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油气田开发地质基础 第4章 油气运移-xie

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1第 4章 石油和天然气的运移• 石油和天然气都是流体,它们具有流动的趋势。油气可以 从源岩 运移到 储集层 (输导层),从储集层运移到 圈闭 中形成 油气藏 ,油气也可以由于地质条件的改变而 从圈闭 沿 输导层 运移到 别的储层 中,再运移再聚集 形成 次生油气藏 ,或者通过断层或封闭性差的盖层向上运移到达地表形成油气苗。• 因此, 油气运移贯穿于油气藏的形成、调整和破坏的整个过程 。研究油气运移不仅具有理论意义,而且具有重要实际意义,搞清油气运移的特点,对油气勘探、开发都有重要的指导意义。2第 1节 与油气运移有关的几个基本概念一、初次运移和二次运移的概念1. 油气从源岩层向储集层的运移,称为 初次运移 。2. 油气进入储层以后的一切运移都称为 二次运移 。3关于二次运移• 油气二次运移包括油气在储集层的运移,也包括油气聚集成藏后由于地质条件的改变所导致的油气再运移过程。• 过去,有人把油气藏被破坏后的油气运移称三次运移,后来人们发现,油气藏被破坏后的运移与成藏前在输导层或储集层中的运移特点没有明显不同,所以,现在把这一阶段的运移也归于二次运移范畴。坨庄 胜利村油田构造及横剖面图5二、油气运移的基本方式渗滤与扩散 是油气运移的两种基本方式。但两者的条件和效率不同。1、渗滤流体在孔隙介质中的流动称为 渗滤 ,是一种机械运动方式,流体在渗滤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能低的地方流动 。油气渗滤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 (正比,而与液体的粘度 (μ)和液体通过岩石的长度 (L)成反比:Q= [K·S·((L·μ)62、扩散扩散 是分子布朗运动产生的传递过程 。当物质存在浓度差时,扩散方向总是从高浓度向低浓度进行。扩散的结果是使浓度梯度达到均衡。流体中的扩散速率与浓度梯度有关,服从费克第一定律:J= 散系数与分子大小有关,也与扩散介质条件有关。分子越小,扩散能力越强,轻烃具有明显的扩散作用。因此,在研究油气运移时,对于轻烃,特别是气态烃,不能忽视分子扩散方式在其物质传递过程中的作用。7三、岩石的润湿性润湿性是指流体附着固体的性质,是一种吸附作用。 易附着在岩石上的流体称润湿流体,不易附着在岩石上的流体称非润湿流体。 在多种互不混溶的流体共存于岩石孔隙中时,润湿流体又称润湿相,非润湿流体又称非润湿相。例如, 在油水两相共存的孔隙中,如果水易附着在岩石上,这时我们称水为润湿相,油为非润湿相,岩石具亲水性; 反之,如果 油易附着在岩石上,这时我们称油为润湿相,水为非湿润相,岩石具亲油性。一般认为,由于沉积岩大多在水体中形成,水又是极性分子,因此,岩石颗粒多数为水润湿,能在颗粒表面上形成吸附水膜。但是, 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,因此可以认为是部分亲水、部分亲油的中间润湿。7同的润湿性造成油、水两相在孔隙中的流动方式、残留形式和数量不同。在亲水岩石中,孔壁及颗粒表面为水所润湿,能在颗粒表面上形成吸附水膜,而油相不能以薄膜形式残留在孔壁上,而是被挤到孔隙中心部位。当油相饱和度很小时就会形成孤立的油珠。这种油珠可以堵塞孔隙喉道阻碍流体运移,除非有相当大的推力使油珠变形,才能流动。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。可见,亲水介质中残留油的数量要比亲油介质中少,油相在亲水介质中的流动却比在亲油介质中难。9四、油(气)运移临界饱和度油(气)水同时存在时,油(气)相运移所需的最小饱和度称为油(气)运移的临界饱和度。亲水的砂岩 中,油水两相吸排水实验结果表明,油相的饱和度低于 10%时,油相不能流动。在烃源岩中 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,因此大部分颗粒的表面已为油所润湿,油相运移的临界饱和度可小于 10%,甚至可降到 1%。10第 2节 石油与天然气的初次运移• 油气自源岩层向储集层的运移称为 油气初次运移 。• 本节主要探讨油气初次运移的相态、促使油气初次运移的 主要动力、运移方向、运移时期、运移途径、运移模式及烃源岩有效排烃厚度 等几个问题。• 一、 油气初次运移的相态• 石 油 :对于石油的初次运移,尽管存在水溶相与游离相运移之争,但现在越来越多的人已经承认 游离相运移占主导地位,水溶相居次要地位 。• 天然气 :对于天然气初次运移的相态,目前争论不多,一般认为,它可以 呈水溶相和游离相运移 。另外,在某些条件下,油可溶于气体中, 气可溶于油中进行初次运移 。作为油气运移的载体呈水相进行运移。从运动力学角度,水溶相是最理想的运移状态,水溶液沿细小的孔隙喉道运移,基本不存在毛细管力的阻力。水溶相运移存在的问题首先是由于液态烃类 (石油 )大量溶解于水中是比较困难的。12虽然随着温度的升高,液态烃在水中的溶解度增加,但在目前公认的生油温度 60~ 150℃ 区间内,石油在水中的溶解度也不过几 高也不过 100+过来,根据生油岩生油高峰的生油量,若以水溶相初次运移,则水中石油的溶解度至少是在 8000~15000然,在生油有效温度范围内,如此大量石油溶解在水中是不可能的。所以, 水溶相不是石油初次运移的主要相态。原油在水中的溶解度随温度的变化怀俄明州法姆尔原油阿拉斯加原油里迪河原油尤尼恩文奈原油路易斯安那州阿姆瑟湖原油13但是,对于天然气而言,情况则不同。天然气在水中有较大的溶解度,且天然气在水中的溶解度随压力的增加而增加。因此,天然气可呈水溶相运移。尤其在较浅层,压实程度低,岩石孔隙中有较多的孔隙水,可溶解大量天然气。纯水中天然气的溶解度与温度、压力的关系142. 游离相游离相即游离油相和游离气相,即油相和气相。越来越多的人认为,游离相是石油初次运移最重要的相态。其证据有:1)对生油岩进行显微观察时,发现有游离相石油存在于烃源岩孔隙或裂隙中,这种现象是游离相运移的最直接证据;2)在较厚的烃源岩剖面中,还可测定出烃源岩对初次运移的色层效应,即随离烃源层-储层接触界面距离的减少,烃源岩中氯仿抽提物含量有减少的趋势,这种现象也支持游离相运移观点。因为只有游离相运移才能出现色层效应。另一方面,只有这种运移相态才能解释烃源岩生成大量油气的排出,克服了水溶相运移假说所存在的种种难以解释的现象。15天然气也可呈游离相运移,特别是在中深层,烃源岩大量生气,而此时岩石已受到比较强烈的压实,地层水少,天然气则主要呈游离相形式进行运移。溶油相石油与烃类气体有互溶性,即天然气可以溶解于石油中,石油也可溶于天然气中。天然气可溶解于石油中,以油相形式运移,即 油溶气相。石油也可溶于天然气中以气相方式运移,即 气溶油相 。它们都是游离相形式。许多 油田所含的伴生气 多是天然气溶于石油中,后来地质条件变化而脱气的结果,同样,许多 气田含凝析油 也是油反溶于气中的很好例证。其对于深部过成熟阶段。综上所述 :次运移的相态比较单一, 主要是油相,气溶油相、水溶相居次 。运移相态多,有 水溶相、气相、油溶气相、扩散相 。而且,不同演化阶段,油气初次运移的主要相态不同。成熟阶段 ,埋深较浅,孔隙度较大,地层水较多,生烃量较少且胶质、沥青质含量高,这时油气的初次运移以水溶相运移最有可能,水作为载体。在某些适合大量形成生物化学气的环境中,所生成的生物甲烷气可呈水溶相运移外,也可以游离相运移。入 生油高峰阶段 ,由于油气的大量生成,孔隙水不足以溶解掉所生油气,这时油气主要以游离相运移,其中所生的气体多溶于油中,呈油溶气相运移;凝析气阶段 则主要以气溶油相运移,气作为油的载体;成熟阶段 ,烃源岩大量生气,这时,天然气则以游离气相运移。油气初次运移相态演化19二、油气初次运移的主要动力和运移方向油气要从烃源岩中运移出来,必须存在驱动力。目前一般认为,烃类从其源岩层中排出原因是由于烃源岩存在剩余压力。地层孔隙中流体所承受的压力。一般情况下,为其上覆孔隙空间内地层水的重量所产生的水柱压力,即 静水压力 。上覆岩层重量所产生的压力为地静压力 ,由岩石颗粒骨架承担。但是,有时由于各种原因,部分上覆岩层重量所产生的压力也作用到孔隙流体上,就出现剩余压力,这种现象称为异常高压现象(或超压现象)。力 : 是指岩层的实际地层压力超过对应的静水压力的部分;由于不同点的剩余压力不同,从而驱动孔隙流体(包括油、气、水)沿剩余压力变小的方向运移。产生剩余压力的主要原因是:隙度减少,岩石体密度增加。压实作用如何排出孔隙流体 :对于一套地层,当其中的流体压力为静水压力时,我们称之为 压实平衡 ,如果在这样一个已达到压实平衡的层序之上又新沉积了一套沉积物,新沉积物的负荷会使下伏地层进一步压实,此时颗粒要重新紧缩排列,孔隙体积要缩小。就在这些变化的瞬间,孔隙流体就要承受部分上覆负荷压力,结果使 孔隙流体产生了超过静水压力的 剩余压力 。 正是在剩余压力作用下,孔隙流体得以排出,当排出一定量后,孔隙流体压力又恢复为静水压力。随着上覆地层的不断增加, 孔隙流体压力持续出现 瞬间剩余压力 与正常压力的交替变化, 从而不断把孔隙中流体排出,孔隙体积不断减小。•产生剩余压力的主要原因21在砂泥岩互层剖面中,由于压实使泥岩孔隙度减小得比砂岩快,即在相同负荷下泥岩比砂岩排出流体多,这样泥岩孔隙流体所产生的瞬间剩余压力比砂岩的大,因此,流体的运移方向是由泥岩到砂岩。尽管砂岩同样要被压实,但由于所产生的瞬间剩余压力比上下泥岩的小,其压实流体不能进入泥岩,只能在砂岩层中做侧向运移22压实作用对初次运移方向的控制 :对于一个碎屑岩沉积盆地, 从宏观上看 ,压实流体总是由深部向浅部、由盆地中心向盆地边缘运移。从微观上看 ,压实流体总是由泥岩向砂岩运移。隙体积不能随上覆负荷增加而减小,导致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称 欠压实现象 。( 1)由于欠压实泥岩孔隙中存在剩余压力,它具有驱动孔隙流体向低剩余压力的方向运移的潜势。( 2)特别是当欠压实程度进一步强化,孔隙压力超过泥岩的承受强度,泥岩则会出现破裂,形成 微裂缝 ,结果超压流体会通过泥岩微裂缝涌出,达到排液目的,随着流体排出,孔隙超压被释放,泥岩回到正常压实状态。24欠压实带中异常高压驱动油气水的排出方向是从欠压实中心向上下排出的。构水较多,一般含有四个或四个以上的水分子层,这些水份按体积计算可占整个矿物的50%,按重量计算可占22%。在一定深度范围内,在压实和热力作用下,蒙脱石要向伊利石转化,转化过程中,蒙脱石释放结构水,进入粒间孔隙成为自由水,而且结构水变成自由水其体积要膨胀,从而增加了泥岩孔隙流体压力,很容易 产生孔隙异常高压 ,促进烃类初次运移。包括水 )。干酪根所形成的油气 (包括水 )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中,必然不断排挤孔隙已存在的流体,驱替原有流体向外排出。当流体不能及时排出时,则会导致 孔隙流体压力增大 ,出现异常压力排烃作用。因此, 烃源岩生烃过程也孕育了排烃的动力 ,由此推断,石油的生成与运移是一个必然的连续过程。层温度增加,油气水体积会膨胀,例如 :膨胀系数为 4000× 10℃ , 1000× 10℃ , 400× 10℃ ,00× 10℃ 。这种膨胀使烃源层内压力增加,将促使流体在地下深处的运移,当然也有助于烃类的运移。28地温梯度是 25℃ /的比容从 0磅 /英寸 2压力时的 11600 磅 /英寸 2压力时的 g,后一个压力相当于 7708言之, 当埋藏到 7708的体积膨胀了 10%,这是一个很大的数量。77081600磅/英寸 2水的体积膨胀了 10%水的压力一温度一密度(比容)的 关系曲线通过半透膜从盐度低向盐度高的方向运移 ,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 。( 1) 页 (泥 )岩中水的含盐量与孔隙度成反比关系 ,因此,含盐量从每层页 (泥 )岩的中间部分向边部增高。( 2)含盐量与渗透压力之间也是成反比关系 ,因此,渗透流体运动的方向,是从含盐量低的部分流向含盐量高的部分,且渗透流体运动的方向与压实流体流动的方向相同。因此, 渗析作用能促进烃类从页 (泥 )岩向砂岩中运移, 成为烃类初次运移的动力之一。细管压力、扩散作用、碳酸盐岩胶结和重结晶作用等。( 1)构造应力作用 能导致岩石产生微裂缝系统,这有利于岩石和有机质吸附烃的解吸作用,另一方面,侧向构造挤压力可以促使流体运移。( 2)毛细管力的作用 一般都表现为阻力,仅在源岩层与储集层(运载层)的界面处才表现为动力。因为不同大小孔喉造成的毛细管压力差,其合力的方向指向孔喉较大的一侧。( 3)胶结和重结晶作用 是碳酸盐岩源岩排烃的重要动力。胶结和重结晶作用能使碳酸盐岩孔隙变小。( 4)扩散作用。 在岩性致密和高压地层中对天然气的运移有重要作用.在致密的或异常高压地层中,流体渗滤运移比较困难,但天然气可在浓度梯度的驱动下进行分子扩散。31由上可见,促使油气初次运移的动力多种多样,但需要强调的是在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。-浅层深度,层以异常压力为主要动力 .由于油气大量生成主要发生在中-深层,因此, 异常压力显得更重要 。32三、油气初次运移的时期埋藏深度温度℃有机质热演化阶段油气运移动力0~1500 >3010~50 未 熟正常压实、渗析、扩散1500~400030~1050~150 成 熟正常压实-欠压实、蒙脱石脱水、有机质生烃、流体热增压、渗析、扩散主要排烃期4000~70002σ- 1/气进入储层后要受水压力作用。同一岩层由于水位面倾斜引起地层水流动而产生的压力。储集层中水的流动方向通过测压面判断。水压头相当于地层压力所能促使地层水上升的高度。同一层位各点水压头顶面的连线称该层的测压面(水位面),测压面是一个想像的面,用来反映横向上水压头的变化。储集层中水的流动方向总是 从供水区向泄水区流动 ,即 从测压面高的一侧向测压面低的一侧运移 。43地层水在水动力的作用下流动,可携带油气一起运移,因此水动力是油气二次运移的主要动力之一。水动力在油气运移过程中的作用是起动力或是阻力作用,要看水流动方向与油气浮力方向是否一致而定。构造运动力。在地壳运动过程中,无论是挤压运动或升降运动,都会在岩层内部表现出大小和方向各异的应力活动,在不同的地质条件下,它可能表现为挤压应力、拉张应力或剪切应力等各种应力;当它们超过了岩石的一定强度,就会 促使岩层变形或变位,造成各种褶皱和断裂,并驱使沉积物中所含流体发生运移 。水平挤压 —— 褶皱基底拱升 —— 大型隆起或穹隆构造断裂 —— 压性断裂、张性断裂、剪性断裂、裂缝不整合面 —— 则常形成风化带或地下水溶蚀带45在沉积盆地里,构造运动力可以形成褶皱、断裂以及各种不整合,构造运动力给油气二次运移创造了极为有利的条件 。( 1)背斜、向斜相间,地层发生倾斜,形成供水区和泄水区。油气沿倾斜的地层发生运移,从油源区运移至聚集区,从一个构造运移到另一个构造等等。( 2)各断层和裂缝可将岩层中各种原生孔隙、次生孔隙连通,形成运移通道。( 3)不整合面则常形成风化带或地下水溶蚀带,同样是油气二次运移的良好通道。构造运动力能够直接促使油气运移 。构造运动力使岩石发生应变,使颗粒变形和孔隙变形,这一变形过程,会把作用力传递到其中所含的流体,驱使油气向受力减弱方向运移。总之, 浮力和水动力是油气二次运移的直接动力 ,但归根结底,它们受构造背景控制, 地壳运动是促进油气运移的根本条件 。46三、油气二次运移的通道1、储集层的孔隙和裂缝孔隙和裂缝是油气二次运移的 基本通道 ,由于储集层具有孔隙空间和裂缝空间,油气才能进入其中,并通过它们而运移,至于运移的数量和速度,则决定于孔隙、裂缝的大小和连通情况。2、断裂断裂可以作为油气二次运移的 快速通道 。由于断裂不像孔隙那样大小不一,迂回曲折,因此,油气沿断裂通道运移比在岩石孔隙中运移更容易。3、地层不整合面也是油气运移的 重要通道 。地层不整合代表着地层曾经历过区域性的风化剥蚀作用,因此往往可形成区域性稳定分布的高孔高渗古风化壳或古岩溶带,对 油气长距离运移 或形成大油气田非常有利。47青海油田构造图及剖面图4849任丘油田构造图及剖面图50四、油气二次运移的主要时期油气初次运移后的构造运动控制了油气二次运移的主要时期 。在一般情况下,二次运移的主要时期,应该是在主要生油期之后或同时所发生的第一次构造运动时期。假如在油气聚集以后,该地区又发生二次、三次,甚至更多次的构造运动,则每一次运动对油气运移和聚集都会产生一定的作用。若后期构造运动对原有圈闭影响不大,则不会引起油气大规模的区域性运移。若后期构造运动对原有圈闭条件产生重大改造或全部破坏时,油气会再次发生新的区域性运移。因此,在研究油气运移的主要时期时,必须首先研究 生油的主要时期 及该区的 主要构造运动的历史 。气二次运移的主要时期是在 早第三纪渐新世东营组末期 。此时正是油气生成的主要时期,更重要的是在 渐新世东营组末期 ,曾发生一次 区域性 的构造运动,这次运动是以 块断活动 为主要特征,产生了大量的断层,形成一些新的二级构造断裂带,为油气二次运移创造了条件。渤海湾地区的一些主要的油田,如胜坨油田、任丘油田、大港油田、兴隆台油田等,都主要是在这个时期形成的。约相当于 晚第三纪上新世明化镇组末, 又发生了一次 较强的块断运动 ,产生了一些新的断层,使部分已经形成的油气藏圈闭条件遭受破坏,油气再次运移,导致相当数量的上第三系次生油气藏的形成。北大港油田52五、些含油气丰富的油气田,都是位于生油凹陷附近油气运移的主要方向上。因此,判断油气二次运移的主要方向对油气勘探很重要。(1)基本规律 : 地壳中的石油和天然气,总是 沿着阻力最小的方向 运移,这是油气在储集层中运移的基本规律。(2)从盆地整体上看 ,油气运移的方向,总是 从盆地中心向盆地边缘运移 。具体运移的主要方向则受多种因素控制。 1) 区域构造背景 ;最重要的控制因素,即凹陷区与隆起区的相对位置及其发育历史。在一般情况下, 位于凹陷附近的隆起带及斜坡带 ,常 成为油气运移的主要指向 。特别是其中长期继承性的隆起带最为有利。例如大庆长垣为坳陷内的长期继承性隆起带,成为主要生油区古龙凹陷油气运移的主要方向。据计算,约有 87%的生油量沿这一方向运移至大庆长垣中聚集起来,形成我国最大的油田-大庆油田。( 2) 储集层的岩性岩相变化 。( 3) 地层不整合、断层分布及其性质 。( 4) 水动力条件 。54从我国目前所发现的油气田情况看,它们多有靠近沉积中心 (油源区或生油凹陷 )分布的特点,即所谓 “源控论” ,一些含油气丰富的油气田,都是位于生油凹陷附近油气运移的主要方向上。552、距离关于油气二次运移的距离问题,有人主张 长距离运移 ,有人主张短距离运移 。在研究和讨论油气二次运移的距离问题时,必须从具体的地质条件出发,作具体分析。控制因素:1)岩相古地理条件 。2)区域构造条件,如不整合面分布和断层切割 。3)各种动力条件 。盆地名称 运移距离(公里)一般 最大松辽盆地 小于40鄂尔多斯盆地 小于40 60渤海湾盆地 小于20 30江汉盆地 小于10 15南襄盆地 小于10 20酒泉盆地 5~20 30准噶尔盆地 30~50 80海相盆地 ,岩性岩相稳定,断裂简单,油气可作长距离运移,可达上百、至上千公里。陆相盆地 ,岩性岩相变化大,断层切割复杂,油气以短距离运移为主, 20般30公里。56思考题1 、何谓初次运移?何谓二次运移?何谓油气运移临界饱和度?2、油气运移的基本方式有哪些?3、石油和天然气初次运移的相态有何异同?4.油气初次运移的动力有哪些?油气初次运移的途径有哪些?5.何谓地层压力、测压面(水位面)、静水压力?6.二次运移的主要动力有哪些?二次运移的通道有哪些?二次运移的主要时期?
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