石油地质学第五章石油与天然气的运移

石油与天然气的运移 第五章 油气 储集层 盖层 圈闭 油气藏 烃源岩 石油地质学 在油气运移方向上油气田的分布 油气在地层条件下的移动成为油气运移研究油气运移的意义认识油气成藏过程 运移是绝对的 静止是相对的 油气运移的过程贯穿于油气藏形成 调整 破坏 再形成的全过程油气运移研究具有重要的实际意义 方向 路径 距离 时期石油地质研究的前沿课题 第一节有关基本概念 油气运移 migration 油气在地层条件下的移动 一 初次运移和二次运移 油气从烃源层向储集层的运移称为初次运移 油气进入储集层或运载层之后的一切运移 二次运移 secondarymigration 初次运移 primarymigration 二 岩石的润湿性与毛细管力 润湿作用是指固体表面的一种流体被另一种液体取代的一种作用 1 润湿性 流体附着固体的性质 0 称完全润湿 90 称润湿 90 称不润湿 接触角 润湿流体 易附着在固体上的流体 又称为润湿相 非润湿流体 不易附着在固体的流体 又称非润湿相 水润湿的 water wet 油水两相共存的孔隙系统中 如果水附着在岩石孔隙表面 称水为润湿相 油为非润湿相 这时称岩石为水润湿的或亲水的 2 岩石的润湿性 油润湿的 oil wet 油水两相共存孔隙系统中 如果油附着在岩石的孔隙表面 则油为润湿相 水为非润湿相 这时称岩石为油润湿的或亲油的 中间润湿的 mixed wet 部分亲油 部分亲水的岩石 3 毛细管压力 capillarypressure 定义 在两种互不混溶的流体的弯曲界面处 两边流体承受的压力不同 凹面一侧流体 非润湿相 承受的压力要比对面一侧流体 润湿相 承受的压力大 在毛细管中的这一压力差称为毛细管压力 方向 毛细管力的方向总是指向非润湿相 4 岩石的润湿性对油气运移的影响 孔隙中的油水分布 流动方式 残留形式和数量 亲水岩石中 水附着在孔隙壁上 油在孔隙中心 油的运动必须克服毛细管力 亲油岩石中 油附着在孔隙壁上 水在孔隙中心 油的运动不受毛细管力的阻碍 四 地层压力与异常地层压力 1 地层压力 formationpressure 地下多孔介质中流体所承受的压力 亦称孔隙压力或流体压力 单位 帕斯卡 Pa 或常用兆帕 MPa 2 静水压力 静止水柱产生的压力 重量 称为静水压力 3 静岩压力 地下岩石的重量产生的压力 又称为地静压力 四 地下压力的相关概念 4 正常地层压力 如果地下某一深度的地层压力等于 或接近 该深度的静水压力 则称该地层具有正常地层压力 如果某一深度地层的压力明显高于或低于静水压力 则称该地层具有异常地层压力 5 异常地层压力 6 压力系数 某一深度的地层压力与该深度静水压力的比值 压力系数 1 异常高压 压力系数 1 异常低压 7 压力梯度 地层压力随深度的变化率 四 地层压力与异常地层压力 实际盆地的地层压力状态 塔里木盆地为例 第二节石油和天然气的初次运移 油气初次运移 primarymigration 也称烃源岩的排烃 expulsion 初次运移的环境 烃源岩环境 低孔隙度 低渗透率 初次运移的问题 石油是如何从低孔低渗的烃源岩中运移出来的 动力 通道 烃源岩中含水很少 初次运移的相态是什么 初次运移与干酪根生油理论 一 油气初次运移的相态 1 石油初次运移相态 1 游离相 油相 石油在水中的溶解度很低 生油期烃源岩含水很少 无法形成商业性石油聚集 无法解释碳酸盐岩油气初次运移问题 水溶相运移存在的问题 显微观察的证据 石油以游离相存在于烃源岩孔隙系统 支持游离相运移的证据 煤的孔隙和裂缝中的油滴 2 气溶油相 3 水溶相 十分不重要 显微观察的证据 石油以游离相存在于烃源岩孔隙系统 烃源岩中存在的色层效应 支持游离相运移的证据 否定水溶相运移的证据都是支持游离相运移的证据 2 天然气初次运移相态 1 水溶相 天然气在水中具有较高的溶解度 水溶相是天然气运移的重要要相态 2 游离气相 3 油溶气相 4 分子运移 扩散相 2 油气初次运移相态的演变 1 影响油气初次运移相态的主要因素 烃源岩的有机质类型 烃源岩的埋深 孔隙度 渗透率 孔隙喉道直径 地层中孔隙水的多少 地层的温度 压力状态 2 油气初次运移相态的演变 未成熟阶段 烃源岩 埋藏浅 孔渗性好 含水多 烃类型 生物气 少量未熟油 相态 水溶相 气 成熟阶段 烃源岩 埋藏较深 孔渗性差 含水少 烃类型 型 油为主 型 气为主 相态 型 油溶气油相 型 独立气气溶油 高成熟阶段 烃源岩 埋藏深 孔渗性很差 含水极少 烃类型 湿气 相态 独立气相气溶油相 过成熟阶段 烃源岩 无孔渗性不含水 烃类型 干气 相态 分子扩散 气相 油气运移的相态总结 石油主要是以游离相态运移的 水溶相态和游离相态对天然气的初次运移都是重要的 天然气还可以呈扩散状态运移 油气可以以互溶 油溶气 气溶油 相态运移 烃源岩演化过程中相态是演变的 二 油气初次运移的主要动力 1 压实作用产生的瞬时剩余压力 1 压实流体排出机理 有效应力定律 初次运移的主要驱动力 烃源岩内部的剩余压力 梯度 烃浓度梯度 扩散作用 剩余压力 地下某一深度的地层压力与该深度对应的静水压力的差值 压实欠平衡状态 新沉积物的沉积 岩石骨架颗粒重新排列 形成瞬时剩余压力 孔隙流体排出 沉积物恢复压实平衡状态 压实平衡状态 正常压实 A 岩石骨架颗粒达到紧密接触 B 孔隙压力为静水压力 C 无孔隙流体排出 压实平衡状态 压实平衡状态与欠平衡状态的交替和循环 2 压实流体排出方向 沉积物等厚 垂向运移 楔状沉积物 从厚处向薄处运移 从盆地中心向盆地边缘运移 砂泥互层 从泥岩 砂岩 碎屑岩盆地压实流体运移规律 从泥岩向砂岩 从深部向浅部 从盆地中心向盆地边缘 2 烃源岩内部的异常高压 1 沉积盆地异常高压十分普遍 2 烃源岩 泥岩 异常高压的成因 压实与欠压实作用 压实作用使泥岩孔渗性降低 导致孔隙流体不能及时排出 泥岩孔隙体积不能随上覆负荷的增加而有效地减小 从而使泥岩孔隙流体承担了一部分上覆颗粒的重量 出现泥岩孔隙度高于正常压实泥岩的孔隙度 孔隙流体压力高于正常静水压力的现象称为欠压实现象 欠压实的表现形式 异常高孔隙度 异常高压 蒙皂 脱 石脱水作用 蒙脱石的特点 Al Mg 2 Si4O10 OH2 nH2O 蒙脱石含有层间水2 4个水分子层 层间水具有较高的密度 蒙皂 脱 石向伊利石的转化是地质过程的一种普遍现象 伊利石不含层间水 层间水转化为自由水后体积发生膨胀形成异常高压 蒙脱石转化为伊利石后 蒙脱石脱水作用 蒙脱石向伊利石发生转化是地质过程的一种普遍现象 蒙脱石脱水作用 美国德克萨斯州两口井蒙脱石脱水带与异常高压带的关系 Bruce 1984 有机质的生烃作用 烃类生成形成异常高压 产物体积比干酪根体积多2 3倍 干酪根演化生成液态烃和气态烃 1 TOC的烃源岩生烃体积相当于孔隙度10 页岩孔隙体积的4 5 5 Harwood 1977 流体热增压作用 任何流体都具有热胀冷缩的性质 在封闭的条件下 孔隙流体的热膨胀 必然造成孔隙压力的增加 L点 已封闭 压力300bar 增加 1000m 25 沿等容线增加压力 M点 已封闭 压力720bar 热增压是异常高压形成的重要因素 构造挤压 应力 作用 构造变形发生时 构造应力作用在岩石上使岩石发生压缩 孔隙空间变小应力也可以通过岩石骨架传递到孔隙流体上 3 异常高压的排烃作用 烃源岩封闭 形成异常高压 形成微裂缝 微裂缝闭合 孔隙流体排出 3 烃类浓度梯度 扩散作用 烃源岩与储集层之间存在浓度差 扩散作用 运移方向 运移动力 浓度梯度 扩散对轻烃 天然气 的运移具有重要意义 但对于液态烃意义不大 三 油气初次运移的通道 孔隙和微裂缝 1 孔隙 烃源岩正常压实阶段 静水压力 孔隙暢通 2 微裂缝 Snarsky 1962 孔隙压力达到静水压力的1 42 2 4倍岩石就会产生微裂缝 Momper 1978 孔隙压力达到上覆静岩压力的80 就能形成垂直裂缝 四 油气初次运移的阶段性与运移模式 烃源岩演化阶段 未熟 低熟 动力 压实作用瞬时剩余压力 相态 水溶相游离相 通道 孔隙 成熟 高成熟阶段 异常高压 游离相混相 微裂缝微孔隙 过成熟阶段 扩散作用异常高压 分子 微裂缝微孔隙 排烃模式 压实排烃模式 微裂缝排烃模式 扩散排烃模式 第三节石油和天然气的二次运移 二次运移 secondarymigration 石油和天然气进入储集层以后的一切运移 二次运移环境 储集层环境 运移空间 孔隙度 渗透率比烃源岩高得多 水介质的存在 储集层中被水充满 相态 动力 通道等与初次运移发生明显变化 一 二次运移的相态 1 石油二次运移相态 2 天然气二次运移相态 油珠 油条 连续油相 游离相态 气泡 气柱 连续气相 游离相态 溶解气 水溶相态 二 油气二次运移过程中的力 1 毛细管力 油气运移过程中的阻力 储集层的孔隙结构 孔隙 喉道 油珠从孔隙进入喉道的阻力 1 毛细管力的大小 2 毛细管力的方向 从喉道向孔隙 从小孔隙向大孔隙 2 浮力和重力 浮力 物体 油 排开水的重量 重力 物体 油 本身的重量 油的上浮力 浮力和重力的合力 1 浮力的大小 2 在浮力作用下油的运移方向 在水平地层中 油垂直向上运移至储层平面 在倾斜地层中 油沿储层顶面向上倾方向运移 3 在浮力作用下石油运移的临界油柱高度 临界油柱高度 盖层封油气高度 3 水动力 1 水动力的概念 水压头 地层压力能使水从测点向上升的高度 测压面 连接同一层位各点水压头顶面的连线 这是一个想象的面 静水压力状态 各点剩余压力相等 0 地层水不流动 没有水动力 压力分析 各点的地层压力都等于相应深度的静水压力 剩余压力为0 水动力 连通储层两点之间剩余压力的差值 剩余压力差 各点的剩余压力不相等 地层水将发生流动 动水压力状态 2 在水动力作用下地层水的流动方向 从剩余压力高的地方流向剩余压力低的地方 压实水流 压实水流 由于沉积物压实作用引起的地层水的流动 压实流盆地 以压实水流为主的盆地 压实水流的流动方向 从泥岩向砂岩流动从深处向浅处流动从盆地的中心向盆地边缘流动 压实流盆地剩余压力分布 泥岩高于砂岩 深层高于浅层 中心高于边缘 大气水流 大气水流 构造运动造成地层出露 大气水渗入形成的水流 大气水流的方向 从盆地边缘 山区 供水区 向盆地中心流动 三 油气二次运移中的流体势 M K Hubbert 1940 1953 最早把流体势概念引入石油地质学 W A England 1987 对Hubbert流体势的概念进行了完善 单位物质所具有的总机械能称为势 对于流体来讲 就是流体势 Hubbert势 质量势 England势 体积势 1 Hubbert势 质量势 单位质量的流体相对于基准面所具有的总机械能 g 重力加速度 9 81m s z 测点相对于基准面的距离 m 基准面以上为正 p 测点孔隙压力 Pa 流体密度 kg m3 v 流速 m s 式中 流体势 J kg 第一项 重力势能 反应重力的影响 第二项 弹性势能 反映压力的影响 第三项 动能 反映流体流速影响 水头 测压水头是测点高程与测点的静水柱高度 测点至测压面的高差 之和 2 England势 体积势 单位体积的流体相对于基准面所具有的总机械能 第一项 重力势能 反应重力 浮力 的影响第二项 弹性势能 反映压力的影响第三项 界面势能 毛细管压力 反映毛细管力的影响 折算压力 折算压力 测点的实际压力再加上测点到基准面的水柱压力 或者从测势面到基准面的水柱压力 3 流体势与油气运移方向 在水势作用下 水从高水势区向低水势区运移在油势作用下 油从高油势区向低油势区运移在气势作用下 气从高气势区向低气势区运移 从高势区向低势区运移 二 流体势与油气运移 1 静水压力条件 A点的压力 PA A点的水势 B点的水势 C点的水势 静水压力条件下 水势处处相等 水不流动 B点的油势 A点的油势 C点的油势 静水压力条件下 油势下大上小 油气从深部向浅部运移 2 动水压力条件 二 流体势与油气运移 A点的水势 B点的水势 C点的水势 在动水压力条件下 地层水的流动方向只与水势的高低有关 而与地层绝对压力的高低无关 两点之间水势的差就是剩余压力差 A点的油势 B点的油势 C点的油势 2 动水压力条件 二 流体势与油气运移 油势差 在动水压力条件下 石油的运移方向取决于水动力 水势差或剩余压力差 与石油上浮力的大小 四 油气二次运移通道和输导体系 1 油气二次运移通道的类型 微观上 孔隙和裂缝 宏观上 输导层 断层和不整合面 1 输导层 输导层是具有发育的孔隙 裂缝或孔洞等运移基本空间的渗透性地层 碎屑岩输导层 砂岩层 砾岩层等 碳酸盐岩输导层 受孔缝发育的控制 高孔渗相带 裂缝发育带和溶蚀孔缝发育 各种沉积环境形成的砂体是油气运移的重要通道 砂体输导层的输导效率 与砂体的孔渗性有关 高孔渗性砂体是优势运移通道 2 断层 断层通道 沿断层面分布的破碎带 发生沿断层面的运移 2 断层 断层通道 沿断层面分布的破碎带 发生沿断层面的运移 断层的输导效率与断层的规模 断层的活动性和活动历史有关 库车坳陷 地震发生频率最高23次 年 平均3 5次 年 照此推算库车期至今 5 3 0Ma 发生4级以上地震1800万次之多 活动与静止期的频繁交替足以形成大型气田 3 不整合面 不整合面通道 由不整合面上下高渗透性岩层形成的油气油气运移的通道 不整合面的三层结构 底砾岩 风化壳 风化淋滤带 2 输导体系与运移方式 1 输导体系 从烃源岩到圈闭的油气运移通道的空间组合 单一型的输导体系 复合型的输导体系 由两种或两种以上的运移通道构成 砂体 断层输导体系 不整合 断层输导体系 2 输导体系的构成 由输导层 断层 不整合等通道单独构成 3 输导体系类型和与油气运移方式 侧向输导体系与侧向运移 由输导层或不整合单独构成 或由输导层和不整合共同构成 可以将盆地中心生成的油气输送到盆地边缘的圈闭中 输导的范围大 输导层 不整合输导体系 输导层 不整合输导体系 垂向输导体系与垂向运移 主要由断层构成 可以沟通不同时代的烃源岩和储集层 使深部烃源岩生成的油气运移到浅层成藏 垂向运移的特点 输导效率较高 垂向运移一般具有周期性 呈 幕式运移 或 幕式成藏 阶梯状输导体系与阶梯状运移 阶梯状输导体系由断层与输导层或不整合面构成 断层 输导层型输导体系 断层 不整合型输导体系 断层 输导层 不整合型输导体系 五 油气二次运移的方向 1 影响油气二次运移的方向主要地质因素 油气运移主要受三种力的作用 浮力 向上 上倾方向 运移 水动力 压力 从剩余压力高值区向剩余压力低值区运移 毛细管力 阻力 沿阻力最小的方向运移 优势输导体系 1 地层的产状与区域构造格局 在浮力作用下 油气运移方向主要受地层产状和区域构造格局 坳陷和隆起的分布 的控制 影响油气运移方向的主要地质因素 1 地层的产状与区域构造格局 在浮力作用下 油气运移方向主要受地层产状和区域构造格局 坳陷和隆起的分布 的控制 油气运移的大方向由盆地中心向盆地向边缘运移 从凹陷区向隆起区运移 位于坳陷附近的隆起带及斜坡带是油气运移的主要指向 长期继承性发育的古隆起带对油气的聚集最为有利 1 地层的产状与区域构造格局 在浮力作用下 油气运移方向主要受地层产状和区域构造格局 坳陷和隆起的分布 的控制 2 优势运移通道的分布 优势运移通道孔渗性好 毛细管力小 油气运移阻力小 是油气运移的优势方向 优势运移通道受高渗透性砂体分布的控制 三角洲 水下扇 扇三角洲 河道等砂体 优势运移通道受断裂分布的控制 盖层底面的构造脊是油气运移的优势方向 油气先向上运移 后沿盖层底面进行侧向运移 盖层底面的构造脊是油气运移的优势方向 3 盆地水动力条件 在水动力的作用下 油气从剩余压力高值区向低值区运移 3 盆地水动力条件 在水动力的作用下 油气从剩余压力高值区向低值区运移 在压实流盆地中 水动力的方向一般与浮力的方向是一致的 在重力流盆地中 水动力对油气运移方向的影响与水动力的强弱和方向有关 在重力流盆地中 水动力对油气运移方向的影响与水动力的强弱和方向有关 2 油气二次运移方向的研究方法 2 地球化学分析方法 1 地质分析方法 分析影响二次运移方向的地质因素 已讲过 石油组成和物理性质的变化 以层析作用为主时 沿油气运移方向 石油中的重组分含量相对减少 轻组分含量相对增加 石油的密度和粘度降低 石油组成和物理性质的变化 以层析作用为主时 沿油气运移方向 石油中的重组分含量相对减少 轻组分含量相对增加 石油的密度和粘度降低 以氧化作用为主时 沿油气运移方向 石油中的重组分含量相对增加 轻组分含量相对减少 石油的密度和粘度增加 C22以前 C23以后的正烷烃比值 以层析作用为主的实例 酒泉盆地 以氧化作用为主的实例 辽河凹陷 含氮化合物含量的变化 吡咯类含氮化合物具有较强的极性 与储层的吸附滞留作用可使该类化合物发生分馏效应 随着油气运移距离的增加 原油中含氮化合物 咔唑 的绝对丰度降低 3 流体势分析 流体势的计算 流体势等值线图 流体运移方向 垂直于等势线从高势区流向低势区 有利的聚集区 低势闭合区汇聚流指向区 运移流线型式 六 油气二次运移的距离 二次运移的距离与区域构造条件 岩性岩相变化 运移动力条件有关 我国陆相盆地油气运移的距离一般较短 七 油气二次运移的时期 微观上 油气二次运移与初次运移是连续的 同时发生 宏观上 大规模的油气二次运移发生在主要生油期之后的第一次区域性构造运动时期 以后历次构造运动的影响大小 取决于构造运动对原有圈闭的改造程度 构造发展历史的研究具有重要意义 油气二次运移时间的定量研究 流体历史分析 第五节流体封存箱与油气运移 一 流体封存箱的概念 第五节流体封存箱与油气运移 一 流体封存箱的概念 南堡凹陷地层压力分布 表示异常高压 超压 的分布 第五节流体封存箱与油气运移 一 流体封存箱的概念 第五节流体封存箱与油气运移 一 流体封存箱的概念 世界上大多数盆地都具有两个或两个以上的水动力系统 它们纵向上被一个在区域上呈平板状的封隔层所分开 较浅的系统呈静水压力状态 分布在整个盆地 较深的系统具有异常压力 并且由一系列独立的流体密封单元组成 各密封单元之间相互不连通 一 流体封存箱的概念 上部水动力系统 静水压力 下部水动力系统 异常压力 封隔层 异常压力流体封存箱 Abnormallypresuredfluidcompartment 沉积盆地中具有异常压力 相互不连通的独立的流体密封单元 一 流体封存箱的概念 上部水动力系统 静水压力 下部水动力系统 异常压力 封隔层 流体封存箱的构成 二 流体封存箱的基本特征 1 封存箱的压力特征 封存箱的主体层系具有异常压力 异常高压 超压封存箱 异常低压 欠压封存箱 二 流体封存箱的基