石油与天然气的运移（上）

安达尔顿

石油与天然气是流体，它们具有流动的趋势，只要没有约束条件，它们就会无休止地运动下去，直至到达地表面逸散。那么油气在地下的运动规律是什么？受哪些因素影响？运动的相态、时间、距离和方向是什么？搞清这些问题不仅具有理论意义，更重要的是对油气勘探具指导意义。这是本章要解决的问题。

§1  与油气运移有关的几个基本概念
一、初次运移和二次运移
我们把油气在地下的一切运动称为油气的运移（不称运动是因为它们运动缓慢）。为了表征油气生成后在不同的环境、不同阶段的运移特点，又分为初次运移和二次运移（图4-1）。

图4-1油气初次运移和二次运移
初次运移——油气从烃源岩向储集层的排出（或运移）。
二次运移——油气进入储集层以后的一切运移。二次运移包括了成藏前油气在储层或输导层内的运移，也包括了油气藏破坏以后的运移。
二、油气运移的基本方式
油气运移的基本方式是扩散和渗滤。
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。用一个常见的例子来说明渗滤（手上划破一个口子）。
扩散是分子布朗运动的传递过程，是一种分子运动，流体的扩散速度与浓度梯度有关，服从费克（Fick）第一定律：
J＝－DgradC                            （4-1）
式中：
J——扩散速率；D——扩散系数；C——物质浓度。
上式表明，物质的扩散速度与扩散系数、浓度梯度成正比，扩散方向是从高浓度向低浓度扩散。一般分子越小，运动能力越强，扩散系数越大，越易扩散。所以天然气的扩散损失要比石油大的多。人们越来越重视研究天然气的扩散作用。
三、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。不同流体与不同岩石会表现出不同的润湿性。易附着在岩石上的流体称为润湿流体，反之为非润湿流体。在多相流体共存且不相溶的流体中，润湿体又称之为润湿相，非润湿体称为非润湿相。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。在亲水岩石中，孔壁及颗粒表面为水所润湿，水会在颗粒表面形成一层薄膜构成液环，油则不能以薄膜形式残留在孔壁上，被挤到孔隙中心部位形成孤立的油珠（图4-2）。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。可见，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。

图4-2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，因为沉积岩是沉积在水介质中的，水又是极性分子。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，因此可以认为是部分亲水，部分亲油的中间润湿。
四、油气运移的临界饱和度
前一章已说明，当岩石中存在多相流体时，由于不同流体之间以及流体与岩石之间的相互作用，不同流体会出现不同的相对渗透率。相对渗透率除与岩石绝对渗透率有关外，还与流体的性质和含量有关。对于一定的岩石，存在最低的含水饱和度、含油饱和度或含气饱和度，各种流体低于此值时，它们的有效渗透率为零，即不发生流动。例如Levorson(1954)对亲水砂岩进行油水两相吸排水的实验，结果表明油相的饱和度低于10%时，油相不能运动。在泥岩中测定难度还较大，目前尚无正式发表的资料。Dickey认为，在烃源岩中由于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%，甚至降到1%。油气水共存时，油（气）运移所需的最小饱和度称为油（气）运移的临界饱和度。
五、地层压力、折算压力和测压面
地下储层（或油层）内流体所承受的压力，称为地层压力，亦可称为地层流体压力或孔隙流体压力，Pa。
为直观反映地层压力的大小，工程上常使用水压头的概念，水压头相当于地层压力所能促使地层水上升的高度，表达式为：
h=P／( g)                           （4-2）
式中：
h——水压头，m；
P——地层压力，Pa；
——水密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2。
同一层位各点水压头顶面的连线称该层的测压面，测压面是一个用来反映横向上水压头的变化。在静水条件下，测压面是水平的（图4-3）。在动水条件下，测压面面是倾斜的。

图4-3单一储集层内静水压面示意图
折算压力是指测点相对于某基准面的压力，在数值上等于由测压点到折算基准面的水柱高度所产生的压力（图4-4）。

图4-4折算压力与水流方向示意图
例如，测点相对于某基准面的高程为Z（注：基准面位于测点之上，Z取负号，之下为正号）其地层压力为P，则该点的折算压力P′为
P′=Z g+P=(Z+h)Pwg

§2  石油与天然气的初次运移
烃源岩生成的油气只有经初次运移，有效地排到储层中，才能使分散状态的油气经二次运移，发生聚集成藏。所以油气的初次运移是油气远景评价的一个重要方面。
一、初次运移的相态
一般认为油的运移相态以游离相为主，水溶相为辅。理由是油在水中的溶解度过低，水不能大量溶解原油。还有人认为油可呈胶束状运移，主要是表面活性剂起作用，但多数人认为表面活性剂数量少，且胶束直径过大，很难通过泥岩细小孔隙。
对于天然气而言，运移相态以水溶相和游离相运移。因为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，若水量较少，则可能以游离相态为主。
此外，石油与烃类气体的互溶性，天然气可溶于石油内运移，轻质油亦可溶于天然气内运移，但这两种相态是次要的。
油气究竟以何种相态运移，取决于温度、压力、孔隙大小及油、气、水的相对含量等。表现在有机质演化的不同阶段，油气运移的相态可能不同。在低熟阶段，由于源岩含水量大，生成的烃类少，胶质、沥青质含量高，油气运移的相态应以水溶相为主；成熟期，油气大量生成，而孔隙水含量较少，油气主要呈游离相运移，水为载体，生成的气部分或大部分溶于石油中运移；生凝析气阶段，气溶油运移，气为油的载体；过熟阶段，气以游离相运移。碳酸盐岩生成的油气以游离相运移为主。
二、油气初次运移的动力
油气要从烃源岩中排出，必须要有驱动力。目前认为这种驱动力的就是剩余压力。剩余压力就是超过静水柱压力的那部分压力。孔隙中的流体在静水柱压力下，处于一种压力平衡状况，流体是静止的，一旦压力超过其静水柱压力，就有剩余压力存在，若剩余压力超过毛管压力就会使流体流动。产生剩余压力的原因（即动力）有如下几种情况：
（一）压实作用：
如果一套地层处于压实平衡状况，当其上又沉积了一层厚Δh的沉积物时，新沉积物的负荷就要传递给下伏地层的孔隙流体中，结果使孔隙流体产生了超过静水柱压力的剩余压力。在这种压力下，孔隙流体排出，孔隙体积缩小，沉积物得到压实。当流体排出一部分，又恢复平衡。就这样，上覆沉积物不断沉积，下覆孔隙流体不断排出。这个过种可以是连续进行，亦可能是间断进行。
（二）欠压实作用
泥质岩类在压实过程中，由于压实流体排出受阻或未及时排出，泥岩得不到正常压实，导致孔隙流体承受了部分上覆地层的静压力（或沉积负荷），出现孔隙压力高于其相应的静水柱压力的现象称为欠压实现象。欠压实产生的原因是沉积物厚度大，沉积速率快——产生顶底板（正常—砂泥薄互层）。
当欠压实程度进一步强化，孔隙的剩余压力超过泥岩顶底板的抗张强度，则会出现泥岩裂缝，流体排出，压力释放，恢复到正常压实状态，裂缝闭合；然后随上覆压力的加大又会形成超压，再释放。这种过程可进行多次，形成脉冲式的排烃机制，有人称之为“手风琴”式的排烃方式。
（三）蒙脱石脱水
蒙脱石是一种膨胀性粘土，结构水较多，一般含有四个或四个以上的水分子层，按体积计算，这些水可占整个矿物的50%，按重量计可占22%。这些结构水在压实作用和热力作用下会有部分甚至全部成为孔隙水，这些新增的流体必然要排挤孔隙原有的流体，起到排烃的作用。
蒙脱石在脱水过程中转变为伊利石再向绿泥石转化，这一过程跟温度压力有关，其含量随深度加大而不断减少，其转化率增加较快的深度大约是3200m。在泥岩排液困难的情况下，蒙脱石的脱水作用可加大异常孔隙流体超压。
（四）有机质的生烃作用
干酪根成熟后可生成大量油气（包括水）。这些油气（包括水）的体积大大超过原干酪根本身的体积，这些不断新生的流体进入孔隙后，必然不断排挤孔隙已存在的流体，驱替原有流体向外排出。流体排出不畅时，也会增加流体超压。
因此，烃源岩生烃过程也孕育了排烃的动力。由此也可推断，石油的生成与运移是一个必然的连续过程。
（五）流体热增压
当泥岩埋藏比较深，地层温度增加，流体发生膨胀，增大剩余压力，促进流体流动。水随温度增加，体积也会发生膨胀，产生水热增压作用。书上给出了一条曲线，图上显示了随地温梯度的加大，水的比容加大，膨胀力加大。如在2000ft深度（6069m），地温梯度为18℃/km时，水膨胀约3%，在25℃/km时，可胀约7%，36℃/km，胀约15%，这是一个很大的数量。
一般说随埋藏深度加大，地温梯度增大，水的比容增大。水的这种膨胀作用促使地下流体的运移，当然也助于烃类的运移。
当烃源岩层处于欠压实状态时，欠压实段有非常高的孔隙度及孔隙水含量。由于水的热导率低，水本身又不流动，这不利于地下深处的热流向上传导，造成异常高的地温。这种异常高的地温及异常大的水体积，必然表现出更大的热膨胀体积。显然欠压实段泥岩的热增压现象要比正常压实段更明显。
此外，烃源岩在演化过程中有新流体的生成，如H2O、油和烃类进入孔隙中必然会加大热增压现象。
（六）渗析作用
渗析作用是指在渗透压差作用下流体会通过半透膜从盐度低向盐度高方向运移，直到浓度差消失为止（图4-5）。

图4-5渗析作用示意图
含盐量差别越大，产生的渗透压差也越大。Jones计算表明，页岩与砂岩盐度相差50000×10-6时，则可产生4.25Mpa的渗透压差。如果两者相差150000×10-6时，则可产生22.7Mpa的渗透压差。
在压实沉积盆地中，地层水的含盐量随深度和压实作用的增加而增加。由于盐离子易被页岩吸附过滤，页岩孔隙水的盐度常比砂岩孔隙水高。从图4-6看，页（泥）岩中水的含盐量与孔隙度成反比关系，即：含盐量增加，则孔隙度减少。因此，含盐量以每层页（泥）岩的中间部分向边部增高。含盐量与渗透压力之间也成反比关系。盐量高则渗透压力低，反之则高。因此，渗透流体运动的方向，是从低含盐量区向高含盐量区运移。所以渗析作用也能促进烃类从页（泥）岩向砂岩运移，是烃类初次运移的动力之一。

图4-6沙泥岩互层层组中泥岩孔隙度流压含盐分布特征
（七）其它作用
油气初次运移的动力还有构造应力、毛细管压力，扩散作用、碳酸盐固结和重结晶作用等。
构造应力作用能导致岩石产生微裂缝系统，这利于岩石和有机质吸附烃的解吸作用，特别是对于致密的烃源岩以及煤系烃源岩的排烃更为重要。另一方面，侧向构造挤压力在导致地层变形过程中，部分应力可传递到孔隙流体上，从而促使流体运移。
毛细管力的作用一般表现为阻力。仅在烃源岩层与储层的界面上才表现为动力。由于两者的毛管压力差的（合力）指向储层，从而推动油气向储层排出。
碳酸盐岩的固结和重结晶作用使其孔隙变小，可促使已存于孔隙中的油气压力增大，最终导致岩石破裂，油气排出。
扩散作用（分子运动）也是油气运移的动力之一。它是浓度梯度作用下进行的。扩散作用是低分子烃，主要是天然气的运移方式，它主要造成烃类散失，但在一定条件下亦可形成富集。
促使油气运移的动力是多种多样的，但在烃源岩有机质热演化生烃过程中，各种作用力的类别、作用时间和大小是不同的。总体来说，在中—浅层，压实作用为主要动力。此时，烃源岩孔隙度高，原生孔隙水较多，成岩作用以压实作用为主，生成的生物甲烷气及少量的未熟、低熟石油在压实作用下随水排出。在中—深层，因大量原生孔隙水被排出，泥岩的孔隙和渗透率变小，流体渗流受阻，而此时，有机质开始大量生烃，蒙脱石大量脱水，加上高温流体增压，造成了孔隙压力不断增加，形成异常高的孔隙压力，而这种压力超过烃源岩的强度时，就会产生微裂缝，排出流体。所以，此阶段的排烃主要动力为异常孔隙流体超压。它是欠压实、生烃作用、流体增压、蒙脱脱水的综合效应。
三、初次运移的途径
油气初次运移的主要途径有孔隙、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—过成熟阶段油气运移途径主要是微裂缝。
四、油气初次运移模式
油气运移的模式主要有正常压实排烃模式、异常压力排烃模式、扩散模式。三者在相态、动力、途径均有差异。
（一）未熟—低熟阶段正常压实排烃模式
此阶段，烃源岩层埋深不大，生成油气的数量少，源岩孔隙水较多，渗透率高，油气可部分呈游离相态，部分呈水溶相态，在压实作用下，通过源岩孔隙运移到储集层中。
（二）成熟—过成熟阶段异常压力排烃模式
在此阶段，烃源岩层已被压实，孔隙水较少，渗透率较低，烃源岩排液不畅。而此时正是有机质大量生成油气，孔隙水不足以完全溶解所有油气，大量油气呈游离状态。同时蒙脱石脱水作用、热增压作用等因素导致孔隙流体压力不断增加，形成流体异常高压，成为排烃的主要动力。
当生油岩孔隙网络内部建立起的压力增高还不足以引起岩石产生微裂缝时，如果孔隙喉道不太窄，或因为存在着连续的有机质相和有干酪根三维网络而使得毛细管压力并不太大，那么，油就可以从生油岩中被慢慢驱出，不需要裂缝存在。在这种情况下，油气在异常压力作用下被驱动应是一个连续的过程。
当孔隙流体压力很高而导致烃源岩产生微裂缝，这些微裂缝与孔隙连接，则形成微裂缝—孔隙系统。在异常高压驱动下，油气水通过微裂缝—孔隙系统向烃源岩外涌出。当排出部分流体后，压力下降，微裂缝闭合。待压力恢复升高和微裂缝重新开启后，又发生新的涌流。这一阶段，油气水就是以一种间歇式、脉冲式（有人称之为手风琴式）不连续的方式进行混相涌流。
这两种连续油气运移过程和脉冲式不连续相运移过程是异常压力增高过程中的两个阶段，两者可以相互转化，周期性发生，且以后者为主。
（三）轻烃扩散辅助运移模式
轻烃特别是气态烃，具较强的扩散能力。尽管这是一种分子运动，效率较低，但因其具有普遍性，具时间上的连续性是不容忽视的。轻烃扩散到储层后，可发生转相，成为水溶相或游离相。扩散也可以造成烃类的大量损失。
五、烃源岩有效排烃厚度
烃源岩所生成的油气，因受各种因素的控制（如厚度大、渗透率小、动力不足、地层吸附）并不能全部排出，只有与储层相接触的一定距离内的生油层中的烃才能有效地排出来。能有效地排出烃类的生油层厚度，称为有效的厚度。一般在30m±。不同地区有效厚度是不完全相同的。在评价生油岩时，可利用岩心含沥青化学资料分析研究排烃效果，区分有效生油岩层与死生油岩层。前者指生油岩不仅产生油气，且排驱了有商业价值的油气；后者指尽管产生油气，但生成的油气没有排驱到储集层中，而是被圈死在烃源层中。
可见，最优越的生油层是与储集层呈互层关系的生油层，过厚的块状泥岩并不是最有利的生油层。

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