第五章 油气运移

图5-9 烃类在水中溶解度与碳数的关系图 (据McAuliffe等，1963-1978）
3. 连续相和混合相
在烃源岩中烃类化合物饱和度增加 到一定程度，特别是烃源岩是烃类化合 物的润湿相时（毛细管力可能为动力）， 烃类化合物有可能成为游离相运移。石 油运移时表现为“油丝”。 Magara（1978）所绘的示意图（图 5-10）表明了发生连续相运移与烃源岩 绝对渗透率、油水相对渗透率和压实作 用的的可能关系。
（三）初次运移的方向 初次运移的方向取决于油气初次运移的驱使因素和通道特征。 对于分子溶液受控于水势；对于油或气游离相运移受控于油或气势梯度和毛细管压力； 对于分子扩散运移取决于浓度梯度；等。 裂缝是排液的主要通道，裂缝方向控制了油或气初次运移的方向（运移的方向另一种 表述）。
（四）初次运移的排烃效率 排烃效率是指排出烃的质量与生产 烃的质量之比。 石油的排烃效率很低，根据估计小 于百分之十。天然气的排烃效率要高于 此值。 油气从烃源岩中排出前后，在组成 上有所变化。由于粘土矿物和固态有机 质对烷烃的吸附程度比对芳烃的弱，比 N、S、O化合物更弱，因此，烷烃最优 先排出，故石油中一般是饱和烃含量大 于芳烃、芳烃含量大于N、S、O化合物 （图5-13）。
（二）二次运移通道
1. 孔隙系统：常规储集层的主要通道。
2. 裂缝系统：裂缝性储集层以及部分双重孔隙储集层的主要通道。
3. 其他不连续面：断裂、不整合面等，前者属于广义的裂缝，后者属于
广义的孔隙系统。
（三）二次运移方向 如前所述，沿油气力场强度方向运移，或沿流体势梯度相反方向运移。 当运移遇到非渗透层时，沿储集层和非渗透层界面发生运移，在该界面 内，油气沿其力场强度在该界面投影方向运移。见图5-16。
注： （ 1）事实上，二次运移和三次运移不易 区分，常常把二次运移和三次运移统称二次运移。 （2）同一油气质点初次运移和二次运移显然有
先后，但不同油气质点运移可能是交替发生的 。
5. 垂向运移、侧向运移： 6. 穿层运移、顺层运移：
油气运移和聚集示意图 (据Tissot等,1978) 1.初次运移; 2.二次运移; 3.油气苗
图5-13 法国帕朗蒂盆地侏罗系原油与母岩 抽提物的化合物组成 （引自Barker，1979）
第三节 石油、天然气二次运移
一、油气二次运移的油气作用力
单位质量（连续相）油气受四个力作用：
1. 重力：g
2. 浮力： ρw / ρo × g。
净浮力等于浮力减去重力：
（ρw / ρo –1）× g 。
3. 水动力： ρw / ρo ×Ew （Ew为水的力场强
图5-11 含有机质粘土加压实验，表示微裂缝对油气运移的影响图 （据Tissot，1971）
（四）初次运移的模式 目前研究油气初次运移的模式（如数学模拟）主要有以下三种，其他 模式可以是他们的复合。 1. 压实水流模式 驱动动力（因素）为压实排流，油气初次运移通道为孔隙系统，油气 初次运移相态主要是水溶液（但可以包括其他一切相态）。 2. 微裂缝排烃模式 驱动动力是流体异常高压（各种产生高压因素）。油气初次运移的通 道是微裂缝，油气初次运移相态主要是游离相。 3. 分子扩散模式 驱动力是烃类化合物浓度差，油气初次运移通道是孔隙系统和裂缝系 统，相态是溶液。
此外，石油游离相中可溶解大量天 然气，此时可称为混合相。 4. 分子扩散
油气初次运移可以时单个分子或分 子团扩散方式进行。
图5-10 页岩相对渗透率、绝对渗透率及 流体流动与压实关系示意图（据 magara ， 1978）
（三）初次运移通道
1. 孔隙系统 在大量压实前，孔隙系统是油气运移的主要通道。大量压实后，孔隙系统 一般只能作为次要通道。 2.微裂缝系统 由于水热增压、成烃增压，烃源岩中流体压力可以达到很高，以致于可以克 服岩石骨架应力和烃源岩的抗张强度，产生破裂，形成微裂缝。微裂缝形成后便 成为油气初次运移的通道。 形成微裂缝的力学条件是： （1）完整烃源岩产生微裂缝并使微裂缝扩展时，流体压力Pp、最小主应力 S3和烃源岩抗张强度K满足下列关系： Pp≥S3+K
5. 扩散作用
烃源岩内烃类化合物的浓度高于储集层时，由于浓度差发生扩散作用，使 烃类化合物发生初次运移。扩散作用作用服从费克定律，其中扩散系数与扩散 物质的性质等有关；扩散聚集的油气数量与扩散时间和扩散源物质的数量等有 关。见图5-7和5-8。
图5-7 轻正烷烃有效扩散系数与烃分子碳原子数的关系曲 线图（据Leythacuser，1982，实测数据来自1980 ）。 1. 测定值；2.据回归曲线外推值
三、初次运移其他问题
（一）初次运移的痕迹 无论在烃源岩中还是油气本身，都或多或少保留着一些初次运移的痕迹。 主要有： （1）烃源岩中的有机包裹体
有机包裹体主要分布在石英和长石假晶与次生加大边、碳酸盐胶结物、裂缝充填物
中。包裹体的成分、相态、丰度、均一化温度和产状，取决于油气初次运移时的温、压、
盐条件、油气相态和成分、通道与方向等因素。反过来，研究有机包裹体又有利于揭示
注：当Z的正向向下时， 流体势为：
φ ＝ — ∫ l gdz + ∫ l dv/dm dp= — g z + ∫l （1/ ρ） dp
静水条件下P=ρw g Z，水、油、气力场强度分别为：
Ew= g —▽P （1 / ρw）=0 Eo=g — ▽P （1 / ρo ）= —（ ρw—ρo ）/ ρo ×g
青柳宏一和浅川忠（1979）认为，早期压实阶段石油尚未生成，而重结晶阶段石油难 以排出，故最重要的初次运移发生在晚期压实阶段，运移深度取决于地温梯度（图5-12） 。 （2）根据微裂缝形成时间确定 按照微裂缝排烃的模式，初次运移发生的时间就是微 裂缝形成的时间。微裂缝形成时间取决于流体压力变化。 初次运移会周期性地发生。 （3）根据有机包裹体确定 有机包裹体形成的温度和压力，能够用来确定油气运 移的时间及深度。包裹体的寄主矿物生成年代也可以用 来确定油气运移的时代。 此外，根据地球化学分析，也可确定油气运移的时期 和深度。 图5-12 日本秋田地区地温梯度 对石油运移的影响
2.热力作用 温度增加对油气初次运移起到以下作用： （1）增加流体压力和孔隙直径，有助于烃 类排出。如：图所示，温度增加水的比容增加， 水的压力势必加大。 （2）烃源岩生成更多的烃类化合物，使烃
类化合物被排出。
（3）降低烃源岩对烃类吸附作用，减小油
水界面张力以减小毛细管阻力。
（4）降低流体黏度，有利于烃类运移。
图5-16 油气二次运移方向示意图： a.静水条件下，油气遇到水平遮挡， 停积在遮挡面底下； b.静水条件下，油气遇到倾斜遮挡， 向上倾方向运移； c.动水条件下，油气遇到水平遮挡，
度）
4. 毛细管力：2σ hc cos（θ）/ r 。 当烃类
为非润湿相时，它成为由孔隙通过喉道 的阻力，其大小为： Δp=2 σcos（θ）（ 1/ r t —1/ r p ）
图5-14 二次运移油气质点受力分析
二、流体势和力场强度
水、油、气力场强度和水、油、气势之间分别存在下列关系：
Ew= —▽φw
（5）增加烃类（油）在水中溶解度。
3.成烃增压 干酪根热降解生成烃类化合物，体积增加，
在三种地温梯度下，正常压 力带水的比容-深度关系图 （据真柄钦次，1974）
4. 黏土矿物脱水作用
黏土矿物在成岩过程中，由一种黏土矿物（如：蒙脱石）变成另一种黏土
矿物（如：伊利石）时，释放水，从而增加流体和流体压力，有助于烃类排出。
图5-4 页岩孔隙率与孔隙直径的关系 （据Welte，1972修改）
3.烃源岩的润湿性与毛细管压力
烃源岩部分亲油、部分亲水。对于亲油者，吸附作用使之被吸附，但毛细管压力不是油 在烃源岩内部运动的阻力。反之亦然。
（二）初次运移的物理化学条件
1.温度条件 油气初次运移温度至少在其生成温度范围内。 2.压力条件 烃源岩普遍具有异常高流体压力，有助于油 气初次运移。
Eo= - g -▽P/ ρo
Eg= - g-▽P / ρg（ p）
在静水条件下，P= —ρwg Z ，因此有（ g =g k， k是Z轴的单位矢量）：
Ew= —g—▽P （1 / ρw）= 0
Eo= —g—▽P （1 / ρo ）=（ ρw—ρo ）/ ρo×g Eg = —g— ▽P / ρg（ p）=（ ρw—ρg ）/ ρg移介质条件 （一）烃源岩的物理性质 1. 烃源岩的压实 烃源岩的一般压实服从Athy 方程： φ（Z）=φ0 ×e—cZ （ c >0，称为压实常数（或压实 因子））。 压实后烃源岩的孔隙度很小， 孔隙直径也很小，增加了油气的 初次运移的难度。
图5-2 砂岩和页岩孔隙率随深度的变化 (据Athy,1930)
这些因素的本来面貌。
（2）油气中的微化石
油气初次运移可以将烃源岩中的微化石（如孢子花粉）携带出烃源岩。微化石记载 着运移时烃源岩的许多信息。
（二）初次运移的时期、深度 原则上说，在油气生成之后，只要具备了排烃的条件，就有可能发生初次运移。所以， 油气开始生成期（或者开始生成的深度）便是初次运移发生期的最早时间（例如分子扩散 在油气一旦生成后即有可能发生）。开始运移后，不同时期油气运移的强度有所不同。初 次运移的时期（时限）、深度可以通过下列几方面确定。 （1）根据压实阶段确定
2. 烃源岩的孔隙和比表面
（1）烃源岩的孔隙直径与烃类化合物分子直径大致在同一个数量级（如图6-3和图6-4）。 （2）烃源岩的比表面（单位质量沉积物颗粒的表面积）很大，具有很强的吸附能力。
图5-3 泥质岩石的各种物理参数与埋藏深度的关系 （据Jungten and Karwell et al.，1970）
二、油气初次运移机理
油气初次运移动力和相态是一个有争议问题， 一般认为如下。 （一）油气初次运移的驱使因素 1.压实作用 压实作用在排水的同时，油气被排出。但是， 有人认为大量正常压实作用和油气主要生成时间 上存在矛盾，因此，欠压实作用可能是烃类初次 运移的一个驱使因素。图5-5。