石油天然氣地質(zhì)初次運移動力通道及模式

1、第一節(jié) 油氣運移概述第二節(jié) 油氣初次運移第三節(jié)油氣二次運移第四節(jié) 油氣運移研究方法第四章 石油和天然氣的運移1第二節(jié) 油氣初次運移1.水溶相運移 （1）油氣溶解在水中呈分子溶液，水作為油氣運移的載體進行運移。一、油氣初次運移的相態(tài)原油在水中的溶解度隨溫度的變化（2）膠束溶液22.游離相石油初次運移最重要的相態(tài)。 游離油相和游離氣相，呈分散狀或連續(xù)狀油相、氣相 。 油溶氣相：氣溶解于石油中，以油相形式運移； 氣溶油相：油溶于天然氣中，以氣相方式運移。證據(jù)：）游離相石油存在于烴源巖孔隙或裂隙中；）厚烴源巖剖面可測定出對初次運移的色層效應(yīng)。3油氣初次運移過程中的可能相態(tài)低成熟階段，水溶相運移最有可能

2、生油高峰階段，主要以游離油相運移生凝析氣階段，以氣溶油相運移過成熟干氣階段，以游離氣相運移3、初次運移相態(tài)演化41.壓實作用壓實導(dǎo)致孔隙水排出，孔隙度減少，巖石體密度增加。對于一套地層，當(dāng)其中的流體壓力為靜水壓力時，稱之為壓實平衡。若在壓實平衡的層序之上新沉積了一個密度為b0、厚度為l0的沉積層，下伏地層進一步壓實，顆粒重新緊縮排列，孔隙體積縮小。新沉積層作用于壓實平衡地層的瞬間，孔隙流體承受部分上覆負(fù)荷壓力，產(chǎn)生剩余壓力。二、油氣初次運移的主要動力5在剩余壓力作用下，孔隙流體排出，流體壓力又恢復(fù)為靜水壓力。上覆沉積層不斷增加瞬間剩余壓力與正常壓力交替變化，孔隙流體排出，孔隙體積減小。 剩余流

3、體壓力的大小等于上覆新沉積物的負(fù)荷與孔隙水的靜水壓力之差 ： dPL = (bo-w)gL0 式中： dPL剩余流體壓力；bo新沉積的L0沉積層的密度； w地層水的密度； L0新沉積的沉積層的厚度； g重力加速度。6新沉積物橫向厚度不變時，橫向剩余壓力相等：dPl=(b0-w)gl0 只存在垂向剩余壓力梯度： dPldH=(b0-w)gl0l0=(b0-w)g 壓實流體垂直向上流動。7當(dāng)新沉積層橫向厚度有變化時，兩點間存在橫向壓力梯度： dP/dX=dPl-dPh/x =(b0-w)gl0-(b0-w)gh0/x =（b0-w)g（l0-h0）/x 壓實流體垂向上由深部向淺部運移，橫向上由厚層

4、區(qū)向薄層區(qū)運移。8 砂泥巖互層剖面中壓實流體的運移方向壓實流體的運移方向：由泥巖向砂巖，由深部向淺部、由盆地中心向盆地邊緣9欠壓實：泥質(zhì)沉積物在壓實過程中因流體排出受阻或來不及排出，孔隙體積不能隨上覆負(fù)荷增加而有效減小，導(dǎo)致孔隙流體承受了部分上覆沉積負(fù)荷，流體壓力高于靜水壓力。特征：高孔隙度、超壓出現(xiàn)的條件：快速沉積、細(xì)粒沉積比率高10欠壓實帶中流體的排出方向11當(dāng)欠壓實及其它作用產(chǎn)生的孔隙壓力超過泥巖的承受強度時，泥巖產(chǎn)生微裂縫，超壓流體通過泥巖微裂縫涌出，油氣發(fā)生初次運移；隨著流體排出，超壓被釋放，泥巖回到正常壓實狀態(tài)。欠壓實泥巖存在剩余壓力，具有驅(qū)動流體向剩余壓力減小的方向運移的趨勢。1

5、2蒙脫石：膨脹性粘土，結(jié)構(gòu)水多。隨埋深增加，結(jié)構(gòu)水脫出，由蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?；蒙脫石脫出的水排擠孔隙原有的流體，產(chǎn)生異常高壓，有利于排烴。2. 蒙脫石脫水作用133.有機質(zhì)的生烴作用當(dāng)流體不能及時排出時，導(dǎo)致孔隙流體壓力增大，出現(xiàn)異常壓力排烴作用。干酪根所形成的油氣的體積大大超過原干酪根本身的體積。14溫度增加時，油氣水的體積膨脹，即具有熱增容效應(yīng)。隨埋深增加，地溫增大，水的密度降低，比容增大，這種膨脹作用促使流體運移，有助于排烴。若處在封閉或半封閉系統(tǒng)，可形成異常高壓。 4. 流體熱增壓作用15 水的壓力溫度密度（比容）的關(guān)系曲線16圖：正常壓力帶的三個地溫梯度情況 下，水的比容與深度關(guān)系1

6、7水由鹽度低的一側(cè)通過半透膜向鹽度高的一側(cè)運移的作用在滲透壓差作用下流體通過半透膜從低鹽度區(qū)向高鹽度區(qū)運移，直到濃度差消失為止。含鹽量差別越大，滲透壓差也越大。5. 滲析作用18美國灣岸地區(qū)某井砂巖和頁巖孔隙水含鹽量隨深度變化曲線（據(jù)Schmidt，1971）19泥巖和砂巖的鹽度均隨埋深增加而增加.滲透流體從含鹽量低的部分流向含鹽量高的部分。流體從泥巖到砂巖運移。20構(gòu)造應(yīng)力作用 產(chǎn)生微裂縫，吸附烴解吸，構(gòu)造擠壓應(yīng)力傳遞到孔隙流體，流體運移 6. 其它作用最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力時，主要排烴方向沿最小主應(yīng)力方向21毛細(xì)管壓力 源巖層與儲集層界面處，源巖孔喉較小，儲集層孔喉較大，兩者間存在毛細(xì)管壓力

7、差，合力方向指向儲集層方向。 6. 其它作用22擴散作用 巖性致密和高壓地層中對天然氣運移有重要作用膠結(jié)和重結(jié)晶作用 使孔隙度降低，堵塞排液通道，形成成巖封閉，促使已存在于孔隙中的油氣壓力增加，導(dǎo)致巖石破裂而排烴。碳酸鹽巖。23初次運移的動力多種多樣，在源巖有機質(zhì)熱演化生烴過程的不同階段，其主要排烴動力有差異。中淺層深度，壓實作用為主；中深層以異常壓力為主。 7.烴源巖排烴動力演變24埋藏深度m溫度有機質(zhì)熱演化階段 油氣運移動力0150010 50 未 熟 正常壓實、滲析、擴散1500400050150 成 熟 正常壓實欠壓實、蒙脫石脫水、有機質(zhì)生烴、流體熱增壓、滲析、擴散4000700015

8、0250 高成熟過成熟 有機質(zhì)生氣、氣體熱增壓、擴散 7.烴源巖排烴動力演變25中淺層深度，壓實作用為主；中深層以異常壓力為主。 7.烴源巖排烴動力演變26較大孔隙、微層理面微裂縫構(gòu)造裂縫與斷層縫合線干酪根網(wǎng)絡(luò)三、油氣初次運移的通道27泥（頁）巖孔徑的大小與烴類分子的比較 甲烷和水能通過小微孔（1nmd0.3nm） 正烷烴、芳香烴、瀝青稀可通過中微孔（10nmd1nm） 大分子集合體和游離相烴只能通過大微孔（d50nm）10m100m28巖石中連通孔隙的5種組構(gòu)孔徑 1nm-10nm （1） 20% 10nm-100nm （2） 30%100nm-1m （3） 45%1m-10 m （4） 5

9、%10m-100 m （5）砂巖泥巖（1）90%（2）10%其中包含（3）少許291.較大的孔隙與微層理面孔隙和微層理面是有機質(zhì)未成熟低成熟階段的主要運移途徑。較大的孔隙是指烴源巖中孔徑大于100nm以上的孔隙，包括微毛細(xì)管中的大微孔和少量的毛細(xì)管孔隙(d2m)，雖然后者只占泥質(zhì)烴源巖孔隙的極少數(shù)(平均不到5)，但它不僅能順利地讓擴散流通過，而且還能發(fā)生體積流動(達西流)，因此是最重要的排烴通道。游離相油氣運移的主要通過這類通道排出烴源巖。微層理面是層內(nèi)沉積物垂向變化的界面，具有較好的滲透性，是烴類在泥質(zhì)烴源巖內(nèi)橫向運移、調(diào)整的重要途徑，在有機質(zhì)成熟過成熟階段它可以與微裂縫和干酪根網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成良好

10、的三維運移通道系統(tǒng)。30有機質(zhì)未成熟低成熟階段的主要運移途徑。較大孔隙：孔徑大于100nm最重要的排烴通道。微層理面：層內(nèi)沉積物垂向變化的界面，滲透性較好烴類橫向運移的重要途徑。1. 較大的孔隙與微層理面31臨界排烴飽和度值（1%-10%）和泥質(zhì)蓋層的突破壓力值均與幾大微孔有關(guān)32 若泥巖中視孔徑30nm，油水界面張力取地面值3102N/m，則泥巖中的毛細(xì)管阻力約為4MPa，至少需要百米以上的油柱或幾十米的氣柱高度，可見游離相的排烴動力主要是異常高壓力33 2.微裂縫 微裂縫一般是指寬度小于100m的裂隙，實際測量的寬度大多為1025m (EMCmexob，1974)，最小的寬度可為310m(

11、Neglia，1979)，是成熟過成熟階段的主要運移途徑。異常高流體壓力能導(dǎo)致源巖形成微裂縫的觀點已被人們所普遍接受（Snarsky，1962；Hubbert和Willis，1973；Momper，1978）。Snarsky（1962）認(rèn)為當(dāng)流體壓力超過靜水壓力的1.422.4倍時，巖石就會產(chǎn)生裂隙；李明誠（2004）認(rèn)為當(dāng)流體壓力超過上覆靜巖壓力的0.70.9倍（相當(dāng)于靜水壓力的1.62倍）時，烴源巖即可產(chǎn)生張性微裂縫。這種微裂縫具有周期性開啟與閉合特點（Rouchet，1981；Ungerer等，1983）。Rouchet（1981）指出，當(dāng)裂隙周圍介質(zhì)的孔隙壓力等于裂隙中的孔隙壓力時，裂

12、隙可長時期保持開啟，當(dāng)周圍介質(zhì)孔隙流體壓力低于裂隙中的初始壓力，這類裂隙會由于其流體滲流到周圍的孔隙中而迅速閉合。Ungerer等（1983）的研究結(jié)果也表明，在微裂縫張開之后，原先封閉的流體就沿裂縫排出，隨后在上覆地層負(fù)荷作用下裂縫閉合。此后又可建立新的高壓，又開始上述過程（圖4-19）。 如果說烴類的生成是產(chǎn)生異常高壓和微裂隙的重要原因，而微裂隙又是初次運移的重要通道，說明生烴和排烴這兩種作用必然是一個連續(xù)的地質(zhì)過程，看來這種天然的內(nèi)在聯(lián)系也完全符合自然規(guī)律。研究表明，油氣沿此類微裂隙的運移是呈幕式涌流方式進行的，流體排出后壓力釋放，微裂隙閉合，又進入新一輪的蓄壓破裂排烴過程，如此周而復(fù)始

13、。 34微裂縫： 指寬度小于100m的裂隙，大多為1025m，是成熟過成熟階段的主要運移通道。烴類的生成及其他作用-異常高壓-微裂隙-排烴-微裂隙閉合-蓄壓再破裂再排烴 2. 微裂縫35干酪根生成烴類過程中，微裂縫的形成與烴類的注入（據(jù)Ungerer等,1983) 異常高流體壓力能導(dǎo)致烴源巖形成微裂縫。當(dāng)流體壓力超過靜水壓力的1.422.4倍時，巖石就會產(chǎn)生裂隙。這種微裂縫具有周期性開啟與閉合特點。36含有有機質(zhì)粘土加壓實驗，表示微裂縫對油氣運移的影響37微 裂 隙 證 據(jù) （據(jù)勝利油田）1.高電阻率層段的優(yōu)質(zhì)烴源巖；2.在空間上與有機質(zhì)紋層緊密相關(guān)；3. 烴源巖大量生烴階段相對應(yīng)。38亮晶方

14、解石有機質(zhì)紋層亮晶方解石微 裂 隙 證 據(jù)裂隙的發(fā)生在空間上與有機質(zhì)紋層緊密相關(guān)39 測井曲線分析和巖芯觀察均表明，發(fā)生裂隙的母巖均為高電阻率的優(yōu)質(zhì)烴源巖段。微 裂 隙 證 據(jù) 40 進入成熟階段的富有機質(zhì)源巖大量生烴，造成孔隙流體壓力迅速上升達到或接近靜巖壓力，并導(dǎo)致了順層裂隙的產(chǎn)生。 液態(tài)烴包裹體微 裂 隙 證 據(jù) 413.構(gòu)造裂縫和斷層 這里所指的構(gòu)造裂縫主要是在地應(yīng)力差作用下烴源巖中產(chǎn)生的裂縫。但對一個斷陷盆地來說，一般認(rèn)為淺于2000m以水平應(yīng)力為主，而深于2000m則以垂直應(yīng)力為主（李明誠，2004），此時可產(chǎn)生近于垂直層面的張裂縫或剪切裂縫；對于以水平應(yīng)力為主的擠壓盆地來說，則可

15、產(chǎn)生平行于層面的張裂縫或剪切裂縫。張裂縫的寬度一般大于100m，屬毛細(xì)管孔徑，烴類只要克服其毛細(xì)管阻力就能順利通過它。 斷過烴源巖的斷層也是初次運移的重要通道。斷層可以由構(gòu)造裂縫連接發(fā)展而成，同時斷層的活動又可以在其鄰近形成寬度不等的裂縫帶。斷層還可以造成烴源巖與其他地層在兩盤并置，使烴類流體發(fā)生橫穿斷層面的運移進入運載層。此外，地震泵效應(yīng)進一步增強了斷層的通道作用。即在斷層張開和閉合的過程中，由于體積的擴張和壓縮；流體壓力的降低和升高；致使斷層兩盤的流體流人和排出，斷層的活動就像是插入烴源巖中的吸管，將烴類和流體吸入和排出。顯然，這種排烴是呈幕式的。42（1）構(gòu)造裂縫：地應(yīng)力作用下烴源巖中產(chǎn)

16、生的裂縫。 張裂縫：寬度一般大于100m，屬毛細(xì)管孔徑。 （2） 斷過烴源巖的斷層也是初次運移的重要通道 地震泵效應(yīng)增強了斷層的通道作用?；顒訑鄬酉癫迦霟N源巖中的吸管。-幕式排烴3.構(gòu)造裂縫和斷層434.縫合線 縫合線廣泛發(fā)育在碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖中特別是在含泥質(zhì)的石灰?guī)r中的縫合線，是成巖后生階段壓溶作用的產(chǎn)物，也初次運移重要通道?？p合線往往順層面分布，也有與層面呈斜交或正交，其中常含有泥質(zhì)、鐵質(zhì)或有機物等不溶殘渣?？p合線與構(gòu)造裂縫在巖石中往往交織在一起組成同體系。 5.有機質(zhì)或干酪根網(wǎng)絡(luò) Momper(1978)等認(rèn)為，生油層中的有機質(zhì)并非呈分散狀，主要是沿微層理面分布。McAuliffe(19

17、79)進一步證實，生油巖中還存在有三維的干酪根網(wǎng)絡(luò)。相對富集的有機質(zhì)又可使微層理面具有親油性，有利于烴類運移；若在微層理面之間再有干酪根相連，那么在大量生油的階段，不但微層理面本身可以作為運移通道，而且還可以在三維空間上形成相互聯(lián)通的、不受毛細(xì)管阻力的親油網(wǎng)絡(luò)，從而成為初次運移的良好通道。 44碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖，特別是含泥質(zhì)的石灰?guī)r成巖后生階段壓溶產(chǎn)物，初次運移重要通道。 4. 縫合線往往順層面分布，也有與層面呈斜交或正交。45生油層中： 有機質(zhì)主要是沿微層理面分布微層理面具親油性， 三維的干酪根網(wǎng)絡(luò)親油網(wǎng)絡(luò)，不受毛細(xì)管阻力 大量生油的階段：初次運移的良好通道 5. 有機質(zhì)或干酪根網(wǎng)絡(luò)46 烴

18、源巖本身的非均質(zhì)性， 形成大小不一、縱橫交錯的孔隙和裂縫系統(tǒng)，再加上后期形成的次生孔隙，微裂隙、縫合線以及干酪根網(wǎng)絡(luò)，從而形成了烴源巖多種多樣的排烴通道。盡管烴源巖中以微孔和微裂隙為主，但也存在有較大的孔隙和裂縫，實際上它們各有不同的作用。較大的孔隙和裂縫雖然較少但可以發(fā)生效率較高的體積流，而在微小孔隙和裂隙中則可以發(fā)生擴散流，兩者在時空上可以相互轉(zhuǎn)換、相互補足。說明細(xì)粒的烴源巖中總是有運移通道存在，只要有驅(qū)動力也總是可以排烴的。 47孔隙、微裂縫、微層理面、構(gòu)造裂縫、干酪根網(wǎng)絡(luò)。低成熟-未成熟階段：孔隙和微層理面；成熟-過成熟階段：微裂縫為主，復(fù)合通道。三、初次運移的通道48四、初次運移的主

19、要時期和距離 石油：有機質(zhì)熱演化成熟階段 天然氣：多期，大量生氣之后排烴門限：達到排烴所需的飽和度1、初次運移的主要時期49六、烴源巖有效排烴厚度源巖所生成的油氣，由于受到各種因素的制約（如源巖厚度很大、滲透率很小、排烴動力不足等）,并不是全部都能運出源巖層，排烴有效厚度：烴源巖中的油氣能有效排出的厚度。只有與儲集層相接觸的一定距離內(nèi)生油層中的烴類才能排出來。生油層有效排烴厚度約為28m(上、下距儲集層各14m)。厚層塊狀泥巖源巖層排烴不利，相當(dāng)一部分厚度對初次運移排油無效。50排烴有效厚度：烴源巖中的油氣能有效排出的厚度。只有與儲集層相接觸的一定距離內(nèi)生油層中的烴類才能排出來。生油層有效排烴

20、厚度約為28m(上、下距儲集層各14m)。厚層塊狀泥巖源巖層排烴不利，相當(dāng)一部分厚度對初次運移排油無效。2、初次運移的距離51 阿爾及利亞儲集層上覆頁巖生油層中 烴類，膠質(zhì)，瀝青質(zhì)含量分布52五、油氣初次運移模式53三種模式：正常壓實排烴模式異常壓力排烴模式擴散模式三者在運移相態(tài)、動力、通道等方面有差異。五、油氣初次運移模式54源巖層埋深較淺，油氣生成的數(shù)量少，源巖孔隙水多，滲透率較高，部分油氣溶解在水中呈水溶狀態(tài)，部分呈分散的游離油氣相。動力為正常壓實。在壓實作用下，油氣隨壓實水流，通過源巖孔隙運移到運載層或儲集層中。 1未熟低熟階段正常壓實排烴模式55源巖層孔隙水較少，滲透率較低，源巖排液

21、不暢，有機質(zhì)大量生成油氣，大量油氣呈游離狀態(tài)。異常高壓為排烴動力。欠壓實作用、蒙脫石脫水作用、有機質(zhì)生烴作用、熱增壓作用以及滲析作用等各種因素導(dǎo)致孔隙流體壓力不斷增加，形成異常高壓，成為排烴的主要動力。 2成熟過成熟階段異常壓力排烴模式56當(dāng)生油巖孔隙流體壓力增高還不足以引起巖石產(chǎn)生微裂縫時，油氣可從生油巖中慢慢驅(qū)出。當(dāng)孔隙流體壓力很高、導(dǎo)致源巖產(chǎn)生微裂縫，這些微裂縫與孔隙連接，形成微裂縫孔隙系統(tǒng)。在異常高壓驅(qū)動下，油氣水通過微裂縫孔隙系統(tǒng)向源巖外涌出。當(dāng)排出部分流體后壓力下降，微裂縫閉合。壓力恢復(fù)升高和微裂縫重新開啟后，又發(fā)生新的涌流。油氣水以一種間歇式、脈沖式（不連續(xù)）方式進行混相涌流。5

22、7輕烴，特別是氣態(tài)烴，具有較強的擴散能力，與體積流相比，效率較低，但在源巖中輕烴擴散具有普遍性。氣體依靠擴散進行的初次運移，只發(fā)生在源巖層內(nèi)比較短的距離。 3、 輕烴擴散輔助運移模式58烴源巖復(fù)式排烴模式三種排烴模式（方式）裂縫帶排烴模式差異突破壓力排烴模式斷層排烴模式 在異常高壓區(qū)內(nèi)，由于生油母質(zhì)、烴源巖結(jié)構(gòu)、異常高壓分布以及斷裂發(fā)育特征等的不同，的排烴主要分為微裂縫排烴、和斷層排烴三種類型 59有效烴源巖復(fù)式排烴示意圖斷層排烴 微裂縫排烴差異突破壓力排烴60微裂縫排烴： 當(dāng)烴源巖中的流體壓力達到或超過烴源巖的破裂壓力時，烴源巖內(nèi)相對封閉的系統(tǒng)被打破，開始排出烴類流體。隨著排烴的持續(xù)，裂縫開

23、始閉合，一次排烴結(jié)束。之后，烴源巖內(nèi)的流體壓力又開始逐漸升高，當(dāng)再次積累到破裂壓力時，微裂縫開啟，發(fā)生二次排烴。周而復(fù)始，直到烴源巖生烴能力枯竭或生烴的物化條件被改變而停止排烴。微裂縫排烴排出流體的過程是幕式的，相態(tài)是混相的，即幕式排烴、混相涌流。有機質(zhì)地球化學(xué)方面表現(xiàn)為：從開始排烴深度處到泥砂巖交界面，有機質(zhì)族組成無顯著變化，排烴效率高，排烴厚度大。61裂縫帶排烴模式壓裂區(qū)裂縫帶排烴過程示意圖 樊1井Es3段超壓裂縫(被瀝青充填) 微裂縫排烴：幕式、混相，即幕式排烴、混相涌流 62微 裂 隙 證 據(jù) 1.高電阻率層段的優(yōu)質(zhì)烴源巖；2.在空間上與有機質(zhì)紋層緊密相關(guān)；3. 烴源巖大量生烴階段相對

24、應(yīng)。63位于營11濁積巖單砂體之上的營67井，油層頂面埋深3066.2m，壓力系數(shù)達1.60以上，上覆有效烴源巖的起始排烴深度為3056.5m，排烴厚度為11.2m，屬微裂縫向下排烴。 微裂縫排烴佐證實例64巖心地球化學(xué)分析資料表明，在排烴方向上，飽和烴和芳烴分別保持在43%和10%左右，變化不大，表明生成的烴類是沿著壓裂產(chǎn)生的微裂縫進入到儲層中的。 序號深度(m)有機碳(%)氯仿瀝青“A”(%)氯仿瀝青“A”族組分(%)飽和烴芳烴非烴瀝青質(zhì)總烴1234567893054.53056.53058.53060.03061.33062.43063.43064.43065.31.831.641.65

25、1.873.191.963.322.340.17540.21540.24150.42080.16450.39490.22510.35290.504653.2143.6240.5746.2743.0243.8742.2146.8041.9511.867.4111.019.028.1410.289.8711.209.7325.0029.6327.3624.7127.9130.8332.3227.6034.567.6912.2612.2612.948.537.516.469.606.0465.0751.0351.5855.2951.1654.1552.1058.0051.68營67井源巖地球化學(xué)特征65差異突破壓力排烴 ：烴源巖裂縫較少或沒有。烴源巖的排烴過程與前一種相似，但排烴過程中的主要阻力是烴源巖自身的毛細(xì)管壓力。當(dāng)烴源巖復(fù)合流體壓力達到或超過烴源巖的毛管排驅(qū)壓力時，烴源巖中的流體