第四章 石油和天然气的运移

（三）油气初次运移相态的演变
低成熟阶段，水游 离油相运移
生凝析气阶段，以气溶油 相运移 过成熟干气阶段，以游离 气相运移
随埋深增加初次运移可能模式 （据B.P.Tissot，Welte，1978）
二、油气初次运移的动力和方向
（一）油气初次运移的动力
瞬时剩余流体压力 欠压实作用 蒙脱石脱水作用 流体热增压作用 有机质的生烃作用 渗析作用 毛细管力作用 扩散作用 重结晶作用
1.瞬时剩余压力
（1）剩余流体压力及其形成机理
v0 l0 φ0
压实作用
v lφ
矿物
流体 排出
水
水 矿物
——达到压实平衡状态
压实前
压实后
压实前后岩石体积的变化与流体的排出
v0(1-φ0)=v(1-φ) l0 (1-φ0)＝l (1-φ)
v0 / v ——压实前/后体积，m3 φ0 /φ ——压实前/后孔隙度，% l0 / l ——压实前/后厚度，m
地层压力：地下岩层孔隙流体的压力，又称地层流体压力或 孔隙流体压力。
P =ρw gh
单位：大气压(atm)或帕斯卡(Pa)；1atm＝101kPa。
异常孔隙压力：高于或低于静水压力值的地层压力。
Pf ＞ P H
PH
正常情况下： Pf ＞PH Pf ＞PH：异常高压，超压；
Pf
异常高压示意图
Pf ＜ PH：异常低压。
第四章 石油和天然气的运移
第一节 第二节 油气运移概述 油气初次运移
第三节
第四节
油气二次运移
油气运移的研究方法
第一节
一、油气运移概念及证据
油气运移概述
油气运移：地壳中的石油和天然气在各种天然因素作用下发生的移动。
二、油气运移的阶段划分
初次运移：油气在烃源岩中的运移，以及自烃源岩向输导层或 储集层中的运移。 二次运移：油气进入储集层或输导层后的一切运移。
（2）水的来源问题
大气降水可以渗透过包括烃源层在内的地层并溶解石油进行初 次运移；
大量生烃期烃源岩孔隙度降到15%以下，地层难以提供足够量 的水；
粘土矿物脱水：提供有限水源，碳酸盐岩产油区不能由此提供 水源； 地下深处孔隙水多以结构水的形式存在不能运移。
（3）地球化学方面的问题
排出石油中各种成分的含量与其水溶解度的大小并不相符。
烷烃溶解度最小，而烷烃石油最多；
芳香烃在水中的溶解度大，而芳香族的石油在全球最少；
溶解度大的苯和甲苯应在石油中含量多，在烃源岩中残留 少，而事实正相反。
（4）水溶相不能解释碳酸盐岩中油气的初次运移 碳酸盐岩基本上属化学成岩，在很浅甚至几米的深度上就排 出了孔隙水而固结成岩。
碳酸盐岩很少含粘土矿物，所以很难解释水溶相运移的水源 问题。
瞬时剩余流体压力作用下的排烃方向 新沉积物横向厚度均等时： 横向上各点剩余压力相等，不存在横向剩余流体压力 ： E = (ρb0-ρw)gl0 垂向上剩余流体压力梯度： dp／dZ=El/ l0 = [(ρb0-ρw)gl0]／l0 = (ρb0-ρw)g 在均一岩性的层序里，压实流体的流动方向是垂直向上的。
烃源岩因欠压实导致超压； 岩石破裂排烃：当孔隙流体压力超过岩石破裂强度，岩石便产生 裂隙，使流体得以排出； 排烃后再次蓄压，周而复始：随着流体排出，孔隙超压被释放， 微裂隙重新闭合，此后流体压力再次积蓄升高，使岩石再次破裂而 排烃，直到欠压实和异常压力消失为止。 异常压力的形成与排液释放也具有幕式特征； 在连续沉降的盆地中，烃源岩产生欠压实的深度一般位于生烃门 限以下，与生油窗相匹配好。
结论： 石油呈水溶相运移观点还是存在异议的。 天然气在水中有较大的溶解度，而且它在水中的溶解度是随 压力的增加而增加的，因此，天然气可呈水溶相运移。
2.油相
石油呈分散或连续状的游离相态 分散油相 连续油相
——石油初次运移最重要的相态。 证据：
在数量上满足物质平衡要求；
游离相石油存在于烃源岩孔隙或裂隙中； 只有油相运移才能解释烃源岩生成大量油气的排出； 厚层烃源岩剖面中可测定出对初次运移的色层效应。
（6）瞬时剩余流体压力作用下的排烃方向 新沉积物横向厚度有变化时：
dP dPL dPH dX x ( bo w) gL0 ( bo w) gH0 x x L0 H0 ( bo w) g x
在楔状沉积物负荷下压实流体的排出方向 (据Magara，1978)
单位Pa/m， 约为0.23×105Pa/m
静水压力：由静水柱重量所造成的压力。是由连通在地层
孔隙中的水柱所产生的压力。
Pw=ρw gH
式中：Pw--静水压力；H--上覆水柱高度；ρw--水密度；g--重力加速度
静水压力梯度：上覆水柱增加单位高度时所增加的压力。
单位用Pa/m单位表示。静水压力梯度约为0. 1×105Pa/m.
三、油气运移的基本方式
★—渗滤、扩散 1、渗滤：机械运动，整体流动，遵守能量守恒定律。
由机械能高的地方向机械能低的地方流动。
2、扩散：分子运动，使浓度梯度达到均衡。 扩散方向：从高浓度向低浓度。
四、岩石的润湿性
润湿性:流体附着固体的性质，吸附作用。
润湿相:易附着在岩石上的流体。
非润湿相:不易附着在岩石上的流体。 水润湿 油润湿 中间润湿
（3）欠压实带特征
正常压实带（NC）和欠压实带（UC）上伏沉积物负荷压力（S） 流体压力（p）及颗粒支撑的有效应力（σ）关系图
（3）欠压实带特征
欠压实表现为地层具 有偏离正常压实趋势 的较大孔隙度和声波 时差异常、高孔隙流 体压力。
欠压实在声波时差和孔隙度曲线上的表现
(4)欠压实作用排烃机理及优势
瞬时剩余流体压力对初次运移的作用
作用时期： 由正常压实产生的瞬时剩余压力作用下的排烃主要发生在成岩早期。 作用方式：
随上覆沉积层的不断增加，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，从而排出孔隙流体，孔隙体积减小。
在连通的孔隙系统中，达到烃类临界饱和度时，烃类和水将在瞬时 剩余压力作用下克服毛细管阻力，以混相排出烃源岩； 在不连通的孔隙系统中蓄压，造成岩石破裂，烃类以混相沿微裂缝 排出；幕式的，往复的。
单一储集层内静水压面示意图
第二节 油气初次运移
一、油气初次运移的相态 二、油气初次运移的动力和方向 三、油气初次运移的通道 四、油气初次运移的主要时期 五、烃源岩有效排烃厚度 六、油气初次运移的模式
一、油气初次运移的相态
初次运移的相态是指油气在地下发生初次运移时的物理相态。 游离的油相、气相； 水溶相； 油溶于气呈气溶相； 气溶于油呈油溶相； 扩散相
(2)瞬时剩余流体压力的形成
瞬时剩余流体压力：沉积物在压实过程中，由于上覆新沉积物的重力 载荷作用，使得孔隙流体产生瞬时的、超过静水压力的异常压力。
剩余流体压力的大小直接与上覆新沉积物厚度和密度有关，其值等 于上覆新沉积物的负荷与孔隙水的静水压力之差：
最大瞬时剩余流体压力就等于上覆新沉积物的有效压应力。
润湿性的分类：
混合润湿 非均匀润湿
岩石润湿性影响因素：矿物组成、流体性质、颗粒表面粗糙程度等。 岩石颗粒多数为中间润湿或非均匀润湿。
五、油气运移临界饱和度
油水或气水共存时，油相或气相运移所需的最小饱和度，称油 气运移的临界饱和度。 某相流体饱和度低于一定数值时，相对渗透率为 0，不流动。
在烃源岩中，油相初次运移的临界饱和度为10％ （Levorsen，1954） 。 在砂岩储层中，油相二次运移的临界饱和度为 20％～30％（C.D.McAliffe， 1979；W.A.England等，1987） 天然气二次运移临界运移饱和度为5%～10%（ Levorsen，1967）。
六、地静压力、地层压力、静水压力
地静压力：由上覆沉积物的基质和孔隙空间流体的总重 量所引起的压力，又称静岩压力。 S =ρr gh
S-静岩压力； h--上覆沉积物的厚度； g--重力加速度
ρr--上覆沉积物的平均总体密度；
静岩压力实际为由颗粒产生的有效压力(σ)和孔隙流体产 生的流体压力(p)之和：S=σ + P 地静压力梯度：指每增加1米沉积物所增加的压力。
3.气溶相 ——石油初次运移的一种重要方式
石油在天然气中的溶解度与T、P的关系：
相同温度下，随压力增大而增大； 相同压力下，随温度增大而增大。
气溶相存在的问题：
天然气的数量问题：在大量生油期 天然气的量能否满足石油的溶解。 石油的出溶问题：出溶的条件。 毛细管阻力问题：由于气—水的界 面张力比油—水的大（约1倍），所 以气相运移将受到更大的毛细管阻力。
剩余流体压力的横向变化梯度很小，难以造成流体的横向运移。
（6）瞬时剩余流体压力作用下的排烃方向
在相同负荷下泥岩比砂岩排出流体多，孔隙流体所产生的瞬间剩 余压力：泥岩大于砂岩，流体由泥岩向砂岩运移。 砂岩层中的流体作侧向运移，泥岩内部的流体作垂向运移为主； 对于碎屑岩盆地，压实流体的运移方向：由泥岩向砂岩，由深部 向浅部、由盆地中心向盆地边缘运移。
3.游离气相
——天然气以连续的或非连续的游离相态运移。
天然气满足了油、水两相的溶解量。
形成游离气相的条件： 地层温度、压力的变化，原先呈溶解相的
烃类气体从油中或水中析出。
4.扩散相
烃类气体能在烃源岩中以扩散相进行初次运移没有 人怀疑，而且还推断出在深埋的低孔渗烃源岩中、超压 烃源岩和低成熟烃源岩中，扩散相很可能是烃类气体运 移的重要方式，甚至是唯一方式。
盐度的影响：随盐度的增加而减少。
2.油溶相
——天然气溶于石油中，以油为载体随石油进行初次运移。
天然气在油中的溶解度比在水中的大得多。 天然气在轻质油中的溶解度大于在重质油中的溶解度。
烃气在石油中的溶解度随压力增加而增加，直至饱和压力（泡点