石油地质学第6章油气运移

对于每一具体岩石来说，都有一个维持其压实需求 与实际排水之间平衡的最小渗透率界限值Kmin，岩石实 际渗透率与它的相对大小关系，石英的热膨胀率仅
为水的1/15，水的膨胀
效应更为明显。
体系的开放/封闭；
封隔性边界又往往
是隔热层。
3、粘土矿物的转化 泥质岩中含有50%以上的粘土矿物，在成岩过程中，
在不同的地质条件下可以不同。如某种机制在某一 个地方起主要作用，在另一个地区则为次要因素； ② 在一个具体地区，对异常压力形成有贡献的 因素也往往不止一个。从整体上来看压实和排水不 平衡机制意义似乎更大些，是后三种机制所赖以形 成的物质基础——封闭体系都可由它引起。
前 苏 联 南 里 海 盆 地 地 下 超 压 分 布 示 意 图
扩散不仅可以作为轻烃 聚集的动力，而且可使已聚 集的气藏散失。 天然气运聚成藏的动平 衡。
总结：目前绝大多数人 倾向于游离相是油气初次运 移的主要形式。但因运移物 质本身的性质变化很大，运 移所通过介质的物理性质以 及环境条件也都有明显变化， 也不能完全排除在不同条件 或不同阶段以其他形式运移 的可能性。
N· g、△ρ N· CO2则分别为气体和CO2的数值
密度增量，Ck为玻尔兹曼常量 (=1.38×10-16尔格· °K-1)， T—温度(°K)；Pwg—水的蒸汽压力。 显然，气态烃生成量越大(以△ρ
N· g衡量)，体系越密
闭，这一因素对异常压力形成的贡献就越大。
总
结：
① 各种成因机制对异常压力的形成所起的作用
三．水力（狭义）
充满于岩层中的水，它在渗透层中流动时能带动油气 一起运移。 含水层中的水在重力作用下由高势区流向低势区，水 从A侧进，从B侧出，其连线即为理论上的动水压面。沿水 流方向单位距离的压力降称压力梯度。当地层倾角不大时，
（P1-P2）/L≈（P1-P2）/l；故dP/dL≈dP/dl。
当有不溶于水的游离 相油气存在时，推动油气 前进的水动力应等于连片 油气两端的水压差，油柱 长度为L时，水力为：
第六章
概述
石油与天然气的运移
油气运移过程中的受力分析 油气的初次运移 油气的二次运移 流体动力与油气运聚研究实例
§1 概述 一、概念
油气运移即油气在地下的流动，或在地下因自然因素所引 起的位置移动。按油气运移所发生的场所可分为初次运移和二 次运移。 初次运移——油气 自生油层向储集层（运 载层）中的运移。 二次运移——油气 进入储集层/运载层之后 的一切运移。
10 285．5
只有在岩石中某一点出现过剩压力时，流体才打破 平衡开始流动，其流动方向指向过剩压力相对较低的地 区。同时，流体自泥岩的排出作用，也是压力释放的过 程，其结果必然导致孔隙流体压力的降低和泥岩的补充
McAuliffe（1980）也主张石油以游离相运移，但他 强调这种作用必须沿着生油层中的干酪根网络才能进行， 而与水的运动无关。他认为干酪根是亲油的，因此油沿这 样的网络运移是比较容易的，他还推测当烃/有机质为 2.5～10%±时，即可发生这种流动。
㈢ 分子扩散形式 Leythaeuser等人 （1982）指出，烃类分子通 过饱含水孔隙的扩散可能是 初次运移的一种有效形式， 认为轻烃通过扩散作用，在 饱和了水的母岩孔隙中进行 最初阶段的短距离运移（几 分米/几米）是很有效的， 母岩中的气态烃首先储层界 面、断层、裂缝系统及粉砂 岩透镜体扩散运移，再以其 它方式进行运移直到最后聚 集为止。 计算发现，有效扩散系数随烷烃C数的增加呈指数降低。
粘土矿物将发生一系列变化，如蒙脱石S→伊利石I。
S层间吸附水密度一般都高于自由孔隙水，故脱去 单位质量的水将引起体积膨胀，促进异常高压的形成。
4．有机质的热解生烃 天然气的大量生成，会给较为封闭的烃源岩系统产 生一个附加的气体压力，其大小可描述为：
式中，fg和fCO2分别为气体和CO2分子的自由度数(fg=6.452， fCO2=6.667)，△ρ
Pc
2 rc cos
rc 2
2 cos rc
毛细管压力的方向由润湿相指向非 润湿相（如由水指向油）。
六．其它力
构造应力：根据现今地震活动反映的构造应力场分布，地 下水位的变化呈现如下规律：①震前应力能量积累阶段（水位 趋势性下降），②震时能量释放阶段（水位急剧上升），③震 后应力调整阶段（水位缓慢回升，后恢复正常）。
二、地下油气运移的证据
1.地表渗出的油气苗（说明从地下→地表运移）； 2.采油时很小的井孔可以流出大量的油气（说明 至少在开采时是四面八方汇集的结果）； 3.采出的石油中可以找到比储层时代老的孢粉 （由老的生油层→储层）； 4.生油岩多为细粒岩石如泥岩、页岩，而目前的
产油层多为粗粒的砂岩等岩性（生→储）；
F=(ρ w-ρ o)· g · H
F1=F· Sinα =(ρ w-ρ o)· g· H· Sinα
天然气与石油的浮力比较：
五．毛细管力
这是毛细管中的物理现象，属于表 面力。 显然：∑df1=0； 而沿管壁的分力则为： df2=df· cosθ =δ · dl· cosθ (dl— 壁 长 ) 沿管壁积分：F2=∫df2=δ · 2π rc · cosθ 故单位面积上的压力为：
内摩擦力：是石油流动时分子之间相对运动而引起的摩 擦力，一般可以用石油的粘度来表示。内摩擦力越小，越有 利于分子运动和石油运移。 …………
§3
油气的初次运移
一、油气发生初次运移时 的介质环境特点
1．泥质岩的孔隙细小 泥质岩中片状硅酸盐＞50%， 随着泥质岩增多，岩石孔隙不仅越 来越小，且越来越扁平，呈长方形。
1．高温增溶说 Price用实验证明，怀俄明州法马尔全油在水中的溶解 度随温度升高而加大。实验数据是：160℃，150ppm；275℃， 8000ppm；325℃，52000ppm；350℃，90000ppm；375℃， 230000PPm；超过375℃时，低重度原油将裂解为凝析油。 反对意见： 2．皂胶增溶说 Baker提出，母岩中的极性有机分子皂即有机酸盐可对 烃类起增溶作用。R-COOH中 非极性端R一般憎水，极性 端COOH亲水。当皂分子达到 一定浓度时，其极性端因亲 水憎油而向外，非极性端因 亲油憎水而向内，形成规则 的分子集合体，称为胶束 (粒)或皂胶束。
唐山地震前后(1970一1980)渤海湾及邻近地区各油井动态 异常变化。 由此说明，构造应力与油气的运移活动之间存在密切联系。
分子扩散力：由于介质内各处浓度不一致而导致的分子
布朗运动。由两地的浓度差和温度、压力引起，结果是达到 浓度的平衡。从运移意义来讲，气态烃比液态烃更容易扩散， 另外，岩石介质不同时分子的通过能力也不同，一般：干燥 岩石 ＞水层＞ 被水润湿的岩石。
㈡ 游离相态 石油形成于成岩作用晚期， 此时泥岩孔隙中大部分为结构 水，孔隙中能流动的水已很少， 从而使的水的有效渗透率减小。 只要油相在自由水中的饱 和度大于油发生运移的临界饱 和度，油即可以游离相态与水 一起发生运移。Dickey（1975） 认为，这一临界饱和度值在砂 岩中为20％±，而在泥岩可降 低到10％以内。 Magara根据上述思想绘制 了一个油相运移的模式图。
沉积物可分为两部分，颗粒骨架和孔隙中的水：
S Pf
σ 和Pf各司其职：σ 促使岩石发生压实作用，Pf则促使 在压实中流体排出。
二．异常流体压力
异常高压/地压/超压 异常低压 异常高压的成因： 1、压实与排水的不平衡 上覆负荷在孔隙流体和岩石骨 架上作用力的分配关系，决定着沉 积物的压实状态。
这些问题正是油气勘探和评价中急待解决的问题。
四、发生运移的必要条件
1、流体
2、动力条件
3、通道
§2 油气运移过程中的受力分析 一．地静压力
指某一深度地层在单位 面积上所承受的上覆岩石柱 的压力(压强)：
S s g Z s g dZ
0
Z
地静压力随着上覆地层 的增厚而增大，它对下伏沉 积物的作用主要是促进了压 实和固结作用。 泥岩的正常孔-深关系：
而泥岩中 的极微小孔隙， 将造成油气运 移时面临特别 大的毛管阻力。
2、泥质岩的比表面积大 比表面积——单位体积岩石中所有颗粒的表面积之和。 Hinch(1980)曾对相同体积的砂岩与页岩内表面积进行 过近似计算，以1mm直径球形颗粒堆积代表砂岩，计算出 50cm3砂岩的内表面积为0.3m3，又用路易斯安那油田的页岩 样品，实测其内表面积与颗粒体积的平均值，计算出 50cm3 页岩的内表面积约23500m2，发现后者比前者约大80000倍。 3、粘土矿物颗粒表面吸附性能极强 通常极性的水分子比非极性的烃类组分更易于被吸附→ 大部分岩石为水润湿，吸附水一般位于颗粒表面1～3层，粘 度相当大（是普通水的8倍），不易流动，称为半固态水，每 层厚3A±。 4、泥质岩在成岩作用晚期可排出的水量相当少
三．初次运移的动力
油气以游离相发生初次运移时，要面临巨大的毛管阻力。 当温度为60℃（有机质成熟门限）时，对于中等比重 (0.8753～ 0.8521）的原油，取油-水界面张力δ =21达因/厘 米（假定θ =0），从而可计算出不同孔隙半径下毛细管压力 的大小。 不同孔喉半径的毛细管压力大小 （据陈荷立，1987） 假定ρ o=0.8251g/cm3， ρ w=1.07g/cm3，则1m连 孔隙半径 rc（A） Pc（Kg/cm2） 续油柱所产生的浮力仅 50 57．1 2，因此，浮 0.025Kg/cm 40 71．4 30 94．8 力在初次运移所起的作 20 142．8 用是很小的。
形成胶束的组分常被称为增溶剂，生油岩中的脂肪酸、 环烷酸、脂醇和胺等都可形成胶束。 实验表明，皂的浓度越高，每摩尔皂的增溶能力可能越 大。皂浓度为0.05%时在常温下可搬运5～10PPm的烃，依次 类推，皂浓度为5%时则可运移500-1000PPm的烃。其次，温 度的适当增高与束缚水从粘土中的释放，都可增大烃类溶解 作用，后者将进一步促进皂胶束的形成。另外，水中含盐量 增大直到超过正常海水时，也可不断促进胶束的形成与烃类 的增溶。 值得怀疑之处： 近来发现，与水溶运移形式相矛盾的现象目益增多。 总之，目前大多数人倾向于水溶形式可能不是石油早期 运移的主要方式，但天然气却可以溶于水的方式运移，因为 在相同的条件下天然气比石油在水中的溶解度高的多。