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油气生成油气运移油气聚集与成藏油气分布规律与主控因素石油地质学2在油气运移方向上油气田的分布3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4生油岩油气聚集二次运移初次运移油油气气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）：5二、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）θ＝0：称完全润湿θ<90：称润湿θ>90：称不润湿接触角：6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①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7②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③中间润湿的（mixed-wet）：部分亲油，部分亲水的岩石8（3）毛细管压力（capillarypressure）

θ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9（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①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；②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；10四、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

11（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12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

13实际盆地的地层压力状态（塔里木盆地为例）14胶束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：①石油是如何从低孔低渗的烃源岩中运移出来的，动力？通道？②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15一、油气初次运移的相态1.石油初次运移相态(1)游离相(油相）①石油在水中的溶解度很低；②生油期烃源岩含水很少;

③无法形成商业性石油聚集；④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16①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17(2)气溶油相(3)水溶相：十分不重要①显微观察的证据：石油以游离相存在于烃源岩孔隙系统②烃源岩中存在的色层效应支持游离相运移的证据③否定水溶相运移的证据都是支持游离相运移的证据182.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）192.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①烃源岩的有机质类型②烃源岩的埋深：孔隙度、渗透率、孔隙喉道直径③地层中孔隙水的多少④地层的温度、压力状态（2）油气初次运移相态的演变①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）20②成熟阶段烃源岩：埋藏较深、孔渗性差、含水少烃类型：Ⅰ型：油为主

Ⅲ型：气为主相态：Ⅰ型：油溶气油相Ⅲ型：独立气气溶油21③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④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22油气运移的相态总结：①石油主要是以游离相态运移的；②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③油气可以以互溶（油溶气、气溶油）相态运移④烃源岩演化过程中相态是演变的23二、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：颗粒＋流体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24②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③沉积物恢复压实平衡状态①②③①①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25压实平衡状态新沉积物的沉积欠平衡状态静水压力流体排出压实平衡状态瞬时剩余压力静水压力新沉积物的沉积压实平衡状态与欠平衡状态的交替和循环26（2）压实流体排出方向

①沉积物等厚，垂向运移②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③砂泥互层：从泥岩→砂岩④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。272.烃源岩内部的异常高压常压带第一超压带第一压力过渡带第二超压带(П1)第二压力过渡带第三超压带第二超压带(П2)（1）沉积盆地异常高压十分普遍28（2）烃源岩（泥岩）异常高压的成因①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29②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30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：②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31②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)32③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)33④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

34⑤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35（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超过破裂极限欠压实蒙脱石脱水生烃增压流体热增压…

…363.烃类浓度梯度(扩散作用）C0C1C2C3深度浓度烃源岩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：浓度梯度烃源岩储集层6.08×10-9C103.75×10-7C44.31×10-8C75.77×10-7C38.20×10-8C61.11×10-6

C21.57×10-7C52.12×10-6

C1D(cm2/s)烷烃D(cm2/s)烷烃烷烃在页岩中的扩散系数

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。37三、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。3839四、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40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①运移空间：孔隙度、渗透率比烃源岩高得多②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41一、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：42二、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432.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44(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45（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463.水动力（1）水动力的概念ABCDH1H2静水压面水压头：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。ABChAhBhC12供水区泄水区测压面47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。ABCDH1H2静水压面压力分析：各点的地层压力都等于相应深度的静水压力，剩余压力为048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：ABChAhBhC12供水区泄水区测压面—剩余压力49(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50①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。51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52②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53三、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

541．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；ρ——流体密度，kg/m3，v——流速，m/s。式中：Ф——流体势，J/kg；55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56水势：油势：气势：水头：∇hW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

572．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式中：

——流体势，J/m3；——两相界面张力，N/m；——毛细管半径，m。

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

58＝水势：油势：气势：∇hW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。

593．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60（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：①静水压力条件下，水势处处相等，水不流动61B点的油势：A点的油势：=C点的油势：②静水压力条件下，油势下大上小，油气从深部向浅部运移622.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：①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。63ABChAhBhC12供水区泄水区测压面—剩余压力两点之间水势的差就是剩余压力差64A点的油势：B点的油势：C点的油势：水势上浮力毛细管力652.动水压力条件（二）流体势与油气运移油势差：②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66四、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①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67②各种沉积环境形成的砂体是油气运移的重要通道③砂体输导层的输导效率：与砂体的孔渗性有关④高孔渗性砂体是优势运移通道68（2）断层①断层通道：沿断层面分布的破碎带，发生沿断层面的运移69克拉2烃源岩层系膏泥岩盖层超压喀东深1N（2）断层①断层通道：沿断层面分布的破碎带，发生沿断层面的运移70②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71（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722．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

73（3）输导体系类型和与油气运移方式

①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74输导层—不整合输导体系75②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”。

121ENKJ+TJ+TKKKKJ+TJ+TJ+TEN3F1F5F4F4F276③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

77五、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78(1)地层的产状与区域构造格局①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9154826NgEdEs1Es3Ek2+3Ek173

坳陷

坳陷隆起影响油气运移方向的主要地质因素79(1)地层的产状与区域构造格局①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80②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

③位于坳陷附近的隆起带及斜坡带是油气运移的主要指向④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①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81(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①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。828384②优势运移通道受断裂分布的控制85③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86③盖层底面的构造脊是油气运移的优势方向8788(3)盆地水动力条件①在水动力的作用下，油气从剩余压力高值区向低值区运移89(3)盆地水动力条件①在水动力的作用下，油气从剩余压力高值区向低值区运移②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。③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。90③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。912.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）92①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93①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94C22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95以氧化作用为主的实例——辽河凹陷96②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；9798（3）流体势分析:①流体势的计算99种马场高势带南部高势带博南低势带北部低势区流体势等值线图100②流体运移方向:垂直于等势线从高势区流向低势区③有利的聚集区:低势闭合区汇聚流指向区运移流线型式101种马场高势带南部高势带博南低势带北部低势区102六、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。

103七、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104第五节流体封存箱与油气运移

一、流体封存箱的概念105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106第五节流体封存箱与油气运移

一、流体封存箱的概念107第五节流体封存箱与油气运移

一、流体封存箱的概念108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109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110流体封存箱的构成：顶板主体层系边板底板111

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112

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北海盆地埃科菲斯克大油田

加利福尼亚Willows-BeehiveBand气田

1132.封隔层的特征封隔层（seal）：封存箱边界起封闭作用的地质体①顶板（顶封隔层）的特征

顶板大致出现在相同的深度（3000m)

印度尼西亚Mahakam三角洲：3000m美国东得克萨斯EastSmithPoint油田：3350m塔里木盆地塔中地区：3500m北海Fkofist

油区：3293m阿拉斯加库克湾：3230m114北海盆地封隔层特征某些顶板具有穿时代、穿岩性的特征2.封隔层的特征①顶板（顶封隔层）的特征

顶板大致出现在相同的深度（3000m)

115某些顶板不具有穿时代、穿岩性的特征，顺层分布某些顶板具有穿时代、穿岩性的特征2.封隔层的特征①顶板（顶封隔层）的特征

顶板大致出现在相同的深度（3000m)

116某些顶板不具有穿时代、穿岩性的特征，顺层分布某些顶板具有穿时代、穿岩性