斷裂帶泥巖涂抹封堵油氣運移實驗裝置及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及油氣成藏的實驗裝置及實驗方法，具體地說，涉及一種垂向斷裂帶泥巖涂抹封堵油氣側(cè)向運移的物理模擬裝置及實驗方法，通過改變斷裂帶泥巖涂抹程度，從而示蹤斷裂帶控制油氣運移路徑和運移過程的物理模擬方法。
【背景技術】
[0002]斷層封閉性是指斷層與地層物性的各向異性相配合所形成的能夠阻止油、氣繼續(xù)運移，使其聚集起來的新的物性和壓力系統(tǒng)。它在空間上表現(xiàn)為兩個方面，一是在側(cè)向上，斷層對穿過其斷層面?zhèn)认蜻\移的油、氣封閉作用，即斷層側(cè)向封閉性；二是在垂向上，斷層對沿斷層面垂向運移的油、氣封閉作用，即斷層垂向封閉性。斷層封閉性是形成油氣藏及控制油氣藏規(guī)模的重要因素，它的研究對于了解斷層在油氣成藏和石油勘探開發(fā)中具有重要的意義。
[0003]由于泥巖層的可塑性，在斷裂形成時，斷裂兩側(cè)的泥巖層常被拖拽進斷裂帶，形成長長的涂抹層敷在斷層面上，形成非滲透層。擠壓成因的逆斷層，由于受上覆巖層的重力作用和區(qū)域構造擠壓應力的作用，其泥巖涂抹的作用要相對較強。斷裂帶泥巖涂抹的程度和效果要受到斷裂的性質(zhì)、斷距、泥巖層的厚度和層數(shù)及斷面產(chǎn)狀和形態(tài)的影響。如果泥巖層越厚，涂抹的距離就會越長；泥巖層的層數(shù)越多，在斷層面可能會形成多重涂抹，涂抹的效果就會越好。斷面的產(chǎn)狀也影響到泥巖涂抹層的發(fā)育，斷面越緩，其受到的壓力越大，涂抹作用越強，越有利于涂抹層的發(fā)育。由于泥巖涂抹層的非滲透性，斷層面上形成的泥巖涂抹層可以阻礙油氣的運移。泥巖涂抹對斷層封閉性的影響還取決于其分布的連續(xù)性，而泥巖涂抹層空間分布的連續(xù)性又要受斷層本身斷距、斷移地層泥巖層厚度和層數(shù)的影響。泥巖層厚度越大，層數(shù)越多，泥巖涂抹層越發(fā)育，空間分布的連續(xù)性越好，反之則越差。
[0004]由泥巖涂抹層形成的側(cè)向封閉機制是斷層側(cè)向封堵機制的一種重要類型。泥巖涂抹是指在斷裂形成過程中，塑性的泥頁巖被拖拽進斷裂帶敷在斷面上，在斷裂面附近形成泥巖涂抹層。野外觀察表明斷裂帶中泥巖涂抹現(xiàn)象十分普遍，既可存在于逆斷層，又可存在于正斷層中。
[0005]早在1935年，Rettger在軟沉積物斷裂變形實驗中觀察到泥巖流入斷裂帶的現(xiàn)象；Perkins(1961)首次應用泥巖流入斷裂帶機理去解釋路易斯安那灣岸地區(qū)砂砂對接斷層封閉的現(xiàn)象；Lindsay(1993)研究成巖后斷裂變形導致的泥巖涂抹作用，從而證實在未固結(jié)、半固結(jié)和固結(jié)的砂泥層序中均可形成泥巖涂抹，規(guī)模從來源于砂泥巖薄互層中的數(shù)毫米或數(shù)厘米，厚到復雜斷層帶中的幾米厚；Sperrevik(2000)將泥巖涂抹定義為斷層上下盤泥巖層中的泥進入發(fā)育的斷裂帶中)沿著斷層面分布的泥巖薄膜；PeaCOCk(2000)等認為圍巖富泥物質(zhì)沿著斷層面分布即為涂抹(smear) ;1997年，呂延防和付廣等學者結(jié)合我國陸相盆地斷層發(fā)育特點提出了一套適合我國斷層泥巖涂抹系數(shù)的求取方法。
[0006]—般認為，斷裂帶泥巖涂抹的效果與斷面所受的力學性質(zhì)及斷層兩盤的巖性有關。Clausen和Gabrielsen (2002)研究表明斷裂帶在壓性條件下比張性條件下要形成更大程度的泥巖涂抹，泥巖層的連續(xù)發(fā)育趨勢隨壓力增加而增加。對泥巖涂抹分布規(guī)律物理模擬試驗研究表明，斷裂帶泥巖涂抹層的長度與斷移泥巖層的厚度、泥巖含水量呈正比關系，與斷距呈反比關系(呂延防等，2001)。這說明在壓性環(huán)境下，泥巖層的厚度越大，層數(shù)越多，越有利于泥巖層的涂抹。為了定量描述斷層泥的分布，Bouvier等(1989)提出用“泥巖涂抹能力”(CSP)可以判斷斷層的相對封閉程度。Lindsay等人(1993)把泥巖涂抹層的連續(xù)性與泥巖涂抹系數(shù)聯(lián)系起來，泥巖涂抹系數(shù)(SSF)是指斷層位移(L)與沿一個傾向橫剖面內(nèi)的斷層面所發(fā)生明顯位移的泥巖厚度(H)之比，即SSF = L/H。該方法意欲模擬以塑性方式被拖曳進斷層帶或注入斷層帶的不滲透性物質(zhì)的影響。這種方法明確假設斷層帶內(nèi)不滲透層逐漸變薄。
[0007]泥巖涂抹系數(shù)是是定量判斷在斷層面附近形成的泥巖沾污帶是否連續(xù)分布的一個重要參數(shù)。通過對特立尼達濱外哥倫比亞盆地蒂克油田和普伊油田的研究表明，在泥巖涂抹帶內(nèi)，只要SSF不超過4(即被斷移地層泥巖百分比不小于25% )就維持空間連續(xù)性，就起著封堵油氣的作用。但是，國內(nèi)一些研究者通過對大量油田的分析解剖指出，有效封閉泥巖厚度(指被斷地層中泥巖累積厚度最好不小于25%)有固定的界限值。但實際上有效泥巖涂抹系數(shù)則無統(tǒng)一界限值，各油田內(nèi)泥巖涂抹因子封閉界限值不同的主要原因，是受斷層落差和被斷地層中泥巖累積厚度的控制。在工作中若能建立各個研究區(qū)泥巖涂抹系數(shù)界限值，將對斷層或斷塊封閉性和封閉程度起到預測作用。因此，發(fā)明一種斷裂帶泥巖涂抹封堵油氣運移的實驗裝置及實驗方法可以用于探討斷裂帶泥巖涂抹封堵油氣運移機制和有效泥巖涂抹系數(shù)下限，不僅能促進石油地質(zhì)學科的發(fā)展，對油氣勘探工業(yè)也非常有意義。
[0008]現(xiàn)有的油氣運聚機理物理模擬基本都是在一個大的沙箱內(nèi)進行，通過在沙箱內(nèi)構置不同地質(zhì)模型，來模擬或驗證某個地區(qū)的油氣運移聚集規(guī)律，尚未發(fā)現(xiàn)有斷裂帶泥巖涂抹現(xiàn)象的物理模型設計，以及針對改變斷裂帶泥巖涂抹程度來進行斷裂控油機理研究的實驗裝置和實驗方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷和不足，提供了一種斷裂帶泥巖涂抹封堵油氣運移實驗裝置及實驗方法，以實現(xiàn)模擬在發(fā)生不同泥巖涂抹時的油氣運聚過程，分析泥巖涂抹影響油氣沿斷裂帶運移和聚集的規(guī)律及控制因素，深化對油氣成藏成因和油氣分布規(guī)律的認識，為含油氣盆地的油氣勘探提供依據(jù)，同時也可很好地為實驗教學服務。
[0010]本發(fā)明的技術方案是:一種斷裂帶泥巖涂抹封堵油氣運移實驗裝置，包括模擬器、與模擬器的流體注入口相連的流體注入口壓力控制系統(tǒng)和與模擬器的流體輸出口相連的流體輸出口壓力控制系統(tǒng)；所述模擬器包括地層箱體和位于地層箱體一側(cè)的斷裂帶體，所述斷裂帶體包括一側(cè)與地層箱體可拆卸連接的薄層空腔和位于薄層空腔另一側(cè)的斷裂帶體裝砂室，所述薄層空腔內(nèi)插裝有薄層玻璃板。
[0011]作為優(yōu)選，所述的薄層空腔的厚度為0.1-0.5cm,由于薄層空腔非常薄，流體可以越過該薄層空腔，從地層箱體運移到斷裂帶體裝砂室，以滿足流體從地層到斷裂帶的運移。
[0012]進一步的，所述薄層空腔與斷裂帶體裝砂室之間設有滲透性擋板。
[0013]作為優(yōu)選，所述滲透性擋板以及地層箱體與薄層空腔連接處的地層箱體側(cè)面和斷裂帶體裝砂室的側(cè)面均為帶微孔的薄層聚丙烯材料制成的PP防砂網(wǎng)。
[0014]作為優(yōu)選，所述滲透性擋板以及地層箱體與薄層空腔連接處的地層箱體側(cè)面和斷裂帶體裝砂室側(cè)面上的微孔孔徑為50-75微米，該孔徑對于粒徑在200目以上的石英砂防漏有效，但卻不能阻止油、氣、水的滲流，因此油、氣、水可以通過上述各板進行流通，使整個實驗裝置成為一個流體可以自由貫通的有效整體，但由于防砂滲漏有效，因此每個單元結(jié)構又是獨立的。
[0015]進一步的，所述薄層空腔的上部設有卡板，薄層玻璃板卡在卡板上；所述薄層玻璃板為無孔玻璃板或設有微孔的聚丙烯材料制成的PP防砂網(wǎng)。當實驗選擇無孔玻璃板時，無孔玻璃板充當完全有效的泥巖涂抹層，實驗中可以通過抽拉玻璃板，從而改變玻璃板在薄層空腔中的長度，即視為改變了泥巖涂抹層的長度來進行模擬實驗；當實驗選擇用設有微孔的PP防砂網(wǎng)時，實驗中可以通過改變PP防砂網(wǎng)中微孔孔徑的大小，即視為改變了泥巖涂抹層的質(zhì)量來進行模擬實驗。
[0016]作為優(yōu)選，所述薄層玻璃板上微孔的孔徑< 50微米，孔徑大小可以根據(jù)實驗需要而定，以模擬發(fā)生了不同程度的泥巖涂抹。
[0017]作為優(yōu)選，所述地層箱體包括上部的箱蓋和下部的地層裝砂室，所述地層裝砂室與薄層空腔可拆裝連接。
[0018]作為優(yōu)選，所述箱蓋的下底面為可拆卸的無孔玻璃板，其形狀與地層裝砂室的上表面形狀相同，均為起伏的地層形狀，且地層裝砂室側(cè)面的長度和寬度與薄層空腔側(cè)面的長度和寬度相同，增加了油氣運聚的有效性。當扣上箱蓋時，所述無孔玻璃板充當非滲透性的蓋層，阻止流體向上運移；地層裝砂室可以裝填不同粒徑石英砂，充當油氣的運載層，地層裝砂室的上表面為起伏的地層形態(tài)，一是模擬地下傾斜的地層形態(tài)，二是可以保證油氣在浮力作用下主體向著上傾方向運移，容易運移到一側(cè)的斷裂帶，以提高模擬實驗的效率和有效性。
[0019]進一步的，所述地層裝砂室與薄層空腔連接的一側(cè)設有多個插板，薄層空腔與地層裝砂室相連的一側(cè)設有與插板相對應的多個插槽，所述插槽與插板的數(shù)量相同，通過插槽和插板將地層裝砂室與薄層空腔連接在一起，從而將地層箱體與斷裂帶體固定為一體。
[0020]作為優(yōu)選，所述箱蓋上設有連接箱蓋和地層裝砂室的旋鈕開關，打開旋鈕開關，可以往地層裝砂室里充填石英砂，充填好后，再扣上即可進行實驗；所述斷裂帶體裝砂室的側(cè)面設有旋鈕開關，打開旋鈕開關，可以打開斷裂帶體裝砂室，向斷裂帶體裝砂室里充填石英砂，充填好后，再扣上即可進行實驗。