第五章 石油和天然气的运移

(Chapter5 hydrocarbon migration)

学时：6 学时

基本内容：

①油气初次运移的主要动力、运移机制、方向和距离。

②油气二次运移的动力、运移机理及方向。

教学重点与难点：

油气初次运移的主要动力因素和油气二次运移的机理及方向。

教学内容提要：

第一节 油气运移概述

油气运移：当石油、天然气受到某种自然动力的驱使在地壳中发生位置移动时，称为油气运移。

初次运移：是指生油层中生成的石油和天然气，从生油层向储集层（或输导层）中的运移。是油气脱离烃源岩的过程，又称为排烃。

油气二次运移：是指油气脱离生油岩后，在孔隙度、渗透率较大的储集层中或大的断裂、不整合面中的传导过程。它包括聚集起来的油气由于外界条件的变化而引起的再次运移。

第二节 油气初次运移

一、油气初次运移的动力（本节重点、难点）

1．压实作用

压实作用：是沉积物在上覆沉积负荷作用下，沉积物致密程度增大的地质现象，在压实作用过程中，沉积物通过不断排出孔隙流体，孔隙度不断减少，孔隙流体压力基本保持静水压力，称为正常压实或压实平衡状态。

在正常压实过程中，当烃源岩生成的油、气溶解在孔隙水中，就能够随着孔隙水一起被压实排出，实现油气的初次运移。

欠压实：如果由于某种原因孔隙流体的排出受到阻碍，孔隙度不能随上覆负荷的增加而相应减少，孔隙流体压力常具有高于静水压力的异常值，这种压实状态就称为欠压实或压实不平衡。

如果排水不畅，造成欠压实，可以延缓孔隙流体的排出，如果流体的排出正好被推迟到主要生油时期，则将对油气初次运移起到积极作用。还有利于有机质的热成熟，也是驱使油气进行初次运移的潜在动力。

2．热力作用

由于埋藏深度的增加，孔隙体积膨胀远远小于孔隙流体的膨胀，造成异常高压，为油气运移提供了一个动力。

3．烃类及非烃气体生成的作用

干酪根在热降解生成石油和甲烷气体等烃类的同时，也产生大量的水和非烃气体（主要是CO₂），而这些流体的体积大大超过原来干酪根的体积，引起页岩孔隙流体压力大幅度的提高，使异常高压进一步增强，这种压力的增加将导致微裂缝的产生（Hedberg，1980），使石油进入渗透性的载岩和储集层。

4．粘土矿物的脱水作用

泥岩在埋藏过程中，随着深度的增加，粘土矿物要发生成岩作用，放出大量的层间水，在没有增大的孔隙体积中造成异常高压，也是油气运移的一个动力。

二、油气初次运移的相态  

（一）水溶相运移

1．分子溶液

2．胶体溶液

（二）游离相运移

1．油相运移

2．分子扩散

（三）相态演变方式

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。

未成熟阶段：由于石油还未大量生成而地层孔隙度又较大，此时源岩中含油饱和度很低只可能有水相运移；

成熟阶段：一方面生油量大大增加，另一方面孔隙度又较小，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，随着源岩进一步埋深，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；

过成熟阶段：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。

所以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。对于富含Ⅲ型干酪根的腐殖型源岩来说，因为源岩以产气为主，多以气溶相进行初次运移。

三、油气初次运移的方式

油气初次运移的通道不外乎烃源岩中的孔隙系统、裂缝系统、孔隙—裂缝网络。初次运移的主要动力是压力差和浓度差，压力差包括正常压实和欠压实的异常高压。

对应于上述的动力因素，油气初次运移有三种方式：

（1）“压实水流”模式，在正常压实作用下，油气溶解于水中，通过孔隙系统被压实出来；

（2）“微裂缝排烃”模式，在异常高压作用下岩石产生微裂缝，通过微裂缝排出游离石油或天然气；

（3）扩散作用，由浓度差驱动，通过孔隙和裂缝系统排出烃。

四、初次运移条件的研究（选讲）

1．初次运移出现的深度和时期

2．油气初次运移的方向、距离和有效排烃厚度

烃源岩有效排烃厚度：生油层中只有与储集层相接触的一定距离内的烃类才能排出来，这段厚度就是生油层排烃的有效厚度。

排烃效率：是指烃源岩排出烃的质量与生烃的质量百分比。

第三节 油气的二次运移

一、油气二次运移的机理（本节重点）

（一）二次运移的阻力

在油滴两端的毛细管压力差即为真正的毛细管阻力：

DP_c = 2¡( 1/r_t-1/r_p )                  

式中，r_t、r_p分别为油滴两端的岩石孔喉半径，¡为界面张力。

（二）二次运移的动力

1．净浮力

石油地质学中常将浮力与重力同时考虑，并将浮力与重力的代数和称为净浮力。故石油质点的净浮力可用下式表示。

    F_r = -r_w/r_o·g + g = -(r_w - r_o)/ r_o ·g          

式中负号（-）表示净浮力方向与矢量g相反。

2．水动力

推动单位质量石油质点运移的水动力值等于：

        F_o = r_w/r_o·E_w

净浮力和水动力的矢量和(E_o)是油气动移的动力。即合力：

       E_o = -(r_w - r_o)/ r_o ·g + r_w/r_o·E_w

（三）油气二次运移的机制

油气二次运移的条件，首先必须具有一定的油气饱和度，只有当油气饱和度大于临界油气饱和度时，才有相对渗透率和有效渗透率。其次，油柱必须大于临界油柱高度，具有足够的浮力和水动力来克服毛细管阻力。

油气经过初次运移进入储层时可能是分散的游离状态，这时油气数量少，体积小，所受驱动力不大，不足于克服毛细管压力差的阻碍，因此微小的油滴将处于停滞不动的状态。随着初次运移的持续进行，油滴增大，逐渐成丝连片，总的驱动力也越来越大。此外，烃类物质从烃源岩进入储集层时压力降低，溶有气体的石油体积增大、密度降低、驱动力增加，即所谓溶解气效应。这两个原因，使烃类驱动力逐渐增大，直到驱动力大于毛细管压力差时，便发生二次运移。

二、油气二次运移的通道

油气二次运移的具体通道主要有连续的渗透性岩石的孔隙系统、断层和裂缝面、不整合面等。

三、油气二次运移的指向及意义（本节重点、难点）

油、气、水的力场分布对油气二次运移的方向起着直接控制作用。油气势差是二次运移的动力源。油气二次运移受到三个力的作用，即浮力、水动力和毛细管阻力差，油气二次运移的方向取决于这三个力的合力。

在含油气盆地中，如果在静水条件下，油气主要沿着浮力方向运移，在动水条件下，则沿着浮力和水动力的合力方向，所以油气二次运移总的来说是垂直向上的，当受到遮挡时，则沿着上倾方向，而具体的运移路线又是沿着各种通道的最小阻力方向。

在沉积盆地中，生油区一般位于凹陷的最深处，与之相邻的斜坡和隆起是二次运移的主要指向。而具体的运移路线又是沿着各种通道的最小阻力方向，它受储层的岩性变化、地层不整合以及断层分布等因素的控制和影响。因此，位于凹陷附近的隆起带及斜坡带，特别是长期继承性隆起带中良好储层常常控制着油气的初始分布。因此这些位置即为盆地中的有利含油远景区。构造运动常可使地层发生褶皱断裂，改变其原有产状，引起油气的再分布。掌握盆地构造现有格局和历史发展，可以预测油气的区域分布。

四、二次运移的距离及油气性质的变化

1．色层效应：结果往往是使石油的胶质、沥青质、卟啉及钒镍等重金属减少，轻组分相对增多，在烃类中烷烃增多，芳烃相对减少，烷烃中低分子烃相对增多，高分子烃相对减少。反映到物理性质上，表现为密度变小、颜色变淡、粘度变稀。

2．氧化作用：可使石油的胶状物质增加，轻组分相对减少，环烷烃增加，烷烃和芳烃相对减少，密度、粘度也随之加大，其效果大致与色层效应相反。

主要参考书或建议阅读的书籍:

1、柳广弟主编．石油地质学（第四版）——第五章．石油工业出版社．2009年3月．

2、张厚福主编．石油地质学（第三版）——第四章．石油工业出版社．1999年．

3、陈荣书主编．石油及天然气地质学——第六章．中国地质大学出版社．1994年．

4、潘钟祥主编．石油地质学——第七章．地质出版社．1986年．