第五章-石油与天然气运移1

石油地质学,绪论石油、天然气、油田水的成分和性质储集层和盖层圈闭和油气藏石油和天然气的生成与烃源岩石油和天然气运移油气聚集与油气藏的形成油气聚集与分布单元油气分布规律与主控因素,第五章石油和天然气运移,第1节油气运移概述第2节油气初次运移第3节油气二次运移第4节流体封存箱与油气运移,第1节油气运移概述,一、油气运移的概念和证据,1、概念：地壳中的石油、天然气在各种自然因素作用下发生的移动。,2、油气运移的结果：,（3）导致油气的分散，使油气藏消失，即油气藏被破坏。,第1节油气运移概述,（1）使分散的石油和天然气在储集层的适当部位（圈闭）富集，形成油气藏油气聚集；,（2）直接运移出地表，成为油气苗；,第1节油气运移概述,3、油气运移的证据：,地表：油气苗；,油气：生成于烃源岩，聚集于储集层；,烃源层：分散状态油气富油气区，聚集状态油气；,油气藏中油、气、水按比重分异；,从油源区成藏区，烃类化合物分布有规律渐变。,运移是连接生、储、盖、圈等静态条件的纽带，搞清油气运移的特点，特别是运移的途径、方向和时期对油气勘探有重要的指导意义。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。,第1节油气运移概述,4、油气运移研究的意义,根据时间顺序和介质条件的变化，可将油气运移划分为两个阶段：,二、油气运移的阶段划分,第1节油气运移概述,油气初次运移和二次运移示意图,对整个油气运移来说，则是一个几乎同时存在的连续过程,primarymigration,secondarymigration,第1节油气运移概述,第1节油气运移概述,三、油气运移的基本方式,渗滤、扩散,1、渗滤：机械运动，整体流动，遵守能量守恒定律，流体由机械能高的地方向机械能低的地方流动。,2、扩散：分子运动，使浓度梯度达到均衡。扩散方向：从高浓度向低浓度。,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、地层压力与异常地层压力,（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,润湿性是指流体附着固体的性质，是一种吸附作用。不同的流体对于不同岩石会表现出不同的润湿性。,第1节油气运移概述,五、岩石的润湿性,（1）润湿性：,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）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；,第1节油气运移概述,六、油气运移临界饱和度,油或气、水同时存在时，油或气相运移所需的最小饱和度。,不同流体具有不同的相对渗透率。某相流体饱和度低于一定数值时，相对渗透率为0，不流动，烃源岩中油相运移临界饱和度可小于10，甚至可降到1。,本节要点,1、掌握概念：油气运移、油气初次运移、油气二次运移；2、了解油气运移的证据、基本方式、临界饱和度。,第2节油气初次运移,油气初次运移（primarymigration),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,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。,一、油气发生初次运移时的介质环境特点,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。,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,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、粘土矿物颗粒表面吸附性能极强,一、油气发生初次运移时的介质环境特点,晚期生油带来的初次运移问题：,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？,一、油气初次运移的相态二、油气初次运移的通道三、油气初次运移的动力四、油气初次运移的模式五、排烃方向和烃源岩有效排烃厚度,第2节石油和天然气的初次运移,第2节油气初次运移,一、油气初次运移的相态,相态定义：也就是物质的状态；物质在一定温度、压强下所处的相对稳定的状态。,水溶相游离相油溶气相气溶油相扩散相,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,因为碳酸盐岩基本上属化学成岩，在很浅甚至几米的深度上就排出了孔隙水而固结成岩。,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,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：游离气气溶油,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：,游离气相气溶油相,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、油气初次运移的通道,第2节油气初次运移,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，泥岩中便可产生微裂隙。,微裂隙对油气运移的作用：增大了通道，降低了阻力。当流体释放后，压力减低到一定限度时，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。,孔隙（未熟-低熟阶段）和微裂缝（成熟-过成熟阶段）,5微裂隙(早期收缩裂隙被蛋白石充填)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，1996）,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。,三、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：,压实平衡状态（正常压实状态）,岩石骨架颗粒达到紧密接触,孔隙压力为静水压力,无孔隙流体排出,压实欠平衡状态,岩石骨架颗粒进一步重新排列,孔隙压力超过静水压力，形成瞬时剩余压力,孔隙流体排出,颗粒流体,新沉积物的沉积增加了上覆压力,沉积物恢复压实平衡状态,二、油气初次运移的主要动力,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(向上),剩余流体压力的大小等于上覆新沉积物的负荷与孔隙水的静水压力之差：dPl=(b0-w)gl0式中，dPl为剩余流体压力；b0为新沉积的l0沉积层的密度；w为地层水的密度；l0为新沉积的沉积层的厚度；g为重力加速度。,（2）压实流体排出方向,对于新沉积物横向厚度均等时，横向剩余压力相等，即不存在横向剩余流体压力，只存在垂向剩余压力梯度：dPldH=(b0-w)gl0l0=(b0-w)g,沉积物等厚，垂向运移(向上),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,当新沉积层横向厚度有变化时，例如楔状沉积物，厚度l0与厚度h0两点垂向剩余压力梯度均为dP/dX=(b0-w)g,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,同时，两点间存在横向压力梯度：dP/dX=dPl-dPh/x=(b0-w)gl0-(b0-w)gh0/x=（b0-w)g（l0-h0）/x,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。,砂泥互层：从泥岩砂岩,在这种情况下，压实流体不仅在垂向上发生运移，同时在横向上也发生由比较厚的点向比较薄的点运移，即压实流体常常是从盆地中心向盆地边缘运移。,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,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,欠压实作用,由于泥岩孔渗性降低，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。,蒙脱石脱水作用,蒙脱石的特点：,(Al,Mg)2Si4O10(OH2)nH2O,蒙脱石含有层间水24个水分子层,层间水具有较高的密度,蒙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,有机质的生烃作用(烃类生成形成异常高压),干酪根演化生成液态烃和气态烃,产物体积比干酪根体积多23倍,这些不断生成的新生流体进入烃源岩中的孔隙空间，将使孔隙流体体积增大。如果排液受阻，油气的生成必然造成孔隙压力的增大，促进异常高压的形成，引起烃类的排出。,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,（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、油气初次运移的主要动力,4.其他作用,构造应力作用毛细管力的作用胶结和重结晶作用,第2节油气初次运移,油气初次运移的主要动力小结,1、地层中流体异常高压将使烃源岩层和储集层之间、烃源岩层内部和边部之间形成明显的流体剩余压力梯度，驱使油气排出（沿微裂缝），实现初次运移；另外，由于压实作用产生的瞬时剩余压力也可使烃源岩中的油气发生初次运移。2、能够导致异常高压，产生微裂缝，促使油气进行初次运移的主要动力因素有：压实作用，水热增压、粘土矿物脱水增压，有机质成烃等。,第2节油气初次运移,四、油气初次运移的模式,油气初次运移可以归纳为三个模式：,正常压实排烃模式异常压力排烃模式扩散模式,第2节油气初次运移,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