油气运移的基础和进展.ppt

1、石油天然气地质学新进展,一、油气成因理论及进展 二、油气运移基础及进展 三、油气成藏理论及进展 四、我国油气资源可持续发展战略,二、油气运移基础及进展,（一）与油气运移有关的几个基本概念 （二）石油天然气的初次运移 （三）石油和天然气的二次运移,（一）与油气运移有关的几个基本概念,油气运移是油气藏形成过程的重要扭带，它连接源岩到圈闭的过程。 油气是流体，它运移的两种主要方式是渗滤和扩散，前者受势梯度驱动，后者受浓度梯度驱动。 1、初次运移和二次运移 原始运移：油气在烃源岩中的运移 初次运移：油气排出烃源岩的运移 二次运移：油气在输导系统中的运移 三次运移：油气成藏后油气藏破坏发生的运移,2、油

2、气运移的基本方式 渗流与扩散是油气运移的两种方式 渗流 是一种机械运动方式，液体在渗流过程中遵守能量守恒定律，它总是由机械能高的地方向机械低的地方流动；渗流是一种整体流动方式，在流动中表现出一定的相态，在达到吸附平衡以后各种组分的浓度基本不改变。 可以用达西定律来描述，即单位时间内液体通过岩石的流量（Q）与通过岩石的截面积（S）、岩石的渗透率（K）及液体压力差（P2-P1）成正比，而与液体的粘度（）和液体通过岩石的长度（L）成反比,扩散 是分子布朗运动产生的传递过程。这种运动可引起流体（气体、液体）的他子不断进行再分配，但这一过程中固体中进行的速率非常低，扩散的结果是使浓度梯度达到均衡。流体中

3、的扩散传递速率与浓度梯度有关，服从费克（Fick）第一定律 J=-DgradC 式中 J扩散速率； D扩散系数； C物质浓度。,3、岩石的润湿性 润湿性是流体附着固体的性质，是一种吸附作用，不同流体与不同岩石会表现出不同润湿性。 润湿流体易附着在岩石上的流体 非润湿流体不易附着在岩石上的流体 在多孔介质中多种互不混溶的流体，润湿流体又称润湿相，非润湿流体又称非润湿相。 一般岩石、沉积岩大多在水体中形成，水是极性分子，岩石颗粒多数为水润湿，在颗粒表面形成吸附水膜。 对于烃源岩含有许多亲油有机颗粒，又能生烃，所以部分亲水、部分亲油。 岩石润湿性具有非均匀性，强亲水岩石有一些内表面亲油，强亲油的岩石

4、有一些内表面亲水，有的一些大孔隙亲油，小孔隙亲水。 岩石的润湿性影响油气在其中运移难易程度，造成油、水两相在孔隙中流动方式、残留形式和数量不同。,亲水岩石中，孔壁及颗粒表面为水所润湿，油被挤到孔隙中心部位。当油相饱和度很小时就形成孤立的油珠，它可堵塞孔隙喉道，阻碍油体运移。 在亲油岩石中，油以薄膜形式附在孔壁上，成为不能移运的残余油。,4、油气运移临界饱和度 岩石孔隙中存在着油、气、水三项，允许其在岩石孔隙中流动的最低饱和度值称临界饱和度。Levorson（1954）亲水砂岩进行油水两项吸排水实验结果表明：油相饱和度低于10%时，油相不能流动。Dickey（1975）认为，在烃源岩中由于大部分

5、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%，甚至可降到1%。,5、地层压力、折算压和测压面 地层压力：地下多孔介质中流体的压力，亦称地层流体压力或孔隙流体压力，帕斯卡（Pa）。 水压头：水压头相当于地层压力所能促使地层水上升的高度，表达式为：,h 水压头，m； p地层压力；Pa；w水的密度； kg/m3; g重力加速度。m/s2,折算大压力：指测点相对于某一基准面的压力，在数值上等于由测压面到折算基准面的水柱高度所产和的压力。 测点相对于基准面的高程为Z，地层压力为p，则该测点的折算压力为p,（二）石油天然气的初次运移,1、运移的相态 （1）水溶相运移 指油气被水溶解成分子溶液

6、，水作为油气运移的载体运移。 对于油来说，油在水中的溶解度太低，不是主要的运移方式。 对于气来说，天然气在水中有较大的溶解度，7Mpa压力下，温度在37.8时,天然气在水中的溶解度达1.55m3/m3。且溶解度随压力增加而增加。因此，天然气可呈水溶相运移。 （2）游离相运移,包括游离气（油）相，连续状和分散状油（气）相。这是油气运移的主要相态。 理由是： 烃源岩中显微镜相可见游离相石油存在； 后成烃源岩中可观查到色层效应；,（3）油溶气相、气溶油相运移 石油与烃类气体有互溶性，天然气可溶于石油，呈油相形式运称，石油也可溶于天然气，呈气相方式运移。它们都是游离相形式。,（4）油气初次运移相态演化

7、,随着埋藏深度增加，页岩类沉积物各种物理参数不断变化，地温压力升高，孔隙度减小，孔隙喉道直径减小，而油气的生成作用逐渐加深，因此，其相态也随之发生变化，由水溶相变为连续烃相再变为气相。,2、油气初次运移的主要动力,初次运移主要动力 （1）压实作用 （2）水热增压作用 （3）粘土矿物转化产生的增压作用 （4）干酪根降解产生的增压作用 （5）有机质热裂解产生的增压作用 （6）渗析作用,作者对流气运移的动力来源做了如下分析：盆地的深部动力是油气运移的动力背景，资源动力是初次运移的主要动力，二次运移也受到作用，水动力、浮力和手细管阻力是二次运移的主要动力。,压实作用 是油气从源层中排出的主要动力。随着

8、沉积物的不断埋深，其物理化学和矿物学都发生一系列的变化，包括孔隙度减小，容积密度增大，粘土矿物和有机质的转化，孔隙流体含量和成分的变化，其中孔隙度的变化最明显，是压实过程中多项变化的综合反映，是研究压实历史的主要指标。 孔隙度,（1）沉积物沉积压实作用产生的动力,特差基用右图模拟压实作用： 三个容器分别装水，流体压力为P；中间有一个弹簧（代表岩石颗粒骨架支撑力 ）在上覆负荷S的作用下，压力传递到流体和骨架上的三种情况。 阶段A：高压系统；水不能流出。 阶段B：水可以流出，弹簧支撑了一部分施加的负荷。 阶段C：压实平衡；负荷 被弹簧和水共同支撑。,沉积物体积Vb；骨架的体积Vs；孔隙的体积Vp；

9、 Vb=Vs+Vp （2.1） 压实中的沉积物孔隙度定义为： (2.2) 在测量压实作用程度中经常使用的其它参数是空隙比e,它的定义为： （2.3） 利用上述关系式，可以把空隙比与孔隙度联系起来 (2.4) 分子与分母乘以Vb，并重新排列各项： （2.8）,压实作用有关概念和公式（1）,孔隙度与深度的关系,划分压实阶段可以加深我们对压实规律的认识，同时还能帮助我们了解不同压实阶段孔隙度变化、排水量大小等特征。,压实阶段的划分,压实作用的研究方法,1、实测孔隙度 2、利用声波测井资料研究压实作用，建立压实方程 根据微利（Wyllie,1956)公式,黄骅凹陷：,泌阳凹陷：,、利用声波测井资料研究

10、破裂压力。,压实作用使大部分孔隙水沿 渗透性好的砂岩层向上流动,产生过压时，使流体局部往下 流，直到过压消失又往上流,压实作用小结,二是当沉积速度快，压实与孔隙流体的排出达不到压实平衡时就产生欠压实和异常孔隙流体压力。当这种压力积累达到和超过源岩中的某一强度时，就会使源岩产生孔隙，使流体释放，压力降低。随着沉积层的逐渐埋深，孔隙流体压力逐渐升高，再次使源岩压裂，导致压力释放。这种压力孕育压裂释放再孕育再释放作用会周期性的发生，直到达到压裂平衡为止。,一是随压实作用进行，沉积物孔隙度减小，容积密度增大，孔隙中的流体排出。这是一种受压力控制的流体，它与通常受重力控制的流体的运动方向不同，是从盆地中

11、心到边缘，从盆地深部到浅部运动,（2）随埋深增加、水体膨胀产生的水热增压作用,36 /1000m,25 /1000m,18 /1000m,在正常压实的情况下，水热作用表现在单位重量水体积膨胀，即密度减少，比容增加，其增加的速度随埋藏深度和地温的增加而增加,三种地温梯度条件下正常 压实带水的比容深度关系,比容：单位重量水所占有体积即,由图可以看到随埋深增加，温度升高，水的比容在不断增大。,在欠压实带，水的压力 温度密度（比容）关系,根据波义尔马特略定律 PV=RT 随着埋深增加，温度增加，使得岩石孔隙水的比容不断增大，而孔隙体积在减少，即使孔隙体积不变，其孔隙流体压力也在增加。因此，产生了增压作

12、用。,（3）粘土矿物转化产生的增压作用 粘土成份中蒙脱石随埋深增加、地温升高而发生的脱水作用，是引起泥岩异常高压、导致烃类排出的另一个因素。,蒙脱石矿物中含有 4 个水分子层， 其中水分子的密度从内向外依次 1.4 g/cm3，1.25 g/cm3、1.15 g/cm3、 1.0 g/cm3，脱水后 密度 均小于 1.0g/cm3，比容增大，体积随之 膨胀，产生异常孔隙流体压力,（4）烃类生成的增压作用 在生油门限深度以下，干酪根热降解而生成烃类。在大量生烃的同时，有大量二氧化碳、甲烷等气体生成。当生油层埋藏深度增加，干酪根大量降解生成液态烃和气态烃。,对于有机质丰度高，类型好的烃源岩，其孔隙

13、流体压力增高的效果更明显。许多地区往往在生烃门限处开始产生异常孔隙流体压力。,有两方面因素将会大大增加岩石的孔隙流体压力,另一方面 油气的膨胀系数几十到几百倍于岩石颗粒,10-6 单位体积/,沉积颗粒膨胀系数910-6 单位体积/， 盐水20010-6 单位体积/, 原油100010-6 单位体积/， 理想气体400010-6 单位体积/,一方面 密度发生变化，当干酪根热降解形成油气时造成密度降低、比容增加、体积增大、压力增加；,干酪根 密度为 1.6 g/cm3， 石油 密度为 0.88 g/cm3， 天然气 密度为 0. 15 g/cm3， CH4 密度为 0. 03 g/cm3,1 g干

14、酪根生成同重量 石油 比容增加 1.8 倍， 生成同重量 天然气 比容增加 10.67 倍， 生成同重量 CH4 比容增加 53.33 倍,（6）渗析作用,渗析作用是在渗透压差作用下流体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。,（7）扩散作用,在岩性致密和高压地层中，对于天然气的运移有重要作有。,（8）烃源岩排烃动力的演变,在中浅层，压实作用为主要动力，在中深层，异常压力、烃的生成、粘土矿物转化和水的增压为主要动力。,3、单层泥岩排烃类型,I类：充分排烃型 II类：排烃型 II1类： II2类 III类：具滞烃带型 类: 侧向排烃型 类：微裂隙排烃型,充分排烃型,排烃型,侧向排

15、烃型,具滞烃带型,4、初次运移的途径,（1）孔隙和微层理面 在未熟低熟阶段，运移的途径主要是孔隙和微层理面。 （2）微裂隙 在成熟过成熟阶段油气运移的途径主要是微裂缝。,（2）微裂隙排烃,微裂隙排烃标志 在一些孕育异常孔隙流体压力的源层，源岩中的流体（油气水）只有当其实现初次运移排烃，使源岩压裂的深度，就是排烃的门限深度。 右图所示，当沙一段泥岩的深度埋深超过3600米以后，在3600-4000m范围内，孔隙度由20%降为11%，泥岩发生压实突变。原因是产生了微裂隙。由于岩石类的异常孔隙流体压力超过了岩石某种强度，岩石产生了微裂隙，根据V. Palciauskas和P. A . Domenic

16、o(1980)的意见，最小水平应力,时，流体压力 时，就可以产生微裂隙。他们还根据观察认为，在一个沉积盆地中异常地层压力最大只能达到,（1）大量排烃的含油饱和度标志 源岩排烃的两个显著标志：（1）源岩进入成油门限以下，油气大量生成。（2）油气在源岩中达到一定饱和度，才能以连续烃相运移，这个饱和度界限，作者建议用（1%）。,5、 排烃门限和排烃期的研究,理由是：根据我们在中国东部地区研究的实际资料和国外一些学者提出的大量排烃的浓度计算，以饱和度1%做标志是合适的。,（2）排烃门限、排烃期的确定 （以孤南洼陷为例）,排烃门限是深度概念，排烃期是时间的概念。 孤南洼陷沙三下段和沙一段的源层，有机质丰

17、度高、类型好，有机碳最高可达11%，类型也多为型、A型，其生烃门限虽然定为2400米，其排烃门限则在2200米左右即可开始大量排烃。只是在有机碳小于35的边缘地区，其排烃门限才与大量生烃门限一致。本区源岩水力压裂微裂隙发育的深度根据王新洲同志的研究在22003000米左右，和本区根据含油饱和度研究的门限基本一致，因此，本区排烃门限可定在22002400米之间。,（3）压实排烃微裂隙排烃,6、排烃的地球化学效应,通过典型剖面的分析，发现油气排烃运移有两个明显的地球化学效应： 1、贫化效应1，即随着初次运移的进行，排烃的进行，生油岩有机质的丰度逐渐降低；,泌阳凹陷生油岩，正烷烃的平化效应,排烃的地

18、球化学效应,（1）贫化效应2，即随着初次运移的进行，排烃的进行，生油岩有机质的丰度逐渐降低；,（2）贫化效应3,在地球化学剖面和压实曲线上可以看到在正常趋势线下，出现了亏损的现象，这中由于初次运移造成的贫化效应。,贫化效应,（3）色层效应，即随着初次运移的进行，生油岩中各个有机质成分的相对含量不断地发生关变化。,（三）石油和天然气的二次运移,石油天然气进入输导系统以后的一切运移称为二次运移。包括油气在储集层内部的运移，油气沿断层或不整合等通道所进行的运移。是油气由分散向集中成藏的作用过程。 1、二次运移的相态 石油在二次运移中主要呈游离相。 天然气可呈游离相和水溶相。 石油的游离相初期为油粒较

19、小，呈显微和亚显微油粒较多。后期分散的小油粒逐渐相连，形成连续的油珠或油条进行运移。 油气在二次运移过程中由于温压条件的改变，也会发生相态变化，溶解在石油或水中的天然气，从深层运移至浅层，地层抬升后温压的降低会从石油或水中释出，成为独立的气相；深层以气溶相运移的石油，运移至浅层也会发生凝析作用而转变为油相。,2、二次运移的主要动力,（1）浮力 石油天然气密度比水小，因此游离相的油气在水中存在浮力，浮力的大小与油气密度和体积有关。 式中 F浮力； V油相体积； g 重力加速度；w水的密度； o石油的密度。 浮力的方向垂直向上。 （2）毛细管阻力 油气在运移过程中必须首先克服毛细管阻力。毛细管阻力

20、与浮力相对抗，直到主形的油珠的曲率半痉在上端与下端相等，才能在浮力作用下向上运移。 式中 V油相体积； 油水界面张力；rt孔隙的喉道半径； rp孔隙的半径； g重力加速度；w水的密度； o石油的密度。,（3）水动力 当地下储集层中的水处于流动状态时，油气受到水动力的作用。推动单位质量石油质点运移的水动力值等于： 净浮力和水动力的矢量和（E0）是油气运移的动力。 合力的大小决定了二次运移的可能性、速率和方向。 （4）构造动力 构造动力对盆地中流体运移的影响和作用机制越来越引起人们的重视。构造动力是指静央动力状态之上的附加的一种动力状态，包括伸展动力、挤压动力和旋转动力以及它们的复合动力。,根据构

21、造动力的作用过程，可将构造动力分为连续状态的长期构造动力过程和不连续状态的瞬间构造动力过程。,3、油气二次运移指向和距离 油气二次指向是寻找油气田一个至关重要的问题。 1、剩余流体压力和流体势控制了流体运移的方向，流体运动的方向垂直于剩余流体压力、流体势的方向。 2、生油凹陷的形态对油气二次运移方向有明显的控制作用 成熟生油凹陷的范围和形态，生油中心的大小和形态，对油气运移指向控制是不同的。 （1）简单的成熟生油区,A、园形对称的生油凹陷；油气呈发散状四周运移。,B、园形不对称的生油凹陷；油气运移向凹陷四周运移,但集中性上BA。,C、长条对称盆地；A=B,D、长条不对称盆地；AB;AC,泌阳凹

22、陷油气运移指向,（2）、复合盆地；两个或两个以上的生油凹陷。ABC,E、长形弯曲对称盆地,F、长形弯曲不对称盆地ABC,线性复合盆地ABC,平行复合盆地ABC,3、运移指向的古构造脊,确定运移的主要途径，恢复成熟生油岩开始排烃时的古构造图，古构造控制着油气运移汇集的方向。,南阳凹陷核一段末期核三段顶面油气运移方向,箭头示运移方向，阴影示成熟源岩分布区。,箭头示运移方向，阴影示成熟源岩分布区。,南阳凹陷瘳庄组末期核三段顶面油气运移方向,4、二次运移的距离,油气二次运移的距离主要取决于油源的丰度和排烃期的长短，盆地输导系统连通性的好坏以及盆地的构造特征等因素。 我国盆地的统计数据可以看出，一般运移距离小于40公里最大的准噶尔盆地也才80公里。,