石油与天然气的运移（下）

安达尔顿

§3  油气的二次运移
石油和天然气进入储层后的一切运动统称为二次运移。它包括了油气在储集层内部、沿断层或不整合面所进行的运移，也包括了原生油气藏破坏后所发生的运移。
一、二次运移的相态
目前普遍认为油气的二次运移主要为游离相，天然气可呈水溶相。这是因为油气进入储层后的物理、化学环境的变化（孔隙增大、压力变小、孔隙水多）
二次运移的不同时期游离相石油的相态有所差异。在初期，油粒较小，显微的和亚显微的油粒比较多。随着运移过程的发展，这些分散的小油粒逐渐相连，最终形成连续的油珠或油条进行运移；溶解于水或油中的天然气，从深层向浅层运移，或地层抬升后由于温压的降低会从石油中或水中释放，成为独立的气相；深层气溶相运移的石油，到浅层会发生凝析而转变成为油相。
二、二次运移的主要动力
促使油气运移的因素和动力很多，但主要有三个。
（一）浮力
石油和天然气的相对密度小于水，游离相的油气会在水上漂浮运移，其浮力大小为：
F=V（ - ）g
F：浮力；V：油相体积（排开水的体积）； 、 ：水油密度；g：重力加速度。由于浮力方向向上，油气的运移方向总是向上的。
油气在运移过程，必须要克服毛细管阻力（图4-7），即：
                     （4-3）
式中：
rt、rp：分别为喉道和孔隙半径；
：界面张力；
θ：润湿角。

图4-7一滴油球在水润湿的地下环境中通过孔隙喉道运移
关于这个问题，美国学者奇尔曼·A·希尔所作的试验最能说明问题（图4-8）。它用一个长方型盒子，正面为透明玻璃，里面装满浸水的砂。第一阶段注入三个油珠，各据一方，互不相接。此时由于油珠体积不大，浮力小于阻力而停滞不前。第二阶段，又加入了一些油，使三者互相连接汇合，此时，可见上部有指状油流开始向上浮起，这是因为油堆体积增大，浮力增大，足以克服阻力而向上运移。过几小时后发现，整个油堆都上浮到顶部聚集，下部只残留很少、很小的油滴。如果把石油体积V变换成单位面积的高度，那么油气运移的界面高度（Z0）可用下式计算出：
               （4-4）

图4-8浮力作用与油滴数量关系
（二）水动力
储层中的水如果是静止的，油气不受水动力影响；如果水是流动的，则受水动力影响。地层中的动水流可以是压实水流，可以是地表渗水流。压实水流是从盆地中心流向边缘，渗水流则是在水压头作用下由盆地边缘流向盆地中心。若地层水平，则动水流作水平运动；若地层倾斜，水流可向上倾方向运动也可向下倾方向运动。
在水平地层情况下，水动力与浮力垂直。因油气受浮力作用上浮于储层顶部，如果水动力大于毛细管阻力时，油气则沿水流方向在储层顶部运动。
在地层倾斜情况下，存在水动力沿地层上倾或下倾方向运动两种情况，其作用亦可表现为阻力或动力两种结果。
如图4-9，在背斜的一翼水动力方向与浮力方向一致，起动力作用；另一翼水动力方向与浮力相反，起阻力作用。

图4-9背斜地层中水动力与浮力配合
（三）构造运动力
构造运动力可起到直接作用和间接作用。
直接动力作用：构造运动在使岩层发生变形和变位中，会把作用力传递到其中所含的流体，驱使油气沿应力方向运移。
间接作用：构造运动可使地层发生倾斜，使油气在浮力作用下向上倾方向运移；可形成供水区与泄水区，形成水动力作用；形成断层、裂缝、不整合面等油气运移的通道。
三、二次运移的通道、时期
1．通道；
油气二次运移的主要通道为储层的孔隙、裂缝、断层和不整合面。油气在纵向上的运移通道为裂缝和断层，横向上的通道主要为风化面及储层的孔隙。
2．时期：
二次运移是初次运移的继续，二者常常是连续过程，或者说几乎是同时发生的。在此时，除少部分油气会沿原有倾斜地层向上倾方向运移，大部分会分布于水平地层的储层顶部。大规模的二次运移时期应该是在主要生油期之后或同时发生的第一次构造运动时期。因为这次构造运动使原始地层发生倾斜，甚至发生褶皱和断裂，破坏了油气原有力的平衡。在这种情况下，进入储层中的油气，在浮力、水动力及构造运动力作用下，向压力梯度变小的方向发生较大规模的运动，并在局部受力平衡处聚集起来。如果当油气聚集起来后，该区又发生一次或多次构造运动，则每次构造运动对油气的再次运移和聚集均有一定的作用。作用的大小，取决于对原有圈闭的改造或破坏程度。若对原有圈闭影响不大，或仅使其继承性发展，则一般不会引起油气大规模的区域性运移。若对原有圈闭的破坏或改造很强，油气就会再次发生大规模运移。可见，研究油气运移的主要时期，必须首先研究生油的主要时期及该区的主要构造运动史。油气运移的主要时期，也就是油气聚集和油气藏形成的主要时期。因此，对其研究，对勘探具重要的现实意义。
四、二次运移的主要方向和距离
二次运移的方向和距离还取决于运移通道的类型和性质，还取决于动力的大小、作用时间和方向。
1．运移的方向：
在静水条件下，进入储层中的油气受浮力的作用下，有向上运移的趋势，但因上下受泥岩限制，只能向上倾方向作侧向运动，如果有断裂或其它垂向通道，也可直接向上作垂向运移。
在动水条件下，如果动水流为早期的压实水流，其运移方向与浮力方向一致，基本上是由下向上，由盆地中心向边缘运移；在后期由水势梯度产生的水动力条件下，由于外部水流渗入地层，其方向主要是由上往下，由盆地边缘向盆地中心，与浮力方向往往不一致。
油气运移方向主要受到浮力和压实水流的影响，而渗入水流往往出现在油气大规模运动之后才发生作用，其影响力较小。此外油气在运移过程中，在其方向上如果渗透率发生变化、断裂的存在，或水动力的影响均会改变其运移方向。但总的运移规律是沿着阻力最小的方向运移。
可见，油气的主要运移方向实质上与构造密切相关，其大致方向是由凹陷向隆起区运移，由盆地中心向边缘运移。所以油气主要富集在凹中之隆或盆地边缘就是这个道理（如大庆长垣）。油气勘探的基本原则可用三句话概括：找凹陷、钻高点、探边缘。
在研究油气运移方向时，要充分考虑油气在运移过程中所受到的动力、阻力大小及其变化情况；油气运移通道的连通情况、延伸方向等因素。
2．运移距离
油气运移距离取决于动力大小、通道伸引情况、构造条件、岩相变化、油气流体性质、源岩供气情况等多因素控制。如果岩相变化较大，而又缺乏其它合适的运移通道，则油气不能长距离运移。如生油层中的砂岩透镜体及周围被非渗透性地层所包围的生物礁块油气藏。
如果烃源岩供油气充足，动力条件足以克服各种阻力，运移通道好，油气可以长距离运移。只要上述任一条件不足，就可阻止油气的长距离运移。另外，气比油易流动，运移相对远一些，轻质油比重质油易流动，流动远一些。
正是由于油气运移受多种因素控制，实际上油气运移距离一般不会太长。我国陆相沉积盆地中的油气运移距离一般在50km，最大的也只有80km。可见，找油时应主要围绕生油凹陷周边去找，这就是“源控论”的基本思想。
石油在运移过程中，由于地层中的矿物颗粒对原油成份的选择性吸附及地层水的溶解，沿油气的运移方向，油气的化学成分和物性会发生一些变化。可根据这些变化规律来研究油气的运移方向、通道及距离。
沿运移方向，油气的成分变化的大致规律是：
1．芳香烃、卟啉、沥青质、胶质和重金属（V、Ni、Ca）的含量不断减少。因为非烃、沥青质、胶质最易吸附于矿物的表面，芳烃比饱和烃极性大，它与非烃易溶于水。
2．某些生物标记化合物的变化。如甾烷化合物中，5α，14β，17β异构体比5α、14α、17α运移的快。重排甾烷13α、17β比规则甾烷15α、14α、17α运移的快。它们的比值大小指示运移方向。
3．C13/C12的比值随运移距离渐远而降低。这是因为芳香烃中的C13／C12比值高的原因。也有人认为这是C12相对C13被吸附能力弱而相对运移快的缘故。
化学成分的变化必然导致物理性质的变化。沿运移方向石油的颜色变浅，密度和粘度一般都会减少。
油气被地层吸附的现象，跟实验室内色层分析结果极为相似，所以被称为地层的层析作用。上述规律是层析作用为主时呈现出来的；如果在运移过程中，氧化和菌解起主要作用，则会出现相反的规律。所以要具体问题具体的分析。

§4  地下流体势分析
最早把流体势的概念引入石油地质学的学者是M•K•Hubbert，在二十世纪四、五十代用来研究地下流体的能量变化和流体运移规律。到80年代初E•C•Dahlberg（1982）比较系统地论述了运用这一方法研究油气运移和聚集的方向和位置，为油气勘探指明了方向。这引起国内外学者和广大勘探专家的高度重视。
一、流体势的概念及其表达式
地下流体的渗流是一个机械运动过程，流体在势能的作用下，总是自发地由机械能高的地方流向低的地方。
Hubbert定义：地下单位质量的流体具有的机械能的总和为流体势（Ф）。可用下式表示：
         （4-5）
式中：
m—为质量单位；
Ф—流体势；
Z—测点高程，m；
P—测点地层压力，Pa；
ρ—流体密度，kg/m3；
q—地层流体流动速度，m/s；
g—重力加速度
上式右端第一项表示重力引起的位能，可理解为将单位质量流体从基准面（海拔等于0）移动到高程Z为克服重力而做的功；第二项表示流体的压强（或弹性能），可理解为单位质量流体由基准面到高程Z因压力变化所做的功；第三项表示动能，可理解为单位质量流体由静止状态加速到流速q时所做的功。
基准面可以选择任意高程，Z相对于基准面的高程，在基准面之上为正，在基准面以下为负。P也为相对于基准面处压力的变化幅度。
在地下多数情况下是处于静水环境，或流体流动很缓慢（小于1cm/s）时，q2/2可忽略不计，以上公式只剩两项。
一般认为油和水是不可压缩的，其密度不随压力变化。在压力变化不大的范围内，气的密度也可视为常数。上面公式可写成
                             （4-6）
水势Фw可以用测压水头hw来表示。因为测压点水头为测点高程与测点的压力水头（p/g ）之和
hw=Z+P/g
则水势可写成Фw=gz+ρ／ =g(hw-p/g )+p／ =ghw
可见，静水条件下水势为常数。同样可以写出油头与油势、气头与气势的相互关系。
在剖面上反映流体势的变化特征时，常使用测势面的概念。与测压面相似，所谓测势面是指同一储集层中各点的流体势连接起来将构成一个反映该储集层不同部位势变化状况的假想面。
二、势梯度与流体运移方向
Hubbert把单位质量流体所受的力定义为力场强度，用E表示：
E=-gradФ
gradФ表示Ф的梯度。力场强度是个向量，与力的方向相反。
由上式可分别得到水、油在同一点的力场强度。
由Фw=gz+p／        对z求导得出：
Ew=g-gradp/     E0=g-grandp/     Eg=g-gradp/
公式右端第一项为单位体积流体的重力，在数值上等于重力加速度g；第二项表示单位质量流体上的压力，力场强度是两者向量之和。因油、气、水三者密度不同，在同样的压力环境中，三者力场强度不同。
在静水环境，水的力场强度为0，即单位、体积的水所受重力与静水柱压力相等，方向相反，合力为0，而油、气不为0。
Ew=g-gradp/ =g-g / =0
E0=g-grandp/ =g-g / =-g( - -1)=-g/ ( - )≠0
Eg=g-gradp/ =g-g / =-g/ ( - )≠0
这时，油气的力场强度为静浮力，方向向上。
在动水环境中，作用于单位质量上流体的力与静水环境相比多了一个反映流动条件的水动力FW，这时三者的力场强度分别为
Ew=g-gradp／ +Fw   
E0=g-grandp／ +( / )Fw   
Eg=g-gradp／ +( + )Fw
在水动力作用下，由于水、油和气的密度不同，导致它们的力场强度的大小和方向不同，三者分别按照自己的方向流动。合力E的大小和方向取决于Fw的大小。（如图4-10）：在静水条件下，油气藏中的油水的等势面都是水平的，因此油水、油气、水界面是水平的。动水条件下水由高势区向低势区运移，水的负势梯度方向指向下游，油和气的负势梯度方向也向下偏转，以保持油等势面与油势梯度方向正交，气水界面偏转角度要比油水界面偏转角度小，气油界面保持水平，因为油气保持静止（图4-11）。

图4-10

图4-11
三、相对流体势与油气运移和聚集
E•C•Dahlbert在流体势的概念基础上，提出了相对流体势概念，并用来分析油气运移和聚集的方向及部位，即所谓的UVZ方法。现以油为例，介绍UVZ方法的表达式
由水势公式可得地层压力的下列表达式：
P= (Фw-gz)           (Фw=gz+p／ )            （4-7）
将上式代入油势表达式中得：
Ф0=gz+[ (Фw-gz)]／ =( ／ )Фw-[( - )／ ]gz           （4-8）
将水头与水势、油头与油势的关系代入上式，得：
gho=( ／ )hwg[( － )／ ]gz                （4-9）
两边乘以     /( － )·g得：
[ /( － )]h0=[ /( － )]hw-z              （4-10）
令：       U0=[ /( － )]h0 ，       V0=[ ／( － )]hw
则上式变为：    U0=V0-Z
对于天然气经上面同样的变化可得：    Ug=Vg-Z
这就是所谓ＵVZ公式。
在某一确定的储集层条件下，油气水的密度都是常数，因此，上式中的U、V与油气头、水头只差一个由密度比值构成的常数系数，故用U和V仍可有效地反映油气势及水势的分布。由于Z可通过构造图获得，所以可以用V值与构造图套合，两者相减即可获得U值图，简便易行。U可看做油气相对于水的势，V看做是水相对于油气的势，因此UVZ法也可被称为相对流体势方法。
四、存在的问题与注意事项
1．油气在地层中运移实际上还受到毛细管力的影响，上述表达式中，忽略此因素。这样用上述方法做出的UVZ图实际上跟构造图几乎完全一样。这是不附合实际的。为此，W·A·England对流体势定义做了修改，采用的是单位体积而不是质量。即单位体积的流体从基准面运输到地下某点所做的功。
Ф=p-ρgz+                           （4-11）
用上述公式去分析流体势显然更合理一些。
2．流体势表达式中的压力是实际地层压力，大多数情况下它要比静水柱压力大，所以应考虑实际地层压力的大小。
3．在结合构造图分析流体势分析时，要注意研究古构演化史，应用古构造形态去研究。
4．要注意地下的压力系统是不同一的，要一个压力系统、一个压力系统去做。
5．油气运移的方向受多种因素控制，要结合各种因素去分析、判断。

chutianshu

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摩羯·怒风

好东西啊