第6章油气运移-1ppt课件

1、第六章第六章 石油与天然气的运移石油与天然气的运移油气水：流体矿产油气水：流体矿产盖层：盖层： 阻止逸散阻止逸散烃源岩：烃源岩：生烃生烃储集岩：储集岩：储存和渗透储存和渗透圈闭：圈闭：容留场所容留场所聚集成藏聚集成藏油油 气气 运运 移移（hydrocarbon migration） 概述 油气运移过程中的受力分析 油气的初次运移 油气的二次运移 科研实例:油气运移在勘探中的应用一、概念一、概念油气运移油气在地下的流动，或在地下因自油气运移油气在地下的流动，或在地下因自然因素所引起的位置移动。按油气运移所发生然因素所引起的位置移动。按油气运移所发生的场所可分为初次运移和二次运移。的场所可分为初

2、次运移和二次运移。 1 1 概述概述初次运移初次运移油气自油气自生油层向储集层运载生油层向储集层运载层中的运移。层中的运移。二次运移二次运移油气进油气进入储集层入储集层/ /运载层之后运载层之后的一切运移。的一切运移。初初次运移与二次运移示意图初次运移与二次运移示意图以古隆起背斜和地层尖灭油气藏为例以古隆起背斜和地层尖灭油气藏为例primary migration 初次运移初次运移secondary migration 二次运移二次运移垂向运移与侧向运移垂向运移与侧向运移二、地下油气运移的证据二、地下油气运移的证据 1.1.地表渗出的油气苗说明从地下地表渗出的油气苗说明从地下地表运移）；地表运

3、移）；克拉玛依：黑油山克拉玛依：黑油山 油泉油泉2.2.采油时很小的井孔可以流出大量的油气采油时很小的井孔可以流出大量的油气 （说明至少在开采时是四面八方汇集的结果）；（说明至少在开采时是四面八方汇集的结果）； 3.3.采出的石油中可以找到比储层时代老的孢粉采出的石油中可以找到比储层时代老的孢粉由老的生油层由老的生油层储层）；储层）； 注水井与采油井分布注水井与采油井分布三角形开发井网三角形开发井网4.4.生油岩多为细粒岩石如泥岩、页岩，而目前的产生油岩多为细粒岩石如泥岩、页岩，而目前的产油层多为粗粒的砂岩等岩性生油层多为粗粒的砂岩等岩性生储）；储）； 5.5.油藏中油气水按比重分异，从上到下

4、分别为气、油藏中油气水按比重分异，从上到下分别为气、油、水层内运移结果）。油、水层内运移结果）。三、油气运移研究的意义三、油气运移研究的意义与固体矿产相比，石油与天然气具有明显的与固体矿产相比，石油与天然气具有明显的运移性。油气的地质史就是油气的运移史；运移性。油气的地质史就是油气的运移史；运移是联结生、储、盖、圈等静态条件的纽运移是联结生、储、盖、圈等静态条件的纽带。带。油气运移研究要解决的问题：油气怎样从源岩中油气运移研究要解决的问题：油气怎样从源岩中排出；什么时候排出；排出来多少；运移到什么地排出；什么时候排出；排出来多少；运移到什么地方；可能到哪儿聚集以及可能聚集多少，等等。这方；可能

5、到哪儿聚集以及可能聚集多少，等等。这些问题正是油气勘探和评价中十分关键的问题。些问题正是油气勘探和评价中十分关键的问题。 四、发生运移的必要条件四、发生运移的必要条件 1 1、流体、流体 2 2、动力条件、动力条件 3 3、通道、通道2 2 油气运移过程中的受力分析油气运移过程中的受力分析一地静压力lithostatic pressure指某一深度地层在单位面积上所承受的上覆岩石柱的压力(压强)：ZdgZgSZss0l地静压力随着上覆地层的增厚而地静压力随着上覆地层的增厚而增大，它对下伏沉积物的作用主要增大，它对下伏沉积物的作用主要是促进了压实和固结作用。是促进了压实和固结作用。l泥岩的正常孔

6、泥岩的正常孔- -深关系：深关系：沉积物可分为两部分，颗粒骨架和孔隙中的水：沉积物可分为两部分，颗粒骨架和孔隙中的水：和和PfPf各司其职：各司其职：促使岩石发生压实作用，促使岩石发生压实作用，PfPf则促则促使在压实中流体排出。使在压实中流体排出。Effective stressFluid pressureAbnormal high pressureGeopressureOverpressureAbnormal low pressure/SubpressureExcess pressurefSP对于每一具体岩石来说，都有一个维持其压实需求与对于每一具体岩石来说，都有一个维持其压实需求与实际排

7、水之间平衡的最小渗透率界限值实际排水之间平衡的最小渗透率界限值KminKmin，岩石，岩石K K与与KminKmin的大小关系，决定其压实状态。的大小关系，决定其压实状态。Under Under compactioncompaction2、水热增压、水热增压石英的热膨胀率仅为水石英的热膨胀率仅为水的的1/15，水的膨胀效应，水的膨胀效应更为明显。更为明显。体系的开放体系的开放/封锁；封锁；封隔性边界又往往是隔封隔性边界又往往是隔热层。热层。3 3、粘土矿物的转化、粘土矿物的转化泥质岩中含有泥质岩中含有50%50%以上的粘土矿物，在成岩过程中，粘土以上的粘土矿物，在成岩过程中，粘土矿物将发生一系

8、列变化，如蒙脱石矿物将发生一系列变化，如蒙脱石SS伊利石伊利石I I。S S层间吸附水密度一般都高于自由孔隙水，故脱去单位质层间吸附水密度一般都高于自由孔隙水，故脱去单位质量的水将引起体积膨胀，促进异常高压的形成。量的水将引起体积膨胀，促进异常高压的形成。4 4有机质的热解生烃有机质的热解生烃天然气的大量生成，会给较为封闭的烃源岩系统产生天然气的大量生成，会给较为封闭的烃源岩系统产生一个附加的气体压力。一个附加的气体压力。显然，气态烃生成量越大，岩石体系越密闭，这一显然，气态烃生成量越大，岩石体系越密闭，这一因素对异常压力形成的贡献就越大。因素对异常压力形成的贡献就越大。总总 结：结： 各种成

9、因机制对异常压力的形成所起的作各种成因机制对异常压力的形成所起的作用在不同的地质条件下可以不同。如某种机用在不同的地质条件下可以不同。如某种机制在某一个地方起主要作用，在另一个地区制在某一个地方起主要作用，在另一个地区则为次要因素；则为次要因素； 在一个具体地区，对异常压力形成有贡献的因素在一个具体地区，对异常压力形成有贡献的因素也往往不止一个。从整体上来看压实和排水不平衡也往往不止一个。从整体上来看压实和排水不平衡机制意义似乎更大些，是后三种机制所赖以形成的机制意义似乎更大些，是后三种机制所赖以形成的物质基础物质基础封闭体系都可由它引起。封闭体系都可由它引起。南里海盆地地下超压分布示意图l

10、当有不溶于水的游离相油气存在时，推动油气前进的水动力应等于连片油气两端的水压差。若油柱长度为L：l P=LdP/dll当地层倾斜时，油气上浮到储当地层倾斜时，油气上浮到储集层顶面时，将继续在浮力作集层顶面时，将继续在浮力作用下向上倾方向运移。上倾方用下向上倾方向运移。上倾方向的分力向的分力F1F1大小是：大小是：l F1=FSinF1=FSinl =(w- =(w-o)gHSino)gHSinl天然气与石油的浮力比较：天然气与石油的浮力比较：故单位面积上的压力为：故单位面积上的压力为：c2cccrcos2rcosr2P毛细管压力的方向：由润湿相指毛细管压力的方向：由润湿相指向非润湿相如由水指向

11、油）。向非润湿相如由水指向油）。六其它力 构造应力：根据现今地震活动反映的构造应力场分布，地下水位的变化呈现如下规律：震前：应力能量积累(水位趋势性下降)，震时：能量释放(水位急剧上升)，震后：应力调整(水位缓慢回升，后恢复正常)。 唐山地震前后唐山地震前后(1970(19701980)1980)渤海湾及邻近地区各油井动渤海湾及邻近地区各油井动态异常变化。态异常变化。阐明：构造应力与油气的运移活动之间存在密切联系。阐明：构造应力与油气的运移活动之间存在密切联系。分子扩散力：由于介质内各处浓度不一致而导致的分分子扩散力：由于介质内各处浓度不一致而导致的分子布朗运动。由两地的浓度差和温度、压力引起

12、，结果子布朗运动。由两地的浓度差和温度、压力引起，结果是达到浓度的平衡。从运移意义来讲，气态烃比液态烃是达到浓度的平衡。从运移意义来讲，气态烃比液态烃更容易扩散，另外，岩石介质不同时分子的通过能力也更容易扩散，另外，岩石介质不同时分子的通过能力也不同，普通：干燥岩石不同，普通：干燥岩石 水层水层 被水润湿的岩石。被水润湿的岩石。内摩擦力：是石油流动时分子之间相对运动而引起的内摩擦力：是石油流动时分子之间相对运动而引起的摩擦力，一般可以用石油的粘度来表示。内摩擦力越小，摩擦力，一般可以用石油的粘度来表示。内摩擦力越小，越有利于分子运动和石油运移。越有利于分子运动和石油运移。3 3 油气的初次运移

13、油气的初次运移一、油气发生初次运移时的介质环境特点一、油气发生初次运移时的介质环境特点1 1泥质岩的孔隙细小泥质岩的孔隙细小泥质岩中片状硅酸盐泥质岩中片状硅酸盐50%50%，随着泥质岩增，随着泥质岩增多，岩石孔隙不仅越来越小，且越来越扁多，岩石孔隙不仅越来越小，且越来越扁平，呈长方形。平，呈长方形。泥岩中的极微小孔隙，将造泥岩中的极微小孔隙，将造成油气运移时面临特别大的毛成油气运移时面临特别大的毛管阻力。管阻力。随着沉积物埋深成岩程度的增加，岩石中的温度、压力、孔隙度变化。页岩孔隙直径与烃类分子的大小对比2 2、泥质岩的比表面积大、泥质岩的比表面积大比表面积比表面积单位体积岩石中所有颗粒的表面

14、积之和。单位体积岩石中所有颗粒的表面积之和。Hinch(1980)Hinch(1980)曾近似计算了相同体积的砂岩、页岩的曾近似计算了相同体积的砂岩、页岩的内表面积。他以内表面积。他以1mm1mm直径球形颗粒堆积代表砂岩，计直径球形颗粒堆积代表砂岩，计算出算出 50cm350cm3砂岩的内表面积为砂岩的内表面积为0.3m20.3m2，又用路易斯安，又用路易斯安那油田的页岩样品，实测其内表面积与颗粒体积的平那油田的页岩样品，实测其内表面积与颗粒体积的平均值，计算出均值，计算出 50cm3 50cm3 页岩的内表面积约页岩的内表面积约23500m223500m2。发。发现：页岩比砂岩约大现：页岩比

15、砂岩约大8000080000倍。倍。反映：泥岩的比表面积明显大于砂岩。反映：泥岩的比表面积明显大于砂岩。3 3、粘土矿物颗粒表面吸附性能极强、粘土矿物颗粒表面吸附性能极强 通常极性的水分子比非极性的烃类组分更易通常极性的水分子比非极性的烃类组分更易于被吸附于被吸附大部分岩石为水润湿，吸附水一般位大部分岩石为水润湿，吸附水一般位于颗粒表面于颗粒表面1 13 3层，粘度相当大是普通水的层，粘度相当大是普通水的8 8倍），不易流动，称为半固态水，每层厚倍），不易流动，称为半固态水，每层厚3A3A。4 4、泥质岩在成岩作用晚期可排出的水量相当少、泥质岩在成岩作用晚期可排出的水量相当少 （推理：晚期形成

16、的石油发生运移时以水溶（推理：晚期形成的石油发生运移时以水溶方式进行？不大可能。）方式进行？不大可能。）可能性分析：标准状况下，甲烷在水中的溶解度为可能性分析：标准状况下，甲烷在水中的溶解度为24.4 ppm24.4 ppm，随压力增大，溶解度激增，至埋深，随压力增大，溶解度激增，至埋深2500m2500m处处时，已是地表的约时，已是地表的约100100倍。阐明：水溶态至少可以是天倍。阐明：水溶态至少可以是天然气运移的重要方式之一。然气运移的重要方式之一。石油能否以水溶态运移？石油能否以水溶态运移？主要石油烃在标准状况下的溶解度分布规主要石油烃在标准状况下的溶解度分布规律：律：。但是，大多数原

17、油中的主要成分是高。但是，大多数原油中的主要成分是高C C重分子，它们在水中的溶解度一般低于重分子，它们在水中的溶解度一般低于1ppm1ppm。然而，如果按照一些含油区的已知探明储量与母然而，如果按照一些含油区的已知探明储量与母岩排水量进行估算，上述烃类在水中的溶解度显然岩排水量进行估算，上述烃类在水中的溶解度显然太小。太小。Dickey(1975)Dickey(1975)估算：应大于估算：应大于10000ppm10000ppmTissotTissot和和Pelet(1971)Pelet(1971)：最低应为：最低应为 8000ppm8000ppm。1 1高温增溶说高温增溶说立论依据：立论依据

18、：PricePrice用实验证明，怀俄明州法马尔全用实验证明，怀俄明州法马尔全油在水中的溶解度随温度升高而加大。实验数据是：油在水中的溶解度随温度升高而加大。实验数据是：160160，150ppm150ppm；275275，8000ppm8000ppm；325325，52000ppm52000ppm；350350，90000ppm90000ppm；375375，230000PPm230000PPm；超过超过375375时，低重度原油将裂解为凝析油。时，低重度原油将裂解为凝析油。反对意见：反对意见：2 2皂胶增溶说皂胶增溶说BakerBaker19651965提出，母岩中的极性有机分子皂即有机提

19、出，母岩中的极性有机分子皂即有机酸盐可对烃类起增溶作用。酸盐可对烃类起增溶作用。R-COOHR-COOH中非极性端中非极性端R R一般憎一般憎水，极性端水，极性端COOHCOOH亲水。亲水。l当皂分子达到一定浓度当皂分子达到一定浓度时，其极性端因亲水憎油时，其极性端因亲水憎油而向外，非极性端因亲油而向外，非极性端因亲油憎水而向内，形成规则的憎水而向内，形成规则的分子集合体，称为胶束分子集合体，称为胶束粒或皂胶束。粒或皂胶束。l形成胶束的组分常被称为增溶剂。生油岩中的脂肪酸、形成胶束的组分常被称为增溶剂。生油岩中的脂肪酸、环烷酸、脂醇和胺等都可形成胶束。环烷酸、脂醇和胺等都可形成胶束。l实验表明

20、，皂的浓度越高，每摩尔皂的增溶能力可能越实验表明，皂的浓度越高，每摩尔皂的增溶能力可能越大。皂浓度为大。皂浓度为0.05%0.05%时在常温下可搬运时在常温下可搬运5 510PPm10PPm的烃，依的烃，依次类推，皂浓度为次类推，皂浓度为5%5%时则可运移时则可运移500-1000PPm500-1000PPm的烃。的烃。l此外，温度的适当增高与束缚水从粘土中的释放，都可此外，温度的适当增高与束缚水从粘土中的释放，都可增大烃类溶解作用，后者将进一步促进皂胶束的形成。另增大烃类溶解作用，后者将进一步促进皂胶束的形成。另外，水中含盐量增大直到超过正常海水时，也可不断促进外，水中含盐量增大直到超过正常

21、海水时，也可不断促进胶束的形成与烃类的增溶。胶束的形成与烃类的增溶。 l可疑之处甚多：可疑之处甚多：l人们发现，与水溶形式运移相矛盾的现象目益增多。人们发现，与水溶形式运移相矛盾的现象目益增多。l小结：目前大多数人倾向于水溶形式可能不是石油早小结：目前大多数人倾向于水溶形式可能不是石油早期运移的主要方式，但天然气却可以溶于水的方式运移，期运移的主要方式，但天然气却可以溶于水的方式运移，因为在相同的条件下天然气比石油在水中的溶解度高的因为在相同的条件下天然气比石油在水中的溶解度高的多。多。 游离相态游离相态石油形成于成岩作用晚期，此时泥岩孔隙中大部石油形成于成岩作用晚期，此时泥岩孔隙中大部分为结

22、构水，孔隙中能流动的水已很少，从而使分为结构水，孔隙中能流动的水已很少，从而使得水的相渗透率减小。得水的相渗透率减小。只要油相在自由水中的饱和度大于油发生运移的只要油相在自由水中的饱和度大于油发生运移的临界饱和度，油即可以游离相态与水一起发生运临界饱和度，油即可以游离相态与水一起发生运移。移。DickeyDickey19751975以为，这一临界饱和度值在以为，这一临界饱和度值在砂岩中为砂岩中为2020，而在泥岩可降低到，而在泥岩可降低到1010以内。以内。 MagaraMagara19781978油相运移模式油相运移模式图图随着烃源岩压实成岩作用随着烃源岩压实成岩作用的增强，岩石的绝对渗透率

23、不的增强，岩石的绝对渗透率不断降低，水的相对渗透率不断断降低，水的相对渗透率不断减小，排出的水量减少，而油减小，排出的水量减少，而油的相对渗透率不断增大。的相对渗透率不断增大。考虑到岩石绝对渗透率与石油考虑到岩石绝对渗透率与石油的相对渗透率的匹配关系，认的相对渗透率的匹配关系，认为中等压实阶段将最有利于油为中等压实阶段将最有利于油的游离相运移。的游离相运移。McAuliffeMcAuliffe19801980）：游离相运移的石油沿生油层中的）：游离相运移的石油沿生油层中的干酪根网络进行，而与水的运动无关。亲油的干酪根干酪根网络进行，而与水的运动无关。亲油的干酪根内容易形成这样的运移网络。内容易

24、形成这样的运移网络。继而推测：当烃继而推测：当烃/ /有机质为有机质为2.52.510%10%时，即可发时，即可发生这种流动。生这种流动。 分子扩散形式分子扩散形式LeythaeuserLeythaeuser等等19821982）：轻烃）：轻烃通过扩散作用，在饱和水的母岩通过扩散作用，在饱和水的母岩孔隙中进行最初的短距离运移孔隙中进行最初的短距离运移几几dm/dm/几几m m是很有效的。是很有效的。运移方式：母岩中的气态烃先沿运移方式：母岩中的气态烃先沿储层界面、断层、裂缝系统及粉储层界面、断层、裂缝系统及粉砂岩透镜体扩散出去，再以其它砂岩透镜体扩散出去，再以其它方式进行运移。方式进行运移。研

25、究发现，有效扩散系数随烷烃研究发现，有效扩散系数随烷烃C C数的增加呈指数降低。数的增加呈指数降低。扩散对油气运移、聚集的两面性：扩散不仅可以作为扩散对油气运移、聚集的两面性：扩散不仅可以作为轻烃聚集的动力，同时也可使已聚集的气藏散失。轻烃聚集的动力，同时也可使已聚集的气藏散失。天然气的运移聚集动平衡：在一个圈闭内，运移量与天然气的运移聚集动平衡：在一个圈闭内，运移量与散失量的大小关系动态）散失量的大小关系动态） 总结总结目前大多数人倾向于游离相是油目前大多数人倾向于游离相是油气初次运移的主要形式。气初次运移的主要形式。但因运移物质本身的性质、运移但因运移物质本身的性质、运移所通过介质的物理性

26、质和环境条所通过介质的物理性质和环境条件都有明显变化，也不能完全排件都有明显变化，也不能完全排除在特定条件或某些时期以其它除在特定条件或某些时期以其它形式运移的可能性。形式运移的可能性。三初次运移的动力三初次运移的动力油气以游离相发生初次运移时，面临巨大的毛油气以游离相发生初次运移时，面临巨大的毛管阻力管阻力计算表明，当温度为计算表明，当温度为6060时，对于中等比重时，对于中等比重(0.8753(0.8753 0.85210.8521的的原油，取油原油，取油- -水界面张力水界面张力=21dyn/cm=21dyn/cm取取=0=0），），不同孔隙半径下毛细管不同孔隙半径下毛细管压力：压力：孔

27、隙半径孔隙半径rc(A)Pc(kg/cm2)5057.14071.43094.820142.810285.5ccrcos2P（据陈荷立，（据陈荷立，19871987）浮力能否担当这一重任？浮力能否担当这一重任？ 假定假定o=0.825g/cm3轻质油），轻质油），w=1.070g/cm3，则则1m所产生的浮力仅为所产生的浮力仅为0.025Kg/cm2，而，而100m的连续的连续油柱所产生的浮力也不过油柱所产生的浮力也不过2.5Kg/cm2。因此，浮力难以有效克服油气在初次运移中的面临因此，浮力难以有效克服油气在初次运移中的面临的毛细管阻力。的毛细管阻力。只有在岩石中某一点出现异常压力过剩压力时

28、，只有在岩石中某一点出现异常压力过剩压力时，流体才打破平衡开始流动，其流动方向指向过剩压力相流体才打破平衡开始流动，其流动方向指向过剩压力相对较低的地区。对较低的地区。同时，流体自泥岩的排出作用，也是压力释放的过程，同时，流体自泥岩的排出作用，也是压力释放的过程，其结果必然导致孔隙流体压力的降低和泥岩的补充压实，其结果必然导致孔隙流体压力的降低和泥岩的补充压实，当过剩压力差小于当过剩压力差小于PcPc时，流体即停止排出，待到压力积时，流体即停止排出，待到压力积蓄到足够高时，流体又可重新排出。蓄到足够高时，流体又可重新排出。因此，泥质母岩的排烃作用应是一个不连续的、多次进因此，泥质母岩的排烃作用

29、应是一个不连续的、多次进行的过程。行的过程。“幕式排烃观点幕式排烃观点四初次运移的通道四初次运移的通道目前，以微裂隙作为油气运移主要通道的观点目前，以微裂隙作为油气运移主要通道的观点越来越得到人们的承认。越来越得到人们的承认。当孔隙流体压力增大到超过岩石的机械强度时，当孔隙流体压力增大到超过岩石的机械强度时，泥岩中便可产生极微裂隙。泥岩中便可产生极微裂隙。微裂隙对油气运移的作用：微裂隙对油气运移的作用：增大了通道，降低了阻力；增大了通道，降低了阻力；增大了生油岩和储集岩的增大了生油岩和储集岩的接触面积。接触面积。当流体释放后，压力减低当流体释放后，压力减低到一定限度时，极微裂隙又到一定限度时，

30、极微裂隙又会封闭，开始再一个循环。会封闭，开始再一个循环。因此，油气的排出是一种因此，油气的排出是一种循环往复的过程，运移是断循环往复的过程，运移是断续、脉冲、幕式进行的。续、脉冲、幕式进行的。 5 5微裂隙微裂隙( (早期收缩裂隙被早期收缩裂隙被蛋白石蛋白石CTCT充填充填) ) 178 178（渤（渤l07l07井，井，ZH-38ZH-38，1083m1083m，NgNg，含粉砂泥岩）含粉砂泥岩）6 6平行层理的张裂隙平行层理的张裂隙 178 178渤渤l02l02井，井，ZH-2ZH-2，1163.02m1163.02m，NgNg，粉砂质泥岩）粉砂质泥岩）7 7平行层理与斜切层理的裂隙平

31、行层理与斜切层理的裂隙 178178营营2626井，井，Do-2Do-2，728.62m728.62m，NmNm，粉砂质泥岩）粉砂质泥岩）8 8铸膜孔，生物碎片平行层理分铸膜孔，生物碎片平行层理分布布 178178面面2020井，井，Do-4Do-4，1105m1105m，ES3ES3中，含粉砂灰质泥岩）中，含粉砂灰质泥岩）例：济阳坳陷泥质岩的孔隙（祝总祺等，1 9 9 6）小结：生油层孔隙压力升高所导致的微裂隙系统可小结：生油层孔隙压力升高所导致的微裂隙系统可能是初次运移的重要通道。此外，收缩了的干酪根能是初次运移的重要通道。此外，收缩了的干酪根之间、矿物颗粒与干酪根之间、次生晶体之间的纹之间、矿物颗粒与干酪根之间、次生晶体之间的纹层面、裂缝和断层等也可作为油气运移的通道。层面、裂缝和断层等也可作为油气运移的通道。五初次