石油地质学第4章油气运移

8.20×10-8 4.31×10-8 6.08×10-9
第二节 初次运移
轻正烷烃有效扩散系数与烃分子碳原子数的关系曲线图
（据D.Leythaeuser,1982,实测数据来自1980）
第二节 初次运移
（七）烃源岩排烃动力的演变 总结: 中-浅层，压实作用为主要动力； 中-深层，异常高压为主要动力。
接触角(度)
碎屑岩油藏
水湿
0 – 75
13
中间润湿
75 – 105
2
油湿
105 –180
15
合计
30
(据Treiber, 1972; 转引自Anderson, 1986)
碳酸盐岩油藏 2 1 22 25
所有油藏 15 3 37 55
第一节 油气运移概述
三、油气运移研究的主要内容
• 油气运移的机理 － 促使油气运移的动力 － 油气在运移中所处的相态 － 油气运移所循的通道 － 油气运移的方向 － 油气运移的时期 － 油气运移的距离
第二节 初次运移
（四）流体热增压作用
随着埋深加大、地层温度增加高：
流体受热膨胀 → 体积增大 → 层 内压力增高→流体运动 石英的热膨胀率为水的1/15 水的膨胀超过因颗粒膨胀造成的孔 隙体积膨胀 欠压实段烃源岩层： 水热增压现象较正常压实段更明显。 (含有更多的水)
方向：地温高处→地温低处
在三种地温梯度下，正常压力带 水的比容-深度关系图
2 毛细管力作用
烃源岩与储集层界面处，表现为动力
R
Pc 2 cos ( 1 1 )
r
rR
R
3 固结和重结晶作用
是碳酸盐岩烃源岩排烃的重要动力
4 扩散作用 在岩性致密、高压地层中对天然气运移有重要作用
第二节 初次运移
通过饱含水的页岩孔隙的轻烃扩散系数（D）
（据D.Lcythaeuscr，1982）
第四章 油气运移 (Petroleum Migration)
第一节 油气运移概述 油气运移：地下的石油和天然气在自然条件下发生的位置转移
一、油气运移在油气藏形成中的作用
有机质 沉积物
埋藏
烃源岩 干酪根
（原生油） 储集层
油气运移
油气运移
次生油气藏 油气运移
油气藏
油气运移与油气生成及油气藏的形成、破坏、再形成过程紧密相联系
宏观上，压实流体运移方向为: 深部→浅部，盆地中心→盆地边缘
第二节 初次运移
（二）欠压实作用（Undercompaction） 欠压实现象：泥质岩类在压实的过程中, 由于其渗透率难以满足排液 速度的要求，孔隙流体不能正常排出，导致其孔隙流体压力高于相应 深度的静水压力，形成异常高压。这种现象称为欠压实现象。与欠压 实伴生的异常高压可驱使烃源岩中的油气排向相邻的储集层.
第一节 油气运移概述
二、基本概念
初次运移（primary migration）：油气从烃源岩向储集层(输导层)的运移。 二次运移（secondary migration）：油气进入储集层后的一切运移。
油气聚集
初次运移
疏导层
二次运移
烃源岩
油
气
* 三次运移(dysmigration):
已形成的油气藏因聚集条件改 变而引起油气的再运移（包括 在新的位置再聚集或逸出地表 散失）。
第二节 初次运移 三、油气初次运移的通道、时期、距离 （一）通道---孔隙、微层理面、微裂缝 未熟—低熟阶段，通道主要为孔隙、微层理面； 成熟—过成熟阶段，通道主要为微裂缝； 1．埋深增加，温度升高，流体热膨胀，内压力超过岩石机械强度，产 生垂直微裂缝。 2．Kerogen热演化生成大量液态烃、CH4等，使生油岩内压力不断增 大，产生微裂缝。
第二节 初次运移
物质平衡计算: 根据已知油田的烃源岩的累计压实排水量和石油聚集量算出, 假如这些石油是以水溶相态运移并聚集起来的话, 则要求石油 的溶解度至少应该达到 1000-10000ppm.
因此, (分子)水溶相态不是石油初次运移的主要相态.
* 胶束溶液运移 有机质在生油的过程中会生成一些表面活性 物质, 如有机酸等, 其分子的一端为亲油的烃 链,另一端为亲水的极性基. 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.
（据Price，1976）
• 温度<100℃时, 石油的 溶解度很低
• 温度>100℃后,溶解度 开始有较明显增大,但一 般也仅为几至数十ppm
• 即使在180℃的高温下, 溶解度也只有数十至数 百ppm
• 在更高温度下可望石 油的溶解度会有较快的 增加,但这样的高温已超 过了石油能稳定存在的 临界温度值
第Ⅰ阶段属早期脱水，由于压实使 粘土脱出大部分孔隙水和多于二层 的层间水；
第Ⅱ阶段由于温度升高，蒙脱石发 生无序崩解（所生成的伊利石以无 序方式散布于互层中），伴有一次 脱水高潮；
第Ⅲ阶段为有序崩解，又有一次脱 水高潮；
第Ⅳ阶段为剩余蒙脱石的有序崩解， 直至全部成为伊利石，但其速度是 极其缓慢，实际上已接近于停滞。
x
存在垂向剩余压力梯度：
深 度
流体排出方向
老
dpL / dL (b0 w )g
沉 积
dpH / dH (b0 w )g
物
此外，还有横向剩余压力梯度：
dp / dx dpL dpH / x
(b0 w )g(L0 H 0 ) / x
第二节 初次运移
在砂-泥岩剖面中, 砂岩和泥岩都会经历压实排水的过程. 但由于泥质 沉积抗压性差, 其压实效应相对较强. 因此在压实作用下, 泥质烃源岩 中的流体将排向相邻的砂岩层中.
晚期两次高速脱水出现在2,000m左 右，可延至5,000m或更深，依地温 梯度而定。
第二节 初次运移
吸水 膨胀
粘土矿物层
粘土矿物层 水分子
干的膨润性粘土蒙脱石在吸水后体 积有时可增大数倍, 伴随体积膨胀 产生的压力可高达 50,000kg/m2 !
• 石油开采: 注水 水敏 • 建筑工程: 建筑物安全性 • 水霸工程: 基岩裂缝填堵
问题: 表面活性物质数量太少; 胶束直径 过大; 如何“破胶”将油释放出来?
第二节 初次运移
气态烃 - 地表条件下在水中的溶解度相对较大，一般为几十ppm。 - 增大压力可使其溶解度显著提高
温压条件 甲烷溶解度
标准状况 约25ppm
900米深处 2500米深处 6100米深处 增大50倍 约增大100倍 约增大300倍
• 油气运移路径的追踪 （油气地球化学领域内容） • 油气生-运－聚的盆地模拟 （综合研究）
第二节 初次运移
• 烃源岩中生成的油气排出烃源岩的过程 • 发生背景：油气不断生成、烃源岩不断埋藏成岩 一、油气初次运移的相态 两种主要观点： － 水溶相态运移 － 游离相态(油相、气相)运移 1、水溶相态运移 -油气溶解在烃源岩的孔隙水中, 呈水溶液运移. 关键问题: 油气在水中的溶解度
- 在过成熟阶段, 存在的烃类几乎全为甲烷, 加之烃源岩中的可动水已 极少, 因此气相运移可能是唯一的运移方式
第二节 初次运移 3、油气初次运移的相态演化
第二节 初次运移
二、油气初次运移的动力和运移方向 （一）压实作用
- 厚度均等的新沉积物层的加载
b0
泥岩孔隙度
L0 新沉积物
剩余压力： dpL (b0 w )gdL
是以氢键固着在粘土颗粒表面的结构水.
随着压实的继续进行和液态烃的不断生成,孔 隙内的含油饱和度逐渐增高,而含水饱和度则 相应降低. 当含油饱和度达到某个临界值后, 石油即可呈连续油相进行运移.
油相运移的高峰是在中等压实阶段. 在早期压 实阶段油的相对渗透率低,不利于油相运移; 而晚期压实阶段烃源岩的绝对渗透率低,也不 利于油相运移.
2．蒙脱石脱水作用 蒙脱石: 膨润性粘土矿物, 含大量孔隙水和结 构水. 在压实和热力作用下, 将排出其孔隙水 和部分结构水.
在烃源岩排液顺畅时, 由脱出水产生的压 力将推动油气运移;当排液不畅或受阻时, 促进异常高压形成。
第二节 初次运移
黏土成岩脱水的阶段划分
(据Perry and Hower,1972)
2 毛细管力作用
烃源岩与储集层界面处，表现为动力
R
Pc 2 cos ( 1 1 )
r
3 固结和重结晶作用
rR
R
是碳酸盐岩烃源岩排烃的重要动力
4 扩散作用 在岩性致密、高压地层中对天然气运移有重要作用
岩石发生断裂, 造成地层泄压, 地层内 的流体沿断裂带向浅部运移
第二节 初次运移
（六）其他作用 1 构造应力作用 • 构造应力导致岩石形成断裂, 造成烃源岩层内泄压 (图) • 岩石受力变形时, 构造应力会传递给孔隙流体
石油 - 地表条件下除芳烃和环烷烃的简单分子(苯、甲苯、环戊烷 等）外, 其余在水中的溶解度很小
- 压力的变化对其溶解度几乎没有什么影响 (Hobson,1985)
－ 在石油大量生成的温度范围内，升高温度 对其溶解度的提高只有十分有限的作用
两种全石油（1，5）和四种拔顶石油（6，3，2，4） 在水中溶解度随温度的变化(拔顶温度为200℃)
欠压实特征： 1 孔隙度异常高
2 流体压力异常高
第二节 初次运移
（三）新生流体的增压作用
1．有机质生烃作用 干酪根在热演化过程中生成的产物(油/气/水)的增压作用。
Momper（1978）：生成流体的体积超过原始干酪根体积的25%。
在烃源岩排液顺畅时, 这种体积膨胀产生 的压力将推动油气运移;当排液不畅或受阻 时, 促进异常高压形成。
第二节 初次运移
润湿接触角:从密度较大的流体一侧测量
润湿性（wettability）： 在有其它不混相流体存在的情况下, 一种流体扩展或附着于某一固体表 面上的趋势. (Craig, 1971)
通常根据润湿接触角的大小来判 断岩石的润湿性.
油
ຫໍສະໝຸດ Baidu
水
岩石表面
水湿
油湿
根据润湿接触角确定的油藏储层润湿性的分布
横向剩余压力相等
深
度
流
体
排
出
老
沉
积
压实作用
物
只存在垂向剩余压力梯度：
dpL / dL (b0 w )gL0 / L0
(b0 w )g
压实流体的流动方向为垂直向上
第二节 初次运移 - 横向厚度变化的楔状新沉积物层的加载
L0
b0
H 0 新沉积物
剩余压力： dpL (b0 w )gL0 dpH (b0 w )gH0
烷烃 D值（cm2/s） 烷烃 D值（cm2/s） 烷烃 D值（cm2/s）
CH4* C2H6* C3H8*
2.12×10-6 1.11×10-6 5.77×10-7
iC4H10 nC4H10 nC5H12
3.75×10-7 3.01×10-7 1.57×10-7
nC6H14 nC7H16 nC10H22
埋藏深度， m
0~1500
泥质烃源岩不同阶段的排烃动力
温度，℃
有机质演化阶段
油气初次运移动力
10~50
未熟
正常压实 渗析 扩散
1500~4000 4000~7000
50~150 150~250
成熟 高成熟—过成熟
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
有机质生气 气体热增压 扩散
• 随着生成油的数量不断增多, 在烃 源岩的孔隙中心形成连续的油相网 络(孔隙中心烃网络).
• 后续生成的油沿着这一烃网络以 油相排出烃源岩.
孔隙中心烃网络的形成 (据Barker，1979)
第二节 初次运移
• 气相运移:
- 油溶于气,以“气溶”方式运移 要求的条件: 游离气烃的数量远大于液烃的数量; 一定的温压条件 故只可望出现在成熟阶段的晚期(高成熟期)或以生气为主的烃源岩 中 (Waples, 1985)
（据真柄钦次，1974）
第二节 初次运移 （五） 渗析作用 在渗析压力作用下流体会通过半透膜从盐 度低向盐度高的方向运移，直到浓度差消 失为止。
• 盐度差越大, 渗析压力越大
第二节 初次运移 砂页岩互层中页岩的孔隙度、流体压力及孔隙水含盐度分布
第二节 初次运移
（六）其他作用 1 构造应力作用 • 构造应力导致岩石形成断裂, 造成烃源岩层内泄压 和流体排出（图） • 岩石受力变形时, 构造应力会传递给孔隙流体
临界含油 饱和度
第二节 初次运移
由于在石油大量生成的同时天然气也在大量生成,而天然气在油中的溶 解度又较大,因此有相当一部分天然气可以溶解在油中被带出烃源岩.
* 孔隙中心烃网络说
同样建立在随压实作用进行泥质 烃源岩的孔隙水大部分成为不动 的结构水的基础上.
• 在成熟阶段的早期,干酪根生成的 少量油吸附在干酪根颗粒表面.
（ 据 Hunt 1979资料）
尽管整个天然气的溶解度随压力的增长没有这样大, 但呈水溶相态 运移无疑是天然气初次运移的一种重要方式
烃类在水中溶解度随碳数增加而减少 （气态烃溶解度明显大于液态烃）
（据McAuliffe等,1963-1978）
第二节 初次运移
2、游离相态运移
• 油相运移:
泥质烃源岩随压实的进行,孔隙水不断排出,含 水量逐渐减少,且残留的孔隙水中,很大一部分