能源地质学教学课件PPT石油和天然气运移.ppt

能源地质学 主讲人：杜振川 第二篇 石油和天然气地质学 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二篇 石油和天然气地质学 油气的运移：石油和天然气在地壳内的任何游动。 石油和天然气的运移，是它们在生油层中生成之后就开始的，所 以，油气运移是油气生成过程的继续。在生油岩中生成的、呈分散 状态的油气，经过初次运移进入储集层中，在储集层中又经过二次 运移，进入具有封闭条件的地方聚集起来而形成油气藏。已经形成 的油气藏，可以由于圈闭条件的改变或其他原因而遭到破坏，使得 油气重新运移；并可能在新的圈闭中再聚集，造成一个新油气藏的 再形成；或者是流失地表，遭到完全破坏。总之，油气运移是和油 气藏的形成、破坏、再形成连系在起的。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二篇 石油和天然气地质学 油气的运移：石油和天然气在地壳内的任何游动。 油气运移聚集过程示意图 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二篇 石油和天然气地质学 油气运移研究的内容： 油气在运移当中的物理状态、运移方式、促使油气运移的动力因 素、油气在生油层中进行初次运移的机理； 油气在储集层中所进行的二次运移过程，以及运移的时期、方向 、规模等等。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 初次远移：将油气从烃源层向储集层的运移，即在烃源层中生成的 石油和天然气，自生油层向储集层中的运移。 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 一、初次运移和二次运移 油气的初次运移 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 二次运移：将油气进入储集层以后的一切运移 。 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 一、初次运移和二次运移 油气的二次运移 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 二、油气运移的基本方式 渗滤 渗滤是一种机械运动方式，液体在渗滤过程中遵守能量守恒 定律，它总是由机械能高的地方向机械能低的地方流动； 渗滤是一种整体流动方式，在流动中表现出一定的相态，在 达到吸附平衡以后各种组分的浓度基本不改变。 渗滤可以用达西定律来描述 ：q=ks(p2p1)/(lu) 即：单位时间内液体通过岩石的流量(q)与通过岩石的截面积(s)、 岩石的渗透率(k)及液体压力差(p2p1)成正比，而与液体的粘度(u)和 液体通过岩石的长度（l）成反比。 渗滤与扩散 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 二、油气运移的基本方式 渗滤与扩散 扩散：是分子布朗运动产生的传递过程：这种运动可引起 流体(气体、液体)的分子不断进行再分配，扩散的结果是使 浓度梯度达到均衡。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 三、岩石的润湿性 润湿性：是指流体附着固体的性质，是一种吸附作用。 润湿流体：易附着在岩石上的流体称； 非润湿流体：不易附着在岩石上的流体。 在多种互不混溶的流体共存于岩石孔隙中时，润湿流体又称润湿 相，非润湿流体又称非润湿相。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 三、岩石的润湿性 例如，在油水两相共存的孔隙中，如果水易附着在岩石上，这时 我们称水为润湿相，油为非润湿相，岩石具亲水性；反之，如果 油易附着在岩石上，这时我们称油为润湿相，水为非湿润相，岩 石具亲油性。 孔隙亲水介质 孔隙亲油介质 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 四、油气运移临界饱和度 油(气)运移的临界饱和度：把油(气)水同时存在时，油(气)相运移 所需的最小饱和度。 对于一定的岩石，当岩石中存在多相流体时，由于不同流体 之间以及流体与岩石之间的相互作用，存在最低的含水饱和度 、含油饱和度或含气饱和度，各种流体饱和度低于此值时，它 们的有效渗透率为0，即不发生流动。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 五、地层压力、折算压力和测压面 地层压力：地下多孔介质中流体的压力，亦可称为地层流体压力 或孔隙流体压力。 为直观反映地层压力的大小，工程上常使用水压头的概念 式中 h水压头，m p地层压力，pa pw水的密度，kgm3 g重力加速度。ms2 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第一节 与油气运移有关的几个基本概念 五、地层压力、折算压力和测压面 测压面：同一层位各点水压头顶面的连线。 测压面是一个想像的面，用来反映横向上水压头的变化。在静水 条件下，测压面是水平的；在动水条件下，测压面是倾斜的。 折算压力：指测点相对于某一基准面的压力，在数值上等于由 测压面到折算基准面的水柱高度所产生的压力。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二节 石油和天然气的初次运移 一、油气初次运移的相态 1、水溶相运移： 油气被水溶解成分子溶液，水作为油气运移的载体进行运移。 2、游离相运移： 即游离油相和游离气相，包括分散状和连续状油(气)相。 3、油溶气相、气溶油相运移 ： 石油与烃类气体有互溶性，天然气可溶解于石油中，呈油相 形式运移（油溶气相），石油也可溶于天然气中呈气相方式 运移（气溶油相）。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二节 石油和天然气的初次运移 一、油气初次运移的相态 1）决定油气在地下进行初次运移相态的因素： 油气在地下究竟呈什么相态进行初次运移，取决于烃源层 的岩石类型和组构特点、地层温度和压力、埋藏深度、孔隙 度大小及孔隙水多少、有机质类型及其生烃量和生烃性质等 多种因素。因此，不同地区、不同岩性、不同深度情况下油 气运移的相态是不同的。 油气初次运移相态演化 能源地质学课件 一、油气初次运移的相态 2）油气在地下进行初次运移相态的相态演化： 对于泥质烃源岩来讲，在低成熟阶段，埋深较浅，孔隙度较大，地层 水较多，生烃量较少且胶质、沥青质含量高，这时油气的初次运移以水 溶相运移最有可能，水作为载体。在某些适合大量形成生物化学气的环 境中，所生成的生物甲烷气除呈水溶相运移外，也可以游离相运移。 随着埋深的增加，进入生油高峰阶段，由于油气的大量生成，孔隙水 不足以溶解掉所生成的油气，这时油气主要呈游离相运移，其中所生成 的气体多溶于油中，呈油溶气相运移； 在生凝析气阶段则主要以气溶油相运移，气作为石油的载体； 在过成熟阶段，烃源岩大量生气，这时，天然气则呈游离气相运移。 油气初次运移相态演化 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二节 石油和天然气的初次运移 一、油气初次运移的相态 2）油气在地下进行初次运移相态的相态演化： 碳酸盐岩由于其易固结的成岩特点，岩石中缺少水来源， 压实作用很弱，因此，其所生油气多是在具备排烃动力后以 游离相排出。 油气初次运移相态演化 能源地质学课件 第二节 石油和天然气的初次运移 一、油气初次运移的相态 油气初次运移相态演化 油气初次运移过程的可 能相态（tissot，1978 ） 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第二节 石油和天然气的初次运移 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 油气要从烃源岩中运移出来，必须存在驱动力。 目前一般认为：烃类从其烃源岩层中排出的原因是由于烃源岩存在 剩余压力。 剩余压力：是指岩层的实际压力超过对应的静水柱压力的部分。 由于不同点的剩余压力不同，从而驱动孔隙流体(包括由、气、 水)沿剩余压力变小的方向运移。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，岩石体密度增加 。 1、剩余压力的主要原因： 1、压实作用： 对于一套地层，当其中的流体压力为静水压力时（压实平衡）。如 果在之上又新沉积了一个体密度为 、厚度为lo的薄沉积层，新沉 积物的负荷会使下伏地层进一步压实，此时颗粒要重新紧缩排列，孔 隙体积要缩小。就在这些变化的瞬间，孔隙流体就要承受部分上覆负 荷压力，结果使孔隙流体产生了超过静水压力的剩余压力。正是在剩 余压力作用下，孔隙流体得以排出，当排出一定量后，孔隙流体压力 又恢复为静水压力。 随着上覆地层的不断增加，孔隙流体压力持续出现瞬间剩余压力与 正常压力的交替变化，从而不断把孔隙中的流体排出，孔隙体积不断 减小。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，岩石体密度增加 。 1、剩余压力的主要原因： 1、压实作用： 对于厚度均等新沉积物，其剩余压力为： 新沉积物的密度； 地层水的密度； g重力加速度； l0新沉积物的沉积层的厚度。 垂向剩余压力梯度为： 在这种情况下，压实流体的流动方向为垂直向上的。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，岩石体密度增加 。 1、剩余压力的主要原因： 1、压实作用： 当新沉积层横向厚度有变化时，则剩余压力横向上也有变化 ，例 如楔状沉积物，压实流体不仅在垂向上由深部向浅部运移，同时在 横向上也发生由比较厚点向比较薄的点运移。 这种厚度变化现象常出 现在由盆地中心向盆地 边缘的过渡带。因此， 压实流体常常是从盆地 中心向盆地边缘运移。 在楔状沉积物负荷下压实流体的排出方向 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，岩石体密度增加 。 1、剩余压力的主要原因： 1、压实作用： 在砂、泥岩互层剖面中， 由于压实使泥岩孔隙度减小 得比砂岩快，即在相同负荷 下泥岩比砂岩排出流体多， 这样泥岩孔隙流体所产生的 瞬间剩余压力比砂岩的大， 因此，流体的运移方向是由 页岩到砂岩。 砂、泥岩互层剖面中压实流体运移的方向 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，岩石体密度增加 。 1、剩余压力的主要原因： 1、压实作用： 总之，对于一个碎屑岩沉积盆地，从微观上看，压实流体总是由泥 岩向砂岩运移。从宏观上看，压实流体总是由深部向浅部、由盆地中 心向盆地边缘运移。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 2、欠压实作用： 欠压实作用：泥质岩类在压实过程中，由于压实流体排出受阻或来不及 排出，孔隙体积不能随上覆负荷增加而减小，导致孔隙流体承受了部分 上覆沉积负荷，出现孔隙流体压力高于其相应的静水压力的现象。 由于欠压实泥岩孔隙中存在剩余压力，特别是当欠压实程度进一步 强化，孔隙压力超过泥岩的承受强度，则会出现泥岩破裂，结果超压 流体会通过泥岩微裂缝涌出，达到排液目的。随着流体排出，孔隙超 压被释放，泥岩回到正常压实状态。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 2、欠压实作用： 正常压实带（nc）和欠压实带（uc）上覆沉积物负荷压力（s ） 流体压力（p）及颗粒支撑的有效应力（）关系图 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 3、蒙脱石脱水作用 在压实和热力作用下粘土岩 中的蒙脱石向伊利石转化，在 转化过程中释放结合水，并进 入粒间孔隙成为自由水。结合 水变成自由水其体积要膨胀， 从而增加了泥岩孔隙流体压力 ，促进流体运动，成为烃类初 次运移的动力。 蒙脱石随深度向伊利石转化增加 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 4、有机质的生烃作用 干酪根成熟后能生成大量油气(包括水)。这些油气(包括水)的体积 大大超过原干酪根本身的体积，这些不断新生的流体进人孔隙中， 必然不断排挤孔隙已存在的流体，驱替原有流体向外排出。当流体 不能及时排出时，则会导致孔隙流体压力增大，出现异常压力排烃 作用。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 5、流体热增压作用 当泥岩埋藏比较深，其可压实的比例逐渐减小，压实流体的运动 也随之减弱。但是，此时地层温度增加，流体发生膨胀，这种膨胀 使泥岩层内压力增加，从而促进流体运动。在大多数沉积盆地中， 地下温度随埋藏深度的增加而增高，导致流体热膨胀，促使热液流 体的运动。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 5、流体热增压作用 在砂泥岩剖面中，砂、泥岩孔隙中的流体都会发生热增压效应，但 是由于砂岩渗透性好，本身是一个相对开放的子系统，因此砂岩内往 往不会导致压力的异常升高，而泥岩不同，流体往往排泄不畅，容易 产生异常高压，因此，泥岩中的流体总是向砂岩运移。 从宏观上看，水热增压作用促使流体运动的方向，是从地温高的地 区向地温低的地区运动，从深处向浅处，从沉积盆地的中心向边缘运 移。这个运移方向与由于沉积物压实作用引起的流体运移方向是一致 的。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 6、渗透压力的作用（渗析作用） 渗析作用：是在渗透压差作用下流体会通过半透膜从盐 度低向盐度高方向运移，直到浓度消失为止。含盐量差别 越大，产生的渗透压差也越大。在渗透压力的作用下，渗 透流体发生运动，促使油气的初次运移。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 6、渗透压力的作用 （渗析作用） 泥 （页）岩中水的含盐量与孔隙度成反比关 系，即：含盐量增加，则孔隙度减小；因此， 含盐量从每层泥（页）岩的中间部分向边部增 高（地层水的含盐量随深度和压实作用的增加 而增加 ）。 含盐量与渗透压力之间也是成反比关系，即 ：含盐量高则渗透压力低；反之，含盐量低则 渗透压力高。因此，渗透流体运动的方向，是 从含盐量低的部分流向含盐量高的部分，所以 渗透流体的流动（渗析作用）能促进烃类从泥 （页）岩向砂岩运移，是烃类初次运移的动力 之一。 渗析作用示意图 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 1、剩余压力的主要原因： 7、毛细管力的作用 毛细管中液体上升的现象是毛细管力作用的结果。当两种不相混合 的液体呈相态接触，或一种液体与一种固体呈相态接触时，在界面上 都存在界面张力。在充满油、气、水的岩层中，由于三者对岩石的界 面张力不同，润湿程度也就不同。 在相界面上，毛细管力指向润湿性小的流体；在般情况下，水比 石油容易润湿岩石，因此，在岩石孔隙中，当油水接触时，界面向水 突出，毛细管指向石油。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 2、烃源岩排烃动力演变 促使油气初次运移的动力多种多样，但是在烃源岩有机质热演化生 烃过程的不同阶段，其主要排烃动力也是有差异的，即上述诸作用力 的作用时间及作用大小是不同的。 总体来讲，在中一浅层，压实作用为主要动力，在中一深层，异常 压力为主要动力。由于油气大量生成主要发生在中一深层，因此，异 常压力更显得重要。 能源地质学课件 二、油气初次运移的主要动力和运移方向 2、烃源岩排烃动力演变 在烃源层成岩作用阶段，主要形成生物化学气及少量低熟一未熟石油，烃源 岩以压实作用为主，因此所生成的油气在压实作用下被排挤出烃源层。 在成熟作用的初期，有机质开始生烃，蒙脱石大量脱水，因此这一阶段欠压 实作用、有机质生烃作用、蒙脱石脱水作用以及受温度影响的油气水热增压作 用并驾齐驱，迫使油水排出烃源层。 成熟作用中期，有机质进入生油高峰时期，同时也是粘土矿物脱水的第二个 阶段，大量新生流体(油、气、水)不断进入孔隙，导致孔隙压力不断增加形成 孔隙异常压力，当其压力超过烃源岩骨架强度时，就会产生微裂缝，在内部异 常高压推动下油气水不断涌出烃源岩。 在高成熟期，有机质进入生气高峰期，这一时期烃源岩相对致密，油气的排 出主要是由于气体的生成，以及热膨胀作用导致的异常压力的结果。 能源地质学课件 三、油气运移的途径 油气从烃源层向储集层运移的途径主要有孔隙、微层理面和微 裂缝。 在未熟一低熟阶段，运移的途径主要是孔隙和微层理面；但是 在成熟一过成熟阶段油气运移的途径主要是微裂缝。 能源地质学课件 四、油气初次运移模式 油气初次 运移模式 正常压实排烃模式 异常压力排烃模式 扩散模式 1、未熟一低熟阶段正常压实排烃模式 在未熟一低熟阶段，烃源层埋深不大，生成油气的数量少，烃源 岩孔隙水较多，渗透率相对较高，部分油气可以溶解在水中呈水溶 状态，部分可呈分散的游离油气滴，在压实作用下，随压实水流， 通过烃源岩孔隙运移到储集层中。 能源地质学课件 四、油气初次运移模式 3、轻烃扩散辅助运移模式 轻烃，特别是气态烃，通过短距离的扩散进入最近的输导层面、 裂缝系统、断层和所夹的粉砂岩透镜体中后，即转变为其他方式进 一步运移到储集层中。因此，轻烃的扩散可以作为一种辅助运移模 式。 但是，对于非常致密的深层储集层，或者处于流体异常高压状态 的地层，流体的渗流几乎不可能进行，这时，天然气的扩散作用则 显得更为重要。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第三节 石油与天然气的二次运移 二次运移：石油和天然气进入储集层以后的一切运移。 它包括油气在储集层内部的运移，以及油气沿断层或不整合面 等通道所进行的运移，也包括已经形成的油气藏由于圈闭条件的 改变，引起油气再运移而导致油气藏的调整和破坏过程。 能源地质学课件 第四章、石油和天然气的运移 第三节 石油与天然气的二次运移 石油在二次运移中主要呈游离相，天然气可呈游离相和水溶相。 一、二次运移的相态 二、油气二次运移的主要动力 浮力 水压力 构造运动力 能源地质学课件 第三节 石油与天然气的二次运移 二、油气二次运移的主要动力 1、浮力 石油和天然气的密度比水小，因此游离相的油气在水中存在浮 力，浮力的大小与油气密度和体积有关。 油相的浮力为： 式中：f浮力；v油相体积；g重力加速度； pw水的密度；po石油的密度。 浮力的方向垂直向上。在水平地层条件下，油气垂直向上运移至 储集层界面；在地层倾斜情况下，油气则沿地层上倾方向运移。 能源地质学课件 第三节 石油与天然气的二次运移 二、油气二次运移的主要动力 2、水压力 当沉积物固结成岩后，上覆静压力主要为岩石矿物颗粒的支架结 构所承担，故在储集层内，地层压力基本是由地层孔隙内流体所承 担。而在储集层内所含流体以水为主，油气受水压力而运移。 在水平地层情况下，水动力与浮 力垂直，油(气)体上浮至输导层顶 部被盖层所封闭后，如果水动力大 于毛细管阻力时，油气则沿水动力 方向运移。 水平地层油气在水动力推动下的运移 能源地质学课件 第三节 石油与天然气的二次运移 二、油气二次运移的主要动力 2、水压力 在地层倾斜情况下，存在水动力沿 地层下倾、上倾方向两种情况，其作 用也表现为阻力和动力两种结果。 在地层上倾方向与水流方向相同的 背斜一翼，水动力方向与浮力方向一 致，即水力起动力作用； 而在背斜的另一翼，水动力方向与 浮力方向相反，即水动力向下，浮力 向上，水力起阻力作用。 背斜地层水动力与浮力及油气运移方向 能源地质学课件 第三节 石油与天然气的二次运移 二、油气二次运移的主要动力 3、构造运动力 在地壳运动过程中，无论是挤压运动