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《石油地质学》石油与天然气的运移改

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第四章石油和天然气的运移( 气运移 一一地壳中石油和天然气在各种自然因素作用下发生的位置移动。第四章 石油和天然气的运移第一节:与油气运移有关的几个基本概念一、基本概念二、油气运移的基本方式渗滤和扩散第四章 石油和天然气的运移1、 渗滤 是油气以不同的物理相态在浮力或其它动力作用下,由 高势区向低势区流动的一种机械运动方式 ,可用达西渗滤定律来描述。Q=[K·S·((L·µ) 差 散是分子布朗运动的传递过程,扩散速度与浓度梯度有关,服从费克( 一定律:J=- 扩散速率; D—— 扩散系数; C—— 物质浓度扩散方向是从高浓度向低浓度扩散 。一般分子越小,越易扩散。所以天然气的扩散损失要比石油大的多。三 二次运移1 . 初次运移 (指烃源岩中生成的分散状态的油气向烃源岩外排出的过程。这一过程也称 排烃 。第四章 石油和天然气的运移2、 二次运移 (气脱离烃源岩后,在孔渗条件较好的多孔或者多裂缝系统内的运移。包括:油气在储集层中运移,及沿断裂、裂隙、不整合面等通道的运移。第四章 石油和天然气的运移油气初次运移和二次运移示意图第四章 石油和天然气的运移四、油气运移结果 :导致石油和天然气在储集层的适当部位(圈闭 〕 的富集, 形成油气藏 。导致油气的分散,使油气藏破坏油气重分配或消失。油气运移示意图(据 1978)油和天然气的运移五、主要研究内容动力条件和运动过程 是油气运移的主要研究内容,其目的在于了解油气运移机制和途径,直接为油气勘探服务。具体研究内容包括: 介质条件、相态、动力、阻力、通道、距离、时期、以及在运移过程中的物理化学变化等 。相态途径储集层动力文本第二节 石油和天然气的初次运移烃源岩第四章 石油和天然气的运移第四章 石油和天然气的运移一、烃源岩的物性特征油气初次运移是发生在烃源岩内部的,烃源岩是初次运移的介质。因此,烃源岩的性质及其物理化学条件,是影响初次运移的重要外因。烃源岩特别是泥质烃源岩可塑性受压实作用影响,岩石比较致密、孔隙度比较低,孔隙中的水和新生成的烃类流体要在上覆负荷作用下通过孔隙系统排出来,通常是比较困难的。20%以下,可见烃源岩的孔隙直径是极细小的。页岩孔隙度与孔隙直径的关系(据 1972修改 ) 沉积物比表面是指单位质量的沉积物中颗粒所具有的表面积总和,通常以 m2/相同质量或同等体积的岩石中,组成的颗粒越细小则比表面越大,对孔隙流体的吸附作用越强。1978)曾对美国湾岸地区第三系的同体积砂岩与页岩进和地内表面的近似计算表明:页岩颗粒的内表面约为砂岩的 8000倍。 说明 泥质岩较砂质岩有大得多的比表面 。成熟烃源岩孔隙度小,孔隙极细微,比表面又大,使得孔隙流体的排出非常困难,甚至不可能。这也是人们认为油气初次运移十分困难的根本原因之一。2、沉积物比表面第四章 石油和天然气的运移3、岩石的润湿性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(相),反之为非润湿流体(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。 岩石的润湿性影响着油气在其中的运移难易程度,不同的润湿性造成油水两相在孔隙中的流动方式、残留形式和数量的不同 。第四章 石油和天然气的运移在亲水岩石中,水会在颗粒表面形成一层薄膜,油被挤到孔隙中心部位形成孤立的油珠。这种油珠可以堵塞孔隙喉道,阻碍流体运移, 这种现象称“贾敏效应” 。而在亲油岩石中,油以薄膜形式附着在孔壁上,成为不能移动的残余油。亲水介质中残留油的数量要比亲油介质中少,但油相在亲水介质中的流动却比在亲油介质中难。岩石油水水水水(A) 亲水孔隙介质 () 亲油孔隙介质孔隙介质中油水的分布形式岩石的润湿性取决于矿物组成及流体性质 。一般认为 沉积岩的大多数为亲水的 。但对于 烃源岩 而言,由于本身含有许多亲油的有机质颗粒,又能在一定条件下生成烃类,因此认为是 部分亲水,部分亲油 的中间润湿。第四章 石油和天然气的运移二、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 903)、 924)、 960)、963~ 1978)、 976~ 1989)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 ( 985)第四章 石油和天然气的运移据 976—— 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 (,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 959)、973)。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981)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,毛细管阻力相对较小。临界含油饱和度 —— 大量油气生成会使其降低。 0%,甚至 1%以下。再者,生油期间产生的 强其流动性( 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。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。 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三、油气初次运移的主要动力和运移方向第四章 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 。1、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排液过程原地层压实平衡原地层压实平衡原地层瞬时剩余压力新沉积再新沉积。。。。a 、上覆沉积物 厚度相等剩余压力的大小 : ρg× ρρw) g× H/H= ( ρρw) 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 向上也存在着压力梯度:dp/ ρg× (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 。2、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 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( 1980),使石油进入渗透性的载岩和储集层。干酪根产生的 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 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959, 1967),969)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蒙脱石脱水与流体异常压力的关系( 984)第四章 石油和天然气的运移部分是蒙脱石)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 。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( 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A— 980~ 1984),图为8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( 田和荷兰的哈令根( 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。 岩与砂岩盐度相差50000× 10果两者相差 150000× 10可产生 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埋深 (m) 温度 (℃ ) 有机质热演化阶段 油气运移动力0~1500 10~50 末熟(B >ФC> Ф点流向 从高势区低势区流动第四章 石油和天然气的运移第四章 石油和天然气的运移一般认为油是不可压缩的,在压力变化不大的情况,气的密度也可视为常数,从而可将水势、油势、气势分别写为:五、二次运移中油气性质的变化二次运移中,石油的高分子量成分以及极性成分易被矿物表面吸附,轻烃和无极性成分可自由通过。色层效应的结果使石油的胶质、沥青质、卟啉及钒镍等重金属减少,轻组分相对增多,在烃类中烷烃增多,芳烃相对减少,烷烃中低分子烃相对增多,高分子烃相对减少。表现为密度变小、颜色变淡、粘度变小。1、色层效应酒泉盆地老君庙背斜带油气运移的方向第四章 石油和天然气的运移2、氧化作用二次运移中依具体介质环境的变化,还可发生脱气、晶出等其他效应。特别值得注意的是氧化作用,它可使石油的胶状物质增加,轻组分相对减少,环烷烃增加,烷烃和芳烃相对减少,密度、粘度也随之加大,其效果大致与色层效应相反。不过二次运移中的氧化作用通常要被色层效应所抵消,只有当石油接近地表或当大气借助于断层或地层水而与石油沟通时,氧化作用才可占优势。第四章 石油和天然气的运移第四章思考题 1. 论述油气初次运移的主要动力因素。 2. 论述异常高压在油气藏(生成、运移、聚集)中的作用。 3. 油气初次运移的相态有那些?其相态演变方式。 4. 解释油气初次运移的方式。 5. 油气二次运移的运移机理。 根据油气二次运移的机理分析含油气盆地中有利远景区。大港油田油、气、水性质纵向变化情况表(据大港油田)目地层原 油 性 质 天然气性质 油田水性质比重0℃ 厘泊 )含蜡量(% )凝固点(℃ )胶质沥青质 (% ) 比重甲烷含量(% )重烃含量(% )总矿化度(毫克/升 )氯根(毫克/升)水 型上第三系明化镇组明二明三明四0. 93220.91840.8991112. 662. 729. 86. 18. 09. 0332. 817. 615. 612. 60. 57340. 60930. 662696. 9593. 5085. 002. 126. 6112. 94338533213772102910091118重碳酸钠型重碳酸钠型重碳酸钠型馆陶组馆一馆二馆三馆四0. 88780.87770.86950.854618. 362. 025. 611. 79. 211. 914. 714. 816~ 830. 59. 212. 39. 87. 20. 65680. 70810. 73160. 782785. 6177. 0475. 9871. 4312. 0017. 4021. 9827. 744952496247535097977114611921678重碳酸钠型重碳酸钠型重碳酸钠型重碳酸钠型下第三系东营组0. 8411 4. 9916. 37 25 8. 67 0. 7023 80. 71 17. 43 17277 6880 重碳酸钠型沙河街组沙一、二沙三0. 85830.82807. 592. 8718. 2612.4921239. 665. 660. 68560. 758282. 8575. 2115. 0523. 22173131595380898295重碳酸钠型重碳酸钠型项第四章 石油和天然气的运移
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