第五章 石油和天然氣的運移
(Chapter5 hydrocarbon migration)
學時：6 學時
基本内容：
①油氣初次運移的主要動力、運移機制、方向和距離。
②油氣二次運移的動力、運移機理及方向。
教學重點與難點：
油氣初次運移的主要動力因素和油氣二次運移的機理及方向。
教學内容提要：
第一節 油氣運移概述
油氣運移：當石油、天然氣受到某種自然動力的驅使在地殼中發生位置移動時，稱為油氣運移。
初次運移：是指生油層中生成的石油和天然氣，從生油層向儲集層（或輸導層）中的運移。是油氣脫離烴源岩的過程，又稱為排烴。
油氣二次運移：是指油氣脫離生油岩後，在孔隙度、滲透率較大的儲集層中或大的斷裂、不整合面中的傳導過程。它包括聚集起來的油氣由于外界條件的變化而引起的再次運移。
第二節 油氣初次運移
一、油氣初次運移的動力（本節重點、難點）
1．壓實作用
壓實作用：是沉積物在上覆沉積負荷作用下，沉積物緻密程度增大的地質現象，在壓實作用過程中，沉積物通過不斷排出孔隙流體，孔隙度不斷減少，孔隙流體壓力基本保持靜水壓力，稱為正常壓實或壓實平衡狀态。
在正常壓實過程中，當烴源岩生成的油、氣溶解在孔隙水中，就能夠随着孔隙水一起被壓實排出，實現油氣的初次運移。
欠壓實：如果由于某種原因孔隙流體的排出受到阻礙，孔隙度不能随上覆負荷的增加而相應減少，孔隙流體壓力常具有高于靜水壓力的異常值，這種壓實狀态就稱為欠壓實或壓實不平衡。
如果排水不暢，造成欠壓實，可以延緩孔隙流體的排出，如果流體的排出正好被推遲到主要生油時期，則将對油氣初次運移起到積極作用。還有利于有機質的熱成熟，也是驅使油氣進行初次運移的潛在動力。
2．熱力作用
由于埋藏深度的增加，孔隙體積膨脹遠遠小于孔隙流體的膨脹，造成異常高壓，為油氣運移提供了一個動力。
3．烴類及非烴氣體生成的作用
幹酪根在熱降解生成石油和甲烷氣體等烴類的同時，也産生大量的水和非烴氣體（主要是CO2），而這些流體的體積大大超過原來幹酪根的體積，引起頁岩孔隙流體壓力大幅度的提高，使異常高壓進一步增強，這種壓力的增加将導緻微裂縫的産生（Hedberg，1980），使石油進入滲透性的載岩和儲集層。
4．粘土礦物的脫水作用
泥岩在埋藏過程中，随着深度的增加，粘土礦物要發生成岩作用，放出大量的層間水，在沒有增大的孔隙體積中造成異常高壓，也是油氣運移的一個動力。
二、油氣初次運移的相态
（一）水溶相運移
1．分子溶液
2．膠體溶液
（二）遊離相運移
1．油相運移
2．分子擴散
（三）相态演變方式
Barker和Tissot提出不同埋深以不同方式進行運移的相态演變方式。
未成熟階段：由于石油還未大量生成而地層孔隙度又較大，此時源岩中含油飽和度很低隻可能有水相運移；
成熟階段：一方面生油量大大增加，另一方面孔隙度又較小，源岩中的含油飽和度變大以緻超過臨界運移飽和度而發生連續油相運移，随着源岩進一步埋深，在較高溫度下，演化進入高成熟的濕氣階段，此時石油可以呈氣溶相運移；
過成熟階段：石油發生熱裂解産生大量甲烷氣體，可以産生遊離氣相和擴散相運移。
所以初次運移相态随埋深的演變規律主要是水溶相—油相—氣溶相。對于富含Ⅲ型幹酪根的腐殖型源岩來說，因為源岩以産氣為主，多以氣溶相進行初次運移。
三、油氣初次運移的方式
油氣初次運移的通道不外乎烴源岩中的孔隙系統、裂縫系統、孔隙—裂縫網絡。初次運移的主要動力是壓力差和濃度差，壓力差包括正常壓實和欠壓實的異常高壓。
對應于上述的動力因素，油氣初次運移有三種方式：
（1）“壓實水流”模式，在正常壓實作用下，油氣溶解于水中，通過孔隙系統被壓實出來；
（2）“微裂縫排烴”模式，在異常高壓作用下岩石産生微裂縫，通過微裂縫排出遊離石油或天然氣；
（3）擴散作用，由濃度差驅動，通過孔隙和裂縫系統排出烴。
四、初次運移條件的研究（選講）
1．初次運移出現的深度和時期
2．油氣初次運移的方向、距離和有效排烴厚度
烴源岩有效排烴厚度：生油層中隻有與儲集層相接觸的一定距離内的烴類才能排出來，這段厚度就是生油層排烴的有效厚度。
排烴效率：是指烴源岩排出烴的質量與生烴的質量百分比。
第三節 油氣的二次運移
一、油氣二次運移的機理（本節重點）
（一）二次運移的阻力
在油滴兩端的毛細管壓力差即為真正的毛細管阻力：
DPc = 2¡( 1/rt-1/rp )
式中，rt、rp分别為油滴兩端的岩石孔喉半徑，¡為界面張力。
（二）二次運移的動力
1．淨浮力
石油地質學中常将浮力與重力同時考慮，并将浮力與重力的代數和稱為淨浮力。故石油質點的淨浮力可用下式表示。
Fr = -rw/ro·g + g = -(rw - ro)/ ro ·g
式中負号（-）表示淨浮力方向與矢量g相反。
2．水動力
推動單位質量石油質點運移的水動力值等于：
Fo = rw/ro·Ew
淨浮力和水動力的矢量和(Eo)是油氣動移的動力。即合力：
Eo = -(rw - ro)/ ro ·g + rw/ro·Ew
（三）油氣二次運移的機制
油氣二次運移的條件，首先必須具有一定的油氣飽和度，隻有當油氣飽和度大于臨界油氣飽和度時，才有相對滲透率和有效滲透率。其次，油柱必須大于臨界油柱高度，具有足夠的浮力和水動力來克服毛細管阻力。
油氣經過初次運移進入儲層時可能是分散的遊離狀态，這時油氣數量少，體積小，所受驅動力不大，不足于克服毛細管壓力差的阻礙，因此微小的油滴将處于停滞不動的狀态。随着初次運移的持續進行，油滴增大，逐漸成絲連片，總的驅動力也越來越大。此外，烴類物質從烴源岩進入儲集層時壓力降低，溶有氣體的石油體積增大、密度降低、驅動力增加，即所謂溶解氣效應。這兩個原因，使烴類驅動力逐漸增大，直到驅動力大于毛細管壓力差時，便發生二次運移。
二、油氣二次運移的通道
油氣二次運移的具體通道主要有連續的滲透性岩石的孔隙系統、斷層和裂縫面、不整合面等。
三、油氣二次運移的指向及意義（本節重點、難點）
油、氣、水的力場分布對油氣二次運移的方向起着直接控制作用。油氣勢差是二次運移的動力源。油氣二次運移受到三個力的作用，即浮力、水動力和毛細管阻力差，油氣二次運移的方向取決于這三個力的合力。
在含油氣盆地中，如果在靜水條件下，油氣主要沿着浮力方向運移，在動水條件下，則沿着浮力和水動力的合力方向，所以油氣二次運移總的來說是垂直向上的，當受到遮擋時，則沿着上傾方向，而具體的運移路線又是沿着各種通道的最小阻力方向。
在沉積盆地中，生油區一般位于凹陷的最深處，與之相鄰的斜坡和隆起是二次運移的主要指向。而具體的運移路線又是沿着各種通道的最小阻力方向，它受儲層的岩性變化、地層不整合以及斷層分布等因素的控制和影響。因此，位于凹陷附近的隆起帶及斜坡帶，特别是長期繼承性隆起帶中良好儲層常常控制着油氣的初始分布。因此這些位置即為盆地中的有利含油遠景區。構造運動常可使地層發生褶皺斷裂，改變其原有産狀，引起油氣的再分布。掌握盆地構造現有格局和曆史發展，可以預測油氣的區域分布。
四、二次運移的距離及油氣性質的變化
1．色層效應：結果往往是使石油的膠質、瀝青質、卟啉及釩鎳等重金屬減少，輕組分相對增多，在烴類中烷烴增多，芳烴相對減少，烷烴中低分子烴相對增多，高分子烴相對減少。反映到物理性質上，表現為密度變小、顔色變淡、粘度變稀。
2．氧化作用：可使石油的膠狀物質增加，輕組分相對減少，環烷烴增加，烷烴和芳烴相對減少，密度、粘度也随之加大，其效果大緻與色層效應相反。
主要參考書或建議閱讀的書籍:
1、柳廣弟主編．石油地質學（第四版）——第五章．石油工業出版社．2009年3月．
2、張厚福主編．石油地質學（第三版）——第四章．石油工業出版社．1999年．
3、陳榮書主編．石油及天然氣地質學——第六章．中國地質大學出版社．1994年．
4、潘鐘祥主編．石油地質學——第七章．地質出版社．1986年．
