第十一次课第四章油气运移

B
深度
准噶尔盆地中部地区超压流体天然水力破裂通道
4.0 40
压力/ MPa 60 80 100 120
TRACE1390
气 烟 筒
气 烟 筒
深度/km
4.4 J1s
4.8 J1b
破 裂 压
力
（3）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。
流体中的扩散速率与浓度梯度有关，服从费克第一
运移动力：浓度梯度
运移方向：烃源岩 储集层
烃
深 度
源
岩
浓度
C3
C2
C1 C0
烷烃在页岩中的扩散系数
烷烃
C1 C2 C3 C4
D(cm2/s) 2.12×10-6 1.11 ×10-6 5.77 ×10-7 3.75 ×10-7
烷烃
C5 C6 C7 C10
D(cm2/s) 1.57 ×10-7 8.20 ×10-8 4.31 ×10-8 6.08 ×10-9
（2）静水压力： 静止水柱产 生的压力（重量）称为静水压 力
P w gh
（3）静岩压力：地下岩石的重量 产生的压力，又称为地静压力
（4）正常地层压力： 如果地下某一深度的地层压力 等于(或接近）该深度的静水压 力，则称该地层具有正常地层 压力
（5）异常地层压力： 如果某一深度地层的压力明显高于或低于静水压力， 则称该地层具有异常地层压力。
❖干酪根演化生成液态烃和气态烃 ❖产物体积比干酪根体积多2－3倍
d.流体热增压作用
❖任何流体都具有热胀冷缩的性质 ❖在封闭的条件下，孔隙流体的热 膨胀，必然造成孔隙压力的增加
L点(已封闭)： 压力300bar 增加（1000m，25℃） 沿等容线增加压力
M点(已封闭)： 压力720bar
❖热增压是异常高压形成的重要因素
天然气 石油
水
典型的背斜油气藏
固体矿产－煤：
从沉积→成岩 →成矿其位置 基本保持不变
P1
排2油藏
?
N
0 N2d
1000
0 4 8 12km
N1t
2000
J+T
3000 N1s
4000 E
5000 K2
K1
6000 J2
深度 （m）
J1
Ro: 0.8%
Ro: 1.0%
Ro: 0.5%
排2
第四章 石油和天然气的运移
5000
辽东湾地区地层压力与埋深关系
深度(m)
预测压力(MPa)
30
60
90
120
测井资料预测地层压力 地震资料预测地层压力 静水压力趋势线
常压带
第一超压带 第一压力过渡带
第二超压带(П1)
第二超压带(П2) 第二压力过渡带
第三超压带
②烃源岩（泥岩）异常高压的成因
a.欠压实作用
由于泥岩孔渗性降低，导致孔隙
❖ 扩散对轻烃（天然气）的运移具有重要意义， 但对于液态烃意义不大。
3、油气初次运移的通道
孔隙和微裂缝 ①孔隙
烃源岩正常压实阶段， 静水压力，孔隙暢通 ②微裂缝 Snarsky(1962):
孔隙压力达到静水压力的1.42-2.4倍 岩石就会产生微裂缝
Momper(1978)：
孔隙压力达到上覆静岩压力的80%， 就能形成垂直裂缝。
相态：Ⅰ型：油溶气 油相
Ⅲ型：独立气 气溶油
c.高成熟阶段
烃源岩：埋藏深、 孔渗性很差、 含水极少
烃类型：湿气
相态： 独立气相 气溶油相
d.过成熟阶段
烃源岩：无孔渗性 不含水
烃类型：干气
相态：分子扩散、气相
油气运移的相态总结：
①石油主要是以游离相态运移的； ②水溶相态和游离相态对天然气的初次运移都是 重要的，天然气还可以呈扩散状态运移
a.沉积物等厚，垂向运移(向上) b.楔状沉积物，从厚处向薄处运移，
从盆地中心向盆地边缘运移 c.砂泥互层：从泥岩→砂岩
d.碎屑岩盆地压实流体运移规律： 从泥岩向砂岩， 从深部向浅部， 从盆地中心向盆地边缘。
(2)烃源岩内部的异常高压
0
a.沉积盆地异常高压十分普遍 0
1000
2000
3000
4000
煤的孔隙和裂缝中的油滴
支持游离相运移的证据 b.烃源岩中存在的色层效应
Tissot,1978
②水溶相：不重要
（2）天然气初次运移相态
①水溶相
天然气在水中具有较高的 溶解度，水溶相是天然气 运移的重要要相态
②游离气相 ③油溶气相 ④分子运移（扩散相）
浓度
烃 源
深 度
岩
C3 C2
C C0
1
（3）油气初次运移相态的演变 ①影响油气初次运移相态的主要因素
（6）压力系数：某一深度的地层 压力与该深度静水压力的比值。
压力系数>1：异常高压 压力系数<1：异常低压 （7）破裂压力：导致岩层发生破
裂的压力，通常约为静岩压力的85 ％。
3、油气运移的基本方式
稳态渗滤、非稳态幕式与扩散是油气运移的三种 种基本方式。
（1） 稳态渗滤 流体在孔隙介质中的流动称为渗滤。 达西定律来描述：Q＝[K·S·(P2-P1)]/(L·μ) (Q) ：单位时间内液体通过岩石的流量 (S)：通过岩石的截面积、 (K)：岩石的渗透率 (P2-P1)：液体压力差 (μ)：液体的粘度 (L)：液体通过岩石的长度
4、油气初次运移的阶段性与运移模式
烃源岩 演化阶段
未熟－低熟
成熟-高 成熟阶段
动力
相态
压实作用 瞬时剩余压力
水溶相 游离相
异常高压
游离相 混相
过成熟阶段
扩散作用 异常高压
分子
通道
排烃 模式
孔隙
微裂缝 微孔隙
压实排 烃模式
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。
一、油气运移有关的几个基本概念
1、初次运移和二次运移的概念
二、 石油和天然气的初次运移
油气初次运移（primary migration) 初次运移的环境：烃源岩环境，低孔隙度、低渗透率
初次运移问题：
①石油是如何从低孔低渗的烃源岩中运移出来的， 动力？通道？
②烃源岩中含水很少，初次运移的相态是什么？
1、油气初次运移的相态
(1)石油初次运移相态 ①游离相(油相）
③异常高压的排烃作用
欠压实 蒙脱石脱水 生烃增压 流体热增压 … …
烃源岩封闭
形成异常高压
形成微裂缝
超过破裂极限
微裂缝闭合
孔隙流体排出
（3）烃类浓度梯度(扩散作用）
烃源岩与储集层之 间存在浓度差： 扩散作用
费克
第一 J D • gradC
定律 J为扩散速率， D为扩散系数， gradC为浓度梯度
③油气可以以互溶（油溶气、气溶油）相态运移 ④烃源岩演化过程中相态是演变的
2、油气初次运移的主要动力
(1)压实作用产生的瞬时剩余压力 ①压实流体排出机理 有效应力定律：
S P
S：上覆负荷压力 σ：有效应力 P：地层压力
a.压实平衡状态（正常压实状态） 岩石骨架颗粒达到紧密接触 孔隙压力为静水压力 无孔隙流体排出
蒙脱石的特点： (Al,Mg)2[Si4O10](OH2)•nH2O 蒙脱石含有层间水 2－4个水分子层 层间水具有较高的密度
❖蒙脱石向伊利石发生转化是地质过程的一种普遍现象
蒙脱石转化为伊利石后： 伊利石不含层间水 层间水转化为自由水后 体积发生膨胀形成异常高压
c.有机质的生烃作用(烃类生成形成异常高压)
流体不能及时排出，
Ze
泥岩孔隙体积不能随上覆负荷的
Z
增加而有效地减小，
从而使泥岩孔隙流体承担了一
Z
部分上覆颗粒的重量，

正 常压实 曲线
欠压实 曲线
出现泥岩孔隙度高于正常压实泥岩的孔隙度、
孔隙流体压力高于正常静水压力的现象， 称为欠压实现象
b.蒙脱石脱水作用
❖蒙脱石向伊利石的转化是地质过程的一种普遍现象
③中间润湿的（mixed-wet）： 部分亲油，部分亲水的岩石
（3）岩石的润湿性对油气运移的影响
孔隙中的油水分布、流动方式、残留形式和数量
①亲水岩石中：水附着在孔隙壁上，油在孔 隙中心，油的运动必须克服毛细管力；
②亲油岩石中：油附着在孔隙壁上，水在孔
隙中心，油的运动不受毛细管力的阻碍；
5、油气运移临界饱和度
润湿角： θ>90：称非润湿
润湿流体：易附着在固体上的流体，又称为润湿相 非润湿流体：不易附着在固体的流体，又称非润湿相
（2）岩石的润湿性 ①水润湿的（water-wet）：
油水两相共存的孔隙系统中，如果水附着在岩 石孔隙表面，称水为润湿相，油为非润湿相， 这时称岩石为水润湿的或亲水的
②油润湿的（oil-wet）： 油水两相共存孔隙系统中，如果油附着在岩石 的孔隙表面，则油为润湿相，水为非润湿相， 这时称岩石为油润湿的或亲油的
Hubbert和Rubey（1959）将该关系用于固结的岩石中，证明 即使在孔隙度为1%的基岩中，该关系式也是有效的。说明上覆沉 积负荷压力总是为下伏基质骨架和孔隙流体共同支撑。
（1）地层压力（formation pressure) ：地下多孔介 质中流体所承受的压力，亦称孔隙压力或流体压力
单位：帕斯卡(Pa) 或常用兆帕(MPa)
水溶相运移存在的问题
a.石油在水中的溶解度很低 ； b.生油期烃源岩含水很少; c.无法形成商业性石油聚集； d.无法解释碳酸盐岩油气初次运移问题
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 易油斯安 那州阿 姆瑟湖 原油
支持游离相运移的证据 显微观察的证据：
a. 石油以游离相存在于 烃源岩孔隙系统
a.烃源岩的有机质类型 b.烃源岩的埋深：
孔隙度 渗透率 孔隙喉道直径
c.地层中孔隙水的多少 d.地层的温度、压力状态
②油气初次运移相态的演变 a.未成熟阶段： 烃源岩：埋藏浅、 孔渗性好 含水多
烃类型：生物气、 少量未熟油
相态：水溶相（气）
b.成熟阶段
烃源岩：埋藏较深、 孔渗性差、 含水少
烃类型：Ⅰ型：油为主 Ⅲ型：气为主
油气从源岩层向储集层的运移，称为初次运移(primary migration) 。
油气进入储层以后的一切运移都称为二次运移(secondary migration) 。
2、地层压力与异常地层压力
Terzaghi（1923）在士力学实验中确立如下关系式： S=σ+P
式中 S—上覆沉积的负荷压力； σ—作用在下伏岩石基质上的有效应力； P—下伏岩石中的孔隙流体压力。
颗粒＋流体
b.压实欠平衡状态
新沉积物的沉积增加了上覆压力 岩石骨架颗粒进一步重新排列 孔隙压力超过静水压力，
形成瞬时剩余压力 孔隙流体排出
c.沉积物恢复压实平衡状态
①
②
③
①
颗粒＋流体
新沉积物的沉积
欠平衡状态
瞬时剩余压力
流体排出
流体压力降低
压实平衡状态
静水压力
压实平衡状态与欠平衡状态的交替和循环
②压实流体排出方向
50
75
100
125
0
1000
泥岩 砂岩 一次排放 二次排放
深 度/m
2000
3000
4000
5000
静水压力
静岩压力
破裂压力
6000
超压引起的地层破裂和超压流体的幕式排放
压力/应力
开启
排放
补给积累
封闭
幕次1
幕次2 时间
幕次3
幕次4
莺歌海盆地泥岩岩芯中的水力破裂
压力
(A)
破
裂
压
静
力
水
压
力
盖层破裂
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。
例如，Levorsen(1954) 油水两相吸排水实验结果表明，亲水的砂岩中， 油相的饱和度低于10％时，油相不能流动。
Dickey(1975)认为，在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，因此大部分颗粒的内表面已为油所润湿，油 相运移的临界饱和度可小于10％，甚至可降到1％。
震源 正断层
5 5 km 0
不同C 逆类冲带 型盆地中最连大流速续：0稳.1—1态m挤/压a 流体F 压流力封存动箱 的驱动压力机封存制箱间和无流样动 式
2 0 km 20
(据Garven, 199P51 ) P2
P3
P5
P4
2
km
200 km 0
（2）非稳态幕式：超压流体流动
压 力/MPa
0
25
典型稳态流体流动：地下水的渗滤
A 褶皱和逆冲带 抬升的前陆
最大流速：1—10m/a
D 快速沉降的大陆边缘 最大流速：0.1—1m/a
km km
B 克拉通内坳陷或裂谷
km
2
200 km
0
最大流速：0.1—1m/a
4 0
Km 200
E 地震抽汲
强超压 最大流速：>10m/a
km
4 200 km 0
km
定律：J＝-DgradC
式中，J为扩散速率，D为扩散系数，gradC为浓度 梯度。扩散系数与分子wk.baidu.com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。
4、岩石的润湿性
（1）润湿性：
润湿作用是指固体表面的一种流体被另一种液体取
代的一种作用。
（流体附着固体的性质）
θ＝0：称完全润湿 θ<90：称润湿