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第四章石油和天然气的运移（Petroleummigration)油气运移一一地壳中石油和天然气在各种自然因素作用下发生的位置移动。第四章石油和天然气的运移第一节：与油气运移有关的几个基本概念一、基本概念二、油气运移的基本方式渗滤和扩散第四章石油和天然气的运移１、渗滤是油气以不同的物理相态在浮力或其它动力作用下，由高势区向低势区流动的一种机械运动方式，可用达西渗滤定律来描述。Q=[K·S·(p2-p1)]/(L·µ)Q-流量,K-渗透率,S-截面积,p2-p1压差L-岩石长度µ-粘度2、扩散是分子布朗运动的传递过程，扩散速度与浓度梯度有关，服从费克（Fick）第一定律：J＝－DgradCJ——扩散速率；D——扩散系数；C——物质浓度扩散方向是从高浓度向低浓度扩散。一般分子越小，越易扩散。所以天然气的扩散损失要比石油大的多。三.油气运移期次初次运移和二次运移１.初次运移(Primarymigration）是指烃源岩中生成的分散状态的油气向烃源岩外排出的过程。这一过程也称排烃。第四章石油和天然气的运移２、二次运移(secondarymigration)油气脱离烃源岩后，在孔渗条件较好的多孔或者多裂缝系统内的运移。包括：油气在储集层中运移，及沿断裂、裂隙、不整合面等通道的运移。第四章石油和天然气的运移油气初次运移和二次运移示意图第四章石油和天然气的运移四、油气运移结果：a.油气聚集：导致石油和天然气在储集层的适当部位（圈闭〕的富集，形成油气藏。b.油气藏破坏或改造：导致油气的分散，使油气藏破坏油气重分配或消失。油气运移示意图（据Tissot等,1978）1.初次运移2.二次运移3.油气苗第四章石油和天然气的运移五、主要研究内容动力条件和运动过程是油气运移的主要研究内容，其目的在于了解油气运移机制和途径，直接为油气勘探服务。具体研究内容包括：介质条件、相态、动力、阻力、通道、距离、时期、以及在运移过程中的物理化学变化等。相态途径储集层动力文本第二节石油和天然气的初次运移烃源岩第四章石油和天然气的运移第四章石油和天然气的运移一、烃源岩的物性特征油气初次运移是发生在烃源岩内部的，烃源岩是初次运移的介质。因此，烃源岩的性质及其物理化学条件，是影响初次运移的重要外因。烃源岩特别是泥质烃源岩可塑性受压实作用影响，岩石比较致密、孔隙度比较低，孔隙中的水和新生成的烃类流体要在上覆负荷作用下通过孔隙系统排出来，通常是比较困难的。1.压实作用下物性变化成熟烃源岩的孔隙度一般都在15%-20%以下，可见烃源岩的孔隙直径是极细小的。页岩孔隙度与孔隙直径的关系(据Welte,1972修改)沉积物比表面是指单位质量的沉积物中颗粒所具有的表面积总和，通常以m2/kg表示。在相同质量或同等体积的岩石中，组成的颗粒越细小则比表面越大，对孔隙流体的吸附作用越强。Hinch（1978）曾对美国湾岸地区第三系的同体积砂岩与页岩进和地内表面的近似计算表明：页岩颗粒的内表面约为砂岩的8000倍。说明泥质岩较砂质岩有大得多的比表面。成熟烃源岩孔隙度小，孔隙极细微，比表面又大，使得孔隙流体的排出非常困难，甚至不可能。这也是人们认为油气初次运移十分困难的根本原因之一。2、沉积物比表面第四章石油和天然气的运移3、岩石的润湿性润湿性是指流体附着在固体上的性质，是一种吸附作用。易附着在岩石上的流体称为润湿流体（相），反之为非润湿流体（相）。如在油水两相共存的孔隙中，如果水易附着在岩石上，则水为润湿相，油为非润湿相，岩石具亲水性；反之，则油为润湿相，水为非润湿相，岩石具亲油性。岩石的润湿性影响着油气在其中的运移难易程度，不同的润湿性造成油水两相在孔隙中的流动方式、残留形式和数量的不同。第四章石油和天然气的运移在亲水岩石中，水会在颗粒表面形成一层薄膜，油被挤到孔隙中心部位形成孤立的油珠。这种油珠可以堵塞孔隙喉道，阻碍流体运移，这种现象称“贾敏效应”。而在亲油岩石中，油以薄膜形式附着在孔壁上，成为不能移动的残余油。亲水介质中残留油的数量要比亲油介质中少，但油相在亲水介质中的流动却比在亲油介质中难。岩石油水水水水(A)亲水孔隙介质()亲油孔隙介质孔隙介质中油水的分布形式岩石的润湿性取决于矿物组成及流体性质。一般认为沉积岩的大多数为亲水的。但对于烃源岩而言，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，因此认为是部分亲水，部分亲油的中间润湿。第四章石油和天然气的运移二、油气初次运移的相态两种主要观点：——水溶相——游离相（油相、气相）1、水溶相运移——指石油、天然气溶解于水中，随水一起排出烃源岩。第四章石油和天然气的运移——是初次运移机理中的又一核心内容分子溶液和胶体溶液分子溶液——石油或天然气分子完全溶解于孔隙水中成为溶液状态进行初次运移。主要代表Admas(1903)、Lewis(1924)、Baker(1960)、McAuliffe(1963～1978)、Price(1976～1989)等。第四章石油和天然气的运移关键问题：油气在水中溶解度石油——地表条件下除芳烃和环烷烃的简单分子外，其余在水中溶解度很小。——压力的变化对其溶解度几乎没有影响（Hobson,1985）第四章石油和天然气的运移据Price,1976——在石油大量生成温度范围内，升高温度对其溶解度提高作用有限第四章石油和天然气的运移因此，水溶相不是石油初次运移的主要相态。天然气—在地下的温度和压力条件下，溶解度增加较大。如果源岩水量多，可能以水溶相为主。胶体溶液：有机质在生成过程中会生成一些表面活性物质，如有机酸(R-COOH)等，其分子一端有亲油的烃链，另一端有亲水的极性键，极性端因亲水而向外，非极性端因亲油而向内，在胶束中心的亲油部分就可以增溶一部分烃类。第四章石油和天然气的运移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。主要代表有Baker(1959)、Cordel(1973)。第四章石油和天然气的运移存在问题：——胶束在生油层存在数量少——胶粒粒径较大，很难通过泥岩的孔隙喉道——胶束增溶效果有限等问题。不是石油初次运移的主要相态。2、游离相运移—油气呈独立的油相或气相从烃源岩中排出。油相运移——油气呈游离的油相从烃源岩中渗流排出。第四章石油和天然气的运移Dickey认为在压实时石油将呈一种极细但连续的油丝运移。Magara(1981）认为压实中期是最有利于油相运移的阶段。烃源岩进入压实的晚期—烃类↑，饱和度↑，相对渗透率↑第四章石油和天然气的运移润湿相——油气大量生成时以油润湿或混相润湿为主，毛细管阻力相对较小。临界含油饱和度——大量油气生成会使其降低。Dickey认为可低到10%，甚至1%以下。再者，生油期间产生的CO2溶解于油中还可以降低石油的粘度，增强其流动性（Momper，1978）。关键问题：毛细管阻力和临界饱和度连续烃相运移，还包括气溶于油和油溶于气的情况。大量天然气溶于石油可使石油密度减小，粘度降低，极大地增加石油的流动性和运移能力。在特定的温度和压力条件下，液态烃可溶于气体之中，气体溶液运移需要数十倍于液相的气体，因此一般只能发生在深处。第四章石油和天然气的运移分子扩散是分子本身自由运动的结果，问题在于从数量上看扩散作用到底有多大实际意义。Leythaeuser（1980）认为，扩散作用是天然气运移中的有效方式。而对于液态烃，扩散作用的实际意义要小得多。第四章石油和天然气的运移油气初次运移以连续的游离烃相为主。目前大多数学者原则上同意连续烃相运移的观点并作了进一步的完善和发展。由原来的通过压实作用排烃发展为——连续烃相通过微裂缝排烃。这种观点又被称为混相运移，即游离的油（气）相与水相同时渗流。3、相态演变方式油气初次运移的相态，决定于源岩的温度、压力、生烃量、孔隙度、溶解度以及岩石的组构等条件，也可以说是地下各种物理、化学因素综合作用的结果。因此说油气初次运移的相态并非唯一的和万能的。它主要是随源岩的埋深和有机质类型的变化而变化。Barker和Tissot提出不同埋深以不同方式进行运移的相态演变方式。第四章石油和天然气的运移未成熟阶段，石油还未大量生成而地层孔隙度又较大，源岩中含油饱和度很低只可能有水相运移；成熟阶段后，生油量大大增加，孔隙度又较小，源岩中的含油饱和度变大以致超过临界运移饱和度而发生连续油相运移；在较高温度下，演化进入高成熟的湿气阶段，此时石油可以呈气溶相运移；深处石油发生热裂解产生大量甲烷气体，可以产生游离气相和扩散相运移。油气生成和初次运移的几个连续的阶段示意图初次运移相态随埋深的演变规律主要是水溶相—油相—气溶相。第四章石油和天然气的运移三、油气初次运移的主要动力和运移方向第四章石油和天然气的运移一般认为：油气从烃源岩排出的原因是由于烃源岩中存在着——剩余流体压力。剩余流体压力是指岩层实际压力超出对应静水压力的部分。流体的流动沿剩余流体压力减少方向运动。引起剩余流体压力因素：压实作用、欠压实作用、蒙脱石脱水、流体热增压、渗析作用和其它作用。１、正常压实在上覆沉积负荷作用下，沉积物通过不断排出孔隙流体，如果流体能够畅通地排出，孔隙度能随上覆负荷增加而作相应减小，孔隙流体压力基本保持静水压力，则称为正常压实或压实平衡状态(流体压力==静水压力)。第四章石油和天然气的运移（一）压实作用泥岩与砂岩压实特征不同岩性压实特征不同：碳酸盐岩易发生固结作用，压实作用影响少。泥砂岩变化大，泥岩在2000米内孔隙度变化快，砂岩较稳定。第四章石油和天然气的运移正常压实作用正常压实导致孔隙水排出，孔隙度减少，密度增加。正常压实作用流体排液过程处于压实平衡沉积物在其层序之上又沉积了新沉积物时，原地层压力重分配，致使原套地层颗粒重新紧缩排列，孔隙体积进一步缩小，孔隙中流体就要承受部分由颗粒产生的有效压应力，使流体产生了超过静水压力的剩余压力。在剩余压力作用下孔隙流体才得以排出，排出后孔隙流体又恢复了静水压力，沉积物又达到新的压实平衡。剩余压力只发生在压实平衡与达到新的压实平衡之间的瞬时，所以应当叫做瞬时剩余压力。第四章石油和天然气的运移在一个不断沉降、不断沉积、不断压实的连续过程中。正常压实过程就是：由压实平衡到瞬时不平衡再到平衡的过程，而孔隙流体压力则是由静水压力到瞬时剩余压力再到静水压力的连续过程。在这过程中流体不断排出、孔隙体积不断减小，如果流体的排出时烃源岩已经成熟成烃，即可实现初次运移。第四章石油和天然气的运移正常压实作用过程中流体排液示意图排液过程原地层压实平衡原地层压实平衡原地层瞬时剩余压力新沉积再新沉积。。。。a、上覆沉积物厚度相等剩余压力的大小:dpl=（ρbo-ρw）g×H只存在垂向压力梯度：dpl/dH=（ρbo－ρw）g×H/H=（ρbo－ρw）g一般来讲，深部沉积物的剩余流体压力大于浅处的剩余流体压力，流体一般是向上运移排出的。正常压实作用排液方向第四章石油和天然气的运移b、如果新沉积物的厚度在横向上有变化.除垂向上存在压力梯度外，横向上也存在着压力梯度：dp/dx=（ρbo-ρw）g×(Lo-Ho)/x压实流体不仅存在由深向浅运移，同时横向上也发生较厚点向较薄点运移。在盆地范围内由盆地中心向盆地边缘运移。通常水平剩余流体压力梯度远远小于垂向上的剩余流体压力梯度，因此，大部分流体沿垂直方向向上运移，流体沿水平方向运移只有很少一部分。第四章石油和天然气的运移第四章石油和天然气的运移c、砂泥岩互层的层序由于泥质沉积物和砂质沉积物的原始结构不同，其抗压性能也不同，在压实过程中泥岩孔隙度丧失得快，说明在相同负荷下泥岩比砂岩排出流体多，所产生的瞬时剩余流体压力比砂岩大，因此流体运移的方向是由页岩到砂岩。在砂、泥岩互层的情况下，泥岩中流体的运移方向既有向上的也有向下的，总是指向砂岩，砂岩中的压实流体只能与所排入的压实流体一起沿砂层做侧向运移。２、欠压实作用欠压实现象：泥质岩在压实过程中由于压实流体排出受阻或来不及排出，导致了孔隙流体承受了部分上覆沉积负荷，出现孔隙流体压力高于其相应的静水压力的现象。欠压实带中存着异常高压，其中