油气二次运移研究现状及发展趋势

收稿日期:20100715;改回日期:20100811 基金项目:国家自然科学基金项目/碎屑岩盆地天然气聚集主要机理类型及条件转换0(40472073) 作者简介:徐波(1977-),男,1999年毕业于江汉石油学院地质系,2009年博士毕业于中国地质大学(北京)能源学院矿产普查与勘探专业,现从事油气成藏相关研究和生产工作。

文章编号:1006-6535(2011)01-0001-06油气二次运移研究现状及发展趋势徐 波,杜岳松,杨志博,贵健平,张 娟(中油冀东油田分公司,河北 唐山 063200)

摘要:油气二次运移是成藏研究的薄弱领域,正确了解二次运移的研究现状对于促进油气成藏研究有着重要的意义。在全面调研的基础上,系统总结了国内外对于油气二次运移的主要研究成果;对目前常用的流体示踪剂法、物理模拟法、数值模拟法等研究方法在我国的运用情况进行了详细介绍。最后,指出了目前研究中存在的问题和今后的发展趋势。关键词:油气二次运移;运移相态;运移动力;运移通道;运移时间;研究现状;发展趋势中图分类号:TE12211 文献标识码:A

引 言油气的运移性是油气藏与固体矿藏的显著区别之一。目前对于油气运移一般采用二分法,即将油气的运移划分为初次运移和二次运移。油气二次运移是指油气/进入储集层或运载层以后的一切运移0[1]。它包括了油气在储层内部、断裂、不整合面等输导体运移聚集的过程,也包括了已经聚集的油气由于外界条件的变化而引起的再次运移。简而言之,二次运移包括了油气运聚成藏到散失的全过程。同时,由于油气二次运移的复杂性,其一直是石油地质领域研究最为薄弱的环节[2],也是各国学者重要的研究领域。笔者在进行大量相关资料调研的基础上,对目前国内外油气二次运移研究现状进行分析总结,并指出了今后油气运移研究要解决的主要问题。1 研究内容111 运移相态与初次运移相比,油气二次运移距离更长,在运移过程中地下温度、压力、输导层矿物成分等条件的变化更为复杂,导致了油气的二次运移相态较之初次运移也更为复杂。一般认为游离的油相或气相是油气二次运移的主要相态,但较之石油,天然气的运移相态更为复杂。由于石油在水中的溶解度非常低,石油以水溶态大规模运移并形成油藏的可能性很小,石油只能以游离态为二次运移的主要相态。与之不同的是,在不同的条件下油溶态、水溶态、游离态都可以成为天然气二次运移的主要相态[3]。在天然气二次运移过程中,受温度、压力、盐度等因素的影响,天然气在运移过程中还存在着油溶态、水溶态、游离态、扩散态之间的相互转换。实验证明,游离的气相是天然气的二次运移的主要相态[1]。李明诚则认为扩散相也是天然气一种重要的二次运移方式[1]。在天然气运移过程中,只要有气体浓度差存在就存在着该种运移相态,特别是在流体渗流停滞或聚集在圈闭中时,扩散相成为天然气散失的主要方式,对油气藏能否保存具有重要意义。

112 运移动力通常认为浮力、水动力、异常压力、构造应力是油气二次运移的主要动力。此外,地震泵作用[4-5]、温度差(热)[6]等也被一些研究者认为是油气二次运移的原动力。目前不同的二次运移原动力间的相互关系是各国学者研究的热点。Dow等在研究美国墨西哥湾盆地油气二次运移路径的过程中发现,促使油气发生二次运移的浮力可以因压实作用、脱水作用、超压作用、微裂缝、 2 特种油气藏第18卷

断层等因素得到加强[7]。Hunt[8]指出,世界上的大量油气形成于深度大于3000m的异常压力流体封存箱中,流体封存箱中异常高压的积聚和释放呈幕式出现。超压流体封存箱中这种幕式脱水作用影响了油气生成、运移和聚集的整个过程。我国陆相沉积盆地中广泛发育有异常地层压力[9],异常地层压力在储层中影响流体势分布,从而决定油气二次运移的方向。压实作用不平衡和烃类生成作用是异常地层压力的主要原因;后期地壳抬升及黏土矿物转化为次要原因。Rouchet[10]认为石油运移主要取决于石油的分子结构和毛管压力的性质。构造作用力的应力差(最大压应力减去最小压应力)达到一定值后即可以使石油生成后自源岩中排出,成为油气初次运移的动力。同时,当构造应力变化时,由于岩石骨架压缩和回弹造成岩石中的流体压力升高或降低,从而产生/应力泵0[4]作用,成为油气二次运移的重要动力类型。如我国川东北地区,自晚三叠世起经历了3次较大规模的构造运动,导致了主构造应力方向的变化,进而决定了油气运移方向的变化,造成大多数北西向构造成藏条件不佳的事实[11]。113 运移通道一般可将油气二次运移通道划分为连通孔隙、裂隙(缝)、不整合面、断层等4种类型。不同学者对于前3种类型的运移作用认识较为统一,而对于断层成为油气运移通道的条件认识出入较大。依据世界范围内大量已发现油气藏各要素空间展布特征分析,很多地区断层是连接圈闭与烃源岩的唯一桥梁,是油气运移(尤其是垂向运移)的有效通道。Hooper[12]认为流体沿生长断层的流动是周期性的,活动性断层可以使流体沿断层向上运动并聚集起来;而非活动性断层则限制了流体的流动。付广[13]则认为断层不仅在活动期是油气运移的通道,在静止时期其运移能力受沿断裂面碎裂岩颗粒粒度、泥质含量和断裂倾角等因素的控制,在条件适合时,也能成为油气运移的通道。还有学者指出,断裂能否成为油气的运移通道不仅受断层本身性质控制,还受断层两侧岩性并置关系、泥质涂抹作用、矿化作用、地层构造形态等因素的影响[1,14]。罗群等[15]认为,断层对油气的输导能力与其开启与否无关,而决定于/断面优势运移通道0。目前,各国学者经过大量模拟实验和数值模拟研究证实,油气二次运移只通过局限的优势通道进行。二次运移的优势运移通道可以是岩石中的溶孔、溶洞、断裂、裂隙和不整合面。优势运移通道控制了油气的二次运移。如巴黎盆地81%的油气聚集在占盆地面积13%的优势运移通道上[16];墨西哥湾盆地75%的油气聚集在占盆地面积25%的优势运移通道方向上[1]。油气通过有限的优势通道进行运移是沉积盆地输导系统的非均质性、能量场的非均一性和流体物性等多种因素共同作用的结果。郝芳认为油气的优势运移通道或运移路径除受输导层的非均质性影响外,源岩排烃的非均质性和油气在输导层中的运移行为对油气与输导层岩层的接触体积大小起控制作用[17]。向才富等[18]

通过松辽盆地西部斜坡带400余口探井的回剥分析,识别出了4种类型的输导脊,其时空组合形成了西部斜坡带油气运移的主输导通道,从实例上验证了油气沿优势通道运移的客观性。罗群[15]等对油气在断层内的运移展开研究,指出断层内也存在着优势运移通道,即断面优势运移通道,并提出了确定断面优势运移通道的方法。

114 运移时间从理论上说,只要有油气的生成就存在着运移,据此可将油气的二次运移划分为3个阶段:一是油气进入圈闭前在输导层中的运移,即狭义的二次运移时间;二是油气进入圈闭后的运移,即油藏的充注期或成藏期;三是油气从圈闭中散失过程,即散失期。目前大多数学者将第一种和第二种情况等同,并认为其就是油气成藏期,并据此形成了一系列的运移时间计算方法。(1)依据构造运动确定油气运移时间。构造运动活跃时期,不仅为油气运移提供动力,还可以形成断层、裂缝等油气运移通道,有利于油气的运移。此外,在此期间形成一系列与构造相关的圈闭,为运移的油气提供了聚集的场所,保证了油气成藏。故在油气运移时间研究中,经常以构造运动的主要时间作为油气的运移期或成藏期。(2)依据源岩生排烃时间确定油气运移时间。对成藏有贡献的油气运移应发生在源岩大量生排 第1期徐 波等:油气二次运移研究现状及发展趋势3 烃之后。依据源岩生(排)烃史模拟研究,可以确定油气运移的时间上限。一般排烃门限不易确定,国外学者常以干酪根转化率达到25%的时间作为排烃时间[1]。(3)依据运移通道形成时期来确定油气运移时间。油气的运移一定是发生于特定的运移通道内的。要形成有效的运移通道除了要求不同类型的输导层能形成完备的空间组合外,还要求在油气运移的通道上必须有盖层和侧向的遮挡层。据此,可研究地层埋藏史、断裂发育史、压实和各种成岩作用,确定运移通道进而确定油气运移时间。随着优势运移通道概念被广泛接受,目前确定优势运移通道的类型并进一步确定其形成时间已成为该方法的核心内容。(4)依据运移通道中的残留证据来确定油气运移时间。近年来常用含烃流体包裹体等来判断油气二次运移的主要时期。根据流体包裹体的均一温度经过压力校正后,对应恢复出古地温梯度,即可得出形成包裹体的埋深;根据地层埋藏史,确定对应的油气运移时间。包裹体是油气在输导层中运移所留下的直接证据,故目前均认为该方法可定量刻画油气运移时间方法。但包裹体确定油气运移时间的准确性却与样品的选择和数量有很大关系。由于很多包裹体不完全是在均一流体条件下形成的,若以这些包裹体为测量对象,会使包裹体均一温度范围变宽,进而造成根据包裹体均一温度所划分的成藏期次增多。要想准确计算油气的运移时间首先要有一定数量的包裹体以保证均一温度统计的准确性;其次,在理论上只有液态烃包裹体和盐水包裹体适合于测定均一温度[19]。115 运移距离油气二次运移的距离变化大,受多种因素影响,定量研究难度很大,导致了认识上的巨大分歧。一方面有学者认为油气的运移也是油气的散失过程,运移距离越大,持续时间越长,油气散失量也就越大。目前含油气盆地勘探结果显示,一般商业性油气田垂向运移距离不大于5km,二次运移总距离不超过30km[1]。但也有学者指出,从理论上分析,只要有运移通道的存在又有足够的动力,油气的二次运移将一直持续下来。据此观点,油气运移的垂向距离取决于盆地内地层的厚度和断裂在垂向上的延伸距离,一般可达数公里;在侧向上只要具有足够的油气量,运移通道连续性好,油气运移的距离为几十公里乃至数百公里也是可能的[20]。有学者计算出伊利诺斯盆地油气运移的最大距离达100km或更长[21];我国珠江口盆地的惠陆、东沙地区油气运移距离也可达60km以上[22]。我国含油气盆地在构造上多旋回性强,盆地分割性大,岩性多变,连通性差。目前勘探成果显示,我国已发现的油气田多靠近生烃中心,油气二次运移距离不大。付广利用圈闭与源岩的垂直距离统计结果,结合输导层倾角,对我国主要气田天然气运移距离进行计算。结果显示,我国主要气田天然气运移总距离均小于10km,占气田总数的81%,运移距离大于10km的气田全部分布在我国西部克拉通盆地,这与克拉通盆地稳定发育,输导层侧向连续发育的特征相一致(表1)[23]。

116 运移数量二次运移过程中油气的初始数量即为烃源岩的排烃量;当油气进入圈闭成藏时,运移的数量为圈闭中的油气聚集量;成藏后油气运移的数量为油气的散失量。油气运移数量是评价二次运移效率的最直接数据,目前确定油气运移数量的方法主要有以下几种。(1)类比分析法。对勘探程度较高的各类型含油气盆地进行研究,计算盆地中油气聚集量和散失量,根据盆地面积、源岩体积、生烃能力、发育史等多种地质因素,类比、标定勘探程度较低的研究区。该方法在原理上属宏观统计法的运用,存在着诸多难以确定的因素,计算精度不稳定。但因其方法简单、可操作性强,一直是油气运移数量计算的常用方法。(2)物质平衡法。物质平衡法的原理是圈闭中油气聚集量等于源岩的排烃量减去运移过程中的散失量。该方法常用数值模拟的手段实现。建立油气正演的地质模型和与之相对应的数学和计算模型,计算出研究区的生烃量、排烃量和聚集量等核心数据。计算结果的准确性受地质模型和计算参数准确程度的控制,在实际操作过程中由于难以建立准确的地质模型和关键计算参数达不到要求,模拟结果也往往不理想。新一轮资源评价结果显示,我国各含油气盆地