第7章排烃史

水的热膨胀是造成水体积增大的另一个原因。 水的热膨胀是造成水体积增大的另一个原因。在不同 状态下，一定质量的水的体积的变化可用状态方程描述： 状态下，一定质量的水的体积的变化可用状态方程描述：
1 V2 = V1eβ (T2 T1 )κ (P2 P )
式中V1为水在压力P1和温度T1下的体积；V2为相同质量的 式中V 为水在压力P 和温度T 下的体积； 水在压力P 和温度T 下的体积， 水在压力P2和温度T2下的体积，β和κ分别为水的膨胀 系数和压缩系数。利用此式可算当温度、 系数和压缩系数。利用此式可算当温度、压力发生变化 时水体积的变化。 时水体积的变化。 为了计算方便，我们假定在dt dt时间内的排烃是在 为了计算方便，我们假定在dt时间内的排烃是在 +dt时刻一次完成的 故在t 时刻流体排出前， 时刻一次完成的。 ti+1＝ti+dt时刻一次完成的。故在 i+1时刻流体排出前， 孔隙系统内各组分的摩尔数为： 孔隙系统内各组分的摩尔数为： n' im = nim + dnim 水的体积为： 水的体积为：
（一）基本假设
(1)岩石骨架是不可压缩的，压实流体的排出量等于 (1)岩石骨架是不可压缩的， 岩石骨架是不可压缩的
压实前后烃源岩孔隙体积的减小量孔隙流体体积的增加量 之和； 之和； (2)烃源岩孔隙系统处于静水压力状态 烃源岩孔隙系统处于静水压力状态； (2)烃源岩孔隙系统处于静水压力状态； (3)孔隙系统内的流体至多呈油 孔隙系统内的流体至多呈油、 水三相存在， (3)孔隙系统内的流体至多呈油、气、水三相存在， 流体的相态和各相饱和度服从流体相平衡准则； 流体的相态和各相饱和度服从流体相平衡准则； (4)油 (4)油、气、水各相的排出量与各相可动部分的饱和 度成正比。 度成正比。
（二）压实排烃模型及压实排烃量的计算
1、孔隙流体组成 在烃源岩取一单位面积的体积元，设在t 在烃源岩取一单位面积的体积元，设在ti时刻体积元 的温度、压力和孔隙体积分别为T 的温度、压力和孔隙体积分别为Ti、Pi和Vi；孔隙系统内 油气水的饱和度分别为S 油气水的饱和度分别为Soi、Sgi和Swi；各组分在油相和气 相中的密度分别为ρ (m＝ 相中的密度分别为ρoim和ρgim(m＝l，2，…，8)。则这时孔 ，8)。则这时孔 m m 隙系统内各组分 nim = Vi (Soi ρoi + Sgi ρgi ) 的摩尔数为： 的摩尔数为：
8
理三相体系比较复杂，为了简化计算，甲烷和二氧化碳 理三相体系比较复杂，为了简化计算， 在水中的溶解情况按其溶解度计算。 在水中的溶解情况按其溶解度计算。这样实际参加热力 学计算的只有二个相和8个组分， 学计算的只有二个相和8个组分，而水的饱和度按水的 体积直接计算。 体积直接计算。
三、压实排烃模型的建立
P= RT a[T] V b V (V + b) + c(V b)
及流体相平衡准则： 及流体相平衡准则： T = T = T o g
P =P =P o g fom = f gm
表 1 烃源岩孔隙流体各组分 在不同相态中的密度
源 烃 岩 孔 流 隙 体 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7+ CO2 H2O 相 水 ρ1 w — — — — — — ρ8 w ρ9 w 相 油 ρ1 O ρ2 O ρ3 O ρ4 O ρ5 O ρ6 O ρ7 O ρ8 O — 相 气 ρ1 g ρ2 g ρ3 g ρ4 g ρ5 g ρ6 g ρ7 g ρ8 g —
水的体积为： 水的体积为：
Vwi = Vi Swi
在dt时间内各组分的生成量为dnim(m＝1，2，…，8)， dt时间内各组分的生成量为dn (m＝ 时间内各组分的生成量为 ，8)， 水的体积的增加量为dV 其中dn 由生烃模型给出； 水的体积的增加量为dVwi。其中dnim由生烃模型给出； 由两部分组成， dVwi由两部分组成，即粘土转化脱出的水以及由温度的 增加造成的水的体积的膨胀， 增加造成的水的体积的膨胀，它们分别由粘土脱水模型 和水热膨胀模型给出。 和水热膨胀模型给出。其中粘土矿物蒙脱石向伊利石的 转化，可用化学反应动力学的一级反应描述。 转化，可用化学反应动力学的一级反应描述。在某一时 地层中蒙脱石的含量可用下式表示 刻t地层中蒙脱石的含量可用下式表示：
（二） 烃源岩孔隙流体组分模型
为了用热力学方法描述孔隙流体的相态及其在烃源 岩演化过程中的变化， 岩演化过程中的变化，采用组分模型描述了孔隙流体的 组成。烃源岩的孔隙流体可分为9个组分。 组成。烃源岩的孔隙流体可分为9个组分。它们是甲烷 乙烷(C 丙烷(C 丁烷(C 戊烷(C (C1)、乙烷(C2)、丙烷(C3)、丁烷(C4)、戊烷(C5)、已烷 庚烷以上烃类(C 二氧化碳(CO 和水(H O)。 (C6)、庚烷以上烃类(C7+)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)。 三个相态出现 个组分至多呈三个相态出现，即水相、油相和气相。 这9个组分至多呈三个相态出现，即水相、油相和气相。 因为重烃在水中的溶解度很小，为了简化计算，假定在 因为重烃在水中的溶解度很小，为了简化计算，假定在 上述各组分中，只有C 可以溶于水， 上述各组分中，只有Cl和CO2可以溶于水，而水组分只存 在于水相中。各组分在各相中的分布关系如下表。 在于水相中。各组分在各相中的分布关系如下表
上述两个排烃阶段的划分界限， 上述两个排烃阶段的划分界限，可参考烃源岩出现 超压的深度。 超压的深度。 与这两个阶段相适应， 与这两个阶段相适应，分别建立了压实排烃模型和 微裂缝排烃模型。由于两个阶段都可发生扩散运移， 微裂缝排烃模型。由于两个阶段都可发生扩散运移，故 扩散模型适用于烃源岩排烃的整个过程 适用于烃源岩排烃的整个过程。 扩散模型适用于烃源岩排烃的整个过程。
压的成因可有欠压实作用、水热增压、 压的成因可有欠压实作用、水热增压、粘土矿物转化脱 烃类生成等因素。运移通道以微裂缝为主， 水、烃类生成等因素。运移通道以微裂缝为主，也包括 孔隙系统。相态包括油相、气相、油气水单独渗流和混 孔隙系统。相态包括油相、气相、油气水单独渗流和混 等多种。 合渗流等多种 合渗流等多种。 (3)“扩散排烃 模式：由甲、乙两地的浓度差驱动， 扩散排烃” (3)“扩散排烃”模式：由甲、乙两地的浓度差驱动， 通道包括孔隙和裂缝系统， 通道包括孔隙和裂缝系统，这种运移方式尤其对天然气 分子有效。 分子有效。 在这三种基本模式中，目前看来第二种最为重要， 在这三种基本模式中，目前看来第二种最为重要， 并已成为主流的初次运移理论。 并已成为主流的初次运移理论。 李明诚(1994) Mann(1994)认为 (1994)和 认为， 李明诚(1994)和Mann(1994)认为，在初次运移和二 次运移之前可以划分出原始运移 原始运移(Initial migration)阶 次运移之前可以划分出原始运移(Initial migration)阶 段，它是指油气从生油母质中析出和脱离母质表面的过 见下图) 程(见下图)。这种原始运移具有与初次运移和二次运移 不同的物理化学过程。 不同的物理化学过程。
初次运移之前的原始运移机制（据实 率 程 度 油 的 水 关 系 对 示 意 透 图 、 率 渗 相 、 透 对 绝 源 岩 烃
二、排烃阶段的划分及孔隙流体组分模型
（一）烃源岩排烃阶段的划分 一
根据烃源岩在地下所处的环境及其排烃特点，可将 根据烃源岩在地下所处的环境及其排烃特点， 油气初次运移划分为两个主要阶段（郝石生等，1994）。 油气初次运移划分为两个主要阶段（郝石生等，1994）。 第一阶段是烃源岩埋藏较浅 是烃源岩埋藏较浅、 第一阶段是烃源岩埋藏较浅、孔隙度和渗透率较高 的浅埋藏期。 的浅埋藏期。烃源岩中的孔隙流体可在压实作用的影响 下顺利地排出而不受阻碍。故称为压实排烃阶段 压实排烃阶段。 下顺利地排出而不受阻碍。故称为压实排烃阶段。 第二阶段是烃源岩埋藏较深、孔隙度和渗透率很小 第二阶段是烃源岩埋藏较深、 是烃源岩埋藏较深 的深埋藏阶段。此时烃源岩已经成岩， 的深埋藏阶段。此时烃源岩已经成岩，岩石的可压缩性 很小。故压实作用对流体的排出不起主要作用。 很小。故压实作用对流体的排出不起主要作用。烃源岩 由于流体排出受阻以及温度的增高、上覆压力的增大、 由于流体排出受阻以及温度的增高、上覆压力的增大、 粘土矿物的脱水和烃类的生成等原因， 粘土矿物的脱水和烃类的生成等原因，导致形成异常高 孔隙流体压力。除扩散作用外，本阶段烃源岩中的烃类， 孔隙流体压力。除扩散作用外，本阶段烃源岩中的烃类， 主要是在异常高压的作用下，通过微裂缝排出。 主要是在异常高压的作用下，通过微裂缝排出。故称为 微裂缝排烃阶段。 微裂缝排烃阶段。
' Vwi = Vwi + dVwi
2、孔隙系统内各相饱和度和各组分密度 由于烃源岩所处的温度和压力的改变， 由于烃源岩所处的温度和压力的改变，流体组成的 变化，将引起系统内流体相态及其饱和度的变化。 变化，将引起系统内流体相态及其饱和度的变化。这种 变化应遵循热力学中的状态方程： 变化应遵循热力学中的状态方程：
表1中的密度均以摩尔 中的密度均以摩尔 密度(mol (mol／ 表示， 密度(mol／m3)表示，密度 的上标表示组分， 的上标表示组分，下标表 示相。并且有右式： 示相。并且有右式： 由于用热力学方法处
m ρo = ρo ∑ 1 m= 8 m ρg = ρg ∑ m= 1 8 9 ρ1 + ρw + ρw = ρw w
第七章 排烃史模型
初次运移模式总结 排烃阶段的划分及孔隙 流体组分模型 压实排烃模型的建立 微裂缝排烃模型的建立 扩散排烃模型的建立
一、初次运移模式总结
初次运移是一个复杂过程， 初次运移是一个复杂过程，油气在不同条件影响 可以呈现多种相态， 下，可以呈现多种相态，通过孔隙或裂缝系统而排出烃 源岩。驱动因素、相态和通道有多种组合， 源岩。驱动因素、相态和通道有多种组合，每种组合型 式实际上就代表一种初次运移模式，但概括而言，有三 式实际上就代表一种初次运移模式，但概括而言， 种最基本的模式，其他则是这三种的延展。 种最基本的模式，其他则是这三种的延展。 (1)“压实排烃 模式：指在正常压实的作用下， 压实排烃” (1)“压实排烃”模式：指在正常压实的作用下，油 气溶解于水中，呈水溶液形式随水一起被压实出来。 气溶解于水中，呈水溶液形式随水一起被压实出来。即 油气初次运移的驱动因素、相态和通道分别是正常压实、 油气初次运移的驱动因素、相态和通道分别是正常压实、 分子溶液相和孔隙系统。在此模式的基础上，如果油气 分子溶液相和孔隙系统。在此模式的基础上， 呈胶体溶液，或者在欠压实作用下， 呈胶体溶液，或者在欠压实作用下，都可延伸其他具体 模式。特别是为了解决溶解度过低， 模式。特别是为了解决溶解度过低，人们还提出了孔隙 中心网、干酪根网络等几种模式。 中心网、干酪根网络等几种模式。 (2)“微裂缝排烃 模式： 微裂缝排烃” (2)“微裂缝排烃”模式：指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。 产生微裂缝，通过微裂缝排出游离石油或天然气。异常高