石油和天然气的运移【PPT课件】

第四章 石油和天然气的运移,第一节 油气运移概述第二节 油气的初次运移第三节 油气的二次运移,油气田开发地质基础,第四章 石油和天然气的运移,一、油气运移概念,石油与天然气是流体，它们具有流动的趋势，只要没有约束条件，它们就会无休止地运动下去，直至到达地表面逸散。那么油气在地下的运动规律是什么？受哪些因素影响？运动的相态、时间、距离和方向是什么？搞清这些问题不仅具有理论意义，更重要的是对油气勘探具指导意义,概念：地壳中的石油和天然气在各种天然因素作用下 发生的移动,油气在地下运移的证据？,二、油气运移阶段,初次运移: 油气自烃源岩层向储集层 或运载层(输导层)的运移,二次运移: 油气进入储集层或运载层以后的一切运移,根据时间顺序和介质条件的变化，可将油气运移分成两个阶段：,三次运移：已形成的油气藏因聚集条件改变而引起油气的再运移（包括在新的位置再聚集或逸出地表散失）,三、油气运移方式,渗滤、扩散,1、渗滤：机械运动，整体流动，遵守能量守恒定律，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,润湿性：是指流体附着在固体上的性质，是一种吸附作用 易附着在岩石上的流体称为润湿流体，反之为非润湿流体 在多相流体共存且不相溶的流体中，润湿体又称之为润湿相，非润湿体称为非润湿相。如在油水两相共存的孔隙中，如果水易附着在岩石上，则水为润湿相，油为非润湿相，岩石具亲水性；反之，则油为润湿相，水为非润湿相，岩石具亲油性,四、岩石润湿性,五、油气运移的临界饱和度 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，不同流体会出现不同的相对渗透率 相对渗透率除与岩石绝对渗透率有关外，还与流体的性质和含量有关。对于一定的岩石，存在最低的含水饱和度、含油饱和度或含气饱和度，各种流体低于此值时，它们的有效渗透率为零，即不发生流动 例如：Levorson(1954)对亲水砂岩进行油水两相吸排水的实验，结果表明油相的饱和度低于10%时，油相不能运动 Dickey认为，在烃源岩中由于大部分颗粒的内表面已为油所润湿，油相运移的临界饱和度可小于10%，甚至降到1% 油气水共存时，油（气）运移所需的最小饱和度称为油（气）运移的临界饱和度幕式排烃,六、地层压力、地静压力、净水压力 1、地层压力地下储层（或油层）内流体所承受的压力，称为地层压力，亦可称为地层流体压力或孔隙流体压力，Pa 2、地静压力是岩石圈中某点上的垂向压力。等于上覆岩柱重量产生的压力 3、净水压力作用于静止液体两部分的界面上或液体与固体的接触面上的法向面力 4、异常地层压力作用于地层孔隙空间流体上的压力背离正常地层压力趋势线称之为异常地层压力,单一储集层内静水压面示意图,第一节 油气运移概述第二节 油气的初次运移第三节 油气的二次运移,油气田开发地质基础,第四章 石油和天然气的运移,烃源岩生成的油气只有经初次运移，有效地排到储层中，才能使分散状态的油气经二次运移，发生聚集成藏。所以油气的初次运移是油气远景评价的一个重要方面一、初次运移的相态 一般认为油的运移相态以游离相为主，水溶相为辅。理由是油在水中的溶解度过低，水不能大量溶解原油。还有人认为油可呈胶束状运移，主要是表面活性剂起作用，但多数人认为表面活性剂数量少，且胶束直径过大，很难通过泥岩细小孔隙 对于天然气而言，运移相态以水溶相和游离相运移。因为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，若水量较少，则可能以游离相态为主,此外，石油与烃类气体的互溶性，天然气可溶于石油内运移，轻质油亦可溶于天然气内运移，但这两种相态是次要的 油气究竟以何种相态运移：取决于温度、压力、孔隙大小及油、气、水的相对含量等。表现在有机质演化的不同阶段，油气运移的相态可能不同 低熟阶段：由于源岩含水量大，生成的烃类少，胶质、沥青质含量高，油气运移的相态应以水溶相为主 高/成熟阶段：油气大量生成，而孔隙水含量较少，油气主要呈游离相运移，水为载体，生成的气部分或大部分溶于石油中运移；生凝析气阶段，气溶油运移，气为油的载体 过熟阶段：气以游离相运移,二、油气初次运移的动力 目前认为油气从烃源岩中排出的驱动力就是剩余压力。剩余压力是超过静水柱压力的那部分压力。孔隙中的流体在静水柱压力下，处于一种压力平衡状况，流体是静止的，一旦压力超过其静水柱压力，就有剩余压力存在，若剩余压力超过毛管压力就会使流体流动。其产生有几种情况： 1、压实作用 如果一套地层处于压实平衡状况，当其上又沉积了一层厚h的沉积物时，新沉积物的负荷就要传递给下伏地层的孔隙流体中，结果使孔隙流体产生了超过静水柱压力的剩余压力。在这种压力下，孔隙流体排出，孔隙体积缩小，沉积物得到压实。当流体排出一部分，又恢复平衡。就这样，上覆沉积物不断沉积，下覆孔隙流体不断排出。这个过种可以是连续进行，亦可能是间断进行,2、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未及时排出，泥岩得不到正常压实，导致孔隙流体承受了部分上覆地层的静压力，出现孔隙压力高于其相应的静水柱压力的现象称为欠压实现象。欠压实产生的原因是沉积物厚度大，沉积速率快产生顶底板 当欠压实程度进一步强化，孔隙的剩余压力超过泥岩顶底板的抗张强度，则会出现泥岩裂缝，流体排出，压力释放，恢复到正常压实状态，裂缝闭合；然后随上覆压力的加大又会形成超压，再释放。这种过程可进行多次，形成脉冲式的排烃机制，有人称之为“手风琴”式的排烃方式,3、蒙脱石脱水 蒙脱石是一种膨胀性粘土，结构水较多，一般含有四个或四个以上的水分子层，按体积计算，这些水可占整个矿物的50%，按重量计可占22%。这些结构水在压实作用和热力作用下会有部分甚至全部成为孔隙水，这些新增的流体必然要排挤孔隙原有的流体，起到排烃的作用,蒙脱石在脱水过程中转变为伊利石再向绿泥石转化，这一过程跟温度压力有关，其含量随深度加大而不断减少，其转化率增加较快的深度大约是3200m。在泥岩排液困难的情况下，蒙脱石的脱水作用可加大异常孔隙流体超压,4、流体热增压 当泥岩埋藏比较深，地层温度增加，流体发生膨胀，增大剩余压力，促进流体流动 当烃源岩层处于欠压实状态时，欠压实段有非常高的孔隙度及孔隙水含量。由于水的热导率低，水本身又不流动，这不利于地下深处的热流向上传导，造成异常高的地温。这种异常高的地温及异常大的水体积，必然表现出更大的热膨胀体积。显然欠压实段泥岩的热增压现象要比正常压实段更明显 此外，烃源岩在演化过程中有新流体的生成，如H2O、油和烃类进入孔隙中必然会加大热增压现象,5、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,沙泥岩互层层组中泥岩孔隙度流压含盐分布特征,6、有机质的生烃作用 干酪根成熟后可生成大量油气和水。这些油气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入孔隙后，必然不断排挤孔隙已存在的流体，驱替原有流体向外排出。流体排出不畅时，也会增加流体超压 因此，烃源岩生烃过程也孕育了排烃的动力。由此也可推断，石油的生成与运移是一个必然的连续过程,7、其它作用 油气初次运移的动力还有构造应力、毛细管压力，扩散作用、碳酸盐固结和重结晶作用等,三、初次运移的途径 油气初次运移的主要途径有孔隙、微层理面和微裂缝。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,干酪根生成烃类过程中，微裂缝的形成与烃类的注入（Ungerer等,1983),有机质纹层,亮晶方解石,裂隙的发生在空间上与有机质纹层紧密相关,四、油气初次运移模式,3种模式：正常压实排烃模式异常压力排烃模式扩散模式三者在运移相态、动力、通道等方面有差异,1、未熟低熟阶段正常压实排烃模式,相态：水溶状态和游离相动力：正常压实通道：孔隙 在压实作用下，油气随压实水流，通过源岩孔隙运移到运载层或储集层中,相态：游离状态动力：异常高压通道：较大孔隙、微层理面、微裂缝、构造裂缝 与断层、缝合线、干酪根网络 在欠压实作用、蒙脱石脱水作用、有机质生烃作用、热增压作用以及渗析作用等各种因素导致孔隙流体压力不断增加，形成异常高压，油气以游离状态在上述动力的作用下，沿此阶段的运移通道从生油气层中排出,2、成熟过成熟阶段异常压力排烃模式,相态：分子态。轻烃，特别是气态烃，具有较强的扩散能力，与体积流相比，效率较低，但在源岩中轻烃扩散具有普遍性条件：烃浓度差气体依靠扩散进行的初次运移，只发生在源岩层内比较短的距离,3、轻烃扩散辅助运移模式,烃源岩复式排烃模式,三种排烃模式（方式）,裂缝带排烃模式,差异突破压力排烃模式,断层排烃模式,在异常高压区内，由于生油母质、烃源岩结构、异常高压分布以及断裂发育特征等的不同，排烃主要分为微裂缝排烃、差异突破压力和断层排烃三种类型,有效烃源岩复式排烃示意图,断层排烃,微裂缝排烃,差异突破压力排烃,五、烃源岩有效排烃厚度 烃源岩所生成的油气，因受各种因素的控制（如厚度大、渗透率小、动力不足、地层吸附）并不能全部排出，只有与储层相接触的一定距离内的生油层中的烃才能有效地排出来。能有效地排出烃类的生油层厚度，称为有效厚度。一般在30m。不同地区有效厚度是不完全相同的。在评价生油岩时，可利用岩心含沥青化学资料分析研究排烃效果，区分有效生油岩层与死生油岩层。前者指生油岩不仅产生油气，且排驱了有商业价值的油气；后者指尽管产生油气，但生成的油气没有排驱到储集层中，而是被圈死在烃源层中 可见，最优越的生油层是与储集层呈互层关系的生油层，过厚的块状泥岩并不是最有利的生油层,第一节 油气运移概述第二节 油气的初次运移第三节 油气的二次运移,油气田开发地质基础,第四章 石油和天然气的运移,二次运移:油气进入储层之后的一切运移包括储集层内部、沿断层或不整合面、油气藏调整和破坏的再运移主要内容：相态、动力和阻力、通道、时期、方向和距离二次运移特点：运移通道粗，毛细管阻力小，流体压力较低，含盐度较低，油气以游离相为主，气可呈水溶相，浮力为主要运移动力,一、二次运移的相态,主要相态：连续油相，连续气相石油主要呈游离相，少量气溶相和水溶相天然气主要呈游离相，少量水溶相和扩散相运移过程中因温压条件改变，会发生相态变化,二、二次运移的流动类型渗 流地层孔隙中流体在压差或势差作用所发生的流动浮力流指油气在密度差作用下，在地层孔隙水中的上浮扩散流流体在浓度差作用下所产生的分子扩散,典型储集岩油水两相的相对渗透率曲线,渗流：单相渗流和多相渗流，呈连续状流动要求烃饱和度和相渗透率，可用流体势和达西公式来研究和定量计算,浮力流：自由上浮与限制性上浮，呈断续状流动不要求含烃饱和度和相渗透率，不能用达西公式表述和计算,扩散成藏,扩散散失,三、二次运移的主要动力和阻力,1、动力 （1）浮力 石油和天然气的相对密度小于水，游离相的油气会在水上漂浮运移，其浮力大小为：,动力：浮力、构造应力、水动力、扩散力阻力：毛细管力、吸附力、水动力,一滴油球在水润湿的地下环境中通过孔隙喉道运移,油气在运移过程，必须要克服毛细管阻力,毛细管阻力与浮力相对抗，直到变形的油珠的曲率半径在上端与下端相等，才能在浮力作用下向上运移,F 2(1/rt1/rp),运载层中油气在静水条件下的二次运移,静水条件下，石油在砂岩中上浮的临界高度为0.3-3m，石油从生油层排出进入储集层时，由于岩石的非均质性在储层底部形成高低不平的油水界面。当最高油体超过临界高度Z0时，会脱离界面而上浮,（2）水动力,背斜地层中水动力与浮力配合,压实水动力：水流从盆地中心向边缘重力水动力：水流从盆地边缘露头区向盆地内部水流动方向与油气浮力方向一致：水动力为动力，反之为阻力,盆地演化过程中的水动力（Coustau，1977）,水平地层中油气在水动力推动下的运移,石油二次运移的条件：油体浮力 水动力 毛细管阻力,a、水平地层,水动力大于毛细管阻力时，油气沿水动力方向运移,在倾斜储集层中水动力对油体运移的影响,推动石油顺水流运移的水动力：Pw = Ldp/dl 水压梯度越大，油柱长度越大，水动力作用越大 上倾水流，Pw与浮力一致，石油向上倾运移 下倾水流，与浮力相反：浮力大于Pw，石油向上倾运移；小于Pw，石油向下倾运移,b、倾斜地层,水动力强度与油气分布的关系,（3）构造运动力 构造运动力可起到直接作用和间接作用 直接动力作用：构造运动在使岩层发生变形和变位中，会把作用力传递到其中所含的流体，驱使油气沿应力方向运移 间接作用：构造运动可使地层发生倾斜，使油气在浮力作用下向上倾方向运移；可形成供水区与泄水区，形成水动力作用；形成断层、裂缝、不整合面等油气运移的通道,（4）分子扩散力 分子扩散主要受浓度梯度控制，从高浓度区向四周低浓度区扩散。在油气藏形成以后，天然气通过上覆盖层的扩散将导致气藏的破坏 分子扩散力的效率比油气渗滤来说小几个数量级，更多的情况是破坏作用。在致密地层中，分子扩散可能是二次运移的主要动力和方式,2、阻力,（1）毛细管压力 地下岩石孔隙系统多为水润湿的，游离相油气在其中运移必然要受到毛细管力的作用 贾敏效应：油珠或气泡从大孔隙进入小孔隙时改变自身形状受到毛细管阻力的现象 由于岩石的孔隙和喉道半径不同，油气受到的毛细管压力大小不同 油气在岩石中会选择最小阻力方向通道运移，即沿最大孔隙和喉道所组成的路径运移,优势通道,油气运移的“高速公路”,（2）吸附力 吸附是流体与固体分子之间作用的一种界面现象。岩石的岩性、矿物组成、结构、粒度及烃类性质都是影响吸附力的重要因素 油气与岩石颗粒接触的两相界面越大，吸附作用越强，吸附量也就越多。泥质颗粒比面积大，较碎屑储集岩有更大的吸附力 烃类的吸附性还与烃类性质和分子结构有关，一般来说随分子量的增大吸附能力也增加，正构体烃比异构体烃的吸附能力大,连通孔隙裂缝断层：垂向运移主通道不整合面：侧向运移主通道,四、二次运移的通道和输导体系,基本通道,1、二次运移的通道,（1）连通孔隙 是油气二次运移的基本通道 连通孔隙的多少取决于岩层有效孔隙度的大小。流体通过连通孔隙的能力取决于岩石的孔隙喉道结构。喉道半径越大、孔隙半径与喉道半径的差值越小渗透率越大，越有利于油气运移 （2）裂缝 也是油气二次运移的基本通道。一种特殊的孔隙，它对改善岩层特别是那些那些致密地层的渗透性极为重要松辽盆地扶杨油层（3）断层 是油气垂向运移的重要通道。油气以断层作为通道的运移有两种方式：一是横穿断层的横向运移，一是沿断层面的垂向运移。断层能否作为运移通道取决于自身的封闭性,节理走向玫瑰花图,裂缝的走向呈规律性变化。总体上以108航标为界，108以北，以近南北向裂缝组和北东向裂缝组发育为主要特征，108以南，以近东西向节组发育为特征,黑龙江省宾县泉头组野外露头剖面轮廓,小断层,平面共轭,剖面共轭,构造裂缝以剪切缝为主，高倾角裂缝占绝对优势,裂缝长度分布频率直方图,单条裂缝规模一般较小,但有主次之分,主裂缝与裂缝发育带在油田注水开发中起主要作用,野外观察，单条裂缝在平面上延伸长度并不大。裂缝长度2-8m的频率合为81.98%，占绝对优势,野外露头裂缝充填情况,储层裂缝的充填情况测量的 400余条裂缝中，大部分不被充填，在被充填的裂缝中，充填物以泥质为主，其次为铁质（已被氧化）,（1）储层裂缝发育密度与岩层厚度具有较好的相关性,储层厚度及古构造应力场是控制裂缝密度变化的两个主要方面,野外露头裂缝发育状况,薄层裂缝发育密度大,厚层裂缝发育密度小,构造曲率大的部位，储层裂缝较发育,扶余油层顶面构造图,头台,从构造因素讲，头台油田扶杨油层各油田注水开发受裂缝影响程度与其构造特征有一定关系,通常情况下，一条大断裂都是由若干小断裂逐渐生长并发生“硬连接”而形成的，通过断面断距分布可以清晰的分辨出来,断面断距分布模式图,免渡河-扎敦河,呼伦贝尔市北下白垩统上库力组张性正断层群,a.上库力组黑灰色粉砂质泥岩、凝灰质砂岩b.发育7条张性正断层，断距一般不足1m，断裂带宽度约2cmc.断裂带填充物较少，多为卷入的围岩中砂泥岩经研磨后成断层泥。个别地方未见断裂填充物，两盘砂体直接对接，侧向封闭性极差,横穿断层运移与沿断层面垂向运移示意图（据R.E.Chapman，1983修改）,有效烃灶,断层侧向封闭性对油气聚集的控制原理,聚集断层,穿越断层,聚集断层,油气在侧向运移过程中遇到断层封挡就会聚集成藏，当聚集的烃柱高度大于断层侧向封闭所能支撑的高度时，油气就会突破该断层继续运移，并最终在有利的圈闭中聚集成藏,2-D 断层剖面,浮压=毛管临界压力,深度,断层带组成,深度,低SGR,高 SGR,毛管门限压力 (SGR的函数),高,深度,低,断层侧向封闭模式图,库车坳陷断裂与天然气分布之间的关系,（4）不整合面 是油气侧向运移的重要通道。代表着地层曾经历过区域性的地壳运动或沉积间断，往往使下伏地层遭受风化剥蚀和溶解淋滤，形成的区域性稳定分布的高孔高渗古风化壳或古岩溶带，有利于油气长距离运移 不整合的分布具有区域性，在时空上具有稳定性，不仅能大面积汇集油气并形成长距离的运移通道，还能把不同时代、不同岩性的生、储岩层连通起来形成多种类型的不连续的生储盖组合,准噶尔盆地西北缘以不整合为运移通道的油气运移示意图,T5顶面构造图,古地貌图,基岩顶面地势古今对比存在三种情形：,贝尔潜山,运载层的组合关系a储集层间的组合；b储集层与断层的组合；c断层间的组合；d不整合与储集层的遮挡组合；e储集层与不整合的超覆组合；f不整合间的组合,2、二次运移的输导体系,（1）按运移通道的时空组合特征：,（2）按主要运载层类型分类：,五、二次运移的主要方向和距离 二次运移的方向和距离取决于运移通道的类型和性质，还取决于动力的大小、作用时间和方向,油气沿着渗透性最好、阻力最小的路径运移 （运移高速公路）总方向：盆地中心边缘或中央隆起带 深层浅层主要指向：生油凹陷中或邻近地区长期继承性发育的 正向构造带,1.运移的主要方向,松辽盆地下白垩统生油