油氣運(yùn)移之旅

吳穎昊 吳兆徽

油氣運(yùn)移之旅

吳穎昊 吳兆徽

我們在油藏中開采石油和天然氣，殊不知那里并非小油滴和小氣泡們的出生地。它們在烴源巖這個(gè)“石油釀造缸”中形成，漫長的一生開始了：它們背井離鄉(xiāng)、摸爬滾打，踏上艱辛的旅程尋找新的家園——終于，它們找到一個(gè)安定的居所聚集成藏。

從它們離家，到它們來到油藏中儲(chǔ)存起來的整個(gè)過程，就是油氣的運(yùn)移。我們通常把這個(gè)過程分成兩個(gè)階段：一是小油滴和小氣泡離開烴源巖媽媽來到臨近的儲(chǔ)集層，叫做“初次運(yùn)移”；二是進(jìn)入儲(chǔ)集層之后發(fā)生的一切運(yùn)移，包括它們后來聚集到儲(chǔ)藏室——油氣藏的過程，叫做“二次運(yùn)移”。初次運(yùn)移是離開家園的過程，而二次運(yùn)移則踏上了尋找新家園的旅途。

背井離鄉(xiāng)——初次運(yùn)移

初生的小油滴、小氣泡總是和水?dāng)y手同行，專家們合稱它們?yōu)椤翱紫读黧w”，這里昵稱它們?yōu)椤靶∫旱巍?。小液滴生活在盆地中，充滿在地下石頭城的每個(gè)房間——巖石孔隙里。當(dāng)然，它們的房間并不規(guī)則，而是分散地、星星點(diǎn)點(diǎn)地分布在正在壓實(shí)、固結(jié)的烴源巖里。

這種安居樂業(yè)的生活不是很好嗎？究竟是什么促使小油、氣滴們離開家的呢？

手牽手，一起走

——初次運(yùn)移的相態(tài)

在小液滴踏上旅程之前，我們先看一看它們的旅行狀態(tài)——運(yùn)移相態(tài)。早在油、氣還在“孕育”時(shí)，就被水包圍，出生后它們更是朝夕相處的好伙伴，一定條件下還能互相溶解。旅途中它們相互依偎、扶持著行走，溶解同行的時(shí)候我們稱它們水溶相或者油溶相、氣溶相。也有很多時(shí)候它們獨(dú)自行走，叫做游離相?，F(xiàn)在，讓我們跟隨小液滴一起，踏上旅程吧。

少小離家

——初次運(yùn)移的動(dòng)力和方向

（1）天然的榨油機(jī)——正常壓實(shí)作用

小液滴的房間是由巖石顆粒支撐起來的，然而烴源巖是泥巖，房間不像砂巖那樣牢固，也更容易壓縮而顯得擁擠。當(dāng)盆地沉降，烴源層上面的沉積物加厚變重，下層的泥巖房間就會(huì)受到沉重的壓力。樓房的格架（巖石骨架）承受的重壓越來越大，組成泥巖的固體顆粒也就越靠越緊。房間愈發(fā)擁擠，住在其中的小液滴也就越來越“待”不住了，突然，它們遭遇“瞬時(shí)剩余壓力”被排擠出來。上覆地層的這種作用就像一部巨大的榨油機(jī)。一部分液滴被擠出之后，房間不再擁擠，樓房的重壓也得以釋放，新的“壓實(shí)平衡”形成了。剩下的液滴繼續(xù)生活在孔隙中，直到下一次被重壓排擠。這個(gè)過程周而復(fù)始，漸漸地，越來越多的小液滴離開了“家”。一般來說，被榨出的油、氣會(huì)離開泥巖去往砂巖儲(chǔ)層，離開深處去往淺部，離開盆地中心來到邊緣地區(qū)。它們不僅能進(jìn)入烴源層上部的儲(chǔ)層，也可進(jìn)入生油層下部的儲(chǔ)層。

（2）出路靠自己闖——欠壓實(shí)作用

并非所有巖石空隙都能像正常壓實(shí)過程中那樣縮小，在一些系統(tǒng)較為封閉的泥質(zhì)巖類中，軟的不行就只能“蠻力”解決——來硬的了。同樣是在上覆沉積物變重的情況下，不同的是地下交通阻塞（空隙封閉），家門打不開，液滴們擠得難受卻又堵在房里出不去，這時(shí)房間里的流體就承受著“異常高壓”。當(dāng)它們再也無法承受就要“奪門而出”——它們將巖石撐破，順著“微裂隙”流走。放走一些流體之后壓力得以釋放，微裂隙也就重新閉合，直到下次破裂再開啟。就這樣周而復(fù)始，小液滴們一點(diǎn)一點(diǎn)從欠壓實(shí)中心處離開，向上、向下流去。

（3）吐水石頭真神奇——蒙皂石脫水作用

地下有種叫做蒙皂石的粘土礦物有種神奇的作用，它可以從自己體內(nèi)“吐”出水來。它產(chǎn)生的水雖然使小小的房間更加擁擠，但是這樣一來，反而配合了欠壓實(shí)作用，促進(jìn)了異常高壓產(chǎn)生微裂隙。它吐出的水還有一個(gè)奇特的作用，水一多，小油氣滴如同搭載了交通工具，就可以溶解在水中（水溶相）離開了。

（4）地底熱爐——流體熱增壓作用

當(dāng)盆地沉降，烴源層深度增加，溫度也會(huì)增高，這時(shí)小液滴就要發(fā)生膨脹。由于流體比巖石顆粒膨脹劇烈，所以溫度的升高幫助流體從巖石顆粒之間往外擠。另外，溫度的增加又使流體黏度減小，變得更易流動(dòng)，這樣，外榨內(nèi)擠，初生油、氣就離開它們生成的地方。

（5）闖出新天地——有機(jī)質(zhì)生烴作用

地下“石油釀造缸”在不斷生成新的油氣，油氣體積比它的原料“干酪根”體積大得多，所以新生流體必然排擠孔隙原有的流體。想想看，就像鼓脹的氣球再充氣就要脹破一樣，即使空隙封閉暫時(shí)排不出去，異常高壓也能撐開微裂隙將它們擠出去。

（6）鹽度平衡的使者——滲析作用

流體總是從鹽分少的地方去往鹽分多的地方來維持鹽度平衡。而由于在壓實(shí)作用下流體總是從泥巖向砂巖中去，從而砂巖積留的鹽分比泥巖多，滲析作用促使小液滴們從泥質(zhì)巖向砂巖中運(yùn)移。而對(duì)烴源巖本身來說，泥巖邊部比中部壓實(shí)快，過濾下的鹽分多，所以滲析作用讓油氣從泥巖內(nèi)部向邊部運(yùn)移。

（7）人小力量大——擴(kuò)散作用

有濃度差存在時(shí)，烴源巖中的小液滴就能通過分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到周圍巖石中去。雖然效率低，但是無處不在，尤其是當(dāng)烴源巖孔隙極小，別的作用難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，就顯得非常重要了。

（8）變小的房間——膠結(jié)和重結(jié)晶作用

碳酸鹽巖生油巖層在成巖過程中的膠結(jié)和礦物重結(jié)晶作用也是一種讓孔隙變小的“榨油”動(dòng)力。這種作用一方面排擠混雜在未結(jié)晶的碳酸鹽巖中的流體，另一方面又造成無數(shù)大大小小的裂縫，給流體的運(yùn)移、儲(chǔ)集創(chuàng)造了良好條件。

（9）阻力也能變動(dòng)力——毛細(xì)管力

直徑在0.0002～0.5毫米之間的小孔隙，流體已不能在其中自由流動(dòng)。而艱難中總有出路哇，這時(shí)孔壁分子都來幫助流體分子了，毛細(xì)管孔隙的毛細(xì)作用便施展開來：當(dāng)巖石顆粒親水而不親油時(shí)，水比油更易向著孔壁顆粒附著，從而巖石的毛細(xì)孔隙中，液體彎曲面的凸面是指向水的（圖2）。這時(shí)油水交界面上，水的表面張力F便發(fā)揮毛細(xì)管作用，產(chǎn)生將水提拉進(jìn)毛細(xì)管的力F2。毛細(xì)孔隙越小，把水拉近自己“體內(nèi)”的力量越大。因此，當(dāng)生油層比儲(chǔ)油層的孔隙小很多時(shí)，生油層就通過毛細(xì)管把水吸進(jìn)來，同時(shí)，把油、氣向儲(chǔ)油層中排擠。一條條孤立的毛細(xì)管能起的作用是非常微小的，分布在廣闊的巖層中難以計(jì)數(shù)的毛細(xì)管卻形成了一股不可忽視的力量。

可以說，初次運(yùn)移是各種因素綜合作用的結(jié)果，有動(dòng)力也有阻力，但是阻力終究是局限而暫時(shí)的，如同我們長大成人之后再戀戀不舍也要離開爸爸媽媽，油氣離開烴源巖也是必然要發(fā)生的。

我們走在大路上

——初次運(yùn)移的通道

油氣初次運(yùn)移的通道與烴源巖醞釀?dòng)蜌獾某墒斐潭扔嘘P(guān)系。有些年少氣盛的小油氣滴，在未熟—低熟階段就急著離開，它們就從孔隙和微層里面中運(yùn)移；成熟—過成熟階段的油氣則主要沿微裂縫運(yùn)移。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的裂縫為小液滴的運(yùn)移開辟了道路。斷層活動(dòng)的重要作用也不言而喻，它就像插入烴源巖中的吸管，一張、一閉，就將流體吸進(jìn)來、排出去。

奮進(jìn)的征程——二次運(yùn)移

經(jīng)過初次運(yùn)移的小液滴從此離開了家，來到儲(chǔ)集層中，踏上了一生的旅程。儲(chǔ)集層真是個(gè)大千世界啊，這里有廣闊的孔隙空間，有各種各樣的構(gòu)造現(xiàn)象，有那么多的縫縫洞洞，有太多太多的道路擺在眼前。每個(gè)小液滴都想找到一個(gè)容身之所，每個(gè)小液滴都想聚集成藏，實(shí)現(xiàn)作為油、氣的價(jià)值。那么，在這里它會(huì)經(jīng)歷什么呢？

三個(gè)伙伴要分家

——“油、氣、水”的相態(tài)

在壓力和毛細(xì)管力的作用下，剛進(jìn)入儲(chǔ)層的油、氣、水仍然保持著在生油層中那種相互混雜的“密切關(guān)系”，但一遇適當(dāng)條件，三個(gè)好伙伴就要“分家”了。混在一起的油和水因比重不同而發(fā)生分離的現(xiàn)象叫“重力分異”，原因在于一種液體對(duì)另一種液體有浮力。有浮力托著，游離的氣就上浮到油的上面，而游離相的油將浮到水的上面。但那些溶解在油和水中的氣則只有壓力低于飽和壓力時(shí)才能從溶劑中脫出，和油、水發(fā)生重力分異。油、氣、水就這樣逐漸分離。它們一面分離，一面自然而然地與自己的同類匯聚在一起，建立各自“新的家園”。

條條大路通羅馬

——二次運(yùn)移的通道

二次運(yùn)移的道路比初次運(yùn)移要大而通暢地多，主要是連通孔隙，裂縫、斷層和不整合面。在連通孔隙中，將孔隙們連通起來的狹窄通道叫“喉道”，喉道越大，小油滴運(yùn)動(dòng)起來也就越容易。巖石中的各種裂縫對(duì)小液滴來說簡直就是寬廣的“交通大道”，有了這些裂縫，流體就可以直接從中流過，在巖石中運(yùn)移也就容易了許多。而油氣要在垂直方向上運(yùn)移，很大程度上歸功于斷層。它不僅可以沿著斷層面走，有時(shí)還可以穿過斷層從一盤到另一盤去。不整合面也可以幫助小液滴“橫著走”，在儲(chǔ)層中側(cè)向運(yùn)移。

玉手揚(yáng)鞭馬兒跑

——二次運(yùn)移受力多

在儲(chǔ)集層這個(gè)新天地里，誰會(huì)讓小液滴沉淪不前？誰會(huì)攙扶著小液滴繼續(xù)走下去？它們最終會(huì)立足在哪里？

（1）亦敵亦友——毛細(xì)管力

毛細(xì)管力是個(gè)搖擺不定的兩面派，一會(huì)兒當(dāng)阻力，一會(huì)兒當(dāng)動(dòng)力。小油滴經(jīng)過孔隙系統(tǒng)時(shí)要穿越喉道，浮力托著它變形擠進(jìn)去，這時(shí)就遇到困難了，毛細(xì)管力不讓小油滴進(jìn)。好在小油滴下面的浮力大，還是擠進(jìn)喉道中來。誰知當(dāng)小油滴要離去時(shí)，毛細(xì)管力倒成了好幫手，它協(xié)助動(dòng)力一起將小油滴向外推，讓它順順利利從一個(gè)孔隙到達(dá)另一個(gè)孔隙。

（2）黏人的膠水——吸附力

有些巖石顆?？傁氚延蜌夥肿恿粼谏磉?，它用吸附力把它們黏在自己身上，始終是妨礙油氣運(yùn)移的阻力。

（3）乘勢前進(jìn)——水動(dòng)力

水流在盆地中流動(dòng)，一般是壓實(shí)或者重力的作用結(jié)果。被蓋層和底層所夾著的一層層砂層，就像埋在地下的一根根大管子。“管子”兩端露出口的海拔高度有差別時(shí)，管中的水就要流動(dòng)。如果入口處有水源源不斷地補(bǔ)充，巖層中的水就不斷流向出口。當(dāng)小油氣滴遇到這種水動(dòng)力，就會(huì)一面滲流、一面發(fā)生重力分異，進(jìn)行著二次運(yùn)移。

（4）如有神助——構(gòu)造應(yīng)力

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以把原來水平的巖層弄得高低起伏，左傾右拱，形成背斜；可以撕開巖層、裂出口子，形成裂縫和斷層；可以將能量傳遞，讓各種動(dòng)力得以將油氣運(yùn)移。構(gòu)造應(yīng)力直接或間接地幫助著小液滴。

（5）騰云駕霧升仙境——浮力

當(dāng)四周的水流靜止時(shí)，浮力托舉著小液滴向上浮起。此刻它的心情就像飛天的嫦娥一般忐忑——上面會(huì)是什么樣呢？遇到水平地層的小油滴怕是不太幸運(yùn)，它們到達(dá)儲(chǔ)集層的頂部就分散開來，無法形成有價(jià)值的油氣藏。而如果巖層是傾斜的，那么這種期待簡直令人戰(zhàn)栗——它不斷沿著傾斜方向向上，向上，最終到達(dá)類似背斜這樣的圈閉——漂泊的旅程宣告終結(jié)，小油滴終于形成了油氣藏，在廣闊的地下找到了自己的立足之地。

功成圓滿——聚集成藏

小油滴、小氣泡經(jīng)歷初次運(yùn)移、二次運(yùn)移，從生油層進(jìn)入儲(chǔ)層，又在儲(chǔ)集層中繼續(xù)運(yùn)移。遍歷彎彎曲曲、又細(xì)又小的縫縫洞洞，它們中很大一部分散失掉了，另一些幸運(yùn)兒在浮力、水動(dòng)力等力量的共同作用下，被運(yùn)進(jìn)倉庫保存下來，成為一座座天然的地下油、氣藏（圖3），等待地質(zhì)勘探者去探尋。

[1] 王大銳，齊興宇，等. 走進(jìn)石油1：探索地下石油奧秘——石油地質(zhì)[M]. 石油工業(yè)出版社，2006-06：72-87.

[2] 蔣有錄，查明. 石油天然氣地質(zhì)與勘探 [M]. 石油工業(yè)出版社，2006-05：136-173.