1、Chapter 5 Migration of oil and natural gas,油气在地下的聚集是动态的， 它受什么因素的制约？,其运动状态如何？,其运移通道是什么？,运移到何处去？,你可以从本章的讲解得到答案!,Section 1 SummarizationSection 2 Primary migrationSection 3 Secondary migration,Section 1 Summarization,油气运移是指油气在地下因自然因素所引起的位置迁移(Migration of oil and natural gas is their position migration
2、by the nature factors underground)。,油气必须经过运移才能聚集成为油气藏，如今看来好象是一个勿需证明的简单道理。但油气在地下是否存在运移也曾经有过争论。比如，二十世纪四十年代，卡里茨基就积极主张石油原地生成说，即发现石油的地方就是石油生成的地方。他认为砂岩中的石油是其所含的藻类所生成的；甚至认为正是因为砂岩中生成的石油起润滑作用，才导致背斜的形成。,油气运移是与油气成因紧密联系的。无论是有机学派还是无机学派，都存在油气运移问题。只是不同的油气成因理论对油气运移的方式、动力、途径(mode、power、track)等主张各异。无机成因学派一般认为深大断裂是油气运
3、移的主渠道；而有机学派则将连通的孔隙、裂缝、断层、不整合面视为油气运移的路径。,油气运移是形成油气藏的必经过程(necessary course of forming oil and natural gas pool)。 按发生运移的时间顺序，把油气从细粒的生油岩向外排出的过程叫做初次运移(The course of oil and natural gas expelled from the granule source rock is primary migration)。 油气脱离母岩后在储集岩孔隙系统或其它通道内传输的过程叫做二次运移(secondary migration)。,另外，油
4、气形成聚集之后，若聚集条件变化而发生再次运移，有时称之为三次运移（tertiary migration)。按油气运移的方向又可分为侧向运移和垂向运移，或者顺层运移和穿层运移(along and across migration)。,与油气成因现代概念相联系的油气运移中，在初次运移的解释上仍存在一些困难，因此有人又从砂岩生油的主张去寻求出路，因为砂岩中的运移解释上容易被人接受，所以并不否认油气在砂岩中的运移。如韦贝尔（）在对现代沉积研究后指出，只要条件适合，砂岩和粉砂岩也可含有丰富的有机物质，因此生油岩石与储油岩石可以复合一体。,还有安德列耶夫(1968）认为，从沉积物的沥青含量和成分看，砂质沉
5、积较泥质沉积更可能是生油的。马丁（Martin，1969）研究了海湾地区渐新统弗里欧组后认为，该组中的石油母岩就是成为油层的砂岩。帕拉卡斯（Palcas，1972）等对弗罗里达州科塔瓦切湾159个沉积物样品分析.,泥、砂沉积物生油条件对比表,（转引自高纪清，1986）,他认为，砂层平均含沥青20ppm，泥层含沥青170ppm；虽然前者含量不多，但只要一小部分转化成石油，就可为油藏提供足够的油源。按他们的推算，泥岩占沉积岩总体积的一半，泥岩平均含烃约200ppm，其总量相当于储层中石油的60倍；只要泥岩排出3.3ppm到储层中去即可满足世界石油的储量。所以他们认为，砂岩不仅是潜在的储集岩，在适当
6、 的条件下也是重要的母岩；从砂岩中C19-C32正烷烃奇偶碳分子分布之平滑看，比泥岩中的相应成分更接近于石油，可能就是石油中高分子烃的来源。有些野外观察似乎也支持砂岩可以生油。,。 得克萨斯州米特列斯油田，以灰色砂岩产油，砂岩上下均为硬石膏和红色页岩。美国还有一些夹于厚层石膏中的砂岩油藏，石油似乎只能生于砂岩本身。 由上可见，砂岩生油确实存在。但估计在形成油气藏中不会占有多大的份额。因为如上推测，尚若砂岩生油能对形成油气藏具有举足轻重的作用的话，地下就很少有空圈闭。那样找油找气就可简化为找圈闭了。客观现实并非如此。看来泥质生油岩的地位是无可替代的；必须面对源于泥质生油岩的初次运移问题。,Sec
7、tion 2 Primary migration,初次运移问题是油气有机成因说不可分割的组成部分，任何有机成因理论如果不能同时解决好油气初次运移问题，终将功亏一篑。特别是对于晚期成油说来说，初次运移的研究难度相当大，因而也是研究较为薄弱的环节，以致常常成为不同学术派系攻击的把子。,目前，晚期生油说已成为油气成因理论的主流，要建立与之适应的油气初次运移机理，主要涉及油气初次运移的动力因素，初次运次中油气的相态，以及初次运移发生的时间等(power factor,oil and natural gas phase, occurring time)。,一、The geological backgro
8、und of primary migration,随着上覆沉积负荷的不断增加下伏先期沉积物逐渐被压实的现象称为压实作用(compaction)。早先引起母岩中的流体（主要是沉积水）向储集层运移的主要因素就是压实作用。,The change of porosityin sandstone and shale with depth （from Athy,1930）,砂质沉积物(sand sediments)由于质点坚硬，在压实过程中主要表现为颗粒的进一步密集排列，所以压缩性小，体积的压缩很快就趋于稳定。,压实作用的早期，伴随上覆沉积物负荷的增加，泥质沉积物(clay sediments)中孔隙水顺
9、利排出，处于均衡压实状态，排水效率较高。一般在1,000m以内为主要排水阶段（深度为500m时约排出88%），至1,500m（已排出95%的水）排水速率明显减缓，至2,000m渐趋于稳定（至2,500m，98%的水已排出）。,随着埋藏深度的增加，泥岩排水效率逐渐降低，导致其孔隙流体排出滞后，因而其流体压力高于静水压力。在流体压力差的作用下，将迫使流体沿压力梯度降落方向从泥岩流入相邻的砂岩，以取得压力均衡。,按晚期成油说，石油大量生成的门限温度至少要50-60，这在通常地温梯度下即门限深度约为1,500m。在地温梯度较低的地区，该深度更大。显然，主要生油时期超越了主要排水时期。因此，靠均衡压实只
10、能排出少许早期生成的烃，即未成熟油气(immature oil and natural gas)。,总之，油气大量生成时，经历压实作用的泥质生油岩，泥质矿物质点的排列已经非常紧密，孔径很小，渗透性极差。这就是油气初次运移所处的环境。面对大量油气生成时生油岩所处的地质环境，油气初次运移需要解决的主要是两个问题，一是相态问题，二是通道问题,二、 The phase of primary migration,大量油气生成时，在上述初次运移的环境中，烃类特别是石油是以什么方式，或者说是以什么相态实现初次运移的呢？石油在初次运移过程中呈现什么相态，一直是含混不清的。曾经提出过的运移方式大致可归为水溶运移
11、说(migration of molecular solution in water)和连续油相运移说(migration by continuous oil phase)。,（一）Migration by molecular solution in water,曾经提出过的水介质运移方式有：,1.分子溶液或真溶液(molecular or real solution),石油能否以水溶液状态运移，由于油水基本上是不混溶的而一直评价很低。后经研究表明，不仅石油中的轻组分有不同程度的溶解性，在高温下重组分也有一定的可溶性。促使人们要重新评价石油的溶解运移。,The solubility of hy
12、drocarbon in water （quote from a secondary source Hobson，1975）,The solubility in water changes with temperature about two full oils （1，5）and four pulled top oils（6，3，2，4） （from Price，1976）,分子溶解中，随烃类的分子量的增大溶解度显著减小，例如，在25的温度下，烃分子增加一个碳原子，对于正烷烃溶解度降低75%，对于芳香烃也降低70%（麦考里夫，1979）。在423K（150）的高温下也呈现几乎同样的倾向。,石油
13、呈真溶液运移还必须解决如何脱溶的问题。据认为，溶解于水中的烃类运移到储层后，可因温度、压力的降低和含盐度的增加等环境因素的变化而从溶液中解脱出来。但烃呈溶解态的生油岩与所谓脱溶的储层间温差、压差以及含盐度差别有多大，是正差还是负差等都是不确定因素，脱溶机理令人置疑。,2.胶体溶液(colloid solution),化学上把分散粒子直径在10-7cm的叫真溶液，把10-5cm的叫乳浊液，而把介于其间的叫胶体溶液。胶体溶液的分散粒子不是分子，而是分子聚合体，有别于真溶液。 石油在水中呈胶粒（亦称胶束）状态运移最早是由贝克（Baker，1959）提出来的。贝克认为，皂胶粒对烃的溶解有增溶作用。皂是
14、有机盐。当皂分子达到一定浓度后就可以在水中形成胶体聚合体，即胶粒(micelle)。,The structure of micelle（from Baker,1959）,单个皂分子一端为较长的烃链或其它烃构型，另一端为官能团构成的表面活性极基。由于前者憎水，后者亲水，所以在水中以其极性端朝外而呈定向排列。,The structure of soap micelle clusters about hypothesis of soap migration,？ 如达不到临界胶束浓度（CMC）就形不成胶束。为了达到CMC，25时就需要500ppm（普赖斯，1978）。而且随温度上升CMC显著增大，在9
15、0时就需要8,300ppm以上。但地层水中一般只含2-30ppm的增溶剂。,此外，中性胶束的平均直径为500nm（1nm=10-3m），离子胶束为6.4nm（Baker，1962；1967）。与此相对，据欣奇（1978）的资料，通常页岩孔隙的直径平均为1-3nm，另据亨特（1979）的资料为5-10nm（200m深处的泥岩）。很明显，中性胶束要通过生油岩的孔隙是困难的。离子胶束的通过也不是完全没有问题。因此，呈胶体溶液运移即使有也只是在很局限的范围。,3.乳溶液(emulsion solution),采油时的油田水常呈乳浊液(emulsion)，人们由此联想而将乳浊液列为石油初次运移的相态。卡
16、特米尔（1978）推测，在高温下，随着油水表面张力的接近，可能会出现各种油水混合的分散相。并且此时油水两相间表面张力之低，足以使流体通过细小的毛管。,主要生油阶段泥质岩的孔隙大多小于5m，而天然乳浊液中的油珠直径，据吉尔金松等人的资料1-50m。太小的孔隙乳浊液通过也是有困难的。况且在地层条件下什么因素可以导致乳浊液的形成也不是很清楚。故呈乳浊液运移的现实性令人怀疑。以水为媒介的运移，首先要有使运移发生和所需运移量得以满足之水量的存在。,如上所述，大量石油生成时压实水已无从利用；泥质生油岩中孔隙水非常有限，且在细小的孔隙中相当部分是不能自由流动的吸附水（adsorption water)。以呈
17、真溶液运移为例，琼斯首先在各类油田求出储集岩中实际的石油量与生油岩中可能存在的水量，接着按溶解运移求出石油对水所需要的最小溶解度，认为威里斯顿盆地和洛杉矶盆地的石油量，石油需要对水的最小溶解度分别为15,000-50,000ppm和100,000ppm。这显然是不可能达到的。现测量到的溶解度，生油岩排出水量体积要大于整个压实作用排出的正常水量，才能满足一个盆地已知的原油储量。这当然是违背事实的。可以说，以水为载体的运移是困难重重。,(二) Migration by continuous oil phase,大量石油生成时生油岩的埋藏深度已处于压实作用的晚期，泥岩孔隙中所剩下的自由水(free
18、water)已经不多了，而且相当部分以结构(structure water)水形式存在。,在上述情况下，生油岩中很少有能流动的水可资利用。这是前面以水为载体的初次运移方式行不通的关键所在。正因为自由水的量少反而可使生成的石油有可能达到其流动的临界饱和度(critical saturation)，于是在压力作用下可呈连续油相排出母岩。,现已知道，在富含有机质的泥岩中，油和有机质可以占据相当部分孔隙空间，并呈簿膜状蒙盖着大部分的矿物表面，顺层面方向的矿物表面尤其如此，因而使泥岩具有很大的亲油性。据经验估计，孔隙完全油湿（oil-wet)所需的最低有机质含量为30%（Byramjce，1967）。在
19、此条件下，油可以像水从水湿(water-wet)岩石中排出那样从页岩中被出。但要达到这样的条件对、型干酪根来说几乎是不可能的。,需要考虑的问题是，母岩中的石油要成为连续油相必须经过由分散的油滴或油珠到集中的过程。当油珠通过细小的毛细孔道时将会遇到很大的阻力(resistance)，即毛细管压力(capillary pressure)，,Pp=2cos/rp （孔隙pore中的毛细管压力，方向向上） Pt=2cos/rt （喉道throat中的毛细管压力，方向向下）孔喉毛细管压力差为：Pc=2cos(1/rt-1/rp) 其中：为油水界面张力为润湿角 rp 、rt 分别为孔喉半径只有得到能克服这
20、一差值的外力油珠才能通过喉道。这种外力可以是浮力，也可以是各种原因造成的水压力。,单一的浮力为外力油珠通过喉道的过程（图）： a.浮力不足以使油珠变形迫使其进入喉道，油珠与周围的水处于平衡状态； b.油珠上浮受到阻力-喉道毛细管压力，在浮力作用下油珠变形，上端进入喉道； c.浮力继续克服阻力，至油珠上下两端弯液面半径相等，毛细管压力亦相等，油珠借助浮力向上运移通过喉道； d.油珠上端半径大于下端半径，此时上端毛细管压力小于下端毛细管压力，毛细管压力差的方向与浮力一致，油珠迅速由喉道运移进入上方孔隙。,显然，喉道越细小阻力必然越大，逾越也就更加困难。再则，成油深度上泥质岩石的孔隙直径大多小于5n
21、m ，而油珠的直径据韦尔特（Welte）估计应在1-100m之间，微小的孔隙很难允许油珠通过。此外油相的出现还有个解脱吸附的问题。,The connection of porosity and pore diameter in shale (from Welte，1972 modification) 1nm=10-9m=10-3m=10A,成油深度上泥质岩石的孔隙直径大多小于5nm ，而油珠的直径据韦尔特（Welte）估计应在1-100m之间，微小的孔隙很难允许油珠通过,菲利比（1974）认为，只有在成油晚期形成的石油达到了一定的数量（比如绝对含量700ppm）之后，才能解脱有机质的吸附成为单
22、独的油相。蒙培尔也认为，大规模的油相运移只有当有机质产生了850ppm的可抽提物时才能开始。要求石油在孔隙中要达到20-30%的临界饱和度油相才能流动，则必须母岩体积的7.5%为有机质并转化为石油（McAuliffe，1970）。在自然界这样的生油岩罕见。,巴克（1979）提出，石油在结构水最弱的孔隙中心可以形成烃的网络。随着烃类不断生成，在满足页岩和有机质的吸附能力之后，烃类会形成游离的小油滴在孔隙中心聚集，最后至少部分可以相互连接起来，形成连续的所谓孔隙中心网络。然后在流体热膨胀和油气生成所造成的压力下被挤出孔隙。,The formation of hydrocarbon network
23、in the middle of pores (from Barker，1979),石油在结构水最弱的孔隙中心可以形成烃的网络（图）。随着烃类不断生成，在满足页岩和有机质的吸附能力之后，烃类会形成游离的小油滴在孔隙中心聚集，最后至少部分可以相互连接起来，形成连续的所谓孔隙中心网络。,莫帕尔（1978）认为生油岩中的有机质不是均匀分散在矿物基质间，而是沿层理面呈簿片状发育，有时有机质如簿毡状，有机质转化成一定量的石油的同时，石油形成连续的油相进行第一次运移。,有些人则提出母岩中的残余有机质（干酪根）可以作为石油运移的介质。干酪根在水湿页岩中形成憎水的连续网络，而由有机质生成的石油就可以沿着这个有
24、机网络运移出去，与水的运动不发生任何关系。这被形象地称之为烛芯假说(wick hypothesis)。,。 这一思路早于二十世纪五十年代末由希尔提出，七十年代受到希考克、菲利普等人的支持。更有积极支持者麦考里夫（1979）曾用扫描电镜观察去掉矿物质的干酪根，发现其呈现为立体的网络结构；并认为含有机质1-6%的页岩就能充分发育这种网络结构。麦氏估算，油在有机质中的饱和度达到2.5-10%时，就能解脱吸附而发生流动。导致油流动的压力差可来自压实作用、油气生成作用以及流体热膨胀作用等。网络在顺层方向的发育一般是相当完整的，而在第三度空间上只有少数内部连接。在生油岩低限（有机质0.5-1%）的页岩中不
25、足以形成三维连通网络。,拥护溶解运移的普赖斯（Price，1976）认为此种学说不适用于海湾沿岸产油盆地，且多数页岩不足以形成干酪根网络结构。就连积极推进油相运移的琼斯（1978）也认为该学说对有机质含量少的海湾沿岸第三纪难于解释。,油的相对渗透率随含油饱和度的增高而增大。在压实作用达到大量水已经被排走时，油的渗透率及相对渗透率为油提供了特别有利的单相运移条件（Dickey，1775；Magara，1978a） 。至少要生油母岩中油足够丰富和充分集中时，油才呈连续单相被排泄出来，这是一种完全可能的设想。大多数研究者都接受这个设想。,油的相对渗透率随含油饱和度的增高而增大。在压实作用达到大量水已经被排走时，油的渗透率及相对渗透率为油提供了特别有利的单相运移条件（Dickey，1775；Magara，1978a）,The sketch map of simulation experiment in oil phase migration,
