石油地质学第6章油气运移

1、第六章 石油与天然气的运移,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 流体动力与油气运聚研究实例,一、概念 油气运移即油气在地下的流动，或在地下因自然因素所引起的位置移动。按油气运移所发生的场所可分为初次运移和二次运移。,1 概述,初次运移油气自生油层向储集层（运载层）中的运移。 二次运移油气进入储集层/运载层之后的一切运移。,二、地下油气运移的证据 1.地表渗出的油气苗（说明从地下地表运移）； 2.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）； 3.采出的石油中可以找到比储层时代老的孢粉（由老的生油层储层）； 4.生油岩多为细粒岩石如泥岩、

2、页岩，而目前的产油层多为粗粒的砂岩等岩性（生储）； 5.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）。,三、油气运移研究的意义 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；运移是是联结生、储、盖、圈等静态条件的纽带。 油气运移要研究的问题是：油气怎样从源岩中排出；什么时候排出；排出来多少；运移到什么地方；可能到哪儿聚集以及可能聚集多少等等。显然这些问题正是油气勘探和评价中急待解决的问题。,四、发生运移的必要条件 1、流体 2、动力条件 3、通道,2 油气运移过程中的受力分析,一地静压力 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)：,地静压力随

3、着上覆地层的增厚而增大，它对下伏沉积物的作用主要是促进了压实和固结作用。 泥岩的正常孔-深关系：,沉积物可分为两部分，颗粒骨架和孔隙中的水：,和Pf各司其职：促使岩石发生压实作用，Pf则促使在压实中流体排出。,二异常流体压力 异常高压/地压/超压 异常低压 异常高压的成因： 1、压实与排水的不平衡 上覆负荷在孔隙流体和岩石骨架上作用力的分配关系，决定着沉积物的压实状态。,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水之间平衡的最小渗透率界限值Kmin，岩石实际渗透率与它的相对大小关系，决定了岩石所处的压实状态。,2、水热增压 石英的热膨胀率仅为水的1/15，水的膨胀效应更为明显。 体系

4、的开放/封闭； 封隔性边界又往往是隔热层。,3、粘土矿物的转化 泥质岩中含有50%以上的粘土矿物，在成岩过程中，粘土矿物将发生一系列变化，如蒙脱石S伊利石I。 S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。,4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一个附加的气体压力，其大小可描述为：,式中，fg和fCO2分别为气体和CO2分子的自由度数(fg=6.452，fCO2=6.667)，Ng、NCO2则分别为气体和CO2的数值密度增量，Ck为玻尔兹曼常量 (=1.3810-16尔格K-1)，T温度(K)；Pwg水的蒸汽压力。 显然

5、，气态烃生成量越大(以Ng衡量)，体系越密闭，这一因素对异常压力形成的贡献就越大。,总 结： 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。如某种机制在某一个地方起主要作用，在另一个地区则为次要因素； 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物质基础封闭体系都可由它引起。,前苏联南里海盆地地下超压分布示意图,三水力（狭义） 充满于岩层中的水，它在渗透层中流动时能带动油气一起运移。 含水层中的水在重力作用下由高势区流向低势区，水从A侧进，从B侧出，其连线即为理论上的动水压面。沿水流方向单

6、位距离的压力降称压力梯度。当地层倾角不大时，（P1-P2）/L（P1-P2）/l；故dP/dLdP/dl。,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，油柱长度为L时，水力为： P=LdP/dl 可见,水压梯度越大,油柱长度越大,水力就越大。,四浮力 由于流体之间的密度差(w-o、w-g、o-g)产生的力，按阿基米德定理，单位面积上的水对石油的浮力为： F=(w-o)g H H连续油相高度。 显然，连续油柱越高，浮力值就越大。,当地层倾斜时，油气上浮到储集层顶面时，将继续在浮力作用下沿储集层顶面向上倾方向运移。如果储层倾角为，上倾方向的分布F1大小是： F1

7、=FSin =(w-o)gHSin 天然气与石油的浮力比较：,五毛细管力 这是毛细管中的物理现象，属于表面力。 显然：df1=0； 而沿管壁的分力则为： df2=dfcos=dlcos (dl壁长) 沿管壁积分：F2=df2=2rccos 故单位面积上的压力为：,毛细管压力的方向由润湿相指向非润湿相（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：震前应力能量积累阶段（水位趋势性下降），震时能量释放阶段（水位急剧上升），震后应力调整阶段（水位缓慢回升，后恢复正常）。,唐山地震前后(1970一1980)渤海湾及邻近地区各油井动态异常变化。

8、由此说明，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，气态烃比液态烃更容易扩散，另外，岩石介质不同时分子的通过能力也不同，一般：干燥岩石 水层 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。 ,3 油气的初次运移,一、油气发生初次运移时的介质环境特点 1泥质岩的孔隙细小 泥质岩中片状硅酸盐50%，随着泥质岩增多，岩石孔隙不仅越来越小，且越来越扁平，呈长方形。,而泥岩中的极微

9、小孔隙，将造成油气运移时面临特别大的毛管阻力。,2、泥质岩的比表面积大 比表面积单位体积岩石中所有颗粒的表面积之和。 Hinch(1980)曾对相同体积的砂岩与页岩内表面积进行过近似计算，以1mm直径球形颗粒堆积代表砂岩，计算出 50cm3砂岩的内表面积为0.3m3，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均值，计算出 50cm3 页岩的内表面积约23500m2，发现后者比前者约大80000倍。 3、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于被吸附大部分岩石为水润湿，吸附水一般位于颗粒表面13层，粘度相当大（是普通水的8倍），不易流动，称为半固态水

10、，每层厚3A。 4、泥质岩在成岩作用晚期可排出的水量相当少,二初次运移的相态 水溶态 这种运移方式既便于解释分散烃类的移动，又使生油层中的运移活动简化为单相（水相）渗流，从而避免了遭遇巨大毛细管阻力的可能，从而烃类顺利排出于生油层之外。 标准状况下，甲烷在水中的溶解度为24.4ppm，随压力增大，溶解度迅增，至埋深2500米处溶解度已经是地表的约100倍，说明水溶态至少是天然气运移的重要方式之一。 石油能否以水溶态运移，关键仍取决于溶解度大小。 主要石油烃在标准状况下的溶解度分布规律：大多数原油中的主要成分是高C重分子，它们在水中的溶解度一般低于1ppm。 然而，如果按照一些含油区的已知探明储

11、量与母岩排水量进行估算，上述烃类在水中的溶解度显然太小。 Dickey(1975)估算，应大于10000ppm Tissot和Pelet(1971)：最低应为 8000ppm。,1高温增溶说 Price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：160，150ppm；275，8000ppm；325，52000ppm；350，90000ppm；375，230000PPm；超过375时，低重度原油将裂解为凝析油。 反对意见： 2皂胶增溶说 Baker提出，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。R-COOH中非极性端R一般憎水，极性端COOH亲水。当皂分

12、子达到一定浓度时，其极性端因亲水憎油而向外，非极性端因亲油憎水而向内，形成规则的分子集合体，称为胶束(粒)或皂胶束。,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。 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0.05%时在常温下可搬运510PPm的烃，依次类推，皂浓度为5%时则可运移500-1000PPm的烃。其次，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。另外，水中含盐量增大直到超过正常海水时，也可不断促进胶束的形成与烃类的增溶。 值得怀疑之处： 近来发现，与水溶运移形式相矛盾的现象目益增多。

13、 总之，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，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。, 游离相态 石油形成于成岩作用晚期，此时泥岩孔隙中大部分为结构水，孔隙中能流动的水已很少，从而使的水的有效渗透率减小。 只要油相在自由水中的饱和度大于油发生运移的临界饱和度，油即可以游离相态与水一起发生运移。Dickey（1975）认为，这一临界饱和度值在砂岩中为20，而在泥岩可降低到10以内。 Magara根据上述思想绘制了一个油相运移的模式图。,McAuliffe（1980）也主张石油以游离相运移，但他强调这种作用必须沿着生油层中的干酪根网

14、络才能进行，而与水的运动无关。他认为干酪根是亲油的，因此油沿这样的网络运移是比较容易的，他还推测当烃/有机质为2.510%时，即可发生这种流动。, 分子扩散形式 Leythaeuser等人（1982）指出，烃类分子通过饱含水孔隙的扩散可能是初次运移的一种有效形式，认为轻烃通过扩散作用，在饱和了水的母岩孔隙中进行最初阶段的短距离运移（几分米/几米）是很有效的，母岩中的气态烃首先储层界面、断层、裂缝系统及粉砂岩透镜体扩散运移，再以其它方式进行运移直到最后聚集为止。,计算发现，有效扩散系数随烷烃C数的增加呈指数降低。,扩散不仅可以作为轻烃聚集的动力，而且可使已聚集的气藏散失。 天然气运聚成藏的动平衡

15、。 总结：目前绝大多数人倾向于游离相是油气初次运移的主要形式。但因运移物质本身的性质变化很大，运移所通过介质的物理性质以及环境条件也都有明显变化，也不能完全排除在不同条件或不同阶段以其他形式运移的可能性。,三初次运移的动力 油气以游离相发生初次运移时，要面临巨大的毛管阻力。当温度为60（有机质成熟门限）时，对于中等比重(0.8753 0.8521）的原油，取油-水界面张力=21达因/厘米（假定=0），从而可计算出不同孔隙半径下毛细管压力的大小。,不同孔喉半径的毛细管压力大小 （据陈荷立，1987）,假定o=0.8251g/cm3，w=1.07g/cm3，则1m连续油柱所产生的浮力仅 0.025

16、Kg/cm2，因此，浮力在初次运移所起的作用是很小的。,只有在岩石中某一点出现过剩压力时，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，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Pc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。 由此看来，泥质母岩的排烃作用应是一个不连续的、多次进行的过程。“幕式”排烃,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，泥岩中便可产生极微裂隙。,微裂隙对油气运移的作用：增大了通道，降低

17、了阻力；增大了生油岩和储集岩的接触面积。流体释放后，压力减低到一定限度时，极微裂隙又会封闭，开始再一个循环。 因此，油气的排出是一种循环往复的过程，运移是断续、脉冲、幕式进行的。 总之，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。,五初次运移的方向和效率 初次运移的方向，主要取决于过剩压力梯度，即油气由过剩压力大处过剩压力小处运移。 总体上，初次运移方向以垂向为主，因在该方向过剩压力梯度较大。究竟是向上还是向下，则视泥岩中过剩压力的分布状况（过剩压力剖面）而定。,厚生油岩

18、中的过剩压力分布与排烃方向 有效烃源岩,因此有人提出，油气在垂直方向的运移距离非常有限。单向为1014m，上、下两侧共30m士。生油层虽厚，但能运移出来的油气仍然仅限于这一厚度的生油层内。,岩石孔隙喉道 - 微观模式,岩石是非均匀的，油气的运移必定是沿着阻力最小的通道发生，而油气生成时的立足之地往往也是岩石中尺度较大的孔隙中，因而，油气以游离相沿岩石孔隙和喉道的运移，肯定不是沿着最小的喉道，而是最 大的喉道运移。,泥质岩层微裂隙 - 形成机制,由于构造应力造成的裂隙或断裂的幕式开启有利于压力的快速释放，但不一定有利于油气的初次运移,泥质岩微裂隙 - 微观意义及机制,泥质岩微裂隙 - 形成模式,

19、DP,烃源岩层必须具备很高的过剩压力，并自然形成界面处的高压力梯度,在颗粒的缝隙间存在，在孔隙中盘踞 有效应力不作用在干酪根网络上 孔隙流体压力挤压干酪根网络，促使其中生成的油气的运移,烃源岩层应该具备较高的过剩压力 并在烃源岩与疏导层之间形成压力梯度,干酪根网络运移的模式,初次运移在三个尺度上的概念模型,4 油气的二次运移,二次运移是油气进入输导层后的一切运移。与初次运移的主要差别在于油气活动的空间增大，因此就带来了一系列不同于初次运移的特征。 一、二次运移的相态 如果烃类在初次运移中是溶于水的形式存在的，因储集层中温度和压力较小，而孔隙水的含盐量较高，将使油气最终从水溶液中分离出来，成为游

20、离相。,如果烃类以一定长度的游离油相(线状)离开母岩，进入储层后，空间变大，会立即形成油滴。只有当油气不断进入，小油滴才能汇集成较长的油链。,1阻力 当石油由大孔隙进入小孔隙，或由孔隙进入喉道时，油体大、小两端的毛管压力因半径不同，小的一端毛管压力较大，产生毛管压差Pc：,二、二次运移时的动力和阻力,2动力 有油气柱在水中所产生的浮力F和水动力P。 3受力分析 油气能否运移，主要看Pc、 F和P之间的大小关系。,尼日尔油田横剖面图 断层作为油气垂向运移的主要通道,不整合作为二次运移通道,四、流体势分布与油气二次运移方向 Hubbort将势定义为：“单位质量流体所具有的总机械能”。,而作用于流体的力是该点流体势的负梯度（力场强度）：,油、气、水在其各自的水势场中，其运动主要方向都是沿着阻力最小的途径由高势区向地势区运移，这是油气在地下运移的总规律。但具体的运移方向，则要受多种因素制约。,同一水动力场下不同流体运移方向的差异,五、石油在二次运移中的变化 1、色层分析效应（吸附效应） 在地下环境，矿物颗粒可相当于色层柱，因而将产生天然的色层分异效果。沿着运移方向： (1)非烃化合物(胶质、沥青烯、卟啉及V、Ni)减少，轻烃组分相对增多； (2)烃类内部烷烃相对增多，芳烃相对减少；,(3)烷烃中低分子烃相对增多，