確定浮力作用下限及動(dòng)力平衡的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置以及確定浮力作用下限及動(dòng)力平衡的方法
【專利摘要】本發(fā)明是借助于物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)確定含油氣盆地致密砂巖儲(chǔ)層條件下浮力作用下限變化特征及該下限處的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系，屬于石油地質(zhì)領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)制作了一套模擬致密儲(chǔ)層條件下天然氣呈“活塞式”推進(jìn)的深盆氣成藏物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置；模擬不同水柱高度和不同充氣壓力條件下浮力起作用與否的臨界孔喉大小，在浮力作用下限以下天然氣不發(fā)生氣水置換而聚集形成深盆氣藏；利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了臨界孔喉直徑與水柱高度的相關(guān)關(guān)系；建立了臨界條件下天然氣膨脹力與毛細(xì)管力及靜水壓力的力平衡關(guān)系，確定了臨界孔喉半徑的計(jì)算模型。本發(fā)明深化了致密砂巖氣藏成藏機(jī)理的研究，為致密砂巖氣藏圈閉范圍的預(yù)測(cè)提供了一種有效的手段。
【專利說(shuō)明】確定浮力作用下限及動(dòng)力平衡的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置以及確定浮力作用下限及動(dòng)力平衡的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石油地質(zhì)研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)裝置及其使用方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體說(shuō)涉及一種借助于物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)確定含油氣盆地致密砂巖儲(chǔ)層條件下浮力作用下限變化特征及該下限處的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系。
【背景技術(shù)】
[0002]致密砂巖氣藏是當(dāng)前和未來(lái)油氣資源的重要勘探領(lǐng)域，深盆氣藏是致密砂巖氣藏最重要的一種類型。深盆氣的成藏機(jī)理是要解決的首要問(wèn)題。從目前的文獻(xiàn)看，具有代表性的物理模擬實(shí)驗(yàn)及成藏機(jī)理研究有Robert M.Gies 1982年的物理模擬實(shí)驗(yàn)及研究成果、中國(guó)石油大學(xué)(北京)的物理模擬實(shí)驗(yàn)及研究成果、張金亮建立的陸相深層油氣成藏模式等。
[0003]加拿大學(xué)者Gies自主設(shè)計(jì)了一種深盆氣藏形成模擬實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1)，主要原理是在一個(gè)柱狀倉(cāng)內(nèi)底部最下層用鋼篩隔開(kāi)。鋼篩上依次裝填細(xì)砂層、粗砂層、細(xì)砂層和粗砂層。柱倉(cāng)兩側(cè)分別有四個(gè)并聯(lián)出口(A、B、C、D)。柱倉(cāng)右側(cè)有一個(gè)旁通管分別與柱倉(cāng)的最底層(空層)和最頂層(粗砂層)相連；有個(gè)測(cè)壓管與最底層(空層)相連。利用該裝置做實(shí)驗(yàn)表明氣水倒置只能在低孔滲的砂巖中形成，作者并認(rèn)識(shí)到形成氣水界面倒置的關(guān)鍵是由于致密砂巖中飽含天然氣，砂層中只有束縛水而沒(méi)有可自由移動(dòng)的自由水，無(wú)法傳遞頂部水柱的壓力，傳統(tǒng)油氣運(yùn)移的動(dòng)力浮力的作用條件受到限制。但是該裝置無(wú)法模擬儲(chǔ)層埋深下所受的靜水壓力，也沒(méi)有得到浮力受到限制時(shí)的砂巖層孔隙度的大小和充氣壓力的大小，導(dǎo)致無(wú)法認(rèn)識(shí)浮力受到限制的動(dòng)力成因。
[0004]中國(guó)石油大學(xué)(北京)龐雄奇等進(jìn)行了漏斗狀毛細(xì)玻璃管水封氣門限物理模擬實(shí)驗(yàn)，裝置見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:①本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的臨界的孔喉直徑變化在0.102 cm和0.359 cm之間，說(shuō)明只有在儲(chǔ)層致密到一定程度時(shí)才有可能形成深盆氣藏；②本次物理模擬實(shí)驗(yàn)表明了供氣速率和漏斗狀玻璃管的夾角(表現(xiàn)在地質(zhì)條件下為儲(chǔ)層孔隙度和滲透率隨埋深的變化率)是水封氣的重要影響因素，說(shuō)明不同條件下形成深盆氣藏的臨界孔喉直徑不同在漏斗夾角較大時(shí)，漏斗狀毛細(xì)玻璃管水封氣臨界孔喉直徑隨供氣速率的增大而減??；在漏斗夾角較小時(shí)，該孔喉直徑隨供氣速率的增大而增加(即相當(dāng)于自然條件下有利于深盆氣成藏的范圍增大)。本次模擬實(shí)驗(yàn)及取得的認(rèn)識(shí)優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題有:①認(rèn)識(shí)到形成深盆氣藏的臨界孔喉直徑不是一個(gè)定值，供氣速率和儲(chǔ)層特征是其中的兩個(gè)影響因素，但沒(méi)有全面認(rèn)識(shí)影響臨界孔喉直徑的因素，沒(méi)有模擬儲(chǔ)層埋深下所受的靜水壓力對(duì)臨界孔喉直徑的影響認(rèn)識(shí)到在一定條件下，深盆氣藏的范圍隨著供氣速率的增大而增大，但沒(méi)有從動(dòng)力學(xué)上解釋深盆氣藏的范圍即其頂界變化的機(jī)理。
[0005]北京師范大學(xué)張金亮等在物理模擬和大量實(shí)例解剖的基礎(chǔ)上，建立了 “近源供烴、壓差驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)蓋共控、動(dòng)態(tài)成藏”的陸相深層油氣成藏模式(專利申請(qǐng)公布號(hào)CN 102289006A)。該專利申請(qǐng)中認(rèn)識(shí)到了深層地質(zhì)條件下存在一臨界喉道使得該臨界條件以下無(wú)連續(xù)可動(dòng)水，浮力不起作用，油氣處于靜態(tài)聚集(見(jiàn)圖3)。存在問(wèn)題是僅僅建立了這樣一種模式，沒(méi)有深入研究“浮力不起作用”的臨界地質(zhì)條件及其影響因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)和研究存在的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，利用該裝置預(yù)測(cè)了含油氣盆地深部致密砂巖儲(chǔ)層條件下浮力作用下限變化特征及該下限處的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系。浮力作用下限指的是某套砂巖儲(chǔ)層中浮力作用條件消失的臨界地質(zhì)條件，多用孔喉大小、滲透率或孔隙度表示。
[0007]本發(fā)明之一的致密砂巖儲(chǔ)層浮力作用下限物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明的一種致密砂巖儲(chǔ)層浮力作用下限物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于它由充氣及測(cè)壓?jiǎn)卧?、致密砂巖儲(chǔ)層孔喉模擬單元、地層水模擬單元組成；
[0009]在本發(fā)明中，所述的充氣及測(cè)壓?jiǎn)卧?
[0010]甲燒氣瓶(4)、充氣鋼管(3)、壓力表(5);
[0011 ] 所述甲烷為體積比純度99%，
[0012]所述壓力表測(cè)量范圍為0- 6MPa，最小刻度為0.01MPa。
[0013]在本發(fā)明中，所述的致密砂巖儲(chǔ)層孔喉模擬單元包括:
[0014]模擬孔喉(I)、石英玻璃載體(2);
[0015]所述模擬孔喉是用石英玻璃加工而成，高度50cm，孔喉直徑大小從下到上由
0.2mm逐漸增大到30mm。
[0016]在本發(fā)明中，所述地層水模擬單元包括:
[0017]水管(6)、水
[0018]所述水管為塑料水管，直徑2cm，高40m，其上標(biāo)有最小間隔為Icm的刻度尺。
[0019]本發(fā)明之一的利用所述裝置進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法和步驟是:
[0020]①?gòu)纳喜克茏⑺罤高度，開(kāi)始充氣并不斷調(diào)節(jié)氣壓大小，觀察“孔喉”內(nèi)氣托水活塞式運(yùn)移到突然冒氣泡的臨界條件；記錄下此時(shí)的水柱高度H，氣壓大小P，臨界孔喉直徑Φ ;
[0021]②不斷改變水柱高度氏、H2……Hn，按照①，記錄下對(duì)應(yīng)的Pp P2……Pn Φ”Φ2……Φη。
[0022]本發(fā)明之一的臨界孔喉直徑與水柱高度的相關(guān)關(guān)系為:
[0023]Φ=6.285exp (-0.06H)
[0024]其中，Φ為臨界孔喉直徑，mm ；H為對(duì)應(yīng)的水柱高度，m。
[0025]本發(fā)明之一的致密砂巖儲(chǔ)層浮力作用下限這一臨界條件處的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系為:
[0026]Pe=Pc+Pw
[0027]其中，Pe為天然氣膨脹力，MPa ；PC為毛細(xì)管力，MPa ；PW為靜水壓力，MPa。
[0028]所述毛細(xì)管力計(jì)算公式為:
r n ? 2ct-cos^
[0029]Pc=-

r
[0030]其中，σ為氣水界面張力，N/m; Θ為潤(rùn)濕角，° ;r為臨界孔喉半徑，m;[0031]所述靜水壓力計(jì)算公式為:
[0032]Pw= P w.g.H
[0033]其中，P w為地層水的密度，kg/m3 ；g為重力加速度，m/s2 ；H為地層水的高度，m ；
[0034]所述天然氣膨脹力計(jì)算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種確定浮力作用下限及動(dòng)力平衡的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，所述物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括的部件及結(jié)構(gòu)關(guān)系如下: (1)致密砂巖儲(chǔ)層孔喉模擬單元，包括“漏斗狀”的模擬孔喉(I)，處于立方體狀石英玻璃載體(2)的中間； (2)充氣及測(cè)壓?jiǎn)卧?，用?lái)模擬天然氣充注，包括充氣鋼管(3)、甲烷氣瓶(4)、壓力表(5)，其中，充氣鋼管(3)兩端各連接模擬孔喉(I)和甲烷氣瓶(4)，壓力表(5)裝在甲烷氣瓶(4)瓶口處；和 (3)地層水模擬單元，用來(lái)模擬不同的靜水壓力大小，包括水管(6)，連接在模擬孔喉(I)上部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述模擬孔喉(I)用石英玻璃加工而成，高度50 cm,孔喉直徑大小從下到上由0.2mm逐漸增大到30mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述甲烷氣瓶(4)裝有體積比純度為99%的甲烷氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述壓力表(5)的測(cè)量范圍為0~6MPa，最小刻度為0.01MPa0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述水管(6)為塑料水管，直徑2cm，高40m，其上標(biāo)有最小間隔為Icm的刻度尺。
6.一種采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的物 理模擬實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)確定浮力作用下限及動(dòng)力平衡的方法，所述方法包括: (1)從上部水管注水至H1高度，開(kāi)始充氣并不斷調(diào)節(jié)氣壓大小，觀察“孔喉”內(nèi)氣托水活塞式運(yùn)移到突然冒氣泡的臨界條件；記錄下此時(shí)的水柱高度H1，氣壓大小P1,臨界孔喉直徑Φ!; (2)注水至H2高度，繼續(xù)充氣并不斷調(diào)節(jié)氣壓大小，觀察“孔喉”內(nèi)氣托水活塞式運(yùn)移到突然冒氣泡的臨界條件；記錄下此時(shí)的水柱高度H2，氣壓大小P2，臨界孔喉直徑Φ2 ； (3)不斷改變水柱高度H3、H4……Ηη，重復(fù)以上操作，記錄下對(duì)應(yīng)的P3、P4……Pn和Φ3、①4......①η ; (4)建立臨界孔喉(7)直徑與水柱高度的關(guān)系； (5)建立浮力作用下限處的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系；和 (6)建立致密砂巖儲(chǔ)層浮力作用下限的臨界孔喉半徑計(jì)算模型，進(jìn)而確定浮力作用下限。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)建立的臨界孔喉(7)直徑與水柱聞度的關(guān)系為:
Φ=6.285exp (-0.06H) 其中，Φ為臨界孔喉直徑，mm ；H為對(duì)應(yīng)的水柱高度，m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(5)建立的浮力作用下限處的動(dòng)力學(xué)平衡關(guān)系為:
Pe=Pc+Pw 其中，Pe為充氣氣壓，用來(lái)模擬氣體膨脹力，MPa ;P。為毛細(xì)管力，MPa ;PW為靜水柱壓力，MPa0
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(6)建立的致密砂巖儲(chǔ)層浮力作用下限的臨界孔喉半徑計(jì)算模型為:
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK103852240SQ201210511391
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月3日
【發(fā)明者】龐雄奇, 郭迎春, 姜振學(xué), 姜福杰, 邢恩袁, 王鵬威, 白通 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)