油气运聚的概念模型

油气运聚的概念模型潘明太12，王根厚1(1中国地质大学, Beijing, 100083)(2中海石油研究中心,Beijing, 100027)摘要：油气运聚概念模型的建立是实现油气运聚模拟的前提和基础。

没有好的概念模型就不可能得到好的运聚模拟结果。

盆地模拟技术发展到今天，之所以在运聚模拟上未能取得令勘探地质家满意的结果，一个很重要的原因就在运聚概念模型上。

因此，对油气运聚概念模型的探讨和完善，是地质勘探家和盆地模拟专家的一项长期任务。

本文着重从油气相态、运移动力体系、输导体系和聚集体系等方面对油气运移的地质过程进行探讨，以期建立符合含油气盆地油气运移和聚集实际过程的概念模型。

关键词：油气相态 运移动力 输导体系 聚集体系1. 引言油气运移和聚集模拟是含油气盆地模拟系统的最主要功能之一。

要实现油气运聚模拟则必然遵循从实体模型到概念模型，再由概念模型到方法模型，然后由方法模型到软件模型的建模过程。

概念模型的建造在上述建模过程中具有特别重要的意义，概念模型是实体模型的抽象描述，它的研制和建立是整个模拟工作的基础。

概念模型与实际地质过程的符合程度，即概念模型的相似性，是模拟系统开发的成败关键之一。

由于种种原因，我们不可能要求概念模型成为盆地结构及实际过程的全息映像，但可以要求概念模型与盆地结构及实际过程有较高的相似性，而要做到这一点，必须满足以下三个基本条件：(1)模型所体现的结构应当是盆地实际结构的简化；(2)模型所描述的过程应该是盆地实际过程的简化；(3)模型应当考虑到盆地本身的复杂性，不能过分简化。

然而，油气运聚概念模型的建立并不是一件易事，需要我们对影响油气运移、聚集的主要控制因素进行广泛深入的解剖，本文力图通过对多个实体模型的对比和分析提出能够反映含油气盆地油气运移和聚集实际过程的概念模型。

2. 盆地构造类型与油气运移盆地构造类型控制了盆地的沉积、构造、地热场、地应力场及其演化，从而对油气系统中烃类生成数量、运移方式和聚集条件起主导作用。

根据盆地构造类型与油气运移、聚集的关系，油气运移体系可分为三种。

2.1. 断层运移体系断层运移体系与大陆裂谷盆地相关，如图1所示。

此类盆地具有快速沉降和高热流等特征，因此，该类盆地具有快速沉积和烃源岩快速成熟的特点。

生成的油气优先选择频繁活动的断层垂向向上运移。

- 1 -烃源岩中存在的裂隙可以增强油气垂直向上运移的过程。

短暂的断层紧闭不仅阻止了油气运移的继续，而且可能导致局部构造单元形成异常高压。

由于快速沉积的盆地往往发育较多断层并常见沉积相变，因此运载层的横向连续性较差。

图 1 断层运移体系(据Mann等,1977。

引自郭秋麟等,1997)2.2 长距离运移体系长距离运移体系常出现在较老的克拉通盆地中, 如图 2 所示。

这类盆地在相当长的地史时期中具有非常稳定的低沉降和低热流特征。

烃源岩层常局限于单一的地质单元中，成熟源岩层分布在盆地中心，各种圈闭分布在盆地边缘。

盆地中范围大且水体浅的台地有利于形成物性好的运载层。

另外，由于沉积间断、剥蚀等事件，常造成不整合或地层尖灭。

因此，油气可以从盆地中心沿着运载层或不整合面，向盆地边缘发生较大规模的侧向运移的过程中常常形成地层圈闭油气藏。

图 2 长距离运移体系（据Mann等，1977。

引自郭秋麟等，1997）2.3 分散运移体系分散运移体系主要发育在与造山运动有关的挤压型盆地中(图3)。

这类盆地常具有不稳定且偏低的地温梯度。

由于盆地中构造活动频繁，容易形成背斜圈闭和一定量的活动断层，有利于油气垂向运移聚集；而盆地中地层倾斜度大，也使油气更易于进行侧向运移。

然而，强烈的构造变形一方面会使运移通道出现不连续，阻止油气发生大规模的侧向集中运移；一方面会破坏已经聚集的油气藏，造成油气散失。

- 2 -图 3 分散运移体系(据Mann等,1977。

引自郭秋麟等,1997)对上述三种油气运移体系的认识，有助于从整体上掌握盆地或凹陷中油气运移的特征，也有助于从总体上评价盆地或凹陷中的油气成藏状况和资源潜力。

但对于以追索油气运移方式、方向、路径和聚集结果为目标的“油气运聚模拟”系统研发而言，还需要细致地了解盆地中油气运聚的相态、动力、输导体系、圈闭特征及其演化历程，这样才能较为完整地揭示油气成藏的动力学机制，进而建立其实体模型和概念模型。

3．油气运移的相态及判别模型大多数人主张游离相是液态烃二次运移的主要形式，甚至是唯一的形式。

而对于天然气而言，则可能既有游离相也有油溶相。

烃类流体在从源岩向输导体运移的过程中，低分子烃类物质从石油中分离出去成为气相，高分子烃类物质从石油气体中分离出成为液相，石油的密度增加而天然气的密度减少。

进入输导体的油气经垂向分异至输导体顶面，呈连续油气相。

油气的相态不仅影响二次运移的比率，而且制约着运移的速度和方向。

当油气在进入输导层之后，特别是在较浅的输导层中，总是以游离相形态存在和运移(图4)。

图4 烃类在运移中的相态变化示意图(据龚再升等,1999) 烃类在运移过程中的相态变化，主要受所处位置的温压条件控制。

England(1987)讨论了烃类二次运移过程中组分(X)与温度(T)、压力(P)的关系，并且指出：当 GF<GOR 时，石油相对于气不饱和，不会出现独立气相，气溶于油中运移；当 GF>1/ CGR时，天然气相对于油不饱和，不会出现独立油相，油溶于气中运移；- 3 -当 1/CGR>GF>GOR 时，油与气各自相对另一相完全饱和，二者均呈游离相运移。

这里，GF 是从烃源岩排出的烃类的地面气油质量比，CGR 是凝析气的油气质量比，GOR 是采出石油的地面气油质量比。

计算时将涉及地下油气密度的换算问题。

其中，饱含气体的油的密度，可根据质量平衡原理，用GOR和岩层油的体积系数B o来求得：ρo = [(1+ GOR) ⁄B o ]× 800 kg ⋅ m− 3 (1)式中，B o代表体积为V的地下烃流体采至地表后，经气⁄液分离器后的体积减少量，即B o=V ⁄V o。

地下气体的密度同样可根据质量平衡原理，用CGR和岩层气的体积系数B G 来求得：ρg = [(1+ CGR) ⁄B G ]× 0.8 kg ⋅ m−3 (2)式中，B G是岩层气的体积系数可按如下简化式求得：B G= 335 Z×T⁄P(3)这里，Z是经验压缩系数，T 和P分别是地下烃流体的温度和压力。

显然，只要知道地下烃流体所处位置的温度、压力、M g和M o，就可以求得GF、GOR 和CGR值，判断出该处烃流体的相态，进而求得该位置的油、气密度，并且还可以通过计算机编程来实现动态模拟。

4． 油气运移的动力和驱动机制油气运移的驱动力可以用流体势来概括。

所谓流体势是指单位质量的流体所具有的机械能的总和，在输导层中可表达为：φf = S -ρf gZ + P c = φw + (ρw−ρf )gZ + P c(4)式(4)中，φf 为流体势，φw 为水势 (这里主要来自剩余压力，φw= S-ρw gZ)；S为岩层骨架静压力，g为重力加速度，Z为流体所在的深度，P c为毛细管阻力(取负值)；ρf为烃流体的密度，可根据油气的质量比对ρo 和ρg 加权平均求得；ρw为水的密度，可按下式求得： ρw = 1 ⁄ [1.00087−(7.96930−0.44992T)×10−6Z−(1.16o69−0.10516T)×10−9Z2] (5)-(ρw−ρf)g 即为浮力(F f = −dφf⁄Dz)，它与剩余压力联合可以驱使油气向上运移。

在质量相同时，天然气的浮力大于石油的浮力；在性质相同时，连片油气的浮力大于分散油气的浮力。

开始时油气分散，浮力小，被阻滞于通道体系的下部某处，而后汇成油气流(柱)，浮力增大。

当浮力与水势之和超过最大连通孔隙喉道的毛细管阻力时，油气开始上浮运移。

石油开始运移的临界油柱高度(Z0) 是：Z0 = P c⁄[(ρw−ρo) ⋅g+φw] (6)在封盖层下面，当油气沿着倾斜的层面运移时，Z0 = P c ⁄ {[(ρw−ρo) ⋅g+φw ]⋅ sin α} (7)式中，α为岩层倾角，其余符号同前。

在输导层(体)中，由于孔隙较大，毛管阻力很小，既造成伸入烃源岩的砂体能够象海- 4 -绵一样吸取油气，又导致运移路径上的砂体可以很容易地捕捉油气。

在考虑盖层或断层及其两盘的封隔作用时，需要比较它们与输导层(体)的毛管阻力。

其计算公式如下：P c = 2γ ( 1 ⁄ r t − 1 ⁄ r p ) (8)式(8)中，γ为界面张力(N ⁄ m，地表值为3×10−2N ⁄ m = 30dyn ⁄ cm)，r t 和r p 分别为岩石的喉管和孔隙半径。

当岩层深处由于水压破裂 (超压段) 或因为介质孔隙结构均一，致使r t 和r p 差别变小，也能造成毛细管压力趋近于零。

γ 总是随温度的降低而降低的，梯度约为0.18dyn ⁄ cm，即有：油： γ o = 26 − (T − 15) × 0.18 (dyn ⁄ cm) (9)气： γ g = 70 − (T − 15) × (0.18 ~ 1.8) (dyn ⁄ cm) (10) 式(9)和(10)中，T 为岩层单元体的温度 (°C)。

由这二式可推知，当T = 135 °C时 (单元体大约处于4000m深处)，γ = 0，毛细管压力消失。

水动力也是油气运移的重要驱动力。

水动力包括压实水流和大气水流等两种成因类型。

压实水流驱使油气从泥岩层流向砂岩层(垂向)，从泥岩区流向砂岩区(横向)；大气水流驱使油气由高水势的供水区向低水势的汇水区运移。

在有地下水流运动的条件下，油气运移的方向由剩余压力、浮力和水动力的合力决定；如果还存在构造应力，则油气运移的方向由剩余压力、浮力、水动力和构造应力的合力决定。

这时，由于合力通常不是垂直向上的，石油和天然气分别向垂直于各自的等势线的方向运移，并且油—水和气—水界面分别沿着油和气的等势面倾斜。

在动水条件下，石油开始运移的临界油柱高度(Z 0) 是：Z 0 = 2γ (1 ⁄ r t − 1 ⁄ r p ) ⁄ {[(ρw −ρo ) ⋅ g +φw ]⋅ sin α} − [ρw ⁄ (ρw −ρo )] ⋅ (dH ⁄ dx ) ⋅ x (11) 式中，H 为总水头，x 为连续油体的水平长度。

当水流方向下倾时，dH ⁄ dx 取正值，当水流方向上倾时，dH ⁄dx 取负值。

一般地说，盆地演化早期压实水流强大，其流动方向由下而上，由中心向边缘，与剩余压力及浮力方向相近；晚期地表大气水流作用增强，其流动方向由上而下，由边缘向中心，与剩余压力及浮力方向近于相反。