天然气富集的相态转变条件及对成藏的贡献.pdf

2 0 0 9年 2月 第 2 8卷第 1期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o p me nt i n Da qi n g F e b ．，2 0 0 9 Vo l _ 2 8 No ．1 文章编号 1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 0 9 O 1 4 0 0 1 45 天然气 富集 的相态转变条件及对成藏 的贡献 付 广 李 颖 石 娜 1 ．大庆石油学院地球科学学 院，黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ；2 、大庆油田有 限责任公 司第 四采油厂 ，黑龙江 大庆1 6 3 5 1 1 摘要天然气二次运移的初始相态由于受到源岩有机质类型和演化程度的影响，不同类型的有机质在不同演化 阶段排出的天然气相态不同且会发生相态的相互转换，其中水溶相 、油溶相和扩散相向游离相的转变才有利于 天然气的富集成藏。水溶相和油溶相天然气向游离相天然气转变需要埋深变浅 、温度和压力降低，而扩散相天 然气向游离相天然气转变则需要遇到浓度盖层或气藏，由此研究了水溶相 、油溶相和扩散相天然气向游离相天 然气转变及对成藏贡献量的方法，并对水溶相、油溶相和扩散相天然气向游离相天然气转变量对成藏贡献进行 了研究。结果表明 ，水 溶相 、油溶相 和扩散相向游离相转变的天然气均可成为天然气 富集成藏 的重要组成部分 。 关键词 天然气 ；水溶 相 ；油 溶相 ；扩散 相 ；游离相 ；相变 中图分类号 T El 2 1 文献标 识码 A P HAS E CHANGE CoNDI TI oNS oF GAS ENRI CHM ENT AND THEI R CoNTRI BUTI oN To RES ERVoI R I NG F U Gua ng ，L I Yi ng ， S HI Na 1 ． C o l l e g e o fE a r t h S c i e n c e s ， D a q i n g P e t r o l e u m I n s t i t u t e ， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a ；2 ． N o ． 4 O i l P r o d u c t i o n C o m p a n y ，D a q i n g O i e l d C o m p a n y L t d ． ，D a q i n g 1 6 3 5 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I ni t i a l p h a s e o f s e c o nd a r y mi g r a t i o n o f n a t u r a l g a s i s i n f l u e n c e d by t y p e a n d e v o l ut i o n d e g r e e o f o r g a n i c ma t t e r o f s o u r c e r o c k ．Di f f e r e n t t y p e s o f o r g a ni c ma t t e r d i s c h a r g e d i f f e r e n t p h a s e s o f g a s i n d i f f e r e n t e v o l u t i o n s t a g e s a n d c a n b e t r a n s f o r me d．Amo n g t h e s e p h a s e s，o n l y t r a n s f o r ma t i o n f r o m wa t e r s o l u b l e p ha s e，o i l s o l u b l e p h a s e a nd d i f f u s i v e p h a s e t o f r e e p h a s e c a n b e f a v o r a b l e f o r e nric h me n t a n d g a s r e s e r v o i r f o r mi n g． Th e f o rm e r t wo p h a s e s t r a n s f o rm a t i o n r e qu i r e s s ha l l o w b u r i e d d e p t h，l o w t e mp e r a t u r e a n d l o w p r e s s ur e，whi l e t h e l a t t e r n e e ds g a s - e n r i c h e d c a p r o c k o r g a s r e s e rvo i r ．T h i s p a p e r s t u d i e s t h e a b o v e t r a n s f o r ma t i o n f r o m wa t e r s o l u b l e p h a s e ，o i l s o l u b l e p h a s e a n d d i f f u s i v e p h a s e t o fr e e g a s a n d i t s c o n t rib u t i o n ma g n i t u d e t o r e s e rvo i r f o r mi n g，a n d s t u d i e s t r a n s f o rm a t i o n ma g n i t u d e f r o m wa t e r s o l u b l e p h a s e，o i l s o l u b l e p h a s e a n d d i f f us i v e ph a s e t o fre e g a s a n d i t s c o n t r i b u t i o n t o r e s e rvo i r f o r mi n g ． Re s u l t s s h o w t ha t n a t u r a l g a s t r a n s f o rm e d f r o m wa t e r - s o l u b l e p h a s e，o i l s o l u b l e ph a s e a n d d i f f u s i v e p h a s e c a n a l l b e c o me t he i mp o r t a nt c o mp o ne n t o f e n ric hme n t a n d f o r ma t i o n o f g a s r e s e r v o i r ． Ke y wo r ds n a t d r a l g a s；wa t e r s o l u b l e p h a s e； o i l s o l u b l e p ha s e；di f f u s i v e p h a s e； fre e p h a s e；ph a s e c h a n g e 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 3 ～ 2 1 基金项目国家 “ 9 7 3 ”重点基础研究项目 2 0 0 1 C B 2 0 9 1 0 4 资助。 作者简介付广，男，1 9 6 2年生，教授，从事油气藏形成与保存条件研究。 E ma i l f u g u a ng 2 008 1 26 ．t o m 2 大庆石油地质与开发 2 0 0 9正 天然气在地下的运移 明显不 同于石油 。除 以游离相运移外 ， 还可以水溶相 、 油溶相和扩散相等 多种形式进行运移 ， 而且不同相态的天然气在运移 过程中会 因其所处环境的改变而发生转变。但不管 天然气相态如何转变 ， 由分散状 态的水溶相 、 油溶 相 、 扩散相 向集中状态的游离相 的转变应有利于天 然气的富集成藏。相反， 天然气 由集中状态的游离 相向其它分散相态 油溶相 、 水溶相和扩散相 的转 变不利于其富集成藏。截至 目前， 虽见 到天然气相 态转变条件 的研究 J ， 但无其转变量的定量研究报 导 。因此 ， 进行水溶相 、 油溶相 、 扩散相 向游离相转 变条件研究及转变量大小 的估算 ， 对研究不 同相态 天然气成藏条件及对成藏的贡献具重要意义。 1天然气二次运移的初始相态 天然气二次运移的初始相态取决于其源岩有机 母质类型及其演化程度。由表 1可以看出，源岩有 机质类型和演化程度不同，天然气二次运移的初始 相态不同。不管源岩有机质类型和演化和其排出的 天然气相态差异如何 ，归纳起来天然气二次运移的 初始相态主要有游离相 、水溶相 、油溶相和扩散相 4种 ，只是不同的源岩在不同的演化阶段排 出天然 气相态和量的大小不同 表 1 。 表 1 天然气排出相态与源岩有机质类型及演化程度关系 Ta b l e 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t h e d i s c h a r g e p h a s e s s t a t e a n d o r g a n i c ma t t e r t y p e s o f s o u r c e r o c k a n d e v o l u t i o n d e g r e e 2相态转变机制及其地质条件 不同类型的源岩在不同的演化阶段排 出不同相 态的天然气并进入输 导层位 ，由于环境条件 的改 变 ，将发生相态改变。其中，游离相天然气进入输 导层位将发生向水溶相 、油溶相和扩散相的转变， 由集 中向分散状态转变这种相态的转变不利于天然 气聚集成藏，而水溶相 、油溶相和扩散相天然气进 入二次运移的输导层后 ，将发生向游离相态的转变 而有利于天然气富集成藏 ，但水溶相 、油溶相和扩 散相天然气 向游离相天然气转变的地质条件不同。 2 ． 1水溶相向游离相天然气转变机制及其地质条件 天然气在地层水中的溶解能力主要受到温度和 压力的影响。压力增大，天然气在水中的总溶解度 增大 ，反之则减少。温度对地层水中天然气的溶解 能力影响比较复杂 ，当温度小 于 8 0℃时，天然气 在地层水 中的溶解能力随着温度的升高逐渐减小； 当温度大于 8 O q C 时 ，天然气在地层水中的溶解能 力随着温度的升高逐渐增大。矿化度对天然气在地 层水中的溶解能力表现为 随着矿化度的升高 ，地 层水 中天然气溶解 能力减小 ，反之则增 大 。由 此可见 ，地层水 中天然气溶解度应是其所处温度和 压力的函数。天然气要从地层水中过饱和释放出来 变成游离相天然气，必须改变所处环境 压力降 低、温度升高或降低 ，才能使溶解于水中的天然 气过饱和释放发生向游离相的转变。造成这种改变 的地质条件有 2个①在沿储集层侧 向运移或沿断 层垂 向运移过程中，饱和天然气的地层水因温度和 压力逐渐降低导致其 内溶解的天然气过饱和释放向 第 2 8卷第 1 期 付广等天然气富集的相态转变条件及对成藏的贡献 3 游离相转变；②地壳抬升使得地层隆起，造成其内 温度和压力条件降低 ，导致其内孔隙水中溶解的天 然气过饱和释放向游离相转变。 2 ． 2油溶相向游离相天然气转变机制及其地质条件 天然气在油中的溶解机理比其在水中溶解机理 复杂得多 ，主要是通过天然气分子和油分子的蒂合 形成加合物方式进行 遵循相似相溶原理 。天然 气在油中的溶解能力随压力的增大而增大 ，天然气 在油中的溶解能力随着温度的升高而减小。天然气 在油中的溶解度随着原油密度 的增大而减小 。相 比 之下，压力对天然气在油中溶解能力的影响明显大 于温度和密度的影响，亦即天然气在油中的溶解能 力主要是其所处压力 的函数 J 。油溶相天然气要 变成游离相天然气 ，必需改变其所处的压力条件 ， 才能使天然气过饱和释放转变为游离相。造成这种 改变的地质条件主要有 2个 ①油在沿储集层侧 向 运移或沿断层垂向运移过程 中，因压力条件逐渐降 低 ，导致溶解于油 中的天然气过饱和转变 为游离 相；②地壳抬升使储集层隆起 ，造成其内压力条件 降低 ，导致油中溶解的天然气过饱和释放向游离相 转变。 2 ． 3扩散相向游离相天然气转变机制及其地质条件 天然气的扩散作用是 由浓度差引起的由高浓度 区向低浓度区的分子迁移过程 。要使 以扩散相运移 的天然气转变成游离相天然气 ，必须在其运移途中 遇到相对较高的含气浓度的阻挡。能够造成这种改 变的地质条件主要有 ①扩散相天然气在 向上的运 移途中遇到浓度盖层 ，由于浓度盖层 高含气浓 度产生的抑制和替代作用 ，使下伏扩散上来的天然 气向上运移受阻而转变成为游离气加入其中；②扩 散相天然气在 向上运移途 中遇到气藏时，由于气藏 高含气浓度产生的抑制和替代作用 ，使下伏扩散上 来的天然气向上运移受阻而转变成为游离气加入其 中 。 3不 同相 态天 然气 向游 离相 天 然气 转 变量及对成藏贡献 的估算方法 3 ． 1水溶相向游离相天然气转变量的估算 饱和天然气的地层水在向上运移过程 中，原来 的温度 和压力 P ． 逐渐下降为 r， 1 和 P ，当地层 水中天然气达到过饱和时 ，其中一部分天然气 由水 溶相向游离相转变 ，转变量的计算公式为 △ Q A c ‘ V w 1 △ c 。 。 2 2 4 【 ． p - 一 ] 4 [ 1 2 式 中△Q 水溶相天然 气 向游离相天 然气 的 转变量 ；△ c 地层水中温度压力改变前 、后天 然气溶解度差值 ；尺 气体常数 ；6 气体范 德华体积；V w 地层水体积； ． 地层 水在温 度 压 力 改 变 前 、后 的有 效 问 隙 度；K K 温度压力改变前 、后 天然气 的水合平衡 常 数。 由式 1 可以看 出，只要 已知饱和天然气地 层水向上运移的起止温度 、压力和地层水 的体积 ， 便可计算出水溶相天然气 向游离相 天然 气 的转变 量 ，由此量 占气藏储量比值便可确定水溶相天然气 向游离相天然气转变量对天然气成藏的贡献大小。 3 ． 2油溶相向游离相转变气量的估算 饱和天然气的油在向上运移过程 中，原来的压 力 P 逐渐下降为 P ，油 中天然气达到过饱 和，一 部分天然气由油溶相转变为游离相 ，其转变量的计 算公式为 △ Q 。 A C 。 V o 3 2 2 4 0 0K2 p2 d 。 T ACo 一 22 4 0 0Kl Pl do ⋯ 1a l K l P 】 T 式中△ Q 。 油溶相天然气 向游离相天然气 的转 变量；A C 压力改变前后 天然气在油 中溶解度 的差值 ； 油体积 ； P 。 、P 2 油溶相天然气 运移的起 、止压力 ；K 。 、K 2 油溶相天然气运移 起 、止处 的溶解 常 数 ；。 、a 2 油 溶相 天 然 气运 移起 、止处的二次作用系数 ；d 油密度 ，大庆 油平均值为 0 ． 8 6 0 9 g ／ c m ； X 油质量百分数 ， 大庆 油平均 值 为 8 5 ． 3 4 ％ ；M 油 相对分 子质 量 ，大庆油平均值为 1 5 ． 3 6 。 由式 3 可以看出，只要 已知饱和天然气油 运移的起止压力 以及油体积，便可计算出运移过程 中油溶相向游离相 的转变量 ，由此量 占气藏储量 比 值便可确定油溶相天然气向游离相天然气转变量对 天然气成藏的贡献大小。 大庆石油地质 与开发 3 ． 3扩散相向游离相天然气转变量及对成藏贡献的 估算 扩散相天然气 向游离相天然气转变量主要受运 移途中上覆浓度盖层或气藏形成时期的相对早晚的 制约 ，浓度盖层或气藏形成时间越早，被其封闭向 游离相 转 变 的扩 散相 天 然 气量 越 大；反 之则 越 小 J 。因此 ，可以根据被上 覆浓度盖层或气 藏封 闭的天然气扩散量估算扩散相天然气向游离相天然 气转变量的大小 ，即有 rr 』 ， 、 Q d 』 D - s d t 5 “ - 式 中Q 被浓度盖层或气藏封闭 的天然气扩 散量或扩 散相天 然气 向游 离相 天然气 的转变 量； r 竿 天然气向上扩散运移的浓度梯度；D [ 上t 天然气扩散 系数 ；S 天然气扩散面积 ；卜 上覆浓度盖层或气藏开始形成至现今的时问。 由式 5 可见 ，只要按文献 [ 6 ] 中方法确 定上覆浓度盖层或气藏形成时间 ，便可得到天然气 自上覆浓度盖层或气藏形成后至今的扩散时问，再 利用已知的天然气扩散系数 、含气浓度和扩散面积 计算 出被上覆浓度盖层或气藏封闭的扩散相天然气 量 ，由此量 占源岩总扩散量 比值便可确定扩散相天 然气向游离相天然气转变量对天然气成藏的贡献 。 4应用实例 4 ． 1水溶相向游离相天然气转变量及对成藏的贡献 阿拉新 、二站气田位于松辽盆地西部斜坡区太 康隆起区西部，圈闭构造 为继 承性 发育的鼻状构 造 ，主要产气层是萨尔图油层 ，天然气主要来源于 齐家古龙凹陷的嫩一段烃源岩，盖层为上覆嫩二段 发育的大套泥岩。该 区嫩一段烃源岩于四方台～ 明 水组沉积末期 ，进入排气高峰，开始向外大量排 出 天然气 ，故此时排出的地层孔隙水应是被天然气饱 和的 。这些饱和天然气 的地层水 从嫩一段源岩 排出后进入萨尔图油层 ，再沿 萨尔图油层 向阿拉 新 、二站气田运移 。在这一过程中，由于温度和压 力逐渐降低 ，地层水中天然气过饱和，使部分水溶 相天然气逐渐释放出来变成游离相 ，这些游离相天 然气在浮力作用下沿萨尔 图油层 向阿拉新 、二站气 田运移聚集。随着地 层水逐渐远离 齐家一古 龙 凹 陷，其温度和压力降低幅度逐渐增大，释放出来变 成游离相的天然气也越来越多。根据古龙凹陷嫩一 段源岩和阿拉新 、二站气 田萨尔图油层埋深计算地 20 0 9钽 层中从古龙凹陷向阿拉新 、二站气田运移过程中温 度和压力的变化 ，由式 1 计算得到阿拉新 、二 站气 田获得 的水溶相天然气 向游离相天然气转变量 约为 1 1 ． 3 5 X 1 0 I l l ，约 占 2个气 田天然气地质储 量的 2 4 ． 6 ％ ，说明水溶相 向游 离相转变气量是 2 个气 田天然气富集成藏的重要部分。 4 ． 2油溶相天然气向游离相天然气转变量及对成藏 的贡 献 喇麻甸气 田位于大庆长垣北部喇麻甸构造上 ， 该构造为西 陡、东缓 的不对称短轴背斜 ，T 反射 层构造圈闭上发育 1 4条正断层 ，北西向两组大断 裂将背斜切割成南 、中、北三大块。天然气主要产 于萨尔图油层 ，天然气主要来源于两侧 的齐家凹陷 和三肇凹陷部分嫩一段烃源岩 ，盖层为上覆嫩二段 发育 的大套泥岩。 南该 区镜质体反射率 资料可知 ， 该 区嫩一段烃 源岩镜质体反射率为 1 ． 0 2 ％ ， 目前已进人大量生油 门限， 开始大量 向外排出油气 ， 故此时排出的原油应 是被天然气所饱和的。这些饱和天然气的原油从嫩 一 段源岩排出后进入萨尔图油层 ， 再沿萨尔 图油层 向喇嘛甸气 田运移 图 1 。在这一过程 中， 由于温 度和压力的不断降低 ， 原油中天然气过饱和， 使部分 油溶相天然气逐渐释放 来变成游离相 ， 这些游离 相的天然气在浮力作用下 向喇麻甸构造顶部聚集成 藏。根据齐家 凹陷和 肇 凹陷嫩一段源岩和喇嘛甸 气 田萨尔图油层埋深计算油由齐家凹陷和三肇凹陷 向喇麻甸气藏运移过程 中的压力变化， 由式 3 计 算得到该气田获得的油溶相天然气向游离相天然气 转变量约为 3 ． 3 5 X 1 0 m ， 约 占其储量的6 ． 1 ％。由 此可见 ， 油溶相天然气 向游离相天然气转变量应是 该气 田天然气富集成藏的重要部分。 囤 钿 园分割槽团 方 向 团萨 能 图1喇嘛甸气田油势能场 Fi g ．1 0i 1 po te nti al e ne rg y fi el d an al ysi s of L a mad i an Gas f i e1 d 第2 8卷第 1 期 付广等天然气富集的相态转变条件及对成藏的贡献 ‘ 5 4 ． 3扩散相向游离相天然气转变量及对成藏的贡献 三肇 凹陷位于松辽盆地中央凹陷区内，含油气 层较多 ，其中位于下白垩统泉三 、四段的杨大城子 油层和扶余油层是该区的重要产气层位。油气钻探 表明，扶 、杨油层主要发育的滨浅湖相和三角洲相 的砂岩和粉砂岩孑 L 渗条件好，是有利的储集层。天 然气主要来 自下伏下 白垩统沙河子组气源岩 ，盖层 为青山口组发育 的大套暗色泥岩，目前已发现汪家 屯 、宋站 、羊草 、升平 、长春岭等气 田，是松辽盆 地北部天然气的重要产 区。该区青山口组暗色泥岩 厚度大，沉积速率快 ，使其上 、下与储集层相邻 的 部分首先被压实 ，排出大量的孔隙水 ，孔隙度 、渗 透率减小而形成致密带 ，阻止了其内大量孔隙水的 向外排出。同时 ，由于致密带的形成使青山口组泥 岩中因蒙脱石 向伊利石转化释放出的高密度束缚水 进入粒间变成低密度 的膨胀 自由水不能及时排出。 青山口组暗色泥岩具有较强的生气能力 ，有机质丰 度高，有 机 碳 含 量 为 0 ． 9 ％ ～2 ． 8 ％，氯仿 沥青 “ A”为 0 ． 0 9 ％ ～0 ． 5 1 ％ ，总烃含量为 9 0 01 0 ～ 3 4 0 01 0 ～mg ／ g ，母质类 型主要以型干酪根为 主 ，镜质体反射率 为 0 ． 5 1 ％ ～1 ． 2 6 ％ ，目前 已进 人大量生气阶段 。由于致密带的存在 ，其生成的大 量油气难以和粘土矿物转化脱水的大量孔隙水及时 排出 ，导致该 区青 山 口组泥岩均存在欠压实 ，具 异常高压 。该区青 山 口组 泥岩 由于异常高压的 存在 ，增大了天然气在其 内孔隙水 中的溶解能力， 使其具有比正常压实泥岩更高的含气浓度。 由文献 [ 1 1 ]可知，该区青 山 口组泥岩 对下 伏 向上扩散运移的天然气具有抑制封闭作用 ，下伏 沙河子组气源岩生成的天然气在向上覆地层 中扩散 运移，当达到青山口组泥岩之下时，由于其 内孑 L 隙 水 中高含气浓度的作用 ，使运移上来的天然气受阻 在青山口组泥岩盖层之下聚集 ，当其量超过孔隙水 的溶解能力后 ，一部分扩散相天然气就会变成游离 相天然气在青山口组泥岩盖层之下聚集。按照文献 [ 1 1 ]中提出的天然气扩散参数 的确定方法 ，根据 研究 区沙河子组和扶 、杨油层埋深计算对应的天然 气扩散系数和含气浓度 ，由式 5 可以计算得到 该凹陷 自上覆青山 口组浓度盖层形成之后沙河子组 源岩 向上的天然气扩散量约为 2 ． 8 4 41 0 m ，如 果这部分扩散相天然气能全部转变成游 离相 天然 气 ，约占沙河 子组气 源岩总生气量 的 1 4 ． 7 ％ ，说 明扩散相天然气向游离相天然气的转变量应是该区 天然气富集的重要组成部分 ，为扶 、扬油层天然气 的聚集成藏提供了有效气源。 5结 论 1 不 同类型有机质在不 同演化 阶段排 的 天然气相态不同，主要有游离相 、水溶相 、油溶相 和扩散相 4种。 2 天然气在 二次运移过程 中相态可发生相 互转变 ，但只有从水溶相 、油溶相和扩散相天然气 向游离相天然气转变时才有利于天然气的富集成 藏。油溶相和水溶相向游离相转变均需要降低其埋 深 、温度和压力 ，而扩散相 向游离相的转变则需要 在向上的运移途中遇到浓度盖层或气藏 。 3 水溶相 、油溶相 和扩 散相天然气 向游 离 相天然气 的转变量均可定量研究 ，它们应是天然气 富集成藏不可缺少的组成部分 。 参考文献 [ 1 ]庞雄 奇，陈章 明，陈发景 ．含油气 盆地地 史 、热史生 留排烃 史数值模拟 及烃 源 岩定 量 评 价 [ M] ．北京 地质 出版社 ， l 9 9 3 ． [ 2 ]付 广 ，张云峰 ，陈章 明 ．有 效水 溶 释 放气 量 及 其研 究 意 义 [ J ]． 沉积学报 ，2 0 0 0 ，1 8 1 1 5 8 1 6 1 ． [ 3 ]付 广 ，薛 永超 ，天 然气运 移相态 及其变 化 [ J ]．海 洋石油 ， 2 0 0 1 ，2 2 2 5 3 0 ． [ 4]付广 ，张发强 ，吕延防 ．泥岩 盖层封 闭游离 相天然气 有效性 及其研究方 法 [ J ]．大庆 石 油地质 与开发 ，1 9 9 8 ，1 7 6 8 ． 1 5 ． [ 5 ]李海燕 ，付广 ，彭仕宓 ．气藏天 然气扩散 散失量 的定量 研究 [ J ]．大庆石油地 质与开发 ，2 0 0 1 ，2 0 6 2 5 2 7 ． [ 6 ]付 广 ，庞 雄奇 ，杨勉 ，等 ．天 然气 运 聚相 态及 其 研究 意 义 [ J ]． 中国海 上油气 地质 ，2 0 0 0，1 4 2 1 1 2 1 1 7 ． [ 7 ]付 晓泰 ，王振平 ，卢双舫 ．气体 在水 中的溶解机 理及溶 解方 程 [ J ]．中国科学 B辑，】 9 9 6 ，2 6 2 】 2 4 ． 1 3 0 ． [ 8 ]薛海涛．天然气在大庆原油中的溶解度 [ J ]． 大庆石油学院 学报 ，2 0 01 ，2 5 2 1 2 - 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