油气运移

第四章油气运移(Migrationofoilandgas)•第一节油气运移概述：•一、油气运移的概念:指油气在地层中的一切运动。•二、油气运移的证据：•油气是流体，可以流动是其自然属性•油气集中存•油气总是在背斜的顶部(油气藏中油气水按相对密度分异)•不能生成油气的地方有油气（岩浆岩中、浅层未成熟带等）•地面油气苗的存在•钻井中的井喷•油气开发中的井间干扰等石油地质学PetroleumGeology石油地质学PetroleumGeology油气苗断层圈闭聚集油气背斜圈闭聚集油气•三、油气运移的基本问题：•油气运移的状态•油气运移的机理•油气运移的动力•油气运移的时期•油气运移的方向•油气运移的距离•油气运移的数量等石油地质学PetroleumGeology•油气运移机制的研究至今仍是石油地质学中难度最大的课题。但是，油气运移作用却贯穿于油气生成、演化和聚集的全过程，既是石油地质学中一个重要的理论问题，也是油气勘探开发生产中的实践问题。•油气运移研究的核心内容是综合应用含油气盆地的各种资料，如地质、地球物理、地球化学、流体力学及热力学等方面，开展多学科综合研究，甚至借助计算机技术对盆地的形成、演化和烃类的生成、排出、残留、运移、聚集、逸散等过程进行模拟和系统研究。•它不仅关系到沉积盆地生油气岩的定量评价和油气资源的定量估算，并对油气藏舶形成和油气勘探效益有着至关重要的作用。石油地质学PetroleumGeology油气运移是与油气成因紧密联系的。无论是有机学派还是无机学派，都存在油气运移问题。无机成因学派一般认为深大断裂是油气运移的主渠道；有机学派则将连通的孔隙、裂缝、断层、不整合面视为油气运移的路径。石油地质学PetroleumGeology初次运移油气从生油层向储集层中的运移二次运移指油气进入运载层（储层、断层与不整合面）后发生的一切运移。二、油气初次运移的地质背景（Geologicalbackground）石油地质学PetroleumGeology烃源层与储层在压实性上的差异和承受的压力差异，导致油气从烃源岩向储层运移。油气初次运移需要解决的主要是两个问题，一是相态问题，二是通道问题。三、油气的初次运移的相态（Phase)（一）、原油运移相态•1.水溶相排油模式：认为油气溶解在水中呈溶解状态或胶粒状与水一起排出源岩层。•问题：水的来源（成熟期原生水已大量排除，蒙脱石向伊利石转化会排除大量水）。•烃类（除甲烷外）在水中的溶解度低（1ppm左右）。•呈胶粒状态的烃类脱胶困难。•L．Price实验所知，T升至1500C，烃的溶解度可达20——100ppm；T升至2750C，烃的溶解度可达8000ppm。石油地质学PetroleumGeology烃在水中的溶解度石油地质学PetroleumGeology名称溶解度（g/106g）名称溶解度（g/106g）名称溶解度（g/106g）甲烷24.42-甲基戊烷13.8甲基环戊烷42.6乙烷60.42,2-甲基丁烷18.4甲基环巳烷4.0丙烷62.4正庚烷2.93苯1780正丁烷61.42,4-二甲基戊烷3.62甲苯538异丁烷48.9正辛烷0.66邻二甲苯175正戊烷38.52,2,4-三甲基戊烷2.44乙苯159异戊烷47.8环戊烷150异丙苯53正巳烷9.5环巳烷55.0不同族烃的溶解度是烷烃环烷烃芳香烃，同族烃中分子愈小愈易溶。烃类混合物的溶解度比单个烃的溶解度总的约低50。石油地质学PetroleumGeology松辽盆地泥岩脱水曲线•2.气溶相排油模式：认为气体在高温高压条件下能萃取和溶解大量的液态烃。•气体来源：成油期生成的甲烷及CO2等。•问题：气体对轻烃的溶解度较大，对重烃的溶解度小。100C、40Mpa有CO2的水能携带3%的溶解烃。•3.扩散相排油气模式：认为源岩和储层间的烃浓度存在差异，烃类通过扩散作用运移到储层界面、断层，裂缝处。•问题：烃类的扩散系数较低，CH4为2.12×10-6cm2/s，而C10H22为6.08×10-9cm2/s。石油地质学PetroleumGeology•4.连续油相排油模式：认为原油是以自身固有相态从源岩中排除，不需要其它运载体。即生油层中的水不断排除后，烃的浓度增加，相渗透率增大而成独立相运移。•问题：亲水岩石对油的阻力大（毛细管力）。•5.干酪根网络排油模式：干酪根中的沥青分子通过固态有机质的有机网络的热活性扩散运移（在分子级别上，有机质不是静止的，也不是固态的，沥青分子和周围的聚合有机质以约1013Hz作热振动，有利于烃类的扩散）。石油地质学PetroleumGeology在特定的温度和压力条件下，液烃可以溶解于气体之中。凝析气田的存在就是证明。综述石油初次运移的各种相态，从各含油盆地已经聚集起来的石油考虑，只有连续油相运移才能与其成分和数量达成一致。因而似乎拥护连续油相运移者亦占据主流。必须明确:原油是成分十分复杂的有机混合物，它的每一组分未必都要遵循统一的运移模式从母岩析出。石油地质学PetroleumGeology(二）、天然气的初次运移的相态•1.水溶气相•气态烃在水中的溶解度比石油大得多，且随碳数增加而减小。•压力对天然气的溶解度有明显影响，溶解度随压力增加而增大。•温度对气态烃溶解度的影响较为复杂，在温度较低（＜75℃）时，溶解度随温度上升而减小；在较高温度（＞75℃）时，溶解度随温度上升而增大。•气态烃在水中的溶解度随含盐度增加而减小。•水中溶有CO2时，对气态烃，特别是CH4有明显的增溶作用。石油地质学PetroleumGeology2.油溶气相:气溶于油中与油一起运移。3.独立气相气泡:当沉积物孔隙水中聚集的天然气压力达到或超过上覆水柱的压力时，即可呈气泡向上运移。显然，气泡运移主要是早期生物成因气。分子扩散:当母岩中生成的天然气达到一定数量，使母岩系统内外达到一定的浓度差时，分子扩散就会发生。分子扩散的强度除浓度差这一基本因素外，还与扩散介质的性质有关。石油地质学PetroleumGeology石油地质学PetroleumGeology烷烃D值（cm2/s）烷烃D值（cm2/s）烷烃D值（cm2/s）CH4*2.12×10-6iC4H103.75×10-7nC6H148.20×10-8C2H6*1.11×10-6nC4H103.01×10-7nC7H164.31×10-8C3H8*5.77×10-7nC5H121.57×10-7nC10H226.08×10-9通过饱含水的页岩孔隙的轻烃扩散系数（D）4.连续气相随着埋藏深度的增加，继续生成的生物成因气及其后的热解成因气，在数量超过孔隙水的溶解限度时，即可出现连续的游离气相。连续气相运移主要出现在成油期后的成气阶段。此时一方面除干酪根热解生气外，成油阶段先期生成的液态烃亦将热裂解形成天然气，故该阶段形成的天然气量大；另一方面，由于压实作用孔隙水尤其是自由水减少，同时热裂解作用又使液态石油减少，亦即天然气运移可资利用的载体减少，促成连续气相运移成为天然气运移的主要相态。石油地质学PetroleumGeology综上所述，天然气运移的相态是多种多样的，各种相态的天然气运移都可以有一定的效果。这与石油须在主成油阶段后才开始运移，且以连续油相运移为主要运移相态有着明显的差别。这种差别是造成天然气在分布上与石油既有联系又有明显差异的重要原因之一。但就形成聚集的天然气来说，还是应以连续气相运移起主导作用。石油地质学PetroleumGeology三、油气初次运移的动力（Drivingforce)1.压实作用力石油地质学PetroleumGeology对于较厚（大于60m）的泥岩而言，由于泥岩层顶底附近排水在先，先行压实，致使泥岩层中部的水排出不畅，以致在负荷压力下内部的流体不能及时排出；因而保持了偏高的孔隙率，呈现为欠压实状态；对整个泥岩层来说则处于非均衡压实状态石油地质学PetroleumGeology当生烃岩石孔隙的剩余压力超过泥岩顶底板的抗张强度，则会出现泥岩裂缝，流体排出，压力释放，恢复到正常压实状态，裂缝闭合；然后随上覆压力的加大又会形成超压，再释放。这种过程可进行多次，形成脉冲式的排烃机制，有人称之为“手风琴”式的排烃方式。石油地质学PetroleumGeology2.热力作用力随着温度的升高，泥岩中的有机质将受热降解产出大量液态和气态产物。这一过程本身就是导致流体体积和压力增加的因素，从而产生排烃的潜势。按照蒙培尔(Momper，1978)的估计，有机质转化产出的液态物质占原始有机质体积的25%，产出气态物质的体积则远远大于此数。这些产物尤其是气体，具有很大的热膨胀系数，在温度继续增加时将进一步发生体积和压力的增长。石油地质学PetroleumGeology3.粘土脱水作用随着埋藏的加深，泥岩不仅发生机械压实，而且其粘土矿物还要发生成岩变化。泥岩中常见的粘土矿物主要是蒙脱石、伊利石和高岭石。海相条件大多以蒙脱石和伊利石占优势。泥岩中的粘土矿物颗粒由若干粘土单层组（结晶）所组成。对于非膨润性粘土，如伊利石和高岭石，吸附水可以存在于各层组或颗粒之间；石油地质学PetroleumGeology石油地质学PetroleumGeology粘土成岩脱水的阶段划分(据PerryandHower,1972)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的，实际上已接近于停滞。综上所述，油气生成、粘土脱水、水热膨胀，都与温度有关。其共同点是：都有增加孔隙流体体积和压力的潜势。斯塔尔斯基（А.Н.Снарский，1970）认为，这种压力一旦超过岩石的机械阻抗便可形成微裂缝。这时，流体将循之逸出；直到压力减小到使微裂缝重新闭合。通过微裂缝这样反复张合，烃类就不断从其母岩中析出。蒂索曾用实验证实了微裂缝发生的可能性。这种机制对碳酸盐生油岩可能更有意义。石油地质学PetroleumGeology四、初次运移出来的烃之数量和质量大多数情况下，初次运移的排烃量一般很低，大概5-10%。据亨特估算，储层中的烃量占不到母岩中烃量的1%。也就是说，如果将损失到其它地方去的烃考虑进去，那么从母岩中初次运移出来的烃量最多只占生成烃类总量的百分之几，一般不会超过10%。可见运移效率是非常低的。石油从母岩中运移出来的前后，在质量上也有所变化。由于母岩中各种物质运移出来的速度不同，将引起类似于混合物色层效应的分异现象。烷烃被有机质和矿物表面吸附的程度比芳烃弱，更比O、S、N化合物弱，因此将优先析出，故石油的化合物组成一般是饱和烃含量＞芳香烃＞非烃（O、S、N化合物）。一般母岩抽提物以含大量O、S、N化合物为特征，而原油是以含大量饱和烃和芳烃为特征。二者差异明显。石油地质学PetroleumGeology关于初次运移的效率，通过对我国辽河盆地、苏北盆地的部分第三系和新疆某盆地的上二叠统烃源岩的埋藏史、生油史、排油史进行模拟研究，根据烃源岩埋藏史-生油史与石油初次运移的关系，提出了五种关系类型：•深埋藏—高成熟—有利排油型•烃源岩快速持续埋藏深度大于3000m，有机质达到高成熟（Ro≥1.0%）；较高的埋藏速率和有机质转化率，有利于形成泥岩欠压实，以及粘土矿物脱水和水热增压形成异常高压；石油在异常高压下可以通过孔喉系统或水力微裂缝发生初次运移。石油地质学PetroleumGeology•深埋后抬升—高成熟—有利排油型•烃源岩在抬升之前持续埋藏到较大深度（3,500m），有机质达到高成熟（Ro≥1.0%）。特征与上相同，烃源岩初次运移主要发生在抬升期之前，抬升后处于中等埋藏或再次沉降经受埋藏，才有利于油气的保存。•持续中埋藏—中等成熟—抑制排油型•烃源岩达到中等埋深约2,500m时，有机质进入生油门限（Ro=0.65%）。此后进一步埋藏甚小或略有抬升，温度没有