烃类组分极低 常不具有流动性 因而是油层中的不可开采部分 在石油柱内常成为流体的流动屏障 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 四 焦油席的形成机理 在油藏开发方面 区域范围内焦油席的识别和预测模式的建立 将有利于油田开发和油藏开发方案的调整 这是因为 焦油席主要代表原地的不可采油 同时它 们 也代表油层内部存在的流动屏障 并且在具有焦油席的油气藏的开采过程中经常发生与之有关的脱沥青问题 至于对焦油席空间分布的认识 在修正可采储量估算的投资问题讨论 注水井的有效部署过程中都具有重要的意义 因此 对焦油席的研究具有重要的现实意义 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 四 焦油席的形成机理 第十三章油藏地球化学基础 第一节油藏地球化学的理论基础 四 焦油席的形成机理 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 一 油藏地球化学描述 油藏地球化学描述是根据研究目的和研究需要 采用不同地球化学分析手段和分析方法 全面研究和详细描述油藏流体的在纵向和垂向上分布特征 并根据油藏流体特理性质和化学成份的分布特征 建立油藏流体分布和成分变化的成因和预测模型 因此 油藏地球化学描述是项全面细致的研究工作 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 一 油藏地球化学描述 在对储层进行岩性描述的基础上 通过对储集岩含油特征和所含油的油品特性的扫描式分析 如FID TLC分析和储层热解分析 和部分选样品的择性分析 如重点样品的色谱分析 色谱 质谱分析等 建立油层石油柱的岩性 储层物性 如孔隙度 渗透率 含油性和油品性质等的剖面分布关系 并在此基础上 通过油藏范围不同部位钻井柱的相关横向对比 综合研究油藏石油柱的物理性质和化学组成的平面分布特征及其成因特征 为油藏开发方案设计过程中需要考虑的诸多地质 地球化学问题 如有机隔层问题 纵向和横向上的连通性问题等 进行综合分析与研究 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 一 油藏地球化学描述 对油藏进行地球化学描述的基本条件 是在油藏范围内的钻井在石油柱进行了完整的钻井取芯过程 并存在在完井测试过程中所取得的油 气水样 油藏地球化学描述并不是对油层流体的物理 化学性质进行简单地分析 同时要对流体的分布和性质进行预测 如原油密度 粘度 流动性的预测等 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 一 油藏地球化学描述 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 油藏分隔性和油层连通性研究是油气藏研究的重要内容 是油田开发和管理方案取得成功的基础 它可为初次生产中井位的确定提供信息 亦可为二次或三次采油方案提供有关信息 Kaufman等 1990 当前常规的油藏描述只着眼于储层的非均质性 主要研究储层的空间分布规律及其对油层连通性的影响 油藏地球化学的研究成果表明 砂层的连续分布并不等同于流体的连通性 油层内可存在由多种原因形成的有机隔层 如焦油席 使油层内部出现 储层连续 油层分隔 的现象 这对油田的开发和生产管理均有着重要的影响 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 1 研究有机隔层的理论依据当石油柱内存在隔层时 在石油柱建立力学和化学平衡的过程中 隔层会阻止或延缓这种过程的进行 其结果是在大多数情况下流体成分的差异将保存下来 由于垂向上的扩散作用是容易完成的 因此 在油藏中不存在隔层屏障 或者近期未发生倾斜 充注 或渗漏等情况下 石油柱在垂向上是均质的 横向上是非均质 并处于力学的平衡状态 Stoddart 1995 若垂向上的流体柱存在明显的非均质性 则表明油藏在垂向上是相互分隔的 分隔的屏障往往是分布在油层中被低渗透层 如页岩 碳酸盐岩胶结带或焦油席 侧向延伸带所分隔的地段 此外 地层水也可用以研究流体的分隔性 扩散模拟表明 水的混合速度整体上与类似于油中轻质组分的混合速度 地层水成分的阶跃式变化 可作为油藏流体分隔化的标志 Smalley 1995 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 1 研究有机隔层的理论依据当石油柱内存在隔层时 在石油柱建立力学和化学平衡的过程中 隔层会阻止或延缓这种过程的进行 其结果是在大多数情况下流体成分的差异将保存下来 由于垂向上的扩散作用是容易完成的 因此 在油藏中不存在隔层屏障 或者近期未发生倾斜 充注 或渗漏等情况下 石油柱在垂向上是均质的 横向上是非均质 并处于力学的平衡状态 Stoddart 1995 若垂向上的流体柱存在明显的非均质性 则表明油藏在垂向上是相互分隔的 分隔的屏障往往是分布在油层中被低渗透层 如页岩 碳酸盐岩胶结带或焦油席 侧向延伸带所分隔的地段 此外 地层水也可用以研究流体的分隔性 扩散模拟表明 水的混合速度整体上与类似于油中轻质组分的混合速度 地层水成分的阶跃式变化 可作为油藏流体分隔化的标志 Smalley 1995 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 2 确定油藏内流体流动屏障的方法2 1根据原油总体组成的变化研究油藏流体流动屏障垂向上分隔层的存在 也往往造成流体组成在垂向上存在非均质性 许多资料 如气油比 凝析油 气比 储层条件下泡点压力和密度等高压物性资料等 均可用于指示油层流体组成的变化 并能反映流体间的微小差别 具有显著的优越性 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 2 确定油藏内流体流动屏障的方法2 1根据原油总体组成的变化研究油藏流体流动屏障 福蒂斯油田石油泡点压力 105Pa 分布图 据England 1990 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 2 确定油藏内流体流动屏障的方法2 2应用色谱资料研究油层连通性 Unity油田Ghazal组地层剖面图 据Hwang等 1994 第2 9号井H砂层 2号井D H砂层 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 二 油藏分隔性的地球化学研究 2 确定油藏内流体流动屏障的方法2 3应用油田地层水成分的非均质性研究油层连通性 北海某油井中RSA的87Sr 86Sr值分布剖面图 据Smalley 1995 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 在油田开发生产过程中 多数油井是采用混层开采的 但在油藏动态管理中 需要知道每一个单层的出油状况 尤其是在采用一些增产措施后 如注水 注蒸汽 需要监测单层产能的变化 目前解决这个问题的作业方法是生产测井 问题的提出 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 问题的提出 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 油井产量贡献 产能贡献 是指混采井中各个单层的原油产量占这口井总的原油产量的百分数如 上砂层 中砂层 下砂层 10 15 75 原油色谱指纹 指原油经过气相色谱分析所得到的原油气相色谱图上的一些可分辨的小峰 而每一个小峰代表了原油中的某一种化合物或几个甚至好几个化合物的混合 指纹峰对 两个用于计算的色谱指纹 峰 构成一个指纹峰对 指纹峰对比值 指纹峰对中的两个色谱指纹的峰高比 第十三章油藏地球化学基础 指纹峰对比值c d 2 05 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 基本原理 化学原理地质条件数学模型 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 化学原理 化合物浓度的加和性和原油色谱指纹峰的加和性 即某一指纹峰所代表化合物的含量与其指纹峰的峰高成正比 同一个油样 加不同量的内标 其峰高与标样量成正相关关系 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 相似性 差异性 地质条件 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 单层原油和混采井的混合原油的色谱指纹与混采井中各个单层的原油产量贡献之间的关系 aijci bji 1 m k 1 nm 单层油的层数n 指纹峰对个数aij 单层油的指纹峰对比值bj 混采井混合原油的指纹峰对比值ci 所要求解的混采井中各个单层的原油产量贡献 数学模型 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 绝对误差 5 配比实验 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 三 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献 第十三章油藏地球化学基础 第二节油藏地球化学的主要研究领域及方法 四 其它方面的应用 油 水 岩相互作用油气地球化学录井油气藏充注方向和历史运载层的确定油藏剩余油的研究 第十三章油藏地球化学基础 小结 1 油藏地球化学是研究油藏流