油气地质学新进展.pdf

油气 地质学 新进展 王荣华 侯启军 徐树宝 吴国政 编译 石 油 工 业 出 版 社 内 容 提 要 战后 几十年 , 随 着石油 和天 然气工 业迅 速发展 , 发现 , 油 气 地 质学的 一些理 论、 概念与 地下 烃类的 实际 埋藏有 很大差 异。 本 书 从新的 视角为 解决 一些有 争议 的油气 藏形 成和烃 类成因 问题 提 供 了途径 。 本书 可作为 石油 地质工 作者 和相关 专业 大学生 的参考 书。 图书在版编目 CIP 数据 油气地质学新进展/ 王荣华编译 . 北京 石油工业出版社 , 2000.12 ISBN 7 - 5021 - 3240 - 6 Ⅰ. 油 Ⅱ. 王⋯ Ⅲ. 石油天然气地质 - 研究 Ⅳ.P618.13 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2000 第 79848 号 石 油工 业出版 社出版 100011 北京安 定门 外安华 里二 区一号 楼 河北省 徐水 县印刷 厂排版 印刷 新华 书店 北京发 行所发 行 * 8501168 毫米 32 开本 6.375 印 张 176 千字 印 11000 2000 年 12 月北 京第 1 版 2000 年 12 月河 北第 1 次印刷 ISBN 7 - 5021 - 3240 - 6/ TE 2456 定 价16.00 元 编译者的话 本书主要根据 Н.А. 叶廖缅科 俄、Г.В. 奇林加尔 美 合著的 世纪之交 油气地质学 俄罗斯科学出版社, 1996 及其它相关国外文献编译而成。 本书分析研究了 20 世纪末期石油天然气地质学的基础理论 问题, 对已被广泛接受的科学原理进行了简要的论述和必要的补 充, 整个论述都是从油气地质学的科学观点出发, 对有争议的问 题进行了较详细的分析。例如, 在描述含油层系时, 着重论述了 相环境及其储集性能和流体压力性质; 对地壳中岩石水有机 物系统在温度变化的条件下演化给予极大关注, 提出了“临界油 藏”的概念; 为了满足油气普查、勘探和开发需要, 根据油储和 油藏的一定特性, 对油藏类型进行新的分类; 用新思路详细研究 了在温压改变的情况下地层中的异常现象和油、气、水的相互关 系, 发展了石油成因理论, 认为沉积岩层的非均质性和动应力是 促使有机质演化和初次运移的重要因素。 总之, 该书比较全面系统地论述了油气地质学的最新进展, 希望它的出版能为我国油气地质研究与勘探工作起到积极作用。 在本书的编译过程中得到了大庆勘探开发研究院蔡天成高级 工程师大力帮助, 在此表示衷心的感谢。由于时间仓促, 水平有 限, 谬误之处, 请批评指正。 编 译 者 2000 年 12 月于大庆 目 录 第一章 科学中的系统方法1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、自然系统及其分类的基本知识1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、岩石、水、有机物、天然气自然系统9⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二章 油气层11⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、油气层的组成11⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、油气储集层13⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、盖层23⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、岩层中不均衡的能量强度30⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 五、油潴42⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三章 水48⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、物理化学性质48⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、水压系统54⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四章 原油64⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、原油组分64⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、原油分类的新方向66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五章 天然气和凝析物78⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、天然气的成分78⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、天然气中的同位素成分79⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、天然气的物理性质83⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、相态转化和凝析物88⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六章 岩石中分散的有机物质94⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、在有机溶剂中不溶的有机质部分 干酪根94⋯⋯⋯⋯ 二、可溶于有机溶剂的分散有机质104⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、可溶性和不溶性有机质的联合研究110⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七章 油气聚集及地壳中的含油气单元116⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、油气藏、 圈闭、 储量、 流体性质和产量的分类原则116⋯⋯ 二、油气藏按相变的分类119⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、油气藏按圈闭类型的分类原则130⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、油气田及其垂向分带性135⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 五、油气藏在沉积盆地中的分布特征141⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八章 油气藏的形成147⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、烃类的初次运移, 介质的非均质性及其在水和气中 的溶解和扩散147⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、游离相的初次聚集和二次运移156⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、油气藏形成的时间166⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第九章 石油的成因170⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、对原始有机质及其演化条件的开拓性认识170⋯⋯⋯⋯⋯ 二、有机质演化的阶段性和周期性175⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、能量在石油形成过程中的作用179⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 结束语186⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献188⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一章 科学中的系统方法 一、自然系统及其分类的基本知识 尽管有政治、经济、军事方面的危机, 但是全世界石油和天 然气的消费仍在增加, 而且, 由于现今这一代人的利己主义, 生 态恶化日益加剧。无论对未来如何担忧, 也不能迫使人类放弃在 保障能源 诸如石油与天然气 供给方面的技术进步。人类在和 平利用原子能的过程中, 在碰过“钉子”的同时, 也在生态保护 方面获得了成功。尽管如此, 发电站、船只、内燃机至今还不能 更多地利用其它能源, 石油和天然气的消费还将增加。只有在地 下存在油气储量及资源时, 才能保障消费的增长。应该确认这样 的论断, 地下矿产资源是不可再生的, 应对这个论点需要作一些 修正, 从碳氢化合物在地下无机合成的假说出发, 那么, 这一过 程则是永不间断的。从来也没有研究地下深处碳氢化合物合成和 充实这部分资源速度的问题, 许多学者否定这种无机说能形成油 气藏 观 点。按 照 一 些 有 机 论 者 维 别 尔 等 人,1966; 米 勒, 1991; 亨特, 1979 的观点, 碳氢化合物可以在更新世和现代的 沉积中形成。J.M. 亨特认为, 将近 9的碳氢化合物是直接从 沉积物中活的生物演化而来, 所以, 油气藏是可以在现代沉积中 形成的, 这是不能忽视的因素。除了不可再生, 或更确切地说, 除有非常微弱的补偿以外, 烃类的开采还很复杂。在深度 4km 以内的盆地中, 背斜圈闭油藏分布最广, 大多数都已发现, 在更 深处和海洋盆地的边缘 或内部 分布有特殊油藏, 需要特殊的 方法来勘探。这就促使了地球物理勘探 特别是各种地震勘探方 法、地球化学勘探、甚至卫星遥感勘探的加速发展。同时也改 进了钻探技术, 特别是速度的提高, 不停钻也能取岩心和流体, 而且能在产油层进行水平钻井。根据相邻学科 物理、化学、地 1 球化学、大地构造学、岩石学等学科 的新成果来重新审查某些 理论观点, 是势在必行的。 从 Z. 拉马克 1744～1829 和 C. 达尔 文 1809～1882 开始, 自然科学就引入了研究自然的直观的系统方法。但是直观 法具有主观性。希望客观地研究事物或现象只能依靠对科学方法 论的详细、深入的研究。哲学家 F. 培根和哲学家兼数学家 R. 笛卡尔为科学方法论的发展奠定了基础。首先要肯定, 只有正确 的方法才能带来知识; 其次要肯定, 定理或假设应该成为科学的 合乎逻辑的学说, 而不能招致什么疑惑。这两个论点至今不可动 摇, 而且 在此 基础 上发 展起 了系 统 系 统结 构 方 法。正 如 A.H. 德米特里叶夫斯基指出的那样, “系统性是物质世界构成 的普遍规律”1933, 第 2 页。同时, H.B. 洛帕京的认识也是 正确的, 他指出, “即使是完善的科学研究方法论, 也不能保证 获得真正的知识, 因为, 在很多情况下取决于可靠的经验, 取决 于有区别的理论资料, 取决于科学家的素质, 乃至洞察力和创造 性的想象” 洛帕京, 1983,第 22 页。在地质学中, 包括石油 地质学, В.Г. 阿法纳西叶夫、М.Т. 阿巴索夫、А.И. 别尔克、 М.Д. 别洛尼娜、А.А. 鲍格达洛夫、И.О. 勃罗德、А.А. 巴 基罗夫、В.В. 别洛乌索夫、Л.А. 布里亚科夫斯基、А.Н. 德 米特里叶夫斯基、Н.А. 叶廖缅科、А.Э. 康托罗维奇、Ю.А. 科瑟金、Н.Л. 库宁、Н.В. 洛帕京、В.Д. 纳利夫金、А.А. 特 罗菲穆克等人的著作对系统方法的发展起了重大的影响。 对“系统”的概念有很多的定义, 但所有这些定义的共同缺 陷都是不甚明确。可以举下面两个例子, В.Г. 阿法纳西叶夫对 系统这一概念的定义是“系统是相互联系因素的综合体” 第 39 页。与前者相比, Д.М. 格里希安对系统的定义 1980 多少 明确一些, 认为, 系统是“构成某一整体相互联系因素的综合 体” 。这里的不明 确之处就在于“相互联系 因素” 与“某一 整 体” 。到底是什么样的因素 是什么样的相互联系 相同的,相 2 差大的, 不同量的 是物理联系, 还是逻辑联系 就其整体而 言, 是逻辑的,力学的,能量的, 还是其它任何一种联系 不 过, 谈到这一定义时, 评论比创立要容易得多。我们力求使该定 义接近石油地质理论问题的研究目标。根据上述定义, 可以用最 普通的方式来表达 地质系统是构成统一整体, 而又各具时代变 化特性的岩石圈的相互联系的自然因素的总和。这里下的定义最 接近 Л.А. 布里亚科夫斯基等人著作 1990 中的思想。这里所 说的相互联系因素指的是发生在自然界中的包罗这些因素的各种 过程的全部, 这些过程最终不仅导致组成因素的变化, 而且导致 整个系统的实质性变化, 即出现新的系统。 在系 统 研 究 过 程 中,很 多 作 者 В.Г. 阿 法 纳 西 叶 夫、 Ю.А. 科瑟金等 建议运用最普通的系统结构分析。我们完全赞 同这种建议, 相互作用规律不仅出现在系统的因素之间 内部规 律 , 而且出现在不同系统之间 外部规律 , 要把这种广泛的涵 义贯穿到结构分析概念中去。当然, 是否把现有的方法论的建议 具体运用到了地质系统, 其中包括自然地质分类 结构分级的或 起源成因的地质分类 , 至今尚不知晓。任何一门科学的发展都 不可避免地要从分类开始。观察自然对象,把它们变为研究目 标, 这是分类的不可回避的第一步。 “分类使科学技术从经验知识的积累走向理论总结、系统方 法的高度。只有在对各种因素有了理论认识的情况下, 系统方法 才能得以实现。实际上, 分类的必要性促进了科学技术理论观念 的发展, 分类的建立使知识发展发生质的飞跃。以牢固的科学基 础为依据的分类不仅是对科学 技术 状态或其部分科学的全面 描述, 而且, 也能对不太清楚的因素或规律作出有根有据的预 测。根据门捷列夫的周期系统预测未知元素的特性就是一例。 ” 雅库申, 1975。 分类的建立有两种方法 演绎法和归纳法。 第一种方法用于划分原始的一般性概念, 用于在分类过程中 3 的从属概念的划分。分类体系本身所用的方法保证了划分基础的 统一性和分类的稳定性。第二种方法是对个别对象的概念或对所 有对象的总概念按类合并。与第一种方法相比, 逻辑的统一和分 类的稳定就比较难以保证。演绎法便于知识领域的系统化, 归纳 法便于实际材料的处理。这两种方法反映了自然科学研究中的两 个方面 分析与综合。 “然而, 要强调指出, 方法论中的工作 顺序毕竟要保持一定程度的稳定, 先分析, 然后在分析的基础上 超越分析, 即综合”克德罗夫, 1980。 在“超越”分析的综合方面, 地质科学 包括石油地质学在 内 严重落后, 下面简要谈一谈其落后的原因。 形式 数理 逻辑在建立分类时承认, 必须遵循划分概念的 规则。其规则 按科瑟金等人的主张, 1978 如下 1 事物的分类应该严密而精确, 即使不十分严密, 首先也 要使它们的每一类有别于其他类, 其次要能够在它们之间找到相 似点。 2 应按对象所具有的确定的唯一特征以类、亚类等形式分 类。 3 可以分类的全部对象都应各归其类。 4 可以分类的每一个对象应各归一类, 而且, 一个对象只 能归一个类 亚纲、种、亚种等。 5 如果进一步细分类, 任何一类中的对象至少要分为两个 亚类。 因此, 在建立分类时, 形式逻辑规则要求用演绎法。在地质 科学中, 通常 用 归 纳 法建 立 分 类。这 样,新 的“属” 具 有 该 “属”的固有的特性 现象 , 它是由“种”类对象的集合构成的 这里的“种” 、 “属” 、 “纲”只限于附属分类这一涵义。同时, 分类也常常出现复杂情形, 某些“种”消失了, 而一些以前不存 在的新的“种”出现了。可以把这些“种”分成类 如某些次生 矿 , 而这类对象只可在“属”概念中存在。 4 Ю.А. 科瑟金与其合著者 1978 年十分确切地指出 “通常认 为, 分类 划类分析 是由以下几个步骤组成的 1 划出若干应该作分类分析的对象 具体的对象。 2 确立这些对象的特征。 3 揭示对象中的特征分布。 4 按特征分布把对象加以归类。 5 在分级结构分类中, 确立分类的并列从属关系。 这时, 通常明显地或不明显地应用以下形式规则 1 分类应该是离散的, 即任何一个对象只能属于同一级分 类中的一种。 2 对象特征能够作为个别特征表现出来。 3 可原则上给对象的特征作出一个明确的 范畴上的 可 靠的判断。 4 可原则上也能对对象 1 的特征和对象 2 相应的同一特征 做出同样的判断。 ” 在进行自然对象分类时, 如果执行了全部五个步骤和四项规 则, 就不会有任何分类问题了。实际上也是如此, 四项规则没有 一项是可以不遵循的。进而可以说, 在建立分类时我们不能忽视 在划分概念范围方面的某些规则。坚持分类到底的准则往往不适 用, 恪守分类的连续性和相称性, 恪守种类不可取消, 其结果只 能是牵强附会。恪守分类的离散性会使分类更加零碎, 带有移转 演替的特征。混杂类会影响分类的连续性。地质学中的通用方法 与正式规则的任何一条都不相符, 因而, 岩石就不可避免地分为 沉积岩、火山岩、变质岩。所谓研究出来的特征实际上常常是按 照类推猜想出来的。所以, 对对象这些特征的判断是概率论的判 断。 “实际的或可能的特征多样性会使我们不是根据特征的有无, 而往往是根据其出现的频率来评价分类”科瑟金等, 1978。 因此, 在建立分类时, 形式逻辑演绎法与地质科学所用的归 纳法之间存在着明显的矛盾。用数理逻辑归纳法建立起来的分类 5 评价的任何尝试都会导致否定的结果。А.А. 特罗菲穆克等人的 著作 1963 就是一例。非常遗憾, 在形式逻辑文献中尽管建议 用归纳法建立分类, 但我们根本找不到任何标准。显然, 从分析 到综合这一“超越” Б.М. 克德罗夫, 参见前文 过程需要对 形式逻辑的有关划分作进一步的详细分析。 形式逻辑规则难以用于地质学的原因之一是研究对象的性质 特性 特殊。在地质学中,对存在的事物物体进行客观的研 究。在形式逻辑中利用抽象思维、思维结果、十分有限的相应术 语和定义时, 只有这些事物具有一定程度的可靠性时 有时非常 小 才能在研究对象中获得表现和反映。 我们从形式逻辑的一个原始概念着手, 即从一个集着手。就 是说, 任何分类都从选择的定义和集的限制开始。对分类研究来 说, 选择集而且对它作一定的限制是必要的。虽然某些对象是根 据一种普通存在的特征定义的, 但在数理逻辑的同一集内要对这 些对象的某种集合加以研究。当然, 像油藏、日蚀、地质构造、 时间这类对象, 无论如何也不能考虑到一个集合去。从形式逻辑 的观点出发, 这种“集合”是不合规则的。但把油藏 或气藏、 圈闭、油田、含油气区、含油气带、含油气州、含油气大区、含 油气盆地、含油气省、含油气大地构造单元统一在同一集合中, 不知为什么有人认为这是完全可以接受的。由于石油地质学中所 存在的概念混乱而又没有准确的术语, 因而, 可以认为, 这里的 “集合”第一方面指的是事物 油藏 的一种情形, 在数量和质 量上有一个量度; 第二方面指的是面积 面积、地域等等 ,有 面积 M 2 量 度; 第三方 面指 的是构 造,即地层 的空 间结 构 这里 M 3 不能反映实质; 最后, 第四方面指的是时间 在了解 盆地或含油气省时具有历史的涵义。十分明显, 从形式逻辑的 观点来看, 建立在这种“集合”上的分类 尤其是分级结构 , 是根本站不住脚的。但是建立在这种“集合”上的或“集合”的 一部分上的分类得到了石油工作者的赞许。在形式逻辑中, 集概 6 念本身的分类 如“对象的集合” 指的是离散性。然而, 在地 质学中一方面分为“连续性” , 即相互联系过程或其表现的一致 性, 仅只用于分析方法中的划分; 另一方面, 在地质学的分级结 构中发现阶段进程有质的突变, 新的特性出现了, 旧的特性消失 了。在上述“集合”中, 可以在成分之间建立起源关系。这种关 系不是彼此之间的过渡, 而是一种对象的性质随另一种对象的状 态与性质的改变。其结果是按起源成因分类的这种“集合”或其 “子集”的多次尝试。就是说, 在建立这种分类时,不用形式逻 辑中方法论的详细分析而尝试建立起源成因的分类有时是自然的 分类。 传统逻辑中的“集合”的概念只能非常有限地用于地质科 学。我们分析一下“矿物”这个集的概念。矿物是一个开放性集 合, 具有复杂组合的特点, 随着地壳时间的变化, 矿物有很多组 合与新生的规律。很难确定“矿物”这个集的范围, 因为矿物在 自然环境中是不断变化的。某些矿物结合后生成新的矿物, 就是 说, 集里的成员数量减少了。另一种情况则是分化出新的矿物, 就是说, 集合里的成员数量增加了。而且, 在演化过程中, 矿物 的某些部分可以获得新的性质, 并转变到别的集合, 因而分布到 分级结构的不同级别中去了, 譬如, 能够形成低一级的化学元素 或者高一级的种类。在石油地质学中, 沥青系列包含从碳沥青开 始到石油天然气为止的各种矿物, 这个矿物集合就可以看作“开 放性集合” 。它们之间复杂的相互联系、相互作用、不同的成因、 不同矿物 如石油与天然气 形成于同一环境的可能性, 或者相 反, 同一矿物 如天然气 形成于完全不同环境的可能性, 温压 状况的改变所引起的复杂变化与相互转化, 这些因素的存在就难 以选定它们的实际特征, 只有根据它们的实际特征才能按形式逻 辑的标准对它们作出自然的分类。即使把“开放性集合”的研究 范围缩小到三个因素 石油、天然气和凝析油, 按“成分”来详 细分析油气藏的类型,建立其自然分类也是一个非常复杂的课 7 题。事实上, 连续系列的存在, 无数实际自然类的存在及它们在 客观条件 其中包括分类条件详细分析 改变时的相互转化必 然会导致概念划分上的交叉及对形式逻辑规则的破坏。 地质学中的成因 尤其是石油地质学中的成因 是极其重要 的。然而, 怎样来认识它们呢 就形式逻辑的涵义来说, 很少有 人建议用整体来定义部分, 这在自然科学中有时称之为借助属来 定义类别。 在按概念分类规则构成的自然分级结构的分类中, 从属 集 里的子集 中划分的各类都保持有自己类别的实质特征。实质上 得到的只是机械的组合与划分。这是古希腊朴素的唯物主义观念 所固有的原则, 从亚里士多德时代开始它就存在于形式逻辑中。 在分级结构的地质体中, 一切都是特别复杂的。地质体受生成过 程的影响, 生成过程受本身的规律所限制, 而且也能导致深刻的 质变。进入矿物 或其他化合物 中的元素在本质上改变了自己 的特性。例如, 氢元素和氧元素的共同特点是什么 也正是这两 个元素构成了矿物 水。下一级物体简单机械的组合不会导致 上一级物体的形成。从形式逻辑的观点出发, 这是早应料到的。 以花岗岩这种岩石的结构成分为例, 不管它们是什么时候结合在 一起的, 在它们化合成岩石的某种 生成 过程结束之前, 花岗 岩这种岩石是不会形成的。聚集起来的成分重新组合构成岩石需 要高温和高压。而且重新生成的岩石不是花岗岩, 而是另一种岩 石 片麻岩, 因为组成花岗岩的成分本身只在形成花岗岩的过 程中出现。 总括前面所说的内容, 可以得一个结论 在全部地质学 其 中包括石油地质学 中, 分类时要研究各种不同性质的集及它们 之间的联系, 而不是从形式上选定特征的一致性, 而是有质量突 变特征的演化 生成 过程。在数理逻辑中没有深入研究类似的 起源成因分类的方法。系统概念则完全适合于地质对象的研究和 地质分级结构的建立。 8 二、岩石、水、有机物、天然气自然系统 这样, 科学研究的系统和系统方法在地质问题的研究中是自 然的和必不可少的。系统方法不应该看作是元素的简单集合。系 统结构始终存在于不停的运动之中,存在于相互联系的变化之 中, 存在于元素之间的相互转化之中, 存在于同外部系统的相互 作用之中。通常, 这些过程是物化过程。但原则上讲, 它们可以 是任何种类的过程。在这种情况下, 系统能量状况的变化非常重 要。可以肯定地说, 能量是系统的本质特征。看来, 研究问题的 广义方法应该涉及整个系统的能量状况, 而不是个别元素或能量 的种类。我们同意 В.Е. 科马罗夫的 观点 1984,第 163 页 , “地球正是以自己的‘下部构造层’包括地心 这种矛盾的统一 作为自己的进化根源” 。地壳划分的任一系统都有能量的表现, 哪怕是最小的系统都应该能识别出来。所建立的地质系统的能量 Е 是地壳环境中潜能 包括弹性的和地表 的П、动能 К、自由能 化学的 С 的总和, 但它不是一个常数 Е ПКС≠常数 在所有上述不等量成分之间存在着复杂的转化, 而且, 总的 变化趋势不是在今天的每个地质系统中都能看得出来的。 应该把系统的划分和限定看作是系统分析的第一步。确定系 统的界限是系统结构分析中重要的一步。这些界限决定了逻辑理 论基础的“假设”杰卡尔特, 1950 , 而且在很大范围内预先确 定了认识事物的“正确方法”培根, 1938。在石油地质学中常 常选择沉积组合 建造 或沉积盆地作为基础 支撑 系统。例 如, 按照 А.Н. 德米特里叶夫的说法, “含油气的, 乃至远景的 或可能含油气的组合是一个复杂的系统⋯⋯” 德米特里叶夫等 人, 1982, 第 6 页。或者, 按 Н.В. 洛帕京的说法, “一个沉积 盆地的完整系统是由多构造层、多套沉积岩系及其内部的矿物、 9 水和天然气 流体、沉积化石和微生物等多种元素相互组合而 成。 ”洛帕京, 1983, 第 12 页。有很多学者 德米特里叶夫斯 基, 1982; 德米特 里叶夫 斯基 等, 1992; 布里 亚科 夫斯 基等, 1984; 等 采用了类似的分类系统。在对很多石油地质问题的认 识和分级结构的建立中, 这是不可回避的一步。 从最简单的、包括物质基本元素的系统开始分析, 这是适合 的。当然, 根据需解决的问题, 可以进一步划分很多别的系统或 子系统, 但在第一阶段可只划分出由以下元素组成的系统 岩 石、水、有机物 或其演化物 和天然气, 在一个有限的地质空 间中, 上述元素的同时存在并且相互联系是对一个系统分类的共 同基础。在这种情况下, 部分岩石 矿物 毫无条件地成了主要 的基本元素, 但其他组成元素在系统的发展中不是中立的, 而是 存在着元素与岩石基质之间相互作用。且各元素的质量大小不 一。通常, 岩石构成了系统质量或体积的百分之几十 除煤炭和 泥炭外 , 水和蒸汽充满了岩石的孔隙, 其量的比例可从百分之 十几到零之间变化, 有机物或其转化物占百分之几, 有时高达百 分之十 泥炭、煤炭 , 有时少得可怜。天然气与系统中的其它 元素融为一体。某些元素及整个系统对温压变化和地化状况的变 化特别敏感。这些问题的研究详见本书以下几章。 01 第二章 油 气 层 一、油气层的组成 在前面所述的岩石水有机物天然气系统中, 岩石是主 要的。在地壳中含油气的岩层与非含油气岩层相互交替分布, 这 套岩层称之为含油气层系或含油气组合。在沉积岩层中含油气组 合是相对较小的岩层组合,但它们的组合结 构是完全不同的。 Н.А. 叶列缅科与 А.В. 乌里亚诺夫 1960 综合归纳了世界各 地的资料, 划分出了 15 个独立的沉积岩相 1 灰岩和白云岩。 2 灰岩和白云岩夹泥岩薄层。 3 灰岩和白云岩夹砂层沙与泥岩薄层。 4 泥岩页岩夹灰岩薄层和透镜体。 5 泥岩页岩和砂岩沙夹灰岩薄层白云岩。 6 泥岩夹灰岩白云岩、 砂岩沙、泥灰岩薄层。 7 泥岩页岩和泥灰岩夹砂岩与沙。 8 泥岩页岩夹砂岩与砂岩薄层和透镜体。 9 泥岩页岩夹沙、砂岩、砾岩砂砾薄层。 10 砂岩夹砾岩薄层。 11 砂岩和砂。 12 含煤沉积。 13 含盐和含石膏沉积。 14 杂色沉积。 15 复理石相。 有时会遇到特别致密的裂缝岩层, 在这种岩层中石油仅沿裂 缝运移。事实上从这些岩层的基质中不可能采出油气。因此, 应 该再划分出一类含油气组合, 即致密裂缝岩层, 还有火山岩和变 11 质岩。最后, 可作为一个独立的含油气组合, 常在裂缝中含有石 油和或天然气, 有时也赋存在风化作用形成的溶洞孔中。 近年来, 在地质建造理论方面有了重大的发展。А.Г . 维尔 涅尔 早 在 1781 年 提 出 的 术 语 已 被 完 全 忘 却 了。В.Е. 哈 因 1980 曾对建造定义为 “建造是自然而有序的岩石 沉积岩、 火山岩、侵入岩 组合, 并与地壳主要构造带演化的特定阶段的 地质条件有关。 ”根据引用的定义, 可以把划分的岩相看作为建 造。一般说来, 如果把岩相看作岩石生成条件的综合, 那么, 建 造就可以看作这种综合条件的物质表现。 石灰岩和白云岩1; 泥岩页岩夹砂岩薄层与透镜体8是 最为广泛分布的岩相。在岩相方面最普遍的是 海相沉积、含煤 沉积相、杂色沉积相。 在地台区含油气碳酸盐岩相中1、 2、 3明显占优势。 砂质泥岩中夹碳酸盐岩4、 5、砂岩10、 11、杂色岩系 14、含煤岩系12、含盐岩系13、含油气层同样广为分布, 在地台区和地槽区 包括山前坳陷 分布大致相同。出现在泥 岩6、7、8、 9 或复理石15岩相中的含油气层主要是 或者仅分布在地槽 包括山前坳陷 中。 按含油气组合的分布规模, Э.А. 巴基洛夫 1978 细分为 区域性的 在含油气省范围内普遍发育或大部分地区发育、地 区性的 在某含油气省的含油气大区内发育、区带的 在油气 聚集区或带分布、局部的 仅在单独的油气田范围内分布 含 油气组合。 按含油气组合关系, 岩层可分为两种类型 储集层和盖层。 它们之间许多方面是渐变的。这种分类是有条件的,也就是说, 对不同的流体而言, 即使同一岩层其表现也是不同的。例如, 大 21 从大 地构造 角度 出发,山前坳 陷包 括在地 槽中 并非十 分妥 当, 但 这种观 点目 前 在石油 文献 中普遍 出现。 部分泥岩可以让水渗滤 虽然有时候非常困难 , 但它对于石油 和天然气是不渗透层。有些饱含水的泥岩层可以渗滤石油, 而不 渗滤天然气 因为气水界面的毛细管压力高于油水界面的毛细管 压力。与原油相比较, 亲水的岩层小孔隙直径容易产水, 憎水 的岩层正好相反。盐岩依赖于温压条件, 有时可以成为盖层, 有 时可以成为储集层。流体在岩层中的渗流不仅取决于岩层的性 质, 而且取决于流体的性质, 流体性质对温压及其他条件的变化 特别敏感。对岩性的分析, 对岩层随温压条件及地化 物化 环 境而变化的分析我们要详细谈一谈。 二、油气储集层 所谓的油气储集层, 应是不仅能含有油气, 而且在特定的温 压和地化 物化 条件下, 经开发可以采出油气。物化条件非常 重要, 有人曾提醒研究人员, 不要直接利用普通试验分析所获得 的各种储集层性质的成果 。即使事先已经取了岩心, 也要小心 谨慎地将其折算到地下温压条件下的值。物化条件的改变也可以 引起一些变化, 如油气水溶液发生不可逆的物质析出, 或相反, 发生盐的溶解等。应该记住, 这些过程的大部分都发现有滞后作 用。在这方面, 地球物理测井方法值得重视,与岩心上的点相 比, 它具有观察的连续性。地震研究也值得重视, 甚至不用钻井 勘探, 借助地震方法就可以确定岩性参数。 描述储集岩时, 首先要注重岩层的储集性, 即岩层本身要具 有容纳一定量油气的能力和油气具有从岩层中的渗流能力。前者 是由岩石的孔隙度决定的, 而后者是由岩石的渗透率所决定的。 岩石孔隙性。岩石中孔的总体积 包括孔、空洞、裂隙 称 为总的 绝对的 或理论的孔隙性。总孔隙性用孔隙度来表示, 孔隙度是孔隙总体积与岩石总体积之比, 用小数来表示。岩石中 的部分孔隙不是相互连通的, 在开采时, 这部分孤立的孔隙不会 有流体通过。此外, 孤立的孔隙可能充满水或气, 因此, 要算出 31 连通孔隙度 连通孔隙体积与岩石体积之比。连通孔隙度总是 小于理论孔隙度的。在流体运动过程中, 有些孔道对流体流动没 有功效, 不能包括在内, 这是因为它们的孔径小, 孔道壁湿润度 低等。有效孔隙体积与岩石体积之比称为有效孔隙度 用小数或 百分数表示 , 有效孔隙度总是参照具体流体和地层条件来确定 的, 可以用地球物理测井方法或专门的测试工艺来确定, 有时采 用折算的孔隙度 孔隙体积与岩石基质总体积之比。在自然条 件下, 孔隙度首先取决于颗粒的组合特点、均匀性、磨圆度、胶 结物的存在及其含量。除此以外, 孔隙度还取决于因次生作用而 形成的大小不等的孔洞、裂隙及相互联系的阿尔奇效应和侧向压 缩值 泊松系数 这两者的情况。 岩石的构造和结构对孔隙空间的几何形状有很大的影响。所 谓构造是指岩石颗粒的外部特征 它们的形状、颗粒的表面特性 等; 岩石的结构是指岩石颗粒之间的排列组合特征及其方向性 等。其中, 层理是分布最广泛、最重要的结构特征之一。从沉积 成因上阐明岩石结构 沉积岩 , 沉积后生作用可以对结构产生 极其重要的影响, 但是, 其所保存的原始结构通常是完全可以辨 别出来的。这里, 我们只谈沉积演化对矿物成分、充填物特性、 储集性能的依赖性。 孔隙的表面值对岩层与流体之间的相互作用有极大的影响, 在碎屑岩中孔隙的总表面与颗粒的大小成反比, 表面系数如下 Sy 6 1 - f Д cm - 1 式中,f 为孔隙度; Д 为颗粒的平均直径 cm。 沉积岩的密度范围是 1.7～2.6g/ cm3。其在碎屑岩中与孔隙 度成反比 图 2 - 1。 如上所述, 碳酸盐岩常常是储集岩 巴格林切夫, 1977。 生物礁碎屑灰岩和鲕粒碎屑灰岩都具有原生孔隙的特征。在重结 41 图 2 - 1 阿尔坎扎斯古生界砂岩 孔隙度与密度的关系 晶、白云石化和 溶蚀成岩 作用过 程中, 孔隙度也 将有着重 大的变 化。风化对灰岩 溶蚀起了 十分重 要的作用,在成 岩作用的 早期可 开始形成 灰岩溶蚀,特别 是在岩 石裂隙高 度发育带。溶蚀 孔洞灰 岩是储集 性能较好 的储集层。但 可惜的是,其所 生成的溶 孔洞常 常充满了次生的方解石和其他新 生矿物。白云岩 化过程可 以使储 集层的孔隙度提高到 12 , 而亚 硫酸盐化和硅化作用可使孔隙度大大降低。由于裂隙的发育, 密 度大的块状的灰岩储层的孔隙度可以达到 2 , 最高可达 3。 渗透性。渗透性可理解为岩层有助于流体通过自身的能力。 可用试验方法确定其达西值。渗流的速度与压差成正比 V KΠ 1 μ Δp Δl 式中,V 为渗流速度 m/ s; μ为动力粘度 Pa s ; Δp 为在 一定距离Δl 内的压差 Pa/ m;KΠ为渗透率 m 2 。 渗透性数值可用渗透率 KΠ, m 2 来表示。渗透性取决于孔隙 的大小、孔隙之间的相互连通、外形、颗粒大小及其组合密度和 相对位置、分选程度、粘结程度和裂缝。根据渗透率的定义和物 理涵义得出, 它的值不应取决于通过孔隙介质的流体性质。可 是, 实际上常常发现这个系数的变化取决于流体的性质, 有时这 种变化超过 100。渗透率不应随时间而改变。但在试验中经常 发现渗透率一小时下降 50。引起渗透率随时间而改变及受流 体性质影响的原因有各种各样的解释。流体在疏松的细小砂粒储 集层中渗流时, 可能发生岩石颗粒的重新组合, 小颗粒可能阻塞 51 一部分孔隙通道, 改变了介质的渗透率。在石油中处于悬浮状态 的微粒下沉时就会堵塞孔隙。从原油中析出的胶质在岩石颗粒的 表面造成了孔道横断面的减小。水在含泥质的储层中渗流时, 由 图 2 - 2 渗透率天然气与岩石 密度的关系曲线 1 巴什基 尔与 鞑靼地 区泥盆 系帕 希层和 日维 茨 组 细粒 砂岩;2塔尔 汉气田 上二 叠统喀 山组 布 古 鲁斯 拉诺夫乌 菲姆 层细 粒砂岩 ; 3阿 赫 蒂 尔 布贡迪 尔油 田下第 三系 阿巴津 层粉砂 岩; 4克 拉斯诺 达尔 地区马 伊科普 组细 粒砂岩 ; 5 斯塔夫 罗波 利地区 哈杜 姆气层 粉砂岩 于泥岩膨胀, 减小了孔道 横断面。 由 于水 对硅质 岩 的作用, 在孔道中可形成 胶体二氧化硅,其也会导 致孔道堵塞。CO2从水中 析出, 大大降低了 CaCO3 的溶解性, 其沉淀在岩层 中, 减小了孔道的有效直 径。要在数量上弄清楚胶 结作用所引起渗透率的变 化是很困难的。根据试验 资 料, А.А. 哈 宁 指 出, 砂岩胶结物含量达 4 ～ 10时, 渗透率急剧下降 图 2 - 2。S.P. 杜顿 和 T.N. 迪 格斯 1992 也 指出, 在类似的砂岩胶结物存在时,砂岩 东德克萨斯上白垩 统 的渗透率剧烈变差。 研究表明, 用达西定律仅可确定一定范围内流体的渗透性。 达西定律应用的上限以高速渗流的惯力为条件, 是由雷诺数的临 界值 Rekp 7.5～9 决定的。其下限的特点是低速渗流 如泥 岩 , 其流体与多孔介质之间的相互作用呈现出流体的非牛顿力 的流变特征。多孔介质表面上的某些流体 石油、水 形成胶体 溶液 膜 , 完全可能阻塞流体在孔隙中的流动。在这种情形下, 为了使 流体 运动,需要 一个附 加力 克服 初始的 压力 梯度。 В.П. 萨夫琴科不用“初始的压力梯度”这个术语, 他建议把引 61 起流体开始流