石油与天然气的初次运移

第四章石油和天然气的运移（Petroleummigration),文本,第二节油气初次运移,第四章石油和天然气的运移,一、油气初次运移的相态,两种主要观点：水溶相游离相（油相、气相）1、水溶相运移指石油、天然气溶解于水中，随水一起排出烃源岩。,第四章石油和天然气的运移,是初次运移机理中的又一核心内容,分子溶液和胶体溶液,分子溶液石油或天然气分子完全溶解于孔隙水中成为溶液状态进行初次运移。主要代表Admas(1903)、Lewis(1924)、Baker(1960)、McAuliffe(19631978)、Price(19761989)等。,第四章石油和天然气的运移,关键问题：油气在水中溶解度,石油地表条件下除芳烃和环烷烃的简单分子外，其余在水中溶解度很小。压力的变化对其溶解度几乎没有影响（Hobson,1985）,第四章石油和天然气的运移,据Price,1976,在石油大量生成温度范围内，升高温度对其溶解度提高作用有限,第四章石油和天然气的运移,因此，水溶相不是石油初次运移的主要相态。天然气在地下的温度和压力条件下，溶解度增加较大。如果源岩水量多，可能以水溶相为主。,胶体溶液：有机质在生成过程中会生成一些表面活性物质，如有机酸(R-COOH)等，其分子一端有亲油的烃链，另一端有亲水的极性键，极性端因亲水而向外，非极性端因亲油而向内，在胶束中心的亲油部分就可以增溶一部分烃类。,第四章石油和天然气的运移,当其在水中达到一定浓度时，会形成分子聚集体（即胶束），油被包裹在胶束中呈胶束溶液运移。主要代表有Baker(1959)、Cordel(1973)。,第四章石油和天然气的运移,存在问题：胶束在生油层存在数量少胶粒粒径较大，很难通过泥岩的孔隙喉道胶束增溶效果有限等问题。,不是石油初次运移的主要相态。,2、游离相运移,油气呈独立的油相或气相从烃源岩中排出。油相运移油气呈游离的油相从烃源岩中渗流排出。,第四章石油和天然气的运移,Dickey认为在压实时石油将呈一种极细但连续的油丝运移。Magara(1981）认为压实中期是最有利于油相运移的阶段。,烃源岩进入压实的晚期烃类，饱和度，相对渗透率,第四章石油和天然气的运移,润湿相油气大量生成时以油润湿或混相润湿为主，毛细管阻力较对较小。临界含油饱和度大量油气生成会其降低。Dickey认为可低到10%，甚至1%以下。再者，生油期间产生的CO2溶解于油中还可以降低石油的粘度，增强其流动性（Momper，1978）。,关键问题：毛细管阻力和临界饱和度,连续烃相运移，还包括气溶于油和油溶于气的情况。大量天然气溶于石油可使石油密度减小，粘度降低，极大地增加石油的流动性和运移能力。在特定的温度和压力条件下，液态烃可溶于气体之中，气体溶液运移需要数十倍于液相的气体，因此一般只能发生在深处。,第四章石油和天然气的运移,分子扩散是分子本身自由运动的结果，问题在于从数量上看扩散作用到底有多大实际意义。Leythaeuser（1980）认为，扩散作用是天然气运移中的有效方式。而对于液态烃，扩散作用的实际意义要小得多。,第四章石油和天然气的运移,油气初次运移以连续的游离烃相为主。目前大多数学者原则上同意连续烃相运移的观点并作了进一步的完善和发展。由原来的通过压实作用实现排烃发展为连续烃相通过微裂缝排烃。这种观点又被称为混相运移，即游离的油（气）相与水相同时渗流。,3、相态演变方式,油气初次运移的相态，决定于源岩的温度、压力、生烃量、孔隙度、溶解度以及岩石的组构等条件，也可以说是地下各种物理、化学因素综合作用的结果。因此说油气初次运移的相态并非唯一的和万能的。它主要是随源岩的埋深和有机质类型的变化而变化。Barker和Tissot提出不同埋深以不同方式进行运移的相态演变方式。,第四章石油和天然气的运移,未成熟阶段，石油还未大量生成而地层孔隙度又较大，源岩中含油饱和度很低只可能有水相运移；,成熟阶段后，生油量大大增加，孔隙度又较小，源岩中的含油饱和度变大以致超过临界运移饱和度而发生连续油相运移；,在较高温度下，演化进入高成熟的湿气阶段，此时石油可以呈气溶相运移；,深处石油发生热裂解产生大量甲烷气体，可以产生游离气相和扩散相运移。,油气生成和初次运移的几个连续的阶段示意图,初次运移相态随埋深的演变规律主要是水溶相油相气溶相。,第四章石油和天然气的运移,二、油气初次运移的动力因素,第四章石油和天然气的运移,一般认为：油气从烃源岩排出的原因是由于烃源岩中存在着剩余流体压力。剩余流体压力是指岩层实际压力超出对应静水压力的部分。流体的流动沿剩余流体压力减少方向运动。引起剩余流体压力因素：压实作用、欠压实作用、蒙脱石脱水、流体热增压、渗析作用和其它作用。,、正常压实,在上覆沉积负荷作用下，沉积物通过不断排出孔隙流体，如果流体能够畅通地排出，孔隙度能随上覆负荷增加而作相应减小，孔隙流体压力基本保持静水压力，则称为正常压实或压实平衡状态(流体压力=静水压力)。,第四章石油和天然气的运移,（一）压实作用,泥岩与砂岩压实特征,不同岩性压实特征不同：碳酸盐岩易发生固结作用,压实作用影响少.泥砂岩变化大，泥岩在2000米内孔隙度变化快。砂岩较稳定。,第四章石油和天然气的运移,正常压实作用,正常压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，密度增加。,正常压实作用流体排液过程处于压实平衡沉积物在其层序之上又沉积了新沉积物时，原地层压力重分配，致使原套地层颗粒重新紧缩排列，孔隙体积进一步缩小，孔隙中流体就要承受部分由颗粒产生的有效压应力，使流体产生了超过静水压力的剩余压力。在剩余压力作用下孔隙流体才得以排出，排出后孔隙流体又恢复了静水压力，沉积物又达到新的压实平衡。剩余压力只发生在压实平衡与达到新的压实平衡之间的瞬时，所以应当叫做瞬时剩余压力。,第四章石油和天然气的运移,在一个不断沉降、不断沉积、不断压实的连续过程中。正常压实过程就是：由压实平衡到瞬时不平衡再到平衡的过程，而孔隙流体压力则是由静水压力到瞬时剩余压力再到静水压力的连续过程。在这过程中流体不断排出、孔隙体积不断减小，如果流体的排出时烃源岩已经成熟成烃，即可实现初次运移。,第四章石油和天然气的运移,正常压实作用过程中流体排液示意图,a、上覆沉积物厚度相等剩余压力的大小:dpl=（bo-w）gH只存在垂向压力梯度：dpl/dH=（bow）gH/H=（bow）g一般来讲，深部沉积物的剩余流体压力大于浅处的剩余流体压力，流体一般是向上运移排出的。,正常压实作用排液方向,第四章石油和天然气的运移,b、如果新沉积物的厚度在横向上有变化.除垂向上存在压力梯度外，横向上也存在着压力梯度：dp/dx=（bo-w）g(Lo-Ho)/x压实流体不仅存在由深向浅运移，同时横向上也发生较厚点向较薄点运移。在盆地范围内由盆地中心向盆地边缘运移。通常水平剩余流体压力梯度远远小于垂向上的剩余流体压力梯度，因此，大部分流体沿垂直方向向上运移，流体沿水平方向运移只有很少一部分。,第四章石油和天然气的运移,第四章石油和天然气的运移,c、砂泥岩互层的层序由于泥质沉积物和砂质沉积物的原始结构不同，其抗压性能也不同，在压实过程中泥岩孔隙度丧失得快，说明在相同负荷下泥岩比砂岩排出流体多，所产生的瞬时剩余流体压力比砂岩大，因此流体运移的方向是由页岩到砂岩。在砂、泥岩互层的情况下，泥岩中流体的运移方向既有向上的也有向下的，总是指向砂岩，砂岩中的压实流体只能与所排入的压实流体一起沿砂层做侧向运移。,、欠压实作用,欠压实现象：泥质岩在压实过程中由于压实流体排出受阻或来不及排出，导致了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。,欠压实带中存着异常高压，其中流体排出方向是由欠压实中心向周围排出。,第四章石油和天然气的运移,欠压实异常高压，在油气生成、运移过程中起到重要作用：（1）欠压实使孔隙流体的排出受到不同程度的延缓，如果流体的排出正好被推迟到主要生油时期，则将对油气初次运移起到积极作用。（2）欠压实还使更多的水较长时期处于高压下，这有利于促进（？）有机质的热成熟，也有利于油气在水中的溶解。（3）欠压实地层中流体的异常高压是驱使油气进行初次运移的潜在动力，这种异常高压远远超过一般正常压实地层的剩余压力，使岩层产生微裂隙，给油气运移创造更好的条件。非生油层时，它只能成为最好的压力封闭盖层。,第四章石油和天然气的运移,油、气、水受热的膨胀系数比颗粒的膨胀系数大得多，在热力作用下泥岩孔隙流体体积热膨胀而增大。在适当条件下可及时地排出，促使流体运移；不能及时排出就产生异常高压，成为油气初次运移的动力。热力作用的温度升高，还是烃源岩有机质降解出更多的烃类，促使初次运移的发生。温度升高，有助于解脱被吸附的烃；有助于降低流体粘度；有助于降低油水间界面张力；有助于油气在水中的溶解等。,第四章石油和天然气的运移,各种流体膨胀的体积速率比,（二）流体热增压作用,干酪根热降解成烃一方面为初次运移提供了物源，另一方面成烃增压作用也是初次运移内部能量的一个重要来源。干酪根在热降解生成石油和甲烷气体等烃类的同时，也产生大量的水和非烃气体（主要是CO2），而这些烃类和非烃类流体的体积大大超过原来干酪根的体积，因此引起页岩孔隙流体压力大幅度的提高，使异常高压进一步增强，这种压力的增加将导致微裂缝的产生（Hedberg，1980），使石油进入渗透性的载岩和储集层。干酪根产生的CO2可以大量溶于石油，从而降低石油的粘度和表面张力，改善石油的流动性，提高排烃效率，有利于油气运移。另外，饱和有CH4和CO2气体的孔隙水，在一定的压力和温下可以容载更多的烃类以水相方式运移出生油层。所以说在烃类生成的时候也孕育了排出烃类的动力，石油的生成与运移是一个必然的连续过程。,第四章石油和天然气的运移,（三）成烃增压作用,（四）粘土矿物的脱水作用,Powers(1959，1967)，Burst(1969)等提出，粘土矿物成岩作用过程中，在热力作用下蒙脱石转变为伊利石时，可释放出粘土矿物结晶格架水，作为油气运移的载体。,第四章石油和天然气的运移,研究表明达到一定深度的温度、压力条件下，蒙脱石向伊利石大量转化释放出大量的结合水，同时也引起泥岩体积的突变。含量突变深度与泥岩压实突变阶段的深度一致，约2100-2700米。,蒙脱石脱水与流体异常压力的关系（Bruce,1984）,第四章石油和天然气的运移,Schmidt研究了墨西哥湾沿岸一口井中膨胀型粘土（大部分是蒙脱石）与非膨胀型粘土（伊利石）的比例。图中粘土矿物转化率增加的深度大约是3200米，温度约为3.3。地温梯度也在此处增加，而3200米处又是异常高压的顶部。因此，脱水与成烃高峰期是能呼应的。晚期脱水在关键时刻提供了初次运移的运载工具孔隙水。水的排出仍主要靠压实。当然,粘土矿物脱水的意义也是局限的,有的盆地几乎不含蒙脱石,如威利斯顿含油气盆地（Dow，1974），碳酸盐岩生油岩粘土矿物也很少。,第四章石油和天然气的运移,（五）、扩散作用,只要有浓度差就有扩散作用。生油层中含烃浓度比周围岩石大，烃的扩散方向由生油层指向围岩，与油气运移的方向一致，因此它是进行初次运移的一种动力。扩散作用在物质转移方面的效率比较低，但是它受客观条件诸如温度、压力、地层的物性以及有机质的成熟度等等的影响比较少。只要有浓度差存在，扩散作用就无时无刻不在发生，甚至在欠压实和异常高压状态下也能毫无阻碍地进行。因此，在漫长的地质时期中，它仍然是一种不可忽视的动力，尤其是气态烃的扩散作用具有更重要的意义。当地层深埋变得异常致密、流体的渗流很微弱或停止时，扩散作用几乎是流体运移的唯一方式，其重要性就更为突出。对初次运移来说扩散作用总是一个积极因素。,第四章石油和天然气的运移,轻正烷烃有效扩散系数与烃分子碳原子数的关系,AH组气源岩通过标准体积累积的扩散总量与两个气田甲烷原始储量对比图,扩散系数与轻烃的碳原子数是指数关系（Leythaeuser，19801984)，图为组有机质类型和成熟度有所差别的气源岩，按累积扩散量与西加拿大的奇韦尔（Chigwell）气田和荷兰的哈令根（Harlingen）气田的甲烷地质储量对比图，因此认为轻烃的扩散方式进行初次运移是一种有效过程。,第四章石油和天然气的运移,（六）渗析作用,渗析作用是指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，直到浓度差消失为止。,含盐量差别越大，产生的渗透压差也越大。Jones计算表明，页岩与砂岩盐度相差5000010-6时，则可产生4.25Mpa的渗透压差。如果两者相差15000010-6时，则可产生22.7Mpa的渗透压差。,第四章石油和天然气的运移,在压实沉积盆地中，地层水的含盐量随深度和压实作用的增加而增加。由于盐离子易被页岩吸附过滤，页岩孔隙水的盐度常比砂岩孔隙水高。页（泥）岩中水的含盐量与孔隙度成反比关系，即：含盐量增加，则孔隙度减少。含盐量与渗透压力之间也成反比关系。盐量高则渗透压力低，反之则高。因此，渗透流体运动的方向，是从低含盐量区向高含盐量区运移。所以渗析作用也能促进烃类从页（泥）岩向砂岩运移，是烃类初次运移的动力之一。,第四章石油和天然气的运移,（七）其它作用,油气初次运移动力还有构造应力、毛细管压力、碳酸盐岩固结和重结晶作用等。构造应力作用导致岩石产生微裂隙系统，利于解吸作用、特别对岩性致密的烃源岩和煤系烃源岩的排烃有重要作用。另一方面，侧向构造应力在导致地层变形过程中，也会有应力传递到孔隙流体上，从而促使流体运移。,第四章石油和天然气的运移,毛细管力的作用一般表现为阻力。仅在烃源岩层与储层的界面上才表现为动力。由于两者的毛管压力差的（合力）指向储层，从而推动油气向储层排出。碳酸盐岩的固结和重结晶作用使其孔隙变小，可促使已存于孔隙中的油气压力增大，最终导致岩石破裂，油气排出。,第四章石油和天然气的运移,促使油气运移动力多种多样，烃源岩有机质热演化生烃过程的不同阶段，其主要排烃动力有差异。总体动力演变特征为：在中浅层，压实作用为主要动力。在中深层，异常孔隙流体超压为主。,第四章石油和天然气的运移,（八）烃源岩排烃动力演变,泥质烃源岩不同演化阶段的排烃动力,未成熟阶段：烃源岩成岩作用阶段，孔隙度高，原生孔隙水较多，成岩作用以压实作用为主，生成的生物甲烷气及少量的未熟、低熟石油在压实作用下随水排出。成熟作用初期：因大量原生孔隙水被排出，泥岩的孔隙和渗透率变小，流体渗流受阻，而此时，有机质开始大量生烃，蒙脱石大量脱水，加上高温流体增压，迫使油气水排出烃源岩。至成熟中期：有机质进入生油高峰，粘土大量脱水，新生流体（油气水）不断进入孔隙，造成了孔隙压力不断增加，形成异常高的孔隙压力，而这种压力超过烃源岩的强度时，就会产生微裂缝，在内部异常高压的推动下油气水不断涌出烃源岩。所以，此阶段的排烃主要动力为异常孔隙流体超压。它是欠压实、生烃作用、流体增压、蒙脱脱水的综合效应。高成熟期：生气高峰，油气排出主要是气体生成以及热膨胀作用导到异常压力结果。,第四章石油和天然气的运移,三、油气初次运移的途径,1、孔隙系统、微层面,油气初次运移的通道有烃源岩中的孔隙系统、微层面、微裂缝系统。运移方式取决于动力因素。,孔隙系统是油气初次运移最基本的通道。但由于前述烃源岩孔隙结构特征，以孔隙系统作为通道进行初次运移，也是有条件的。一般在沉积后大量压实以前，泥质烃源岩的孔隙度还较高，渗透性良好，流体排出的动力是剩余流体压力，油气以“压实水流”模式通过孔隙系统排出来。压实到一定程度后，随着烃源岩孔、渗性的变差，以孔隙系统作为排烃通道的运移越来越困难。,第四章石油和天然气的运移,2、微裂缝排烃,微裂缝系统作为油气初次运移主要通道的观点Snarskiy（1961）最先提出，目前日益得到人们的承认。他认为，由于生油岩压实、岩石弹性变形，再加上温度和构造力的增大，岩层内部孔隙压力可升高到比岩石的压力大得多，引起岩石破裂和裂隙的扩大。PpS3+K，岩石产生微裂缝；PfS3+K，微裂缝延伸和扩展；PfPp时，油气运移进储集层。因此，微裂缝排烃过程可概括为压力增长产生微裂缝微裂缝排出流体使压力释放微裂缝闭合再积累压力，如此周而复始，间歇性进行，是一个断断续续的动平衡、间歇排液过程。,第四章石油和天然气的运移,第四章石油和天然气的运移,、初次运移通道演变在未熟低熟阶段，运移的途径主要是孔隙和微层理面；但在成熟过成熟阶段油气运移途径主要是微裂缝。,四、油气初次运移模式,油气运移的模式主要有正常压实排烃模式、异常压力排烃模式、扩散模式。三者在相态、动力、途径均有差异。（一）未熟低熟阶段正常压实排烃模式正常压实的作用下，油气溶解于水中，呈水溶液随水一起被压实出来。介质条件：孔隙水较多，渗透率高驱动因素：正常压实作用。相态：水溶相和部分游离相态通道：孔隙、微层面,第四章石油和天然气的运移,（二）成熟过成熟阶段异常压力排烃模式介质条件：孔隙小，含水少，渗透率低。动力条件：异常高压油气大量生成、蒙脱石脱水、热增压作用等因素。相态：以游离相为主排烃过程：a.连续的过程:当生油岩孔隙网络内部压力还不足以引起岩石产生微裂缝时，如果孔隙喉道不太窄，或因为存在着连续的有机质相和有干酪根三维网络而使得毛细管压力并不太大，那么，油就可以从生油岩中被慢慢驱出，不需要裂缝存在。在这种情况下，油气在异常压力作用下被驱动应是一个连续的过程。通道：孔隙、微层面,第四章石油和天然气的运移,b.脉冲式:当孔隙流体压力很高而导致烃源岩产生微裂缝，这些微裂缝与孔隙连接，则形成微裂缝孔隙系统。在异常高压驱动下，油气水通过微裂缝孔隙系统向烃源岩外涌出。当排出部分流体后，压力下降，微裂缝闭合。待压力恢复升高和微裂缝重新开启后，又发生新的涌流。这一阶段，油气水就是以一种间歇式、脉冲式不连续的方式进行混相涌流。这两种连续油气运移过程和脉冲式不连续相运移过程是异常压力增高过程中的两个阶段，两者可以相互转化，周期性发生，且以后者为主。,第四章石油和天然气的运移,（三）轻烃扩散辅助运移模式轻烃特别是气态烃，具较强的扩散能力。尽管这是一种分子运动，效率较低，但在烃源岩中具有普遍性，因些不容忽视。许多学者（Hunt,1979;Barker,1980;Leythaeuser,1982）认为初次运移的扩散作用发生在比较短的距离中。但扩散到最近的输导层、裂隙系统、断层和所夹储集透镜体中后，即可转变成其它方式（水溶相或游离相）进一运移到储集层内。因此，轻烃扩散作为一种辅助运移模式。对非常致密储层，或处于异常高压状态的地层，渗流作用几乎不可能进行，扩散作用尤显重要。,第四章石油和天然气的运移,五、初次运移时期和有效排烃厚度,一个有含油远景的地区必须具备良好的生油条件和有利的初次运移条件，而且必须是油气生成深度与该层高压释放的深度恰当配合时，油气初次运移才能真正实现，才是有效生油岩，否则，就只能生成含沥青的页岩，而无法产生真正的生油岩。另外，初次运移方向和排烃的有效厚度是定量评价含油气盆地的资源远景必不可少的参数。因此，研究油气初次运移出现的深度和时期、油气初次运移的方向、距离和有效排烃厚度尤为重要。,第四章石油和天然气的运移,1、初次运移出现的深度和时期,油气主生成期是初次运移发生的最早时间。,第四章石油和天然气的运移,具体的时间必须研究初次运移的条件和结果。,（1）根据压实阶段确定,早期压实阶段石油尚未生成，重结晶阶段石油难以排出，故最重要的初次运移发生在晚期压实阶段（青柳宏一和浅川忠(1979),考虑有利的压实期（作为排烃期）与主生油期的匹配关