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第四章石油和天然气的运移第一节油气运移概述一、油气运移概念简单讲，油气运移就是指油气在地壳中的移动。准确而言：油气运移是指石油、天然气在地下因自然因素所引起的位置移动。油气的运移与油气藏的形成、破坏、再形成、再破坏等紧密相联，密不可分。从油气运移的特征看，进入储层以前的运移是一种高分散态的聚集，而进入储层以后的运移是相对整体的运移，二者运移的动力特征是有差异的。一般将生油层中由固体有机颗粒（干酪根）衍生出的油气混合物，在细粒生油层的毛细管孔隙中的运移，称为初次运移。简单地说：油气自细粒生油岩层中向外排出的过程即为初次运移。对于油气运出母岩后在储集层内部的全部传导过程则称之为二次运移．二、油气运移的基本方式油气运移有渗滤和扩散两种基本方式。渗滤是一种机械运动方式，遵守能量守恒定律，总是由机械能高的地方向机械能低的方向流动。流动特征可以用达西定律描述：Q=[K·S·(p2-p1)]/(L·µ)扩散是分子布朗运动产生的传递过程。扩散方向总是从高浓度向低浓度进行，扩散传递速率与浓度梯度有关，服从费克（Fick）第一定律:J=-D·gradC第二节油气的初次运移一、油气初次运移的动力在细粒母岩中，未压实前，水的含量是非常多的，有机物生成烃的数量，与母岩中水的含量相比是非常小的，所以普遍认为，水是油气运移的载体。一切引起水体运动的动力因素，都是油气运移的动力。在油气初次运移中，主要动力因素有四个方面：机理类似于挤压含水的海绵一样，生油层在上覆沉积物的压力（地静压力）作用下，其孔隙中的水以及油气即要向外运移。当岩层中的流体压力为静水压力时，称之为压实平衡。当其上发育了新地层后，新地层的负荷作用将使下伏地层压实，颗粒重新紧缩，产生粒间流体承压。（一）压实作用粒间流体压力与静水压力的之差为剩余压力。在剩余压力的作用下，孔隙流体得以运移排除。压实流体的运移方向以纵向为主。当上覆地层沉积在盆地中心厚而边缘薄时，从而产生横向剩余压力差，使流体从盆地中心向边缘运移。在砂泥岩交互的地层中，泥岩易于压缩，且压缩率大，而砂岩不易压缩，压缩率小。从而造成泥岩中流体剩余压力较大，而砂岩中流体的剩余压力较小（理解时可先假设两岩层的流体相互未流动运移），由此造成了二岩层之间的流体剩余压力差，从而使得生油岩中流体向储集层中运移。所以，油气运移的总体规律是：从高压的生油岩向低压区，即向上或向下流向储集层；从盆地中心移向边缘。对于较薄的生油岩层，在上覆沉积物的均衡压实作用下，油气运移的载体水在１０００米左右时即被很快排出。此时，有机质尚未大量生成油气，待达到１５００米左右的油气生成的主要深度范围时，生油岩中所含流体很少。要携带大量油气运移出去已不可能。不利于油气的聚集。（二）欠压实作用对于较厚或巨厚的泥岩层，由于流体排出面积所限，相对排出速度较小，以致在上覆负荷压力下，只有泥岩边部的水体能被及时排出而压实，而泥岩层内部流体受阻不能及时排除，使得负荷的一部分被孔隙流体所支撑，从而产生了与该岩层深度不相适应的异常高压。所谓异常高压也就是指高于正常流体压力的压力现象。此现象即被称为欠压实。然界这种异常压力分布较普遍，但主要见于中新生界地层中。造成异常高压的根本原因是沉积物的压实作用受阻，此外，后面主要讲的蒙脱石脱水、水热增压、烃类聚集、构造作用等因素都能增大孔隙的高压异常。异常高压不仅对油气运移有利，而且对油气聚集有利，对油气的保存也有利，具体表现在四方面：①首先，欠压实泥岩中的异常高压是油气初次运移的重要动力。由于异常高压的出现，延迟了水体排出的时间，当水体排出时间延迟到油气生成的深度以后时（约１５００米），异常高压作用释放的水，将携带油气一起排出生油岩层，使油气得以再次运移而聚集。②其次，由于异常高压作用，使得岩层孔隙度较大，载油的水体较多；且处于较高温度和较高压力下的水，有利于油在水中的溶解，有利于水对油气的载运。③延迟了油气运出母岩的时间，从而为圈闭的形成提供了更多的机会。④油气聚集以后，可以受到高压的保护而形成压力盖。有利于油气的保存。异常高压可以维持相当长的地质时间，直到释放至静水压力水平。异常高压随深度变化实测图（三）热力作用随着生油岩埋深的增加，地层温度升高，温度的增加对油气初次运移的作用主要体现在以下五个方面：1、温度增加有利于有机质降解出液态或气态烃类物质，引起流体体积和压力增大。有利于油气的排出。2、温度增加有助于烃类解脱粘土物质的吸附，促进烃的流动。3、温度增加降低流体粘度和油水界面的张力便于烃类液体流动。4、在主生油深度范围内，温度增加，使烃在水中的溶解度增加。5、热水增压作用，温度升高，水体膨胀，促使流体运移。热力作用造成的运移方向是由高温区向低温区，从地层深处向地层浅处，从盆地中心到盆地边缘。（四）毛细管力毛细管力的作用一般表现为阻力，仅在粘土岩与砂质岩的接触带表现为动力。微小的毛细管中的石油液体在毛细管力的作用下上升，发生运移。但这种作用是很有限的，岩石的孔隙都可看成纵横交错的毛细管，当油、水与之接触时，即发生运移，但毛细管力起主要作用的孔隙大小是有一定范围的。当毛细管半径r＜0.0002时，因管壁对其中液体分子的牢固吸附，液体无法在管内移动；当r＞0.5mm时，液体在其中流动主要受重力支配，毛细管力已不起大作用。某些粘土矿物在转变过程中，如蒙脱石转变成伊利石时，就会发生脱水作用，由于某些束缚水的密度较自由水大，故而脱水时体积膨胀，从而成为冲洗烃类的一种营力。（五）粘土脱水作用除上之外，引起初次运移的因素还有渗析作用（扩散作用）、生烃作用等。限于时间就不一一介绍了。二、油气初次运移的相态油气在运移中的相态，看法不一，得到承认的不外乎为水溶相和游离相两种基本形式。水溶相是指油气被溶解成分子溶液，水作为油气运移的载体进行运移。但是大量的实验证明，在已知的石油生成温度范围内（60－150℃），石油的溶解度很低，液态烃要大量溶于水而运移，是不大可能的。但天然气则不同，它在水中的溶解度较大，故呈溶解状态进行运移可能是主要的。（一）水溶相（二）游离相1975年，迪奎认为，油气的初次运移或多或少是油的连续相。其地下条件为生油岩中具高浓度的沥青和很少的可动水。这样的条件，在地下是不难找到的，特别是当生油岩埋藏超过3000米，处于生油阶段的时候，生油层孔隙度不到10%，大量的孔隙空间被不可动的固定孔隙水占据，游离孔隙水甚少，而沥青浓度很高，这时，游离相的液态烃即可与水一起发生运移，运移时两相互不混流。但是普遍认为，石油呈单独液相从生油岩中进行初次运移是不大可能的。石油的初次运移应以高分散烃相为主。只有在石油进行二次运移时方以分相单独运移为主。关于石油以高分散游离相态从生油岩中向外运移的理论已为实践所证实，而且可能是初次运移的主要形式。除此之外，油气运移还可以油溶气相、气溶油相等互溶方式进行运移。三、油气初次运移的时间、深度、方向、途径和距离早期初次运移指的是沉降到1500米以前发生的运移，此时由于压实，大量水从泥质沉积物中溢出，从而形成良好的运移条件。但由于埋深较浅，未达到油气生成温度，油气尚未大量形成，只有一些生物化学作用产生的低分子烃甲烷参与运移。油气初次运移的时间、深度晚期初次运移指的是沉降到1500米以后的运移，此时，压实作用使泥岩孔隙度降至30%-10%，同时地温达到60-100℃，有机质开始大量转化为石油，从而使得这一阶段的运移成为油气初次运移的主要阶段。关于油气初次运移的方向问题，现在研究还很不够，一般认为初次运移早期，油气运移的方向以垂直向上为主，随着上覆压力的增大，侧向运移和垂直向下的运移相对地越来越重要，但总体而言，石油初次运移以垂直层面运移为主。油气初次运移的途径主要有孔隙、微层理面和微裂缝。在未熟—低熟阶段，运移的途径主要是孔隙和微层理面；但在成熟—过成熟阶段，运移的途径主要是微裂缝。微裂缝主要是由于异常高的流体压力形成的，当裂隙周围介质的孔隙流体压力等于裂隙中的孔隙压力时，裂缝即可开启；当裂隙周围介质的孔隙流体压力小于裂隙中的孔隙压力时，裂缝将迅速闭合；油气初次运移的方向、途径至于油气初次运移的距离。一般认为较短，仅几米或几十米，近似的最大极限不超过生油泥岩厚度。有效排烃厚度：烃源岩所生成的油气由于受到各种因素的制约，并不能全部运出烃源岩，只有与储集层相接触的一定距离内所生成的烃能够排出，这段厚度就是生油层排烃的有效厚度。不同地区，烃源岩的排烃有效厚度不同。有些研究者认为，巨厚生油岩只有顶底二、三十米才是有效的。油气初次运移的距离第三节油气的二次运移二次运移是初次运移的连续，油气经二次运移而聚集成油气藏，因此了解石油的二次运移对于找油有重要的指导作用。一、二次运移的相态石油在二次运移中主要呈游离相，而天然气既可呈游离相，也可呈水溶相。在石油运移的初期，油粒较小，最终形成连续的油珠。二、二次运移的阻力石油二次运移中最普遍的阻力就是毛细管压力：Pc=2δcosθ/rc当石油穿过岩石孔道时，其与岩石接触界面处，毛细管压力指向石油，对石油的运移起阻碍作用。孔径越小，阻力越大。三、二次运移的动力，二次运移实际就是指油气进入储集层后的运移。其运移的动力主要有三方面：（一）浮力由于油、气、水的密度差，当它们共存于渗透性岩层时，就会按密度大小不同而进行分异，天然气最轻位于最上部，水最重位于最下部，油居中间。造成这种分异的就是浮力作用，浮力总是向上的，当岩层倾斜时，平行于层面的浮力分力推动油气向上运移。浮力作用与油块大小有关，油块体积大，上浮力强，而孤立的微粒石油，其与水分界面的表面张力对烃粒的上浮有很大阻力，单靠浮力使之运移是困难的。除此之外，石油的上浮还与孔隙形状、大小、连通情况等因素有关，应具体情况具体分析。（二）水动力当沉积物经压实成岩以后，地静压力为颗粒的支架结构承担。储层内油、气所承受的压力，不再是地静压力，而是由流体重量引起的水压力。在储集层内，随深度而增加的水柱静止重量称为静水压力。其大小可用水柱高度（即水压Ｈ）来表示。P=H×d/10或H=10×P/dP—静水压力d—水的比重H—测压点的水柱高度（水压头）在自然界中，绝大多数储集层的供水区是不等高的，从而出现水压头。在水压头的作用下，水从供水区流向泻水区，从而给油气在地壳中的流动和分布带来重要影响。但不同区域地质条件下，由于岩性变化及水压梯度大小不等，水动力因素的作用效率有很大差异。地壳运动的挤压、拉张或剪切，都会促使岩层变形或变位，并把作用力传递到岩层中所含流体，驱使沉积物中的流体发生运移。流体运移方向为其受力减弱方向。此外，构造运动造成地层倾斜，产生裂缝，沟通岩石中各种孔隙，形成不整合风化带，为油气二次运移创造了有利条件。（三）构造运动力四、二次运移的通道二次运移的通道主要是连续的渗透性岩层、断层和不整合面。渗透性岩层是最基本最广泛的二次运移通道。断层是穿层和垂向运移中具有独特作用的良好运移通道，所谓三次运移总是与断层相伴随的。不整合面是旁侧运移的重要通道当油气进入储集层后，即立刻开始聚合成较大的油珠，油体的增大给浮力增大提供了可能。当储集层中占优势的是静水力条件时，油气的运移主要取决于浮力和毛细管压力之间的关系，当浮力增大到足以克服储集层中的毛细管力时，浮力便促使油气上浮，上升到储集层顶时有盖层），则油气沿上倾方向移动，直到在圈闭中聚集起来。五、二次运移的机理当储集层中的水不是静止而是有水动力（水压头）梯度时，则控制油气二次运移的因素除浮力和毛细管外，还有水动力，油气运移的中止或继续，以及运移的方向等问题取决于上面三因素的共同作用情况。六、二次运移的时期、方向和距离二次运移的主要时期一般为主要生油期之后所发生的第一次构造运动期。因为，只有构造运动才能使原始地层发生倾斜、断裂和褶皱，才能使那些从生油岩中释放出的油气，有效地在浮力、水动力等因素作用下，沿着储集层、断裂、不整合面等通道，发生大规模的区域性运移。运移方向总是沿阻力最小的方向，从高压区移向低压区，从凹陷移向斜坡、隆起。但总体方向以横向水平运移为主。至于运移距离，意见很不一致。均衡法计算表明，二次运移涉及的的距