第十一次课：第四章油气运移(1)

固体矿产－煤：从沉积→成岩→成矿其位置基本保持不变水石油天然气典型的背斜油气藏P1排2油藏?0100020003000400050006000NN2dN1tN1sK1K2J2E深度（m）排2Ro:0.5%Ro:0.8%Ro:1.0%40812kmJ+TJ1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。第四章石油和天然气的运移一、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油气从源岩层向储集层的运移，称为初次运移(primarymigration)。油气进入储层以后的一切运移都称为二次运移(secondarymigration)。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。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。2、地层压力与异常地层压力（1）地层压力（formationpressure)：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)（2）静水压力：静止水柱产生的压力（重量）称为静水压力ghPw（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。（5）异常地层压力：（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％。（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。典型稳态流体流动：地下水的渗滤05204200km0km挤压强超压04km2P1P2P3P4P5F压力封存箱压力封存箱间无流动200km正断层震源5kmkmE地震抽汲最大流速：10m/a0Km200D快速沉降的大陆边缘最大流速：0.1—1m/aA褶皱和逆冲带抬升的前陆最大流速：1—10m/a20kmkm200B克拉通内坳陷或裂谷最大流速：0.1—1m/aC逆冲带最大流速：0.1—1m/a20kmkmkm05204200km0km挤压强超压04km2P1P2P3P4P5F压力封存箱压力封存箱间无流动200km正断层震源5kmkmE地震抽汲最大流速：10m/a0Km200D快速沉降的大陆边缘最大流速：0.1—1m/aA褶皱和逆冲带抬升的前陆最大流速：1—10m/a20kmkm200B克拉通内坳陷或裂谷最大流速：0.1—1m/aC逆冲带最大流速：0.1—1m/a20kmkmkm不同类型盆地中连续稳态流体流动的驱动机制和样式(据Garven,1995)（2）非稳态幕式：超压流体流动0255075100125压力/MPa0100020003000400050006000静水压力静岩压力深度/m泥岩砂岩一次排放二次排放0255075100125压力/MPa0100020003000400050006000静水压力静岩压力深度/m泥岩砂岩一次排放二次排放破裂压力超压引起的地层破裂和超压流体的幕式排放压力/应力时间幕次1幕次2幕次3幕次4开启封闭排放补给积累压力/应力时间幕次1幕次2幕次3幕次4开启封闭排放补给积累莺歌海盆地泥岩岩芯中的水力破裂B静水压力破裂压力盖层破裂压力深度(A)准噶尔盆地中部地区超压流体天然水力破裂通道4060801001204.44.84.0深度/kmJ1sJ1b压力/MPaTRACE1390气烟筒气烟筒破裂压力（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。分子越小，扩散能力越强，轻烃具有明显的扩散作用。流体中的扩散速率与浓度梯度有关，服从费克第一定律：J＝-DgradC式中，J为扩散速率，D为扩散系数，gradC为浓度梯度。扩散系数与分子大小有关，也与扩散介质条件有关。4、岩石的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。（1）润湿性：（流体附着固体的性质）θ＝0：称完全润湿θ90：称润湿θ90：称非润湿润湿角：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）岩石的润湿性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％。二、石油和天然气的初次运移油气初次运移（primarymigration)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水溶相运移存在的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油易斯安那州阿姆瑟湖原油①游离相(油相）显微观察的证据：a.石油以游离相存在于烃源岩孔隙系统支持游离相运移的证据煤的孔隙和裂缝中的油滴②水溶相：不重要b.烃源岩中存在的色层效应支持游离相运移的证据Tissot,1978（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）C0C1C2C3深度浓度烃源岩（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PS有效应力定律：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颗粒＋流体S：上覆负荷压力σ：有效应力P：地层压力b.压实欠平衡状态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颗粒＋流体新沉积物的沉积增加了上覆压力c.沉积物恢复压实平衡状态①②③①新沉积物的沉积欠平衡状态静水压力流体排出压实平衡状态瞬时剩余压力压实平衡状态与欠平衡状态的交替和循环流体压力降低②压实流体排出方向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预测压力(MPa)0100020003000400050000306090120深度(m)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)第二压力过渡带第三超压带第二超压带(П2)a.沉积盆地异常高压十分普遍辽东湾地区地层压力与埋深关系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，导致孔隙流体不能及时排出，泥岩孔隙体积不能随上覆负荷的增加而有效地减小，从而使泥岩孔隙流体承担了一部分上覆颗粒的重量，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，正常压实曲线欠压实曲线ZZeZ称为欠压实现象b.蒙脱石脱水作用蒙脱石的特点：(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蒙脱石向伊利石的转化是地质过程的一种普遍现象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蒙脱石转化为伊利石后：蒙脱石向伊利石发生转化是地质过程的一种普遍现象c.有机质的生烃作用(烃类生成形成异常高压)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③异常高压的排烃作用烃源岩封闭形成异常高压形成微裂缝微裂缝闭合孔隙流体排出超过破裂极限欠压实蒙脱石脱水生烃增压流体热增压……（3）烃类浓度梯度(扩散作用）C0C1C2C3深度浓度烃源岩烃源岩与储集层之间存在浓度差：扩散作用运移方向：运移动力：浓度梯度烃源岩储集层6.08×10-9C103.75×10-7C44.31×10-8C75.77×10-7C38.20×10-8C61.11×10-6C21.57×10-7C52.12×10-6C1D(cm2/s)烷烃D(cm2/s)烷烃烷烃在页岩中的扩散系数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。gradCDJ费克第一定律J为扩散速率，D为扩散系数，gradC为浓度梯度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。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－低熟动力压实作用瞬时剩余压力相态水溶相游离相通道孔隙成熟-高成熟阶段异常高压游离相混相微裂缝微孔隙过成熟阶段扩散作用异常高压分子微裂缝微孔隙排烃模式压实排烃模式微裂缝排烃模式扩散排烃模式5、烃源岩有效(排烃)厚度(1)概念烃源岩