CN110187403B - 一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，包括如下步骤：在实验条件下对盖层和储层进行突破压力测试，通过对所述盖层突破压力和储层突破压力进行校正，得到盖层毛管压力和储层毛管压力，计算二者差值，得毛管压力差；求取盖层中地层水流动需要克服的启动压力梯度；结合盖层和储层中烃水界面的毛管压力差和盖层中流体流动需要克服的启动压力梯度，得到烃柱高度与盖层厚度关系，并获得盖层最大封闭烃柱预测高度。本发明适用于常规油气藏泥质岩盖层的最大封闭烃柱高度计算，确定了盖层厚度与最大封闭烃柱盖度之间的定量关系，解释了盖层厚度封闭效应原理和特征，为盖层封闭性和油气藏风险预测提供了一种可行的方法。

Description

一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法

技术领域

本发明涉及盖层封闭性评价和油气藏风险预测领域，更具体的说是涉及一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法。

背景技术

盖层厚度作为盖层评价的重要参数，一直以来都是学者们讨论的热点，通过调研各学者历年来对盖层研究的结果发现，厚度是影响盖层封闭能力的重要因素。上世纪60年代，前苏联学者发现天然气藏封闭气柱高度与盖层厚度之间具有一定的联系，然后学者们对二者的关系进行了探究，最后建立了烃柱高度和盖层厚度之间的定量关系式。

基于各学者的研究，本领域技术人员旨在确定盖层厚度与最大封闭烃柱高度之间的定量关系，从而揭示盖层厚度封闭效应原理和特征，以期用于盖层封闭性评价和油气藏风险预测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够精确计算盖最大封闭烃柱高度的方法，从而揭示盖层厚度封闭效应原理和特征，以期用于盖层封闭性评价和油气藏风险预测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，包括如下步骤：

S1、在实验条件下对盖层和储层进行突破压力测试，获取盖层突破压力和储层突破压力，通过对盖层突破压力和储层突破压力进行校正，得到盖层毛管压力和储层毛管压力，计算二者差值，得毛管压力差△P_c；

S2、求取盖层中流体流动需要克服的启动压力梯度；

S3、结合S1得到的盖层和储层中烃水界面的毛管压力差和S2得到的盖层中流体流动需要克服的启动压力梯度，得到烃柱高度与盖层厚度关系为

其中，

H_cw+H_ch＝H_c

获得在盖层厚度为H_c时的烃柱高度H_h，即盖层最大封闭烃柱高度；

△P_c为盖层和储层中烃水界面的毛管压力差，H_h为烃柱高度，λ为盖层中地层水流动需要克服的启动压力梯度，J为盖层中烃类流动需要克服的启动压力梯度，H_cw为盖层中地层水厚度，H_ch为盖层中烃厚度，ρ_w为底层水密度，ρ_h为烃密度，G为重力加速度，H_c为盖层厚度。

优选的，所述S1中，包括S11-S15五个具体步骤；其中，

S11为采用空气排驱饱和煤油岩心的实验方法测试突破压力，由于突破压力是盖层封闭能力评价的重要实验参数，用上述实验方法测试的突破压力用于代表毛管压力用于盖层评价。

S12为时间校正，根据实验测试确定突破压力的时间校正方程：

在突破时间无限长的情况下，突破压力更接近毛管压力，并且由公式(9)可以看出，毛管压力以外还存在一个与时间成反比的阻力，该阻力为流体达西渗流过程中得粘滞阻力，因此，公式(9)还可以表达为

其中，

因此，在突破时间无限长的条件下可以得到突破压力的时间校正方程：

其中，

式中，P_b为突破压力，P_c为毛管压力，μ为流体粘滞系数，v为渗流速度，k为渗透率，L为测试样品长度，f为流体粘滞阻力；

公式(2)表明在达西渗流中，突破压力和毛管压力之差为流体粘滞阻力，在突破压力测试过程中，通过尽可能降低渗流速度，使粘滞阻力减小，得到的突破压力则更接近测试样品的毛管压力。

S13为流体性质校正，由于实际地层中岩石是饱和地层水，而由于S11中的实验方法导致实验中的流体性质为饱和煤油，因此将饱和煤油条件下的毛管压力转换为饱和水介质条件下的毛管压力，二者转换关系为：

其中，P_w为实验条件下饱和水介质毛管压力，σ_w-g为实验条件下的气-水界面表面张力，σ_o-g为实验条件下的气-煤油界面表面张力，P_o为实验条件下饱和煤油截止毛管压力；

S14为温度校正，由于公式(3)是在室温条件下测得的，而流体表面张力会随温度变化而变化，因此需要进行温度校正，以获得更准确的毛管压力，温度矫正方程如下：

其中，

将公式(3)、(4)与上式合并，就能够得到对时间、流体性质以及温度校正后的方程：

该方程为地层条件下的毛管压力方程，将S11中求得的盖层突破压力和储层突破压力通过公式(5)进行校正，从而获得地层条件下的校正后的盖层毛管压力和地层条件下的校正后的储层毛管压力；

式中，σ'_w-g为地层条件下的气-水界面表面张力，T为地温，T'地温梯度，T₀为地表温度，D为埋深，P'_w为地层条件下的毛管压力；

S15中将S14中获得的校正后的盖层毛管压力和校正后的储层毛管压力进行求差运算，获得的差值△P_c即为S1所求。

优选的，所述S2，在非达西渗流中，由于启动压力的存在，只有当压力梯度大于某临界值时，流体才会发生渗流，其临界压力梯度就是启动压力梯度，因此，启动压力梯度为影响盖层封闭能力的关键参数，由于，流体在泥质岩盖层中具有明显的非达西渗流特征，而公式(2)为达西渗流情况下的时间校正方程，故引入启动压力梯度λ，将公式(2)的达西渗流修正为非达西渗流：

在公式(6)中表明了突破压力预测是样品长度之间具有正相关关系，且标明对于一定长度的测试样品，在流体渗流速度接近零的情况下，流体粘滞阻力可以忽略，在突破压力测试过程中通过降低流体渗流速度和减小样品长度，均可获得更接近的毛管压力，因此公式(6)符合现有的科学依据。

泥质岩中地层水启动压力梯度的存在正是泥质岩超压保存的主要因素，并且地层超压梯度近似等于地层水启动压力梯度，即实际超压线与静水压力线的斜率之差：

其中，K_实为实际地层超压梯度，K_静为静水压力梯度，△p为实际地层超压与静水压力之差，△h为深度差。

优选的，S3分为S31-S34四个具体步骤，

S31根据盖层厚度封闭原理，在缓慢渗流情况下，流体粘滞阻力忽略不计，因此，动力和阻力达到平衡，得到公式：

(ρ_w-ρ_o)GH_o+(ρ_w-ρ_g)G(H_g+H_cg)＝λH_cw+JH_cg+ΔP_c (7)

公式(7)针对油气藏，表明了油柱高度和气柱高度之和具有多解性；

式中，ρ_o为油密度，ρ_g为天然气密度，H_o为储层中油柱高度，H_g为储层中气柱高度，H_cg为盖层中天然气厚度。

S32中修改公式(7)，获得了针对纯天然气或纯油藏的动力和阻力的平衡公式：

(ρ_w-ρ_h)GH_h＝λH_cw+JH_ch+ΔP_c (8)

S33为了获得烃柱高度与盖层厚度的关系，将公式(8)进行转换：

其中，

H_cw+H_ch＝H_c

S34、将S1、S2获取的数值带入公式(1)，当盖层厚度为H_c时获得最大封闭烃柱高度H_h；

另外，针对纯天然气藏而言，由于天然气在盖层中流动需要克服的启动压力梯度J很小，即JH_cg≈0，因此若要使盖层厚度达到最大封闭烃柱高度，则H_cw＝H_c，此时，最大封闭烃柱高度与盖层厚度的关系为：

最大气柱高度与盖层厚度具有线性正相关关系，但其成立要满足以下条件：①盖层毛管压力大于储层毛管压力；②天然气渗流速度缓慢，地下流体粘滞阻力可以忽略；③盖层纵向物性变化不大，没有被断层或裂缝贯穿；④圈闭闭合度和气藏充注程度高，盖层封闭能力是控制烃柱高度的关键因素。

经由上述的技术方案可知，基于现有技术，本发明公开提供了一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，适用于常规油气藏泥质岩盖层的最大封闭烃柱高度计算。确定了盖层厚度与最大封闭烃柱盖度之间的定量关系，解释了盖层厚度封闭效应原理和特征，为盖层封闭性和油气藏风险预测提供了一种可行的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法流程图；

图2附图为突破压力与突破时间的关系；

图3附图为非达西渗流特征图；

图4附图为烃类突破盖层力学分析层；

图5附图为纯天然气藏盖层封盖原理图；

图6附图为储层烃柱高度与盖层厚度和封闭能力关系图；

图7附图为地层超压梯度计算示意图；

图8附图为西湖凹陷X气藏盖层中地层压力分布图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，包括如下步骤：

S1、计算地层条件下的盖、储毛管压力差

S11采用空气排驱饱和煤油岩心的实验方法测试实验条件下的盖层突破压力和储层突破压力，并以此代表毛管压力用于盖层评价；

S12对突破压力进行时间校正，由于S11中的方法存在突破压力测试在较短时间内让气体突破岩心，导致所施加的压力通常大于岩心中最大连通孔喉对应的毛管压力的问题；根据图2所示，在突破时间无限长的情况下，突破压力值更小，突破压力接近毛管压力，因此为了获得更准确的毛管压力，需要对时间进行校正，时间校正方程为：

根据公式(9)可知，在突破饱和煤油岩心的过程中，出毛管压力外还存在一个与时间成反比的阻力，这个阻力就是流体达西渗流过程中产生的粘滞阻力，因此公式(9)可以等效为下式：

其中，

因此，获得时间无限长条件下的突破压力的时间校正方程：

其中，流体粘滞阻力为：

公式(2)表明在达西渗流中，突破压力和毛管压力之差为流体粘滞阻力，在突破压力测试过程中，通过尽可能降低渗流速度，使粘滞阻力减小，得到的突破压力则更接近测试样品的毛管压力。

S13对突破压力进行流体性质校正，由于实际地层中岩石是饱和地层水的，而S11中的实验方法导致流体性质为饱和煤油，因此需要将饱和煤油条件下获得的毛管压力转换成饱和水介质条件下的毛管压力，转换关系为：

S14对突破压力进行温度校正，根据公式(8)可以获得测试样品在室温条件下饱和水介质的毛管压力，但是流体表面张力会随温度发生变化，所以需要进行温度校正，温度校正公式如下：

其中，

将公式(3)、(4)与上式合并，就能够得到对时间、流体性质以及温度校正后的方程：

该方程为地层条件下的毛管压力方程，将S11中求得的盖层突破压力和储层突破压力通过公式(5)进行校正，从而获得地层条件下的盖层毛管压力和地层条件下的储层毛管压力。

S15求盖、储毛管压力差，将S14中获得的盖层毛管压力和储层毛管压力进行求差运算，获得的差值△P_c即为S1所求。

S2、计算盖层启动压力梯度

S21引入启动压力梯度λ，根据图3所示，在非达西渗流中，由于启动压力的存在，只有当压力梯度大于某临界值时，流体才会发生渗流，a点代表最大连通孔喉的启动压力梯度，只有压力梯度大于a点时，流体才开始在最大连通孔喉中流动，因此a点对应的启动压力梯度是影响该层封闭能力的关键参数；由于流体在泥质岩盖层中具有更加明显的非达西渗流特征，股因素启动压力梯度λ，将公式(2)描述的达西渗流修正为非达西渗流：

S22计算地层水的启动压力梯度，如图7所示，泥质岩中地层水启动压力梯度的存在正式泥质岩超压保存的主要因素，并且底层超压梯度近似等于地层水启动压力梯度，即实际超压线与静水压力线的斜率之差：

S3、预测盖层最大封闭气柱高度

S31如图4所示，储层中不断积聚的烃类从盖层底部向盖层顶部运移的过程是排驱盖层中所含地层水的过程，以烃作为研究对象，对该过程进行力学分析，认为阻碍烃类向上运移的作用力主要包括烃类自身的重力、盖层中地层水和烃类所受的阻力、盖层和储层中烃水界面处的毛管压力差以及流体渗流过程中得粘滞阻力，动力则是烃类所受的浮力，在缓慢渗流情况下，流体粘滞阻力可以忽略不计，因此当动力和阻力达到平衡时，存在如下关系式：

(ρ_w-ρ_o)GH_o+(ρ_w-ρ_g)G(H_g+H_cg)＝λH_cw+JH_cg+ΔP_c (7)

S32由于S31中的动力和阻力平衡关系式针对的是油气藏，而仅对纯天然气藏或纯油藏而言，公式(7)可以简化为：

(ρ_w-ρ_h)GH_h＝λH_cw+JH_ch+ΔP_c(8)

S33将公式(8)进行转换，获得烃柱高度与盖层厚度的关系为：

其中，

H_cw+H_ch＝H_c

S34将S1、S2中求取的数值带入公式(1)，当盖层厚度为H_c时获得最大封闭烃柱高度H_h。

另外，当盖层封闭纯天然气藏是，由于天然气在盖层中流动需要克服的启动压力梯度J很小，JH_cg≈0，因此H_cw＝H_c；此时，最大封闭烃柱高度与盖层厚度的关系为：

如图5所示，公式(11)表明纯天然气藏的最大气柱高度主要有盖层中地层水的启动压力和盖层与储层的毛管压力差贡献，最大气柱高度与盖层厚度具有线性正相关关系。但是，当盖层厚度H_c接近于零时，单纯靠毛管压力产生的封闭效应也将无法满足，因此盖层封闭油气存在一个厚度下限(参考附图6)。

如图6所示，盖层封闭能力主要由毛管压力和启动压力两部分贡献，最大烃柱高度所在的虚线代表一定厚度的盖层具有的最大封盖潜力，但同一厚度的盖层实际封盖的烃柱高度通常小于该厚度对应的最大封盖潜力。

在一个具体实施例中，以西湖凹陷X气藏为例，应用上述方法计算盖层最大封闭气柱高度，具体步骤如下：

S1、计算地层条件下的盖、储毛管压力差

在实验条件下(25℃)的盖层饱和没有毛管压力平均为2.8MPa，测试样品平均深度为3100m；储层饱和煤油毛管压力平均为2MPa，测试样品平均深度为3900m；气-水界面表面张力为72×10^-3N/m，气-煤油界面的表面张力为25×10^-3N/m；地表温度取样品测试的实验温度25℃，地温梯度取3.5℃/100m，将上述数值分别相应带入公式(5):

即可求得底层条件下的盖层P_c(毛管压力)＝2.9MPa、P_c(储层毛管压力)＝1.8MPa，则二者差值△P_c＝1.1MPa。

S2、计算盖层启动压力梯度

天然气缓慢渗流，因此粘滞阻力和吸附阻力可以忽略不计，但是天然气侵入盖层中需要排驱盖层孔喉中的地层水，而地层水被排驱的过程中要受到吸附阻力的作用，因此求取盖层中地层水的启动压力梯度为关键步骤。

泥质岩中地层水启动压力梯度的存在正式泥质岩超压保存的主要因素，并且地层超压梯度近似等于地层水启动压力梯度，即实际超压线与静水压力实线之差(参考附图8)：

根据图2所示，将实线斜率K_实和和虚线斜率K_静带入公式(10)，即可获得地层水启动压力梯度：

λ＝K_实-K_静＝0.0205MPa/m-0.0098MPa/m＝0.0107MPa/m

S3、求盖层最大封闭气柱高度

X气藏盖层总厚度为200m，地层水密度为1000Kg/m³，天然气密度去200Kg/m³，地层条件下盖、储毛管压力差为1.1MPa/m，盖层启动压力梯度约为0.0107MPa/m，重力加速度为9.8N/Kg，由于本实施例为天然气藏，因此，将上述数据带入公式(11)：

获得最大气柱高度约为413m，而x气藏进过试气资料证实的最大气柱高度为380m，由此证明该方法可行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在实验条件下对盖层和储层进行突破压力测试，获取盖层突破压力和储层突破压力，通过对所述盖层突破压力和储层突破压力进行校正，得到盖层毛管压力和储层毛管压力，计算二者差值，得毛管压力差△P_c；

S2、求取盖层中地层水流动需要克服的启动压力梯度；

S3、结合S1得到的盖层和储层中烃水界面的毛管压力差和S2得到的盖层中流体流动需要克服的启动压力梯度，得到烃柱高度与盖层厚度关系为

其中，

H_cw+H_ch＝H_c

获得在盖层厚度为H_c时的烃柱高度H_h，即盖层最大封闭烃柱高度；

△P_c为盖层和储层中烃水界面的毛管压力差，H_h为烃柱高度，λ为盖层中地层水流动需要克服的启动压力梯度，J为盖层中烃类流动需要克服的启动压力梯度，H_cw为盖层中地层水厚度，H_ch为盖层中烃厚度，ρ_w为底层水密度，ρ_h为烃密度，G为重力加速度，H_c为盖层厚度。

2.根据权利要求1所述的一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，其特征在于，所述S1的具体步骤如下：

S11、采用空气排驱饱和煤油岩心的实验方法测试实验条件下的盖层突破压力和储层突破压力；

S12、进行时间校正，在突破时间无限长的情况下，根据实验测试确定突破压力的时间矫正方程：

P_b为突破压力，P_c为毛管压力，μ为流体粘滞系数，v为渗流速度，k为渗透率，L为测试样品长度；

S13、进行流体性质校正，S11中的实验方法导致实验中流体的性质为饱和煤油，因此将饱和煤油条件下获得的毛管压力转换为饱和水介质条件下的毛管压力，两者之间转换关系为

其中，P_w为实验条件下饱和水介质毛管压力，σ_w-g为实验条件下的气-水界面表面张力，σ_o-g为实验条件下的气-煤油界面表面张力，P_o为实验条件下饱和煤油截止毛管压力；

S14、进行温度校正，由于公式(3)是在室温条件下测得的，而流体表面张力会随温度变化而变化，因此需要进行温度校正，温度校正方程为：

其中，

通过对时间、流体性质以及温度的校正，获得了在地层条件下的毛管压力方程：

将S11中获得的盖层突破压力和储层突破压力通过公式(5)进行校正，即获得校正后的盖层毛管压力和校正后的储层毛管压力；

其中，σ′_w-g为地层条件下的气-水界面表面张力，T为地温，T'地温梯度，T₀为地表温度，D为埋深，P'_w为地层条件下的毛管压力；

S15、所述S14中获得的校正后的盖层毛管压力和校正后的储层毛管压力进行求差计算，获取二者差值△P_c。

3.根据权利要求1所述的一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，其特征在于，所述S2的具体步骤如下：

S21、引入启动压力梯度λ，将达西渗流条件下的公式(2)修正为非达西渗流条件下的公式：

S22、计算地层水的启动压力梯度，地层水的启动压力梯度为实际超压线与静水压力线的斜率之差：

其中，K_实为实际地层超压梯度，K_静为静水压力梯度，△p为实际地层超压与静水压力之差，△h为深度差。

4.根据权利要求1所述的一种预测盖层最大封闭烃柱高度的方法，其特征在于，所述S3的具体步骤如下：

S31、根据盖层厚度封闭原理，在缓慢渗流情况下，流体粘滞阻力忽略不计，因此，动力和阻力达到平衡，公式如下：

(ρ_w-ρ_o)GH_o+(ρ_w-ρ_g)G(H_g+H_cg)＝λH_cw+JH_cg+ΔP_c (7)

ρ_o为油密度，ρ_g为天然气密度，H_o为储层中油柱高度，H_g为储层中气柱高度，H_cg为盖层中天然气厚度；

S32、所述S31中动力和阻力的平衡公式针对的是油气藏，而对于纯油藏或者纯天然气，可以获得如下动力和阻力的平衡公式：

(ρ_w-ρ_h)GH_h＝λH_cw+JH_ch+ΔP_c (8)

S33、将公式(8)进行转换，获得烃柱高度与盖层厚度的关系：

其中，

H_cw+H_ch＝H_c

S34、通过将S1、S2求取的数值带入式(1)，当盖层厚度为H_c时获得最大封闭烃柱高度H_h。

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