油气运移之旅

2015-04-04吴颖昊吴兆徽

石油知识 2015年4期

吴颖昊吴兆徽

油气运移之旅

吴颖昊吴兆徽

我们在油藏中开采石油和天然气，殊不知那里并非小油滴和小气泡们的出生地。它们在烃源岩这个“石油酿造缸”中形成，漫长的一生开始了：它们背井离乡、摸爬滚打，踏上艰辛的旅程寻找新的家园——终于，它们找到一个安定的居所聚集成藏。

从它们离家，到它们来到油藏中储存起来的整个过程，就是油气的运移。我们通常把这个过程分成两个阶段：一是小油滴和小气泡离开烃源岩妈妈来到临近的储集层，叫做“初次运移”；二是进入储集层之后发生的一切运移，包括它们后来聚集到储藏室——油气藏的过程，叫做“二次运移”。初次运移是离开家园的过程，而二次运移则踏上了寻找新家园的旅途。

背井离乡——初次运移

初生的小油滴、小气泡总是和水携手同行，专家们合称它们为“孔隙流体”，这里昵称它们为“小液滴”。小液滴生活在盆地中，充满在地下石头城的每个房间——岩石孔隙里。当然，它们的房间并不规则，而是分散地、星星点点地分布在正在压实、固结的烃源岩里。

这种安居乐业的生活不是很好吗？究竟是什么促使小油、气滴们离开家的呢？

手牵手，一起走

——初次运移的相态

在小液滴踏上旅程之前，我们先看一看它们的旅行状态——运移相态。早在油、气还在“孕育”时，就被水包围，出生后它们更是朝夕相处的好伙伴，一定条件下还能互相溶解。旅途中它们相互依偎、扶持着行走，溶解同行的时候我们称它们水溶相或者油溶相、气溶相。也有很多时候它们独自行走，叫做游离相。现在，让我们跟随小液滴一起，踏上旅程吧。

少小离家

——初次运移的动力和方向

（1）天然的榨油机——正常压实作用

小液滴的房间是由岩石颗粒支撑起来的，然而烃源岩是泥岩，房间不像砂岩那样牢固，也更容易压缩而显得拥挤。当盆地沉降，烃源层上面的沉积物加厚变重，下层的泥岩房间就会受到沉重的压力。楼房的格架（岩石骨架）承受的重压越来越大，组成泥岩的固体颗粒也就越靠越紧。房间愈发拥挤，住在其中的小液滴也就越来越“待”不住了，突然，它们遭遇“瞬时剩余压力”被排挤出来。上覆地层的这种作用就像一部巨大的榨油机。一部分液滴被挤出之后，房间不再拥挤，楼房的重压也得以释放，新的“压实平衡”形成了。剩下的液滴继续生活在孔隙中，直到下一次被重压排挤。这个过程周而复始，渐渐地，越来越多的小液滴离开了“家”。一般来说，被榨出的油、气会离开泥岩去往砂岩储层，离开深处去往浅部，离开盆地中心来到边缘地区。它们不仅能进入烃源层上部的储层，也可进入生油层下部的储层。

（2）出路靠自己闯——欠压实作用

并非所有岩石空隙都能像正常压实过程中那样缩小，在一些系统较为封闭的泥质岩类中，软的不行就只能“蛮力”解决——来硬的了。同样是在上覆沉积物变重的情况下，不同的是地下交通阻塞（空隙封闭），家门打不开，液滴们挤得难受却又堵在房里出不去，这时房间里的流体就承受着“异常高压”。当它们再也无法承受就要“夺门而出”——它们将岩石撑破，顺着“微裂隙”流走。放走一些流体之后压力得以释放，微裂隙也就重新闭合，直到下次破裂再开启。就这样周而复始，小液滴们一点一点从欠压实中心处离开，向上、向下流去。

（3）吐水石头真神奇——蒙皂石脱水作用

地下有种叫做蒙皂石的粘土矿物有种神奇的作用，它可以从自己体内“吐”出水来。它产生的水虽然使小小的房间更加拥挤，但是这样一来，反而配合了欠压实作用，促进了异常高压产生微裂隙。它吐出的水还有一个奇特的作用，水一多，小油气滴如同搭载了交通工具，就可以溶解在水中（水溶相）离开了。

（4）地底热炉——流体热增压作用

当盆地沉降，烃源层深度增加，温度也会增高，这时小液滴就要发生膨胀。由于流体比岩石颗粒膨胀剧烈，所以温度的升高帮助流体从岩石颗粒之间往外挤。另外，温度的增加又使流体黏度减小，变得更易流动，这样，外榨内挤，初生油、气就离开它们生成的地方。

（5）闯出新天地——有机质生烃作用

地下“石油酿造缸”在不断生成新的油气，油气体积比它的原料“干酪根”体积大得多，所以新生流体必然排挤孔隙原有的流体。想想看，就像鼓胀的气球再充气就要胀破一样，即使空隙封闭暂时排不出去，异常高压也能撑开微裂隙将它们挤出去。

（6）盐度平衡的使者——渗析作用

流体总是从盐分少的地方去往盐分多的地方来维持盐度平衡。而由于在压实作用下流体总是从泥岩向砂岩中去，从而砂岩积留的盐分比泥岩多，渗析作用促使小液滴们从泥质岩向砂岩中运移。而对烃源岩本身来说，泥岩边部比中部压实快，过滤下的盐分多，所以渗析作用让油气从泥岩内部向边部运移。

（7）人小力量大——扩散作用

有浓度差存在时，烃源岩中的小液滴就能通过分子的不规则运动扩散到周围岩石中去。虽然效率低，但是无处不在，尤其是当烃源岩孔隙极小，别的作用难以实现时，就显得非常重要了。

（8）变小的房间——胶结和重结晶作用

碳酸盐岩生油岩层在成岩过程中的胶结和矿物重结晶作用也是一种让孔隙变小的“榨油”动力。这种作用一方面排挤混杂在未结晶的碳酸盐岩中的流体，另一方面又造成无数大大小小的裂缝，给流体的运移、储集创造了良好条件。

（9）阻力也能变动力——毛细管力

直径在0.0002～0.5毫米之间的小孔隙，流体已不能在其中自由流动。而艰难中总有出路哇，这时孔壁分子都来帮助流体分子了，毛细管孔隙的毛细作用便施展开来：当岩石颗粒亲水而不亲油时，水比油更易向着孔壁颗粒附着，从而岩石的毛细孔隙中，液体弯曲面的凸面是指向水的（图2）。这时油水交界面上，水的表面张力F便发挥毛细管作用，产生将水提拉进毛细管的力F2。毛细孔隙越小，把水拉近自己“体内”的力量越大。因此，当生油层比储油层的孔隙小很多时，生油层就通过毛细管把水吸进来，同时，把油、气向储油层中排挤。一条条孤立的毛细管能起的作用是非常微小的，分布在广阔的岩层中难以计数的毛细管却形成了一股不可忽视的力量。

可以说，初次运移是各种因素综合作用的结果，有动力也有阻力，但是阻力终究是局限而暂时的，如同我们长大成人之后再恋恋不舍也要离开爸爸妈妈，油气离开烃源岩也是必然要发生的。

我们走在大路上

——初次运移的通道

油气初次运移的通道与烃源岩酝酿油气的成熟程度有关系。有些年少气盛的小油气滴，在未熟—低熟阶段就急着离开，它们就从孔隙和微层里面中运移；成熟—过成熟阶段的油气则主要沿微裂缝运移。构造运动造成的裂缝为小液滴的运移开辟了道路。断层活动的重要作用也不言而喻，它就像插入烃源岩中的吸管，一张、一闭，就将流体吸进来、排出去。

奋进的征程——二次运移

经过初次运移的小液滴从此离开了家，来到储集层中，踏上了一生的旅程。储集层真是个大千世界啊，这里有广阔的孔隙空间，有各种各样的构造现象，有那么多的缝缝洞洞，有太多太多的道路摆在眼前。每个小液滴都想找到一个容身之所，每个小液滴都想聚集成藏，实现作为油、气的价值。那么，在这里它会经历什么呢？

三个伙伴要分家

——“油、气、水”的相态

在压力和毛细管力的作用下，刚进入储层的油、气、水仍然保持着在生油层中那种相互混杂的“密切关系”，但一遇适当条件，三个好伙伴就要“分家”了。混在一起的油和水因比重不同而发生分离的现象叫“重力分异”，原因在于一种液体对另一种液体有浮力。有浮力托着，游离的气就上浮到油的上面，而游离相的油将浮到水的上面。但那些溶解在油和水中的气则只有压力低于饱和压力时才能从溶剂中脱出，和油、水发生重力分异。油、气、水就这样逐渐分离。它们一面分离，一面自然而然地与自己的同类汇聚在一起，建立各自“新的家园”。

条条大路通罗马

——二次运移的通道

二次运移的道路比初次运移要大而通畅地多，主要是连通孔隙，裂缝、断层和不整合面。在连通孔隙中，将孔隙们连通起来的狭窄通道叫“喉道”，喉道越大，小油滴运动起来也就越容易。岩石中的各种裂缝对小液滴来说简直就是宽广的“交通大道”，有了这些裂缝，流体就可以直接从中流过，在岩石中运移也就容易了许多。而油气要在垂直方向上运移，很大程度上归功于断层。它不仅可以沿着断层面走，有时还可以穿过断层从一盘到另一盘去。不整合面也可以帮助小液滴“横着走”，在储层中侧向运移。

玉手扬鞭马儿跑

——二次运移受力多

在储集层这个新天地里，谁会让小液滴沉沦不前？谁会搀扶着小液滴继续走下去？它们最终会立足在哪里？

（1）亦敌亦友——毛细管力

毛细管力是个摇摆不定的两面派，一会儿当阻力，一会儿当动力。小油滴经过孔隙系统时要穿越喉道，浮力托着它变形挤进去，这时就遇到困难了，毛细管力不让小油滴进。好在小油滴下面的浮力大，还是挤进喉道中来。谁知当小油滴要离去时，毛细管力倒成了好帮手，它协助动力一起将小油滴向外推，让它顺顺利利从一个孔隙到达另一个孔隙。

（2）黏人的胶水——吸附力

有些岩石颗粒总想把油气分子留在身边，它用吸附力把它们黏在自己身上，始终是妨碍油气运移的阻力。

（3）乘势前进——水动力

水流在盆地中流动，一般是压实或者重力的作用结果。被盖层和底层所夹着的一层层砂层，就像埋在地下的一根根大管子。“管子”两端露出口的海拔高度有差别时，管中的水就要流动。如果入口处有水源源不断地补充，岩层中的水就不断流向出口。当小油气滴遇到这种水动力，就会一面渗流、一面发生重力分异，进行着二次运移。

（4）如有神助——构造应力

构造运动可以把原来水平的岩层弄得高低起伏，左倾右拱，形成背斜；可以撕开岩层、裂出口子，形成裂缝和断层；可以将能量传递，让各种动力得以将油气运移。构造应力直接或间接地帮助着小液滴。

（5）腾云驾雾升仙境——浮力

当四周的水流静止时，浮力托举着小液滴向上浮起。此刻它的心情就像飞天的嫦娥一般忐忑——上面会是什么样呢？遇到水平地层的小油滴怕是不太幸运，它们到达储集层的顶部就分散开来，无法形成有价值的油气藏。而如果岩层是倾斜的，那么这种期待简直令人战栗——它不断沿着倾斜方向向上，向上，最终到达类似背斜这样的圈闭——漂泊的旅程宣告终结，小油滴终于形成了油气藏，在广阔的地下找到了自己的立足之地。