油气初次运移机制与运移方向的研究

黄传卿，张金功，席 辉

(1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069;2.中国石油测井油气评价中心，陕西 西安710077)

油气运移是石油地质学研究的热点且为难点。在上世纪九十年代之前，油气运移的研究重点是初次运移的动力、相态及其过程等［1－5］。九十年代至今，油气运移的研究方向偏向于运移通道路径等，取得了一些重要的成果［6］。油气运移在盆地演化及其油气成藏过程中一直发生的地质事件，是石油地质工作者的研究焦点，然而对于这项工作的开展有着不同的认识和思路。本文分析了油气初次运移研究机制与运移方向及前人取得的一些成果，并探讨了存在的实际问题和下步发展方向。

1 初次运移的机制

初次运移是指沉积盆地生油岩在热成熟阶段，生油岩排出的烃类等组分物质在某种驱动力下从生油岩母体排出至运移通道的过程［7－11］，是油气二次运移成藏的重要纽带。对于油气初次运移机制及模式的研究，归纳起来包括以下四个方面:即以油气相态为基础的油气初次运移、以孔隙通道为基础的油气初次运移、以运移动力为基础油气初次运移及以烃类残留为基础的油气初次运移。

1.1 以油气相态为基础的初次运移机制

油气从烃源岩中生产排出过程中，在地层中运移相态不同，其运移方式及成藏之后的分布特诊等有所差异。同时，油气在地层中运移的相态除了受到原始生气母质类型及演化程度有关外，还要受到其所处温度、压力等环境条件的影响［12］。因此对于油气运移相态及其变化的研究是油气运移研究中的重要研究对象。

关于油气运移相态的研究，前人做了大量的工作，然而今天的研究技术使得我们对油气运移相态有了更为清晰的认识，石油的初次运移以油相为主，气溶相也具有重要性，而扩散相对油气运移成藏意义不大。对于油气的初次运移，由于其水溶解度大又具扩散性，所以水溶相、油溶相、气相和扩散相这几种相态均具有重要的意义［13］。前期研究表明，油气应该是以地层压实水为媒介，以溶于水的相态进行初次运移［14］。这样既便于解释分散状烃类的移动，且使生油层中的运移简单化为单相(水相)渗透，从而避免了可能出现的巨大毛细管阻力。王新洲［9］(1996)认为，液相石油以分子扩散方式进行的运移是不容忽视的。

1.2 以游离相为基础的油气初次运移

近年来主张油呈游离相运移的人日益增多［15－18］。Dickey(1975)曾比较具体的讨论了石油在初次运移中可或多或少地呈连续游离相运移的可能性。在实验中实体为内表面为水润湿的孔隙介质，如果其内表面有一部分是油润湿的，石油呈游离相流动。

Dickey指出假如孔隙水大部分是结构水，那么石油在可流动的总孔隙流体中的饱和度就会很高，可能达到50%以上。在此情况下，岩石对油的相对渗透率将增大，这样在压实时油就会先于水而排出，此时石油呈油线状运移。Magara(1981)根据上述思想绘制了一个油相运移的模式图(图1)。表明随压实作用的增大，页岩的绝对渗透率不断下降，水的相对渗透率随之减小，而油的相对渗透率却增大。Magara以页岩压实中期作为最有利于油相运移的阶段，因为在该阶段的油相渗透率已增大，而页岩绝对渗透率尚未达到最低值。

图1 连续油相运移模式示意图(据Magara，1977)

Tissot认为初次运移的相态随地下条件的不同而改变，主要与埋深有关，如图2所示，随着深度的增加，油气运移相态从水溶相、油相至气相的变化趋势。

图2 生油岩中油、水数量随埋深的变化以及发生油相运移的可能性(据Tissot，1987)

1.3 以运移通道为基础的油气初次运移

烃源岩中油气运移的通道有三种:即由烃源岩矿物构成的孔隙网络，主要由单个矿物颗粒的大小控制，可简单分成孔隙和喉道两部分;长条状的，一般远远超过单一矿物颗粒大小的裂隙通道;由连续分布的有机质格架构成的有机网络。

1.3.1 油气在孔隙网络中的运移

油气通过孔隙网络的运移与泥岩压实阶段有密切的关系，不同的学者从不同的角度，把泥质沉积物根据不同的压实阶段，对孔隙度的变化影响因素做了具体的对比分析。

砂岩中多相流体流动的许多实验表明，对于其中某一相的相对渗透率取决于该相在孔隙中的相对含量。如上所述，如果砂岩孔隙中既含油又含水，那么只有在石油大约占孔隙体积的20%以上时，它才能与水一起流动。如果其含量小于20%左右，则在毛细管力作用下石油将分散成球形小滴。假定这些小油滴比孔隙之间的通道大，通过通道时小油滴必须变形(图3)。这就要求在小油滴的两边有压差存在，该压差要比所有想象的伴随流体流动的压差大得多。如果石油呈长弹丸状或细脉状，其两端的压差就会比石油呈小滴状时更大(Hobson，1954)。

图3 小油滴通过刚性孔隙体系示意图

在F点小油滴内的压力为3磅，它R点的压力大得多，因为半径rF’比rR’小得多。这样就可促使小油滴离开孔隙喉道(据Hobson，1954)

1.3.2 通过裂缝网络的初次运移

目前，以微裂隙作为油气初次运移主要通道的观点日益获得了人们的承认。最先提出流体从生油岩通过微裂隙逸出机理的可能是Snarsky(1961)，他认为“由于生油岩压实、岩石弹性变形以及油与水的弹性，同时再加上温度与构造力的增大，岩层内部孔隙压力可升高到比岩石的压力大得多。这种压力可引起岩石破裂和裂隙的扩大，油气便可沿着这样形成的通道运移，进入具静水压力的孔隙性与渗透性地层中”。

图4 开启泥岩裂缝带流体运移分析图(据张金功等，1996)

张金功等(1996)认为异常超孔隙流体压力作用下的微裂隙排烃是油气初次运移的最重要机制。埋藏状态下异常超压带内，泥岩裂缝在垂向和横向上均有分布，在相当长的时间内保持张开状态，同时进行着大规模的流体运移，直至泥岩排液趋于停止时，裂隙才会闭合(图4)。同时在“油气初次运移模拟技术研究”时提出，在泥岩压实阶段，泥岩孔隙流体压力升高至一定值，超过了泥岩破裂极限，就会使泥岩中产生微裂隙，导致孔隙流体迅速排出，压力相应释放。伴随着压实作用的增强，泥岩流体的排出，最终导致裂隙闭合，使泥岩进入了一个相对稳定的阶段。

1.3.3 通过有机网络的运移

McAuliffe(1978)在支持油相运移的基础上，根据前人的研究提出干酪根网络运移模式。他认为在干酪根中生成的油气达到一定浓度后，就可以沿干酪根网络运移到储集层。这一模式强调油气在生油岩中的运移和水是互不相干的过程。油沿着干酪根网络运移，水沿着岩石的孔隙运移。同时认为石油在干酪根中运移不受水的限制，可以不考虑水的数量和排水状况，因此石油通过干酪根运移可以在整个生油时期中不停地进行。Momper(1978)认为，生油岩中的有机质不是分散在岩石基质之中，而是沿层理面呈薄毡状分布。因此，干酪根网络一般在二维空间比较完整，在三维空间中相互连接比较少。由于生油时间长，运移速度慢，因此三维空间里干酪根网络稀疏的连接，已足够把油气运移到储集层或裂隙中去。

由于这种运移方式不受水的限制又没有巨大的毛细管阻力，显然通过干酪根网络的运移是重要的运移方式。

1.4 以驱动力为基础的油气运移

地质条件的非均质性和各种构造活动使得油气运移和聚集的过程复杂化，如较大的水动力作用，输导层和储集层的岩性、物性的空间变化，断裂的分隔和连通等等［19，20］。目前虽然人们多倾向了游离相是油气初次运移的主要形式这种观点，但在对促使其运移的动力方面却仍存在着一些分歧。如前所述，游离相的油气在泥质岩中受着巨大毛细管阻力的束缚，所以必须有足够的驱动力才能克服这一阻力，使油气沿着泥质岩的细小孔径进行运移。

根据研究趋势，揭示地层异常高压形成机理，将使泥岩与附近的储集层、输导层之间，甚至在泥岩本身的不同部位之间形成明显的压力差，当压差足以克服泥岩细小孔隙的毛细管阻力时，其中的流体便会发生移动。若此时已有油气生成，初次运移即可实现。流体自泥岩的排出作用，也是压力释放的过程，其结果必将导致孔隙流体压力的降低和泥岩的补充压实;当随着流体排出压差降低到小于毛细管阻力时，流体排出作用即行停止;而待压力再集蓄到足够高时，流体又可重新排出。

2 初次运移方向分析

目前对初次运移方向的研究相对居多，烃源岩内的运移方向以垂向运移为主。上世纪五、六十年代，“源控论”是油气初次运移的一个观点，提出油气为短距离运移。后来对初次运移方向研究众多，一些学者提及油气质点的运动理论，认为转动系统中的油气质点总是要朝着能使自身转动惯量减少的方向移动，地球的自转促使油气质点向两极移动，地球的公转促使油气质点向北极移动［21］。有的学者提出压实作用可以使其中的流体向上和向下两个方向运移，向下运移的油气，在下方储集层中形成油气藏，这就是“倒灌”现象，这种成藏模式就是所谓的“顶生式”生储盖组合［22，23］。然而“倒灌”说缺少动力的驱动，压实作用可以使其中的流体向上和向下两个方向运移是不可能发生的［24］。至此，有些研究者就提出初次运移的方向是向上的，不会向下运移［25］。

可见目前很多学者认为泥岩压差作用导致油气初次运移发生向上、向下的运移方向，对于烃源岩来说，其平行层面方向与垂直层面方向的渗透性差异很大程度上影响了初次运移的主要方向。

3 初次运移存在问题及研究方向

油气运移在地层中的过程是一个十分复杂的地质现象，同样也是一个技术难度甚大的研究领域，涉及知识面广。为了将油气运移研究引向深入，使基础理论研究提高到世界先进水平，同时要紧密联系实际，更好地为油气勘探开发服务。

生烃增压形成的裂缝作为油气运移实验引出了一个重要问题，即泥岩裂缝中油气是在如何保存以及泥岩裂缝油气藏的构造格局特征是什么(即是否符合重力分异原则)这导致了对泥岩裂缝油气藏盖层(隔层)及构造格局的地质分析。结果表明，泥岩裂缝油气藏的盖层或隔层有两类，一类是非渗透性的泥页岩或盐岩、膏盐等，一类是含油气的砂岩或其它渗透性岩层，其中含油气砂岩可具有气水倒置现象。

总之，含油气盆地关于油气初次运移的研究处于初级阶段，很多方面尚未取得认识，有待于完善、发展。根据目前含油气盆地的研究状况及研究进展，笔者认为关于初次运移研究今后的重点研究方向有以下几个方面:(1)针对油气初次运移相态的不确定性，应该建立和完善多种相态运移体系，针对其研究过程更为具体;(2)裂缝作为油气运移的主要运移通道之一，其封闭性评价方法的研究可作为下一步研究重点方向;(3)应该重点对盆地及所属的烃源岩进行地质与地球化学方面开展研究，并通过量化手段对研究成果进行概括、归纳，为建立研究初次运移的简易可行的实验方法提供更多的帮助。

4 结语

油气初次运移的研究是石油地质领域的一个难题，目前研究水平仍然处在探索阶段。针对本文上述的介绍，油气初次运移在石油地质领域的理论和勘探实践方面的重要已经凸显。这样就告知我们，今后的研究方向及研究目的有了明确的指向。无论是运移相态、运移通道，还是运移动力、运移方向，都是研究的重点。因此，今后的研究过程必须建立新的理论体系，系统地为油气初次运移研究服务。作为石油工作者探索真理需要决心和勇气，更要扎扎实实地开展工作，勇于探索，勇于实践，需要为科学献身的精神。

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