文章编号:167221926(2004)0120032205

收稿日期:2003209224;修回日期:20032112201基金项目:国家“973”项目“天然气动态形成过程和富集度研究”(编号:2001CB30913)资助1作者简介:刘朝露(19682),男,江西莲花人,硕士研究生,主要从事天然气地球化学研究.

水溶气运移成藏物理模拟实验技术刘朝露1,李　剑2,方家虎1,胡国艺2,严启团2,李志生2,马成华2,孙庆武2(1.中国矿业大学(北京),北京　100083;2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊　065007)

摘　要:通过自行设计的天然气运移成藏物理模拟仪,对实际岩芯样品进行了高压水溶气运移成藏的物理模拟实验,目的是研究水溶作用对天然气运移指标产生的影响以及水溶气甲烷和乙烷碳氢同位素、C

2+

󰃗总烃、iC4󰃗nC4等8项地球化学参数的变化。实验结果表明:随着运移距离的增加,水溶

气中的非烃CO2含量普遍增大,烃类气体“甲烷化”趋势明显,C2+以上的含量随碳数升高而降低(至C5

含量基本可以忽略不计),轻烃组分中的苯和甲苯含量由低(气源)到高(运移距离近)再变低(运

移距离远),甲烷碳和氢同位素变化幅度均不大(仍具有略偏正的特征)。认为这些地球化学参数的变化特征对水溶气气藏的识别和油气运移的研究均具有重要的参考价值。关键词:水溶气;运移成藏;物理模拟中图分类号:TE12211 文献标识码:A

0　前言早在20世纪60年代,国外已有不少学者测定了烃类气体在水中的溶解度[1,2],并提出水溶气藏形

成的可能性[2]。70年代,Price[3]提出了可以用烃类在水中的溶解度研究石油初次运移,同时,在意大利、匈牙利、菲律宾、尼泊尔、伊朗和日本等国家相继发现了水溶性天然气藏并生产了水溶性天然气[1];

这些发现更增加了人们对天然气溶解实验研究的兴趣[4,5]。目前,这些成果已应用于天然气的运移与聚集的定量研究[6～8]。与国外相比,我国对水溶气运移成藏的研究起步较晚。我国学者孙永祥[9]多次探讨了地下水对气藏形成的影响,郝石生[10]等研究了天然气在地层水中溶解度的变化特征,付晓泰等[11]提出了气体在地层水中的两种主要溶解机理。上述研究工作主要是在不同的温压条件下探讨地层水对天然气溶解的一些物理参数,解决了水溶气量的问题,而对天然气以水溶相运移而形成的水溶气藏的一些地球化学参数的变化特征,如水溶气的组分组成及其碳氢同位素和轻烃特征的研究却进行得较少。本文通过自行设计的天然气运移成藏物理模拟仪来对际岩芯进行高压水溶气运移成藏物理模拟实验,目的是研究水溶气在运移成藏过程中的组分组成及其碳氢同位素和轻烃等一些地球化学参数的变化特征。这些参数特征对天然气的运聚以及水溶气藏的寻找和识别均具有重要的参考价值。1　水溶相天然气释放的地质条件付晓泰等[11]通过实验研究认为,天然气在地层水中的溶解主要存在两种机理:一种是天然气分子与水分子作用形成水合分子;另一种是天然气分子填充在水分子的间隙中。无论是哪一种机理,天然气的溶解度都会受到温度和压力变化的影响。压力增大,天然气在地层水中的总溶解度增大,反之,则减小。温度对其影响相对较为复杂,当温度小于80℃左右时,天然气溶解度随温度升高而减小;当温度大于80℃左右时,天然气溶解度随温度升高而逐渐增大。矿化度也对天然气溶解度有一定的影响:矿化度越高,溶解度越小;反之,矿化度越低,溶解度越大。但矿化度对天然气在地层水中的溶解度较温度和压力的影响要小得多。由上述分析可以看出,地层水中天然气的溶解度与其所处温度、压力和矿化度存在密切关系。Ko2

第15卷第1期2004年2月 天然气地球科学NATURAL　GAS　GEOSCIENCE Vol.15No.1Feb.　2004rsenshejin[12,13],zorking等[14,15]学者在研究西伯利亚大气田中的水溶作用时认为,水溶相天然气在运移的过程中,由于地质条件的改变(如沿断层垂向运移)或由于地壳抬升,使含水层隆起或地层水基准面区域性或局部性降低和温度、压力逐渐降低,导致被地层水溶解的天然气由未饱和-饱和-过饱和而释放出来成为游离气,并在有利的圈闭中(低势区)聚集成水溶气藏。2　模拟实验2.1　样品的选取岩样:选取苏6井两块深灰色致密砂岩作为岩芯样品。该样品孔隙度为0.37%～0.75%,渗透率为(0.0024～0.0027)×10-3Λm2,长度30114～30137mm。内径:24.9cm。气样:气源气样品采自华北油田采油四厂气站,其组分组成见表1,轻烃组分特征见图2。水样:通过人工配制浓度为100g󰃗dm3的

NaCl

溶液代替地层水。2.2　实验装置及步骤实验装置如图1所示[16]。实验装置是由长岩芯夹持器、手动泵、中间容器、阀门、高压气瓶及一些管线组成,以长岩芯夹持器为主体。采用实际岩芯,根据不同的地层情况和地质条件,组成运、聚、盖圈闭系统,综合模拟天然气在岩石中的运聚特征和成藏过程。该装置具有以下特点:

(1)采用实际岩芯。岩芯柱最长可达

80cm

,

根

据不同的地层实际情况,可以对不同物性的岩芯进行组合。(2)实验装置耐高温高压。可模拟上覆地层压

力0～70MPa,气体充注压力0～30MPa,实际温度为室温到120℃。(3)岩芯夹持器具有多测孔,可在不同长度段

观测取样和检测天然气在运移过程中的特征参数和

表1　水溶气模拟实验样品测定数据样品编号烃类气体组成(%)

C1C2C3iC4nC4iC5nC5C6+非烃气体含量(%)CO2N2iC4󰃗nC4C2+󰃗总烃(%)∆13C(‰)C1C2C3∆D(‰)C1C2

备注

188.158.712.530.280.270.030.020.011.030.351.0411.85-40.8-28.2-25.8-216.7-177.6气源气14MPa

288.308.552.560.260.260.030.020.021.350.43111.70-40.6-28.0-25.6-213.4-176.5气顶气14MPa

398.051.320.490.0520.048000.0426.701.081.95-40.6-28.0-25.8-214.5-175.5498.071.510.310.040.03000.0424.701.331.93-40.4-27.9-26.0-213.9-176.1水溶气597.731.910.280.030.02000.0320.001.502.27-40.5-28.2-25.4-214.6-175.3696.892.770.280.030.02000.0115.301.53.11-40.2-27.5-25.3-213.8-174.9796.393.160.400.030.0200010.801.53.61-40.3-27.6-25.7-214.5-175.2

图1　水溶气运移成藏物理模拟实验装置示意压力变化规律。实验步骤如下:(1)进样。将配好的(根据气田水文地质资料或直接用地层水)矿化水注入中间容器中,抽真空,检查装置的气密性,然后再将天然气注入中间容器中,并使之压力达到指定值(14MPa),恒压4h。(2)溶解:经过一段时间(时间长短与介质有关,一般为7～15d

)

,使天然气在水中充分溶解并达

到平衡。(3)解析:将干燥后的岩芯装入岩芯夹持器中

,

加环压5MPa,抽真空,然后将中间容器中的水溶气通过阀门调节缓慢向岩芯夹持器中充注,最后在饱和盐水中采集水溶气样。(4)测试:对采集的样品进行相关分析测试。

33No.1 刘朝露等:水溶气运移成藏物理模拟实验技术 3　实验结果分析与讨论实验前采集气源气样1个,实验完毕后采集容器顶部气样1个,然后采集水溶气气样5个,共计7

个样品。样品量为30ml。时间间隔15min。实验样品测定结果见表1。需要进一步说明的是:①岩芯采用致密砂岩的原因是作者曾对游离相天然气做过扩散运移模拟实验,此次用同样的岩芯做水溶相运移,目的是想了解天然气以水溶相和游离相运移时的各种地球化学参

图2　水溶气运移成藏物理模拟实验结果 数特征的异同;②由于温度对水溶气运移影响较为复杂,所以该实验温度仅在室温下进行;③样品采集是在开放的体系中进行,因此可认为本实验是模拟天然气在高压下以水溶相运移、在常压下解析并聚集而成水溶气的一些地球化学参数特征。从表1和图2的资料中可以获得如下一些初步认识。(1)水溶气碳、氢同位素特征。实验样品碳同位

素和氢同位素是由Finnigan公司生产的Delta

plus

43 天　然　气　地　球　科　学 Vol.15XL仪器测定。从表1中可以看出,气源气甲烷碳同位素为-40.8‰,顶部气该值为-40.6‰,而水溶气该值为-40.2‰～-40.6‰,变化幅度极小,甚至是在实验仪器的误差范围之内;但多次研究发现,甲烷碳同位素还是具有略偏正的特征;对于C2+以上的碳同位素,其变化幅度更小,而且具有不同的变化趋向。另外,从表1中还可以看出,气源气甲烷氢同位素为-216.7‰,顶部气的为-213.4‰,水溶气的为-214.9‰～-213.8‰,其总体变化趋势与甲烷碳同位素一致,变化幅度也不大,并略具偏正的特征。作者在研究中还发现,甲烷碳同位素以游离相扩散运移时,分馏效应可达9.8‰,而以水溶相运移时不足1‰。作者认为,出现这种现象主要原因可能与高压水溶气在运移的过程中容易形成优势运移通道而导致渗流作用在运移中占主导地位有关。(2)水溶气烃类组分组成与非烃含量变化特

征。样品组分是通过Agilent6890N进行分析测定。从表1中可以看出,气源气甲烷含量为88.15%,实验完毕后,气顶气甲烷含量为88.30%,基本未发生变化。而水溶气中甲烷含量最高达98.05%,相对于气源气来说,水溶气中“甲烷化”趋势十分明显。其C2+

以上部分的减少随碳数升高而变得非常明显,

C2+

󰃗总烃在气源气中为11.85,而在水溶气中为

1193～3.61,这一现象可能应归结于不同碳数烃的扩散速率差异和岩芯中的沉积物对重烃的相对较强的吸附能力。另外,iC4󰃗nC4也从1104上升至为115,

这说明,水溶气在运移过程中可造成异构烷烃的相对富集和正构烷烃的不断丢失,至C5含量极微。另外,从非烃气体变化中可以看出,CO2的含量在气源气中仅为1.03%,在顶部气中也只有1.35%,而在水溶气中最高达26.7%,增幅较大。这是高压水溶气藏的典型特征。N2含量明显降低,在水溶气中几乎不含N2。(3)水溶气轻烃组分特征。样品是由

HP5890

分析仪测定的,测定结果见图2。从表1和图2中可以看出,水溶作用对天然气轻烃含量影响比较大。由于不同的轻烃组分在地层水中的溶解度不同(芳烃>环烷烃>链烷烃),经过不同路径运移后,天然气中的C6～C8轻烃分布发生了显著的变化:气源气中芳烃的含量,尤其是苯和甲苯的含量相对极少;经过水溶作用后,水溶气中苯和甲苯的含量显著增加,在芳烃含量中占绝对优势;运移时由于压力的降低,苯和甲苯又从水中脱附出来