《油气运移》PPT课件.ppt

第六章 石油与天然气的运移,油气水：流体矿产,本章主要内容,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 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。,初,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,primary migration 初次运移 secondary migration 二次运移,垂向运移与侧向运移,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）；,克拉玛依：黑油山 油泉,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）；,注水井与采油井分布 三角形开发井网,4.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 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；运移是联结生、储、盖、圈等静态条件的纽带。,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；运移到什么地方；可能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。,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)：,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。,Effective stress Fluid pressure Abnormal high pressure Geopressure Overpressure Abnormal low pressure/ Subpressure Excess pressure,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K与Kmin的大小关系，决定其压实状态。Under compaction,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。,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。,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。,南里海盆地地下超压分布示意图,三水力（狭义） 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。若油柱长度为L： P=LdP/dl,四浮力 由于流体之间的密度差(w-o、w-g、o-g)产生的力。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。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向上倾方向运移。上倾方向的分力F1大小是： F1=FSin =(w-o)gHSin 天然气与石油的浮力比较：,五毛细管力 毛细管中的物理现象，属表面力。 df有两个分力，垂直管壁df1=0； 沿管壁：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(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(19701980)渤海湾及邻近地区各油井动态异常变化。 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。,泥岩中的极微小孔隙，将造成油气运移时面临特别大的毛管阻力。,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、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)曾近似计算了相同体积的砂岩、页岩的内表面积。他以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0.3m2，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：页岩比砂岩约大80000倍。 反映：泥岩的比表面积明显大于砂岩。,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，每层厚3A。,4、泥质岩在成岩作用晚期可排出的水量相当少 （推理：晚期形成的石油发生运移时以水溶方式进行？不大可能。）,二初次运移的相态 水溶态 优点：此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，避免了遭遇巨大毛细管阻力的可能，使烃类顺利排出生油层。,可能性分析：标准状况下，甲烷在水中的溶解度为24.4 ppm，随压力增大，溶解度激增，至埋深2500m处时，已是地表的约100倍。说明：水溶态至少可以是天然气运移的重要方式之一。,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律：。但是，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 立论依据：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（1965）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。 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。,可疑之处甚多： 人们发现，与水溶形式运移相矛盾的现象目益增多。 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，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（1978）油相运移模式图 随着烃源岩压实（成岩）作用的增强，岩石的绝对渗透率不断降低，水的相对渗透率不断减小，排出的水量减少，而油的相对渗透率不断增大。 考虑到岩石绝对渗透率与石油的相对渗透率的匹配关系，认为中等压实阶段将最有利于油的游离相运移。,McAuliffe（1980）：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。亲油的干酪根内容易形成这样的运移网络。,继而推测：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（1982）：轻烃通过扩散作用，在饱和水的母岩孔隙中进行最初的短距离运移（几dm/几m）是很有效的。 运移方式：母岩中的气态烃先沿储层界面、断层、裂缝系统及粉砂岩透镜体扩散出去，再以其它方式进行运移。,研究发现，有效扩散系数随烷烃C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，运移量与散失量的大小关系（动态）,总结 目前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、运移所通过介质的物理性质和环境条件都有明显变化，也不能完全排除在特定条件或某些时期以其它形式运移的可能性。,三初次运移的动力 油气以游离相发生初次运移时，面临巨大的毛管阻力,计算表明，当温度为60时，对于中等比重(0.8753 0.8521）的原油，取油-水界面张力=21dyn/cm（取=0），不同孔隙半径下毛细管压力：,（据陈荷立，1987）,浮力能否担当这一重任？ 假定o=0.825g/cm3（轻质油），w=1.070g/cm3，则1m所产生的浮力仅为0.025Kg/cm2，而100m的连续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，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。,因此，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”排烃观点,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，降低了阻力；增大了生油岩和储集岩的接触面积。 当流体释放后，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。,5微裂隙(早期收缩裂隙被 蛋白石CT充填) 178 （渤l07井，ZH-38，1083m，Ng，含粉砂泥岩） 6平行层理的张裂隙 178（渤l02井，ZH-2，1163.02m，Ng，粉砂质泥岩） 7平行层理与斜切层理的裂隙 178（营26井，Do-2，728.62m，Nm，粉砂质泥岩） 8铸膜孔，生物碎片平行层理分布 178（面20井，Do-4，1105m，ES3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