泥岩地层产水与地层异常压力原因分析

文章编号:1000-2634(2007)01-0130-132
泥岩地层产水与地层异常压力原因分析3
李传亮
(“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室・西南石油大学,四川成都610500)
摘要:泥岩是碎屑岩的一种,有孔隙度,也有渗透率,但因孔隙开度较小,其渗透能力极差。

泥岩可以疏导地层水,只是疏导能力差而已。

一些油井投产初期产出的微量水来自于储集层上下两侧的泥岩地层,而非原油溶解的地层水。

异常地层压力是由突发地质事件所致,是一种暂时的压力状态,泥岩还没有足够的时间将其平衡。

关键词:地层;泥岩;压力;含水率;异常压力
中图分类号:TE112 文献标识码:A
引　言
泥岩和砂岩都属于碎屑岩,它们的主要区别在
于砂岩粒粗、孔大、渗流能力强,而泥岩则粒细、孔
小、渗流能力差。

砂岩地层可以充当油、气、水三种
流体的储集层,而泥岩则只能残存地层水,只有当泥
岩层为烃源层时,则可以残留一些油气。

当打开砂
岩地层时,只要施以一定的生产压差,就会有地层流
体(油、气或水)产出。

人们自然会问,若打开泥岩
地层,会有地层水产出吗?回答是肯定的。

但由于
泥岩地层的产水能力很差,人们一般不会从泥岩地
层中开采地层水,而只从产能较高的砂岩地层中开
采地下流体。

在石油工程领域里,泥岩一般被作为盖(隔)层
出现的,它的主要作用是封堵(分隔)地层流体。

人
们通常把泥岩看作非渗透地层。

可是,非渗透性的
泥岩又怎么可以产出地层水而成为渗透性地层的
呢?
1　理论解释
描述岩石物性参数之间关系的KozenyΟCar man
方程为[1]
k=<r2
8τ2
(1)
式中
k—岩石渗透率,D;
<—岩石孔隙度,%;
r—岩石孔隙半径,μm;
τ—为孔隙迂曲度,无因次。

泥岩和砂岩的内部结构如图1、图2所示。

根据式(1),泥岩和砂岩都有渗透率,只是泥岩的渗透率远低于砂岩,即渗流能力较差而已。

油气在砂岩地层运移过程中遇到泥岩就会停止下来,是由于毛管压力的阻力作用所致[2]。

单相地层水却会通过泥岩,当然,地层水通过泥岩的渗流速度比通过砂岩的渗流速度要低很多。

若砂岩的孔隙度为5%,孔隙半径为10μm,则由式(1)计算的砂岩渗透率为280mD。

若泥岩的孔隙度为5%,孔隙半径为0.01μm,则由式(1)计算的泥岩渗透率为0.00028mD。

二者相差甚大,因此,通常认为泥岩不具有工业渗流能力,只是渗流能力极低而已。

泥岩具有渗流能力,就一定会产出地层水。

2　生产现象
理论上泥岩是可以产出地层水的,实践也可找
第29卷　第1期 西南石油大学学报 Vol.29　No.1
　2007年　2月 Journal of South west Petr oleu m University Feb　2007　3收稿日期:2006-11-28
作者简介:李传亮(1962-),男(汉族),山东嘉祥人,博士,教授,主要从事油藏工程的教学与科研工作。

到泥岩确实产出地层水的例证。

图3为一口油井的生产曲线。

从图中曲线可以看出,油井投产即产水,
但投产初期的含水率极低,一般低于2%,直到油井
生产100天后,含水率才逐渐提高。

许多油井都呈
现出了图3所示的生产特征。

图3　油井生产曲线
当油井含水低于2%时,矿场上一般认为油井
还没有见水,油井所产的微量水并非来自油藏的边
底水或人工注入水。

当含水高于2%时,才表明油
井正式见水,此时的所产水被认为来自边底水或注
入水。

那么,油井投产初期产出的微量地层水到底
来自何处呢?
第一种说法是,所产水为油中溶解的地层水。

笔者不同意这种说法。

如果该说法成立,那么水在
油中的溶解度就太高了,至少可以达到2%。

根据
研究[3],石油在水中的溶解度很低,在地层温度下最
高为0.01%,在地面温度下几乎不溶解石油。

人们
通常把油水当作两种非互溶流体,2%的含水一定不
会是溶解状态的水。

第二种说法是,束缚水膨胀变成了可动水。

这
种说法当然也没有理论根据了。

既然是束缚水,一
定是不能流动的。

如果油藏压力下降,束缚水将膨
胀致使饱和度增大,一旦超过临界饱和度,束缚水就
开始流动。

油藏投产初期的压降较小,地层水的饱
和度可以用下式计算
s w =s wc (1+c w Δp )
(2)式中
s w —地层水饱和度,无因次;
s wc —地层的束缚水饱和度,无因次;
c w —地层水的压缩系数,M Pa -1;Δp —油藏压降,M Pa 。

若束缚水饱和度为25%,水的压缩系数为4×10-1MPa -1,油藏压降为5MPa,则由式(2)计算的地层水饱和度增量为0.05%。

由此可以看出,仅靠束缚水膨胀,油井不可能产出高达2%的含水率。

本文认为,油井所产水为泥岩盖(隔)层中流出的地层水。

当油井投产后,泥岩盖(隔)层与砂岩产
层之间便建立了压差(图4)。

在压差的作用之下,
泥岩中的地层水便流入产层,然后随油气一同从油
井产出。

由于泥岩盖(隔)层的渗流面积极大,即使
极低的渗透率,也可以流出足够多的地层水。

图4　泥岩渗流示意图3　异常压力既然泥岩具有渗透率,又可以疏导地层水,那么,异常地层压力又是如何形成和如何维持的呢?事实上,绝大多数的地层都具有正常的压力系统,只有极少数的地层才可能出现压力的异常,这是由于绝大多数的地层(砂岩和泥岩)都具有疏导流体能力的原因所致。

泥岩的渗透率有高低之分,一些颗粒极细、孔隙极小、渗透率极低的泥岩层(包括膏岩地层),疏导流体的能力极差。

在没有突发地质事件的情况下,这些地层呈现正常的压力系统。

突发地质事件使这些地层的压力发生了突然的变化(升高或降低),而变化了的地层压力需要一定的时间才能重新达到平衡状态。

在没有达到平衡之前,地层压力即呈现异常。

因此,异常地层压力只是一种暂时的压力状态。

图5　油气聚集致异常高压
131第1期 李传亮等:　泥岩地层产水与地层异常压力原因分析
地层压力的异常有两种情况:异常高压和异常低压。

异常高压通常发生于被泥岩(或其他致密岩石,如膏岩)包围的砂岩(或其他储集岩)地层中(图5)。

在油气进入之前,砂岩地层处于正常的压力状态。

砂岩地层下方泥岩中生成的油气进入之后,地
层的压力必然升高[4,5]。

又由于砂岩被低渗透岩石
所包围,压力在短时间内难以彻底释放,因而形成了暂时的异常高压。

如果泥岩的渗透率不是特别低,在油气运移进入砂岩地层的同时,把其中的地层水进行了有效的疏导,则难以形成异常高压。

如果砂岩地层没有被泥岩完全包围,而是与地面有一定程度的连通(开放地层),也不可能形成异常高压。

如果油气生成过程不是突发的地质事件,而是与泥岩疏导地层水的过程同步进行,也不可能形成异常高压。

如果油气聚集是一个久远的事件,泥岩有足够的时间释放地层压力,也不可能形成异常高压。

由此可见,异常高压形成的条件是十分苛刻的,因此,数量极少就不足为奇了。

异常低压地层的形成,与油气生成和聚集通常没有什么关系,大多是因为突发的构造运动使地层挤压破碎产生了次生孔隙所致(图6)。

图6　地层破碎致异常低压由图6可知,碳酸盐岩(或砂岩)强度大脆性强,受压易碎,而泥岩(或膏岩)强度小韧性强,受压易变形,因此,当地层受到构造应力的挤压作用时,整个地应力便集中在碳酸盐岩地层之上,致使地层破
碎产生了一系列的次生裂缝,岩石孔隙体积增多,因而,地层的压力必然降低。

又由于碳酸盐岩被低渗透岩石所包围,压力在短时间内难以彻底平衡,因而形成了暂时的异常低压。

实践也表明,异常低压地层都是一些脆性岩石的破碎带。

如果泥岩的渗透率不是特别低,在地层形成异常低压的同时,向其中及时疏导了地层水,则难以形成异常低压。

如果碳酸盐岩地层没有被泥岩完全包围,而是与地面有一定程度的连通(开放地层),也不可能形成异常低压。

如果没有发生构造运动挤压地层产生次生孔隙,也不可能形成异常低压。

如果构造运动不是突发的地质事件,而是与泥岩疏导地层水的过程同步进行,也不可能形成异常低压。

如果构造运动是一个久远的事件,泥岩有足够的时间平衡地层压力,也不可能形成异常低压。

可见异常低压形成的条件也十分苛刻。

4　结　论(1)泥岩具有孔隙和孔隙度,因而也具有渗透率,可以疏导地层水;(2)油井生产初期产出的微量水,是泥岩流出的地层水,而非原油的溶解水和束缚水的膨胀所致;(3)数量极少的压力异常地层是因突发地质事件所致,是一种暂时的压力状态。

参考文献:
[1]　何更生.油层物理[M ].北京:石油工业出版社,1994:
48.
[2]　张厚福,方朝亮,高先志,等.石油地质学[M ].北京:
石油工业出版社,1999:120-122.
[3]　Price L C .Aqueous s olubility of petr oleu m as app lied t o
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[4]　李传亮.地层异常压力原因分析[J ].新疆石油地质,
2004,25(4):443-445.
[5]　李传亮,靳海湖.也谈库车坳陷的异常高压问题[J ].新疆石油地质,2005,26(5):592-593.(编辑　朱和平)
231西南石油大学学报 2007年。