油气二次运移地球化学研究基础和进展

 （川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院，四川 成都 610051）

摘  要：油气二次运移是石油地质学研究的重要内容,同时也是个受多种因素制约、涉及多学科的复杂问题。近年来,人们从不同角度探讨了油气二次运移的机理,提出了多种研究油气二次运移的方法,本文就对二次运移地化研究方法的基础进行了总结。同时提出在今后的二次运移研究工作中,要进一步加强基础理论研究,紧密联系实际,为油气勘探开发服务。

关键词：油气二次运移，研究现状，进展，地化研究方法

油气二次运移是油气从有效烃源岩的排出后向圈闭运移的过程,是形成油气藏成藏的关键，是连接烃源岩和油气藏的纽带。但由于油气运移在地层中遗留下来的踪迹较少，在实验室又难于重现其过程，而且涉及的学科也多，所以长期以来石油地质学家主要注重石油的成因和油气的生成阶段研究,而只是把不同演化阶段烃源岩和不同成熟度的油气对应^[1]，而对于从烃源岩到圈闭的运移过程就没有细致、深入的研究，使二次运移研究成为石油地质研究中最薄弱的环节。现在随着勘探技术难度的加大和精度的提高，特别是地化分析技术和认识的提高，使人们对油气的二次运移可以进行更多的研究^[2]。

目前, 关于油气二次运移的研究还处于探索和发展阶段。尤其是在以古老盆地陆相油气藏为特色的我国加速开展这项研究更具有实际意义。本文较全面、系统的总结了近年来关于二次运移机理的认识和运移过程中发生的物理化学作用,总结了以及以此为基础的二次运移地化研究方法的进展。

1. 二次运移的机理

二次运移的机理已经有很多学者提出了不同的观点，但是大家普遍接受的是原油从成熟烃源岩排出后，因其在水中的溶解度极低，便以不连续相逐渐聚集。而气相或者液相烃的密度比周围的空隙水密度小，逐渐增大的油滴或者油流要受到向上的浮力作用，当油流增大时，油流的上表面的压力也增大，当油流所受浮力能够克服局部毛细管力障碍时，便沿着运载层上倾方向向上运移。运载层中任何毛细管力的非均质性都会导致运移路径的弯曲，可以涉及到相当一部分运载层。而在均质的运载层中，运移路径就限制在上覆盖层下面的有限范围。但是从总体上看，油气在运移过程中所占据的输导层空隙体积的很小一部分^[3]。因为，决定油气是否能够运移的主要因素是油气浮力的大小，这又直接决定于连续油气相的长度。一般，在碎屑岩运载层中含油气饱和度很低时就可以达到克服毛细管压力运的要求^[4,5]。

可见，二次运移主要是以两相机制进行的^[6]，运移动力主要是浮力和水动力，阻力主要是毛细管力。运移速率在地质历史时间来看是很快的，England等模拟表明运移速度可达1000km/Ma。但是二次运移的效率却较小。主要的运移模式:沿断层垂直运移、沿不整合面和渗透层侧向运移、阶梯式运移、沿断层走向运移等。

2. 二次运移过程中的物理化学作用

从油气运移机理可见,油气在从烃源岩到圈闭的运移过程中,始终要和地层水及岩石接触,这样不可避免的要发生各种物理化学反应,在地层中留下运移痕迹,同时,油气中的某些成分也又相应的变化。这些使原油中各种组分都要发生规律性变化的物化作用有溶解、地层色层效应和运移分馏作用等。

2.1 地层色层效应 

地层色层效应是一种化合物和其它化合物以不同速度运移通过岩石中矿物基底质的假想过程。不同分子量、不同极性以及不同立体化学空间结构的化合物，在从源岩中到圈闭的运移过程中，不同程度地遭受吸附和解吸作用，这种现象我们称之为地层色层效应。石油在运移过程中，最可能与岩石中的矿物和水发生相互作用的成分，是具有官能团的、能与强酸强碱或氢键相互作用的那些化合物，如酚类、咔唑类。这已经在实验室和野外的观察中得到证实。这种地层色层效应有时可能严重的改变油气组成，甚至使油气与其母岩之间没有相关性。这在煤成油的过程中尤其明显。

2.2  溶解作用

溶解作用的研究包括两个方面，一方面是运移原油溶解捕获岩中的有机质，另一方面是原油中溶解度高的化合物散失在地层水中。据研究，在大多数情况下被溶解物质与运移原油相比，具较低的成熟度，溶解作用通常导致原油热成熟度面貌复杂化。一些参数显示较高成熟特征，因为该参数选用的化合物是石油运移部分的主要成分；另一些参数反映低成熟特征，是因为用于该参数的化合物以运移原油携带的浸人物为主。通常情况下，输导层和储层是贫有机质的，并且这些来源于溶解作用的化合物浓度与运移石油中的化合物浓度相比的确很低。然而在某些情况下，如高成熟的原油通过低成熟度的烃源岩时，由于的熟有的生标化合物含量较高成熟的油生标含量高几各数量级，所以即使少量三溶解也会导致生标特征的严重改变。同时，那些水溶性较大的化合物（如苯等），在油气运移过程中会选择性的分离，溶于地层水，造成油气的组分变化。

2. 3 运移分馏作用

物化研究研究证明：单相混合物在压力降低时，会发生相变化，由单相变为两相，其中的每种成分在两相中按蒸气压的不同而重新分配。石油中的化合物溶解度一般都随压力下降而降低。因此，油气在二次运移过程中，随运移的进行，所处环境的温压降低，导致油气中某些组分随压力降低而损失，使最后聚集的油气与原始油气相比，轻烃组分明显富集，这就是运移分馏作用

油气运移分馏作用包含两条基本机理。第一，沿着运载层运移时或油藏反转时，油气系统的压力与温度降低，在某个位置达到露点或者是泡点，形成饱和天然气的原油或饱和凝析油的天然气；第二，气相从原来液相中分离出后运移到较浅的储层重新聚集。由于剥蚀、断层活动等，引起压力下降从而导致分馏作用的产生，气体的脱溶包括低－中分子量化合物向气相的转变。所有组分按其气液平衡常数在气液两相中分配，气液相中任何二个化合物的浓度比不同，就是气液两相分离伴随的分馏作用过程。这一过程中，油气的总组成和轻烃参数都会发生变化。

3. 研究油气二次运移的地球化学方法

从上面的物化作用可以看出，在油气运移过程中,原油中不同化合物的运移效应各异，使油气中的某些组分随运移距离的增加而有规律的变化，通过地球化学追踪这些变化，就可以清楚的反映油气的二次运移路径。这样我们也可以把复杂的二次运移简化为油气的成分变化的研究。

3.1  利用原油物性变化判别油气运移方向

油气二次运移一般是沿断层垂直运移、沿不整合面和渗透层侧向运移、阶梯式运移、沿断层走向运移等，在运移过程中,随着运移距离的增加,地层原油物性参数值会沿运移方向发生变化。在运载层中,原油运移时会发生地层吸附作用，产生色层效应，轻质成分易于挥发,运移的速度更快、距离更远,在运移方向上，沥青质、非烃和芳烃减少，而石蜡烃和饱和烃含量相对增加，原油物性参数值会有所降低。所以根据实际的地质情况就可以力原油在平面上的分布特点就可以很好的辨别油气的运移方向。

3.2  根据原油有机生标物变化特征判别油气运移方向

油藏地球化学的研究成果表明，烃源岩在不同成熟阶段排出的烃类，在向油藏充注和混合的过程中，将在油田范围存在着一定的成熟度的差异，根据那些反映成熟度差异和运移效应不同的生标化合物就可以初步推断油气的充注方向。

在藿烷地球化学参数中，三环萜烷/ 五环萜烷值是与有机质母质类型、成熟度及石油运移强度都有关系的参数,在盆地有机质类型相对一致的情况下,该值仅与成熟度和运移强度相关，在成熟度一定的前提下,它能够反映石油运移强度。即三环/ 五环值越大，相对应的运移效应越强，油气运移距离越远.

在甾烷地球化学参数中，甾烷C29ααα20S/(S+ R)和C29ββ/(ββ+αα)，前者是成熟度参数，后者是良好的运移参数，两者结合可以分析油气的运移效应和方向，因为随着运移距离的增加，甾烷C29ααα20S/(S + R) 和C29ββ/(ββ+αα)值增大。甾烷(C21+C22)/(C27+ C28+C29)比值是与成熟度及运移效应同时相关的参数，也可用于研究原油的相对运移效应。

生物标志化合物由于性质稳定，不仅是油源对比的良好指标，有些也是判断油气运移的重要参数。

3.3 根据原油中性含氮化合物变化判别油气运移方向

石油在运移过程中,原油中性含氮化合物中的屏蔽型异构体极性弱,不容易与矿物或其它有机质发生相互作用而迁移性强;裸露型异构体易与矿物或其它有机物形成氢键而被吸附,其极性强、迁移速度慢。换句话说，就是，相对极性大的裸露型异构体含量随运移距离三增加二大量减少；极性小的屏蔽型化合物含量随运移距离的增加时减少的速度较慢。因此,这两类含氮化合物的相对含量能反映原油二次运移的方向与距离。含咔唑类化合物中1,8位置上被甲基取代为屏蔽型化合物。1,8位置上为氢原子取代为裸露型化合物，1,8位置上有一个烷基取代则为部分屏蔽型化合物。随油气运移距离增加， 1,8-二甲基咔唑含量逐渐增加。因此可作为运移指标的化合物比值有：1,8-/ 2,7-二甲基咔唑；1,8/ 2 ,5－二甲基咔唑；1-/2- + 3- + 4-甲基咔唑都可以作为运移的指标。同样苯并[a]咔唑/苯并[c]咔唑或苯并[a]咔唑/苯并[a]+[c]咔唑也可以作为原油运移的评价指标。

3.4  用酚类化合物含量判别油气运移方向

和含氮化合物类似，酚类化合物中烷基取代在2,6位置上，则为屏蔽型化合物。而烷基在3,4,5位置上取代化合物则为裸露型化合物。2,6位置上仅有一个甲基则为部分屏蔽型化合物。烷基苯酚为水溶解化合物，易于与水形成氢键，因而随油气运移距离的增加，屏蔽型和部分屏蔽型化合物的含量将会增加，据此可判断油气的运移方向。

3.5  原油同位素变化判别油气运移方向

油气在运移中碳同位素也会变化以来，特别是对于天然气，其所含地化信息较少时，同位素研究就更为重要。现在研究认为油气运移使油气中C轻微消耗，而轻饱和烃中C则随运移距离增加而相对富集，重质的芳烃、极性化合物和沥青质则随运移距离增加而相对消耗C，富集C。陈安定等用实验模拟和天然气甲烷碳同位素在实际平面上的分布研究证明：天然气的运移会造成明显的碳同位素分馏。一般，天然气在地层中运移时,甲烷同位素会发生分馏，而乙烷以上重烃碳同位素几乎不发生分馏。利用这些原理，可以较好地确定含油气盆地中天然气运移方向。

当然,油气的二次运移是一个非常复杂的过程,除了上面讲的溶解作用、色层效应和和运移分馏作用影响外，不同油气的混合、生物降解、气顶气从盖层的泄漏等都会影响油气的组成变化。因此在应用地化的方法进行运移方向确定的时候，应该结合实际的地质情况进行避免严重生物降解的或者其它严重影响运移指标的样品进行运移分析研究。同时，在特别复杂的地区应该结合包括物理及地球物理研究方法、数值模拟研究方法、实验模拟研究方法其它的分析研究方法进行研究。总之，油气二次运移既是基础性理论研究,又是应用性很强的研究，它的深入研究将为了将把油气勘探开发引向深入。

参考文献：

[1] Hunt J M. Petroleum geochemistry and geology(second edition),New York, W.H.Freeman and company,1996.

[2] 李明诚. 石油与天然气运移(第二版),北京:石油工业出版社,1994

[3] England, W. A., Secondary migration and accumulation of hydrocarbons, The petroleum system--from source to trap, 1994, 211-218

[4] 王志欣,张一伟.含油(气)饱和度与油(气)运移的关系.石油与天然气地质,2000(21):197－201

[5] 张发强,罗晓容,苗盛等.石油二次运移的模式及其影响因素.石油实验地质, 2003(25):69-75

[6] 李明诚. 石油与天然气运移研究综述. 石油勘探与开发,2000 ,27(4) :3～10

 来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第1期  在线投稿  >>