分类: 石油地质学

包含钻井过程中常用的基础地质学知识。

  • 油源对比

    油源对比包括油(气)与源岩之间以及不同油藏中油气之间的对比,其目的在于追踪油气藏中油气的来源。通过对比研究,可以搞清含油气盆地中石油、天然气与烃源岩之间的成因联系,从而进一步固定可靠的油源区,确定勘探目标,有效地指导油气勘探开发。

    油源对比原理

    烃源岩中干酪根生成的油气一部分跑到储层中形成油气藏,其余部分残留在短源岩中,这部分残留在烃源岩中的石油就是烃源岩中的氯仿沥青“A” 。因此,烃源岩中的氯仿沥青“A” 与来源于该烃源岩的油气有亲缘关系,在化学组成上也必然存在某种程度的相似性。同样地,来自同一烃源岩的油气在化学组成上也具有相似性;相反,不同烃源岩生成的油气则表现出较大的差异。这一现象在油气宏观特征到化合物组成上都存在,这便是油源对比的基本依据。可以选择适当的参数,识别烃源岩中氯仿沥青“A” 组成与石油相似、相同或不同的“指纹”型式,根据其相似或不相似的程度来证明石油与烃源岩之间有无亲缘关系。

    在进行油源对比时,关键的是要选择好对比指标。通常把原油与其烃源岩共同含有的、不受运移、热变质作用影响的化合物称为“油源对比指标”。进行油源对比一般应具备两个条件:

    • 在运移过程中,没有或很少有来自不同烃源岩的油气混杂。
    • 分布在岩石与原油中的特征化合物性质稳定,在运移和热变质等次生过程中很少或几乎无损失。

    目前所用的方法主要是正构烷烃碳数分布特征、生物标志物组成特征和稳定碳同位素。由于原油与烃源岩中的化合物特征不会完全一致,变化程度较大,所以在进行油源对比时,必须将各项指标加以综合对比。在对比研究中,所用的参数越多,对比结果就越可靠。与此同时,油源的判断研究还必须从有机质成烃演化和油气形成的整个成因体系来考虑,只有在油源对比研究中充分考虑到古环境、成熟度和运移作用甚至生物降解作用的影响,才能辩证地认识原油与烃源岩之间的成因联系。

    油源对比指标

    正构烷烃分布特征

    正构烷烃的组成和分布特征受母质类型、有机质演化程度等多种因素的影响。一般认为,如果原油与烃源岩有亲缘关系,那么它们的正构烷烃分布特征(气相色谱指纹)应具有相似性。将原油与烃源岩的正烷烃分布曲线进行比较,目测曲线特征的相似性,可帮助判断油源的亲缘关系。

    正构烷烃在多数原油中具有很高的浓度,它们控制着相应的气相色谱的总面貌,但受生物降解作用、成熟作用和运移作用等次生变化的影响也较大,给对比带来困难。

    异戊间二烯型烷烃

    异戊间二烯型烷烃是一组由叶绿素的侧链植醇或类脂化合物衍生的异构烷烃化合物,在结构上有规则地每隔三个次甲基出现一个甲基侧链,很像是由若干个异戊间二烯分子加氢缩合而成的,故称异戊间二烯型烷烃。

    异戊间二烯型烷烃几乎在每个原油与烃源岩抽提物中都出现,运移作用又不会改变其相对含量,甚至在寒武纪和更早时期都存在,所以是研究原油与烃源岩之间的关系、追踪石油运移途径的良好对比标志,被称之为”指纹化石”。

    甾、萜烷化合物特征

    甾、萜烷烃的相对含盐和立体构型特征主要受有机质母源输入条件、沉积环境和有机质热演化程度的共同控制。对于有亲缘关系的烃源岩与原油,其甾烷、萜烷的相对含量、组合特征应该是相似的,因此可以根据甾、萜烷系列化合物的分布规律来进行对比。其中,生物标志物多因素对比、生物标志物系列组分指纹图对比以及生物标志物各参数相关图对比是进行油源对比的最有效的手段。

    稳定碳同位素组成

    近几年来,稳定碳同位素丰度比值δ13C在油源对比中得到广泛应用。石油的同位素组成取决于原始有机质性质、生成环境和演化程度。不同成因的石油同位素组成有较大差异。

    Stahl (1978) 提出稳定碳同位素类型曲线进行油源追踪。原油的饱和烃、芳香烃、非烃的沥青质δ13C 值是随其极性的增强而依次增加的。这五种组分的δ13C 值延长线应落在烃源岩干酪根的δ13C值上及其附近,若偏离的值在0.5‰之内,可以认定其间有良好的亲缘关系。

    参考资料和贡献者

    1.柳广弟主编.石油地质学. 石油工业出版社,2009.P1-3

  • 岩石的流变特性

    岩石在长期载荷作用下,应力,应变随时间而变化的性质称为岩石流变性。岩石是具有流变性的。李四光教授指出:岩石的非弹性表象,除了岩石的塑性以外,还牵涉到岩石的弹塑性,滞弹性以及松弛现象,蠕变现象等问题。在近代,人们把这些问题统称为流变学问题。因此,岩石是一种具有流变性的物体

    某些在特定条件下的岩体,如破碎带,软弱夹层,断层,充填着粘土质的裂隙以及边坡等,在现今构造应力或自重作用下,随着时间的增长亦会产生显著的蠕变现象。在石油工程中的流变现象:在石油钻井过程中,当钻遇盐膏层时,会发生缩径现象;油田开发过程中,由于注水,泥页岩部位的套管会受到非均匀外载的作用等都与岩石蠕变有关。

    蠕变的定义:岩石在恒定载荷持续作用下,其变形随时间逐渐缓慢地增长现象称为蠕变。

    应力松弛的定义:若控制变形保持不变,应力随时间的延长而逐渐减少的现象称为松弛或称应力松弛。

    岩石的蠕变性态可以通过单轴或三轴压缩,扭转或弯曲等蠕变试验来进行研究。试验表明:在恒定载荷作用下,只要有充分长的时间,应力低于或高于弹性极强性极限均能产生蠕变现象。但在不同的恒定载荷下,变形随时间增长的蠕变曲线却有差异。

    六.井壁稳定

       钻井之前,深埋地下的岩层受上覆岩层压力,最大水平地应力,最小水平地应力和孔隙压力的作用,处于平衡状态,打开井眼后,井内的岩石被取走,井壁岩石失去了所有的支撑,取而代之的是泥浆静液压力,在这种新条件下,井眼应力将产生重新分布,使井壁附近产生很高的应力集中,如果岩石强度不够大,就会出现井壁不稳定现象。

     

  • 岩石的研磨性

    在用机械方法破碎岩石的过程中,钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦,从而在破碎岩石的同时,这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝,损坏。除了金刚石以外,制造钻头的材料多为淬火钢或硬质合金,岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。钻头刃的磨损 一般是表面的研磨性磨损,在有些情况下也可能出现疲劳的磨损,至于刮刀钻头硬质合金工作刃或人造金刚石聚晶块的脱落折断不属于正常的磨损。

    表面磨损,它是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削,刻划,擦痕等所造成的。这种研磨性磨损除了与摩擦材料的性质有关外,还取决于摩擦的类型和特点,摩擦表面的形状和尺寸,摩擦面的温度,摩擦的速度,摩擦体间的接触压力,磨损产物的性质和性状及其清除情况,参与摩擦的介质等因素。

    然而研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头,提高钻头的进尺,延长其工作面的寿命(轴承的磨损及寿命问题不在此讨论之列),对于提高钻井速度乃是极为重要的问题。

    晶质岩石的研磨性:相当于淬火钢而言,晶质岩石的研磨性是与组成它的矿物的微硬度成正比。组成晶质岩石的矿物的硬度越大,该岩石的研磨性也越大。在这类岩石中,研磨性由小到大的顺序为硫酸盐类岩石(石膏,重晶石),碳酸盐岩(石灰岩和白云岩),硅质岩石(玉髓和燧石),铁-镁长石岩,石英岩。研磨性最小的是硫酸盐类岩石。

    如果岩石是由多晶矿物所组成的,则其研磨性决定于这些组成矿物的平均硬度。但是多晶(多种矿物成分)成分在结构上出现一个新的问题,即其表面粗糙度较高(矿物间的硬度及耐磨性的差别越大,表面粗糙度也显得越大),因此,在多晶岩石和单晶岩石的矿物硬度相同的情况下(多晶矿物的硬度是计算的平均值),前者的研磨性略高于后者。不过,如果组成矿物的微硬度小,则附加的表面粗糙度对淬火钢的磨损并没有明显的影响。

    碎屑岩石的研磨性:按研磨性质而言,最重要的碎屑岩石是石英砂岩和粉砂岩,其余的碎屑岩因其组成的矿物具有较低的硬度,故具有和其矿物组成相当的晶质岩石相同的研磨性。晶质岩石和碎屑岩石的主要的本质的区别在于后者的强度性质决定于其胶结物的强度和结构。因此,在分析这类岩石的研磨性时作为主要的机械力学特征应该采用压入的硬度,因为它代表了碎屑颗粒间的联结强度即胶结物的强度。

    具有相同矿物成分的碎屑和晶质的研磨性的主要区别在于摩擦表面具有不同的粗糙度特点。碎屑岩具有更高的表面粗糙度,而且岩石的孔隙度越大,颗粒越粗,棱角越多。其表面的粗糙度也高。高的粗糙度的表面导致增大摩擦时的真实接触压力。

    在自然条件下,许多低研磨性的岩石(泥质的,硫酸盐和碳酸盐的岩石)往往或多或少地含有石英颗粒。对于这类岩石,实际上钢的单位摩擦路程磨损和石英粒的含量百分比之间存在着正比的关系。而这类岩石的主要胎体矿物,相对来说,对研磨性的影响很小。

    从曲线看出,砂岩的研磨性与其压入硬度成反比。也就是说,随着砂岩胶结强度的降低,砂岩的研磨性增大。这可以解释为胶结物强度低,颗粒越容易从岩石上剥离出来而形成新的摩擦表面,并导致表面粗糙度增高。而且砂岩的孔隙度越大(孔隙度本身也反映了低的压入硬度),其表面的粗糙度也高。随着砂岩硬度的增大,摩擦表面越来越变成研磨的表面,粗糙度便降低了,这是砂岩的研磨性随着硬度增大而降低的主要原因。

    粉砂岩和砂岩的区别只在于粒度之不同,所以上述砂岩研磨性的规律也适用于粉砂岩。但是由于粉砂岩的粒度比砂岩小2/3到3/4,所以在硬度相同时,粉砂岩的研磨性要比砂岩小。

    硬质合金在碎屑石英岩石上的磨损规律也和淬火钢在低研磨性岩石上的磨损规律那样简单。随着砂岩和粉砂岩硬度的减小,硬质合金的磨损也增大,但增大得不多。而在同样的岩石硬度范围内,随着硬度的减小,淬火钢的磨损量却增大好几倍。这个道理是显而易见的,因为石英的硬度要比碳化钨的硬度小得多。

    综上所述,盐岩,泥岩和一些硫酸盐岩,碳酸盐岩(当不含有石英颗粒时)属于研磨性最小的岩石;其次应为石灰岩和白云岩等,属于低研磨性的岩石;火成岩的研磨性一般属于中等或较高,要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少,粒度细,矿物间的硬度差小的研磨性也小些,反之则研磨性较高;含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石;沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量极其胶结硬度而定,石英颗粒含量越多,粒度越粗,胶结强度越小的岩石,其研磨性越高,反之,如石英颗粒的含量少,颗粒细,胶结强度大的岩石,则其研磨性应较低。

  • 影响岩石力学性质的因素

    1.动载(冲击加载速度)的影响

    动载荷的主要特点是它的作用速度快,在几秒钟内施加的载荷在理论上是不会在岩石中产生于静载荷根本不同的应力分布,但冲击钻具或爆炸的作用时间很短(不到几个微秒),可以在岩石中激起综合应力或是弹塑性的振动波。岩石对动载荷的抗力要比静载大得多。岩石的抗压强度也是随着试件加载速度的增大而增大的。在高速加载时所得的抗压强度值要比低速加载时大得多。

    变形速率的增大引起了抗压强度的相应增大。在所试验的变形速率范围内,岩石的抗压强度最多可提高2倍左右。在三轴试验的条件下,同样也观察到了岩石的强度随加载速度的增加而增大。在动载条件下岩石强度大幅度增大的原因。是应力作用的短暂性,使岩石变形和破坏的有关机理,在应力波的作用时间内不能达到完全的程度。

    冲击速度的增大,相应地也是变形速度的增大,供岩石变形的时间缩短了,使塑性变形的扩展受到了抑制,所以表现了塑性系数的下降。研究还表明,变形速度对低强度,高塑性及多孔岩石的性质的影响要比对高强度,低塑性岩石的影响来得大。

    综上所述,可以认为,在目前牙轮钻头冲击岩石的速度范围内(不大于5米/秒),动压入与静压入破碎岩石时,岩石的机械性质并不呈现有本质上的差异。

    2.压力的影响:

    压力的影响包括地应力(含上覆岩层压力),井筒液柱压力及地层的孔隙压力三个方面。

    上覆岩层压力是来源于岩层本身的重量。因此,只要知道了地下不同深度处各岩层的密度,便可以推算出该深度处的上覆层压力。由于地下岩层的密度是随岩性和深度变化的,所以上覆层压力也是随深度变化的。密度测井提供了计算上覆层压力的依据。

    理论分析表明,无论是垂直的上覆岩层压力或是水平的地应力(均匀的或非均匀的)都会影响井壁岩石的应力状态,从而影响到井壁的稳定。当井壁岩石的最大和小主应力的差值越大时,问题表现得也越严重。如果井内泥浆的比重太小,一些软弱岩层就会产生剪切破坏而坍塌或者出现塑性流动使井眼产生缩径。如果井内泥浆的比重过大,又会使一些地层造成破裂(压裂)。地层的破裂压力决定于井壁上的应力状态,而这个应力状态又和地应力的大小紧密相关。

    液柱压力和孔隙压力的影响:如果岩石是干的,不渗透的,孔隙度小且孔隙中不存在液体或气体,则增加液柱压力就好比在三轴试验时增大岩样的围压。

    岩石的屈服强度随着孔隙压力的减小而增大。当围压一定时,只有当孔隙压力相对地小时,岩石才呈现塑性的破坏;增大孔隙压力将使岩石由塑性破坏转变为脆性的破坏。一些受压页岩由于孔隙压力相当高,当钻开井眼后,从井壁上因产生脆性的破坏而崩落,大概与这种机理有关。因此,在考虑页岩井壁的稳定时应该对孔隙压力给予足够的重视。相反地,在钻井工程中,孔隙压力有助于岩石的破碎从而提高钻井速度。

    因此,随着井的加深或泥浆密度的增大,钻速的下降不仅是由于岩石硬度的增大,而且也由于岩石塑性的增大,特别是由于钻头齿每次与岩石的作用所破碎岩石的体积减小的缘故。

    实际井底岩层中有孔隙流体的压力存在,因此岩屑的”压持作用”是由井底压差(即泥浆液柱压力与地层孔隙压力之差)引起的。钻头齿在冲击的间歇中,泥浆不可能全部移走被压持的岩屑,于是出现了岩屑的重切现象,这就是不良的井底清洗降低钻井速度的一个原因。

    温度对岩石机械性质的影响:高压,高温对岩石力学性质的影响对于地球物理学家和够咋地质学家研究地壳应力和构造运动是非常重要的。对于钻井来说,随着所钻地层深度的增加。作用于其上的压力和温度是同时增大的。因此,如不考虑压力的作用只单独研究温度的影响就没有多大意义。

    总的来说,在高温的各向压缩条件下,大部分沉积岩石是具有塑性变形能力的,而且沉积岩开始呈塑性变形的压力和温度值要比硅质的火成岩和变质岩低得多。

    如果根据岩样破坏前呈现残余变形的大小来估计岩石的塑性,则在埋深10000米的范围内,可以把沉积岩石的塑性从大到小列出如下的顺序,盐岩,石灰岩,泥页岩,石膏,白云岩,石英岩。

    液体介质对岩石机械性质的影响:许多研究者都发现,岩石中所含的水分使岩石的强度下降,而且含水量越多,强度下降得越多。含水量对一些岩石,例如泥页岩,也会影响其塑性性质,增大其流变特性。

    关于液体介质对固体的作用机理,苏联科学院院士列宾捷尔系统进行了研究,认为在液体介质的作用下,使固体在变形和破坏过程中产生机械性质变化的原因,主要是由于在固液面产生的物理化学现象—-润湿和吸附。

    根据液体的润湿程度,所有固体可分为两大类—亲水固体和憎水固体。亲水固体被水润湿得好些。被烃类液体润湿得差些。憎水固体则相反。几乎所有的钻井中所遇到的岩石都是亲水固体,都能被水很好的润湿。

    水渗入到岩石中润湿岩石颗粒表面,减弱颗粒间界的联结力,导致岩石强度的降低。越是多孔及富含裂隙的岩石,水渗入得越深,岩石的强度也降低得越多。加表面活性剂于水中,将提高水的活性,能更大幅度地降低岩石的强度。如果在水中加入烃类非活性液体,则降低了水的活性,岩石的强度降低的幅度就比单纯的水要小得多。

    钻井时岩石的破碎过程主要是在液体介质中进行的。这些液体介质-洗井液的物理化学性质往往是非常复杂的,包含有各种具有表面活性的无机和有机的物质。

    在一定的条件下,液体介质由于吸附及润湿作用将促进岩石的破碎过程。吸附本身不仅覆盖着可见的岩石表面,而且也沿着颗粒的接触边界及裂隙(主要是微裂隙)渗入到表面层的深处。

    在钻井的岩石破碎过程中,尤其在岩石的疲劳破碎过程中,井底岩石的表面层上充满了数量众多的各种尺寸和方向的裂纹,吸附层便沿着这些形成的表面裂隙挤入到井底岩石的深部,直到所吸附的原子或分子的尺寸等于裂纹的宽度为止。列宾捷尔认为,吸附层挤入微裂隙是由于产生吸附时,岩石的自由表面能减小的缘故。

    外来的介质,包括水,参与了岩石的破碎过程,而水的活性又由于加入吸附质而大大提高。这些被吸附的物质可称为”硬度减低剂”。而这种因吸附作用而降低硬度的现象被称为” 列宾捷尔效应”。

    对吸附降低硬度起主要作用的是微裂纹。大的裂隙只提供吸附层赖以挤入到最细薄裂纹入口处的通道。吸附层挤入微裂纹的速度与微裂缝的厚度无关。当液体流到为裂缝口时,液体能紧密地吸附在固体表面上的表面活性物质分子就能超过液体的侵入速度,沿裂缝两面而跑在前头,一直跑到微裂缝最狭窄的地方。另外,还可以推测出被吸附物质进入固体内的另一种机理:当微裂缝在液面下形成时,为裂缝空间处于真空状态,所以液体的蒸汽以及液体中所溶解的物质能马上饱和微裂缝的空间,同时被吸附层能覆盖住微裂缝的整个表面,并在微裂缝两侧产生附加的契入压力以阻止裂缝的闭合,从而有助于疲劳裂纹的扩展,提高岩石破碎的效率。

     

    根据选择性吸附的道理,只要选择恰当的表面活性剂使其只对岩石表面产生吸附,而不是被金属或硬质合金所吸附,则也能同时到达提高钻头的耐磨性。

  • 岩石的力学性质

    首先补充一下,本油田内部区块岩石约为:白色盐岩,灰褐色油浸泥岩,深灰色泥岩,深灰色膏质泥岩,灰色泥岩,灰色泥质粉砂岩,灰色砂质泥岩,灰色膏质泥岩,灰色泥质盐岩,白色盐质泥岩,褐灰色油迹泥质粉砂岩,褐灰色油迹粉砂岩。

    岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。影响岩石力学性质的因素很多,例如岩石的类型,组构,围压,温度,应变率,含水量,载荷时间以及载荷性质等等。

    由于下面的内容,在资料1中(作者:专业教科书)中有详细的描述,这里就没有出现的结论做简单的介绍。大家可以参照教科书加深了解。

    在一定的形式的应变情况下,拉伸应力的作用愈大,则在这种应力状态下岩石的强度会愈小。因此,岩石的抗剪强度大于抗弯强度,更大于抗拉强度,而岩石的抗压强度最大。

    当有外力作用于物体使其变形时,这种分子间作用力便阻碍其变形。待物体因受外力而变形至某一程度,分子间的作用力适与外力相等而成平衡。此时物体便处于平衡状态。当除去外力,物体能回复原来状态的特性,称为弹性。当除去外力,物体不能恢复原状的特性,称为塑性,有的也称受范性。除了残余变形(非弹性变形)属于塑性的现象以外,松弛,后效,蠕变,疲劳等也属于塑性的变形现象。

    第一种类型为弹性变形,由加载直至破坏应力-应变曲线近似线性特征,例如玄武岩,石英岩,辉绿岩,白云岩和坚硬的石灰岩等。

    第二种类型为弹一塑性变形,应力一应变曲线在接近破坏载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩,粉砂岩和凝灰岩等。

    第三种类型为塑弹性变形,应力一应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象,随后近似线性关系,直到破坏,例如砂岩,花岗岩。

    第四种类型及第五种类型为塑一弹一塑性变形,应力一应变曲线均呈现S形曲线。这两种曲线不同之点:前者近似直线部分较陡,且初始阶段压缩性较小,例如变质岩中大理石和片麻岩。后者直线部分较缓,表示同样应力下变形量较大,且初始阶段具有高度压缩性。它们之间的共同特点是在接近破坏时均显示出不同程度的非弹性变形。

    第六种类型为弹一塑一孺变变形,曲线的直线部分很短,随后产生非弹性变形和连续蠕变,例如盐岩和软泥等。

    岩石强度的含义是值岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力,而岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。单轴强度是指岩石试件在单轴载荷下达到破坏时的最大应力,一般分成抗压,抗拉,抗剪强度等等。

    我们知道岩石的力学性质取决于组成晶体,颗粒和胶结物之间的相互作用以及裂缝,节理,层面和断层的存在。在研究岩石的力学性质时,一方面,很难根据它的组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质,特别是它的强度;另一方面,由于裂缝,节理,层面和断层的分布如此多变,以至于受这种分离影响的大块岩石的力学性质,对于任何其它大块岩体来说很少有共同的联系。因此在确定岩石的最基本的力学性质时,应包含足够数量的组成颗粒,同时要排除较大的结构不连续性,使试件具备大致均匀的性质,尺寸为几到几十厘米的岩样一般适用于此要求,并且可以很方便地在实验室进行试验。

    岩石抗拉强度远远低于抗压强度,一般前者为后者的1/10到1/20,甚至1/50。其抗拉强度低的原因主要是出于岩石内部孔隙的影响,一般情况由于岩石内部微裂隙,孔孔较为发育,这种缺陷以抗拉强度降低尤为敏感,在拉应力作用下具有削弱岩石强度的效应。岩石的抗拉强度还受到岩石本身内部组分的影响,例如矿物成分,颗粒间胶结物的强度都影响岩石的抗拉强度。另外,岩石的抗拉强度一般随着加载速率的增加而增大。岩石的抗拉强度随着俄温度,湿度及孔隙度增加而降低。这个结论与抗压强度相同,但增加或减低的幅度却并不一样。

    抗剪试验表明,剪切面上所受的正应力越大,试件被剪破坏前剪切面上所能承受的剪应力也越大,因为剪切破坏发生前一要克服粘结力(内聚力),二要克服剪切面上的摩擦力,正应力越大,摩擦力也越大。

    由于强度不仅仅是材料本身的一种力学性质,而且与材料内部的应力状态有关。如直接剪切试验,虽然强制它在预定剪切面上产生剪切破裂,但有时预定剪切面未必是最容易剪裂的方向,这与剪切面上的力分布有关。大多数岩石达到强度极限,岩石呈现出各向异特征,岩石内部具有一定的应力梯度,所以要真了解岩石的抗剪强度,目前还有一定困难。

    在没有考虑其它因素影响情况下,各种强度大小的顺序为:三轴抗压强度>单轴抗压强度>抗剪强度>单轴抗拉强度。岩石的三轴抗压强度最高,而单轴抗拉强度最低。单轴抗拉强度为单轴拉强度的10-50倍,而为抗剪强度的3-10倍左右。

    岩石试件在载荷的作用下,试件内部首先产生微裂隙压密高变形,当载荷逐渐增加,达到屈服极限时,就开始产生微破裂(有微破裂面),随着微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时,宏观破裂面已逐渐形成,最后导致试件完全破裂成几块。

    因此,变形,破裂时相互依存的两个不同发展过程,在变形达到一定阶段,既包含着破裂的因素,而破坏阶段的到来也是变形不断发展的结果,所以,破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。

    岩石在常温常压下一般产生脆性破坏,但深埋地下的岩石却表现为明显的延性,岩石这一性质的变化时由于所处物理环境改变造成的。所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义,一般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏,破坏后塑性变形较小。延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏,或者接发展为延性流动。所谓延性流动是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质。对于岩石而言,破坏前永久应变在3%以下可作为脆性破坏,5%以上作为延性破坏,3-5%为过渡情况。

    岩石在地下一般处于三向应力状态,为了模拟这种状态下的力学性质,一般在室内进行岩石三轴应力试验。

     

     

    一般来说,压力对砂岩,花岗岩强度的影响要比对石灰岩,大理岩大。另外压力对强度的影响程度,不是在所有压力范围内都是一样的。在开始增大围压时,岩石的强度增加比较明显;在继续增加围压时,相应的强度增量就变得越来越小;最后当压力很高时,有些岩石(例如石灰岩)的强度便趋于常数。

    在三轴应力作用下,岩石机械性质的另一个显著的变化,就是随着围压的增大,岩石表现出从脆性到塑性的转变,并且围压越大,岩石破坏前所呈现的塑性也越大。

    围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两种情况;对坚硬低孔隙的岩石影响较小,而对软弱高孔隙的岩石影响较大。

    总的来说,随着围压的增大,岩石的抗压强度显著增加;随着围压的增大,岩石的变形显著增大;随着围压的增大,岩石的弹性极限显著增大;随着围压的增大,岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变。岩石的性质发生了变化;由弹脆性一弹塑性一应变硬化。

    在来说说岩石的抗压入破碎强度。钻井时岩石的破碎过程是异常复杂的,这不单是由于钻头破碎工具的形状是多种多样的,而且载荷也不是静载荷而是动载,载荷的大小及方向又随着时间而改变。此外,在井底岩石上还作用有岩石压力(纵向和侧向),洗井液的压力,从钻头喷嘴射出的射流的动压以及地层本身孔隙中存在着的液体或气体的压力等等(如果必要,还要考虑井底温度的作用)。对这样复杂的问题,要完全从纯理论上进行分析几乎是不可能的,因此,人们都设法对实际井底的情况进行适当的模拟,以便在试验室条件下去掌握各种因素对岩石破碎的作用和影响,从而提出对钻井实践有意义的合理建议以改善或提高钻井效率。

    对钻井过程中岩石破碎的特点进行的分析表明,”压入的破碎”在破碎过程中起主要作用,例如牙轮钻头的齿在纵向载荷作用下压入岩石(一般是冲击的动载荷过程),使齿面下的岩石产生体积破碎,形成坑穴;然后由于齿沿井底的滚辗作用使破碎的坑穴扩大,再加上钻头的水力作用不断剥离清除钻屑,冲蚀并扩大岩石的破碎体积(对某些岩石甚至可实现水力直接破岩)。对于切削或磨削型的钻头(刮刀或金刚石),既有在钻压作用下对岩石的压入,又有在钻头扭力的作用下对岩石的切削。由于这两种作用的综合过程,使岩石破碎所需的纵向压力大大减少。试验证明,大约只相当于静压入破岩时的1/6到1/14。

    由此看来,各种钻头破岩的过程是相当复杂的。为了研究能反映钻头破岩时的岩石力学特性,如果把破岩的工程进行简化,并把一些条件理想化,仅仅抓住”静压力破碎”这个特点进行分析还是有可能的。为此,苏联学者史立涅尔分析了具有圆柱形的平底压头静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石”硬度”(即抗压入强度)和塑性性质的一套方法。

    由于压入时岩石的破碎特点,对石油钻井时岩石的破碎过程具有一定的代表性,所以用压入法所测定的岩石力学特性在一定程度上能相对地反映钻井时岩石抗破碎的能力。

    脆性岩石开始屈服时便达到了脆性的破碎,而塑性岩石的屈服极限则出现于破碎发生之前。

    由于脆性破坏和塑性破坏的性质差别很大,与钻井过程中所用工具(钻头)的设计,选用有很大的关系。因此了解岩石脆性塑性及其转变压力是很重要的。

  • 岩石基础知识

    所有岩石都是矿物颗粒的集合体。石油钻井中遇到的多数是沉积岩,有时也碰到一些变质岩。这些岩石很少由一种矿物组成,多数是由两种以上矿物所组成。这些岩石按其结构特点可以区分为晶质岩石和碎屑岩石两类,前者多属于变质岩,而后者多为沉积岩。

    首先,矿物是均匀的,通常是由无机作用形成的,具有一定的化学成分和特定的原子排列(结构)的均匀固体,不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质。其次,岩石是由一种或几种矿物按一定方式结构而成的天然集合体。

    沉积岩在地壳表层分布最广泛,沉积岩覆盖了大陆面积的75%(平均厚度为2km)和几乎全部的海洋地壳(平均厚度为1km)面积一样大。沉积岩时成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。也就是说,它是早先形成的岩石破坏后,又通过物理或化学作用在地球表面(大陆和海洋)的低凹部位沉积,经过压实,胶结再次硬化,形成的具有层状构造特征的岩石。沉积岩的各类很多,但若考虑到矿物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因素,则可以将沉积岩分为砂岩,页岩和石灰岩岩三类。

    砂岩包含的矿物颗粒的大小范围约为1/16nn至2mn。这些颗粒大多来源于风化等侵蚀作用后的火成岩的矿物颗粒或者岩石碎片,也有不少颗粒来源于已经存在的砂岩风化的产物。砂岩的主要矿物时石英 ,还有长石,特别是钾长石。在沉积岩总量中,砂岩约占25%。砂岩是石油,天然气的主力储层。

    砂岩是一种典型的沉积岩,它是由许多变圆了的石英颗粒被碳酸钙(方解石),粘土矿物铁质或硅质的胎体胶结而成的。其强度主要决定于胎体的强度以及其中所含有的空隙的类型和数量。硅质石英岩的强度很高,甚至比花岗岩大。粗粒的灰质砂岩胶结弱,不接触的空隙占有很高的比例,所以其强度很低。泥质胶结的砂岩的强度就更弱。石英颗粒的尺寸也能影响到孔隙的数量及颗粒间的接触面积,因而也对岩石的强度起影响作用。

    页岩是由直径不超过1/16mn的细颗粒矿物组成的,它占沉积岩总量的50%。页岩以粘土矿物为主要造岩矿物。也包含许多颗粒的石英,长石等其他矿物。尽管页岩含量丰富,但它在地表的出露却不如砂岩广泛。页岩颗粒致密,渗透性很差,可以形成不透水层,能防止石油,水,天然气等流失。

    页岩(泥岩)是压实了的粘土,由微细的,一般具有微米级(小于0.01毫米)的高岭土,胶岭土,云母和石英的细颗粒所组成。页岩与粘土的区别在于其致密性。若给粘土矿物以一定的分子联接力,即使在湿化的条件下仍不会完全消失。而粘土在湿化时则丧失其全部强度,它的破坏完全取决于其密度(比重)及外荷的大小。页岩中的片状结构有助于它的湿化破坏。

    页岩中的高孔隙度,不够致密也是它强度较弱的一个主要原因。如施以高压,减小其孔隙能相应地增大其强度。一般终将变成板岩;如其中含有高组分的细粒石英,则其强度还要增大。

    泥岩的性质是较差的,特别是红色岩层中的泥岩,厚度薄,抗水性差,强度低,易软化和泥化,建筑物易沿这些软化和泥化后的结构面滑动。

    石灰岩占沉积岩总量的20%,是第三号重要的沉积岩。它以方解石和白云石为主要造岩矿物,石英和长石的含量不足10%。

    一般说来,岩石中的矿物颗粒是由胎体胶结在一起,或在颗粒的界面处靠接触力而联接在一起。因此,岩石的强度将首先决定于胎体(或胶结物)的强度和颗粒间的接触面积。在其他因素不变的情况下,同类岩石的强度便与颗粒的接触面积成正比,而与颗粒的尺寸成反比。

    碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的,其中有大量的孔隙,常见的胶结物有钙质和硅质两种。

    结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的,晶体形成一种紧密排列结构,没有孔隙,如岩盐,它不能成为生油,储油层,但却是油气层的很好的盖层。

    由于岩石微观结构上的特点使多数岩石具有内部的孔隙空间,其孔隙度随岩石的类型及其内部结构而异。岩石的孔隙空间,一般是由连续的不规则的由矿物颗粒所分开的毛细裂缝所构成。沉积岩的孔隙度在很大程度上取决于所含胶结物的数量,颗粒组成的粒度及其排列充填情况。

    岩石的力学性质受其孔隙,裂隙,含有薄弱杂质点等的影响。

    岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的,孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的扫描电子显微镜照片,我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒,并且还可以看到石英颗粒之间存在流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质,一种由固相矿物体和流动的孔隙流体组成的多相体。

     

    孔隙流体的存在,对岩石性质有极其重要的影响。例如,岩石中孔隙体积增加1%,会导致岩石弹性参数变化10倍,或者更多,也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。岩石内部孔隙及孔隙流体的存在,是石油得以生成,矿物得以富集的前提。

    岩石中的孔隙在很大程度上影响岩石的密度。一般认为,岩石的孔隙度会随其埋藏深度的增加而减小,或岩石的密度会随埋藏的增加而增大。这已由密度测井所证实。因此,一般地讲,岩石的强度将随其埋藏深的增加而增大。但是有时也会出现例外的情况,例如对于非正常压实的泥页岩地层,由于孔隙中的水分未被充分排出而显现密度异常,从而降低了它的强度。

    有些泥页岩具有明显的层理。泥浆中的水分常沿这些层理面侵入而引起井壁坍塌;从地下取出这些岩层的岩芯也常由于地应力的解除和吸水,会沿层理而裂开破碎。

    以上介绍的是本油田经常遇到岩石类型的内部结构,接着谈谈这些岩石的断裂(即岩石的裂隙性)和层理等特点。

    沉积岩的主要外部结构特征是在沉积岩沉积过程中所形成的层理。

    层理可以定义为在垂直方向上岩石成分变化的情况。层理的形象主要决定于下列原因:成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化;不同成分颗粒的交替和某些矿物颗粒在一定方向的指向等。

    在某些岩石中,特别是在化学沉积物中和在碳酸盐类岩石中,层理表现很不明显。甚至在砂岩和层状岩石中,只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。在钻井地质剖面上锁表示的岩性变化,软硬夹层等就是层理变化的反映。

    片理是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。片理常常不与层理面相一致。片理面常发生于单向地质构造压力作用的方向,而这种压力可以和层理面成不同的角度。除了片理外,有时还会产生两个裂隙系,在大多数情况下,这两个裂隙系成斜角相交,井垂直于片理面而分布着。

    由于岩石在结构上的特点使多数岩石的性质具有不均匀性和各向异性。即使不具有裂隙和明显层状的岩块试件,也可以带有各向异性的特点。这是岩石内部结构性(微观结构)的反映。岩石中的矿物定向排列,沉积过程中具有的微层理性,变质过程中所形成的片理以及在地壳构造力作用下所形成的劈理等等。都会使岩石的物理力学性质带上各向异性的特征。岩石的各向异性,表现在它的强度及变形特性等各方面。

  • 油气的运移之旅

    我们在油藏中开采石油和天然气,殊不知那里并非小油滴和小气泡们的出生地。它们在烃源岩这个“石油酿造缸”中形成,越来越多直至渐渐觉得挤了,就要到更广阔的天地中去。就这样,它们漫长而艰辛的旅程开始了。从出生地到油藏中储存起来的整个过程,就是油气的运移。

    这个旅程从小油滴生成开始,到它们走出家门,背井离乡,找到另一个居所安定生活,直到寿终正寝(破坏,散失)。它们漫长的一生中,背井离乡的青年时期是最为绚烂的。

    我们这里要讲述的,也是从它离开家乡,摸爬滚打直到有了立足之所站稳脚跟的整个过程。通常把这个过程分成两个阶段:一是小油气滴离开烃源岩妈妈来到临近的储集层,叫做“初次运移”;二是进入储集层之后发生的一切运移,包括它们后来聚集到储藏室——油气藏的过程,叫做“二次运移”。

    初次运移

    初生的小油气滴总是和水作伴,我们合称它们为“孔隙流体”,本文昵称它们为“小液滴”。小液滴生活在盆地中,居住在地底下。它们充满在石头楼房的每个房间——岩石孔隙里,当然它们的房间并不规则,而是分散地、星星点点地分布在压实、固结的烃源岩里。

    这种安居乐业的生活不是很好吗?究竟是什么促使小油、气滴们离开家的呢?它们又要到哪里去?下面我们讲一讲“油气初次运移的相态,动力和方向”问题。

    在小液滴踏上旅程之前,我们先看一看它们的旅行状态——运移相态。油和气可以说是一对“双胞胎”——它们从“出生”起就密切相处,甚至一定条件下还能互相溶解。此外,初生小油、气滴和水的关系也很密切。早在油、气还在“孕育”时,就被水包围,油、气生成以后,它们和水更是朝夕相处的伙伴。旅行时,有的气溶解在油中,有的气溶解在水中;有的气成微小的气泡分散在水中,油也呈分散的小滴、薄膜混杂在水中;有时,在微小的气泡中含有油,在分散的油滴或薄膜中也溶解有气。很多时候,它们独自行走,叫做游离相,溶解同行的时候我们分别称它们水溶相或者油溶相、气溶相。现在,让我们跟随小液滴一起,踏上旅程吧。

    1.天然的榨油机——正常压实作用

    液滴们充满在房间里自然承受一定压力,叫做“孔隙流体压力”。它们所在位置之上的静水柱也形成压力,称为“静水压力”。小液滴要想安定地待在居所里,就需要这两种压力大小相等,这就是“压实平衡”。

    不可忽略的是,小液滴的房间是由岩石颗粒支撑起来的。烃源岩常常是泥岩,因而房间格架不像砂岩那样牢固,可压缩性也比较强。

    当盆地沉降,烃源层随之下沉。上面的沉积物不断加厚变重,下层的房间就会到沉重的压力。最终楼房的格架(岩石骨架)再也支撑不住这样的重压(岩石骨架压力),组成岩石的固体颗粒也就越靠越紧,房间小了,住在其中的水和初生油、气也就越来越“呆”不住了,最后,它们遭遇“瞬时剩余压力”而被排挤出来。

    一部分液滴被挤出之后,房间不再拥挤,楼房的重压也得以释放,新的“压实平衡”又形成了。剩下的液滴继续生活在孔隙中,直到下一次被重压排挤。

    上覆地层的这种作用就像一部巨大的榨油机。这部“机器”靠上覆地层的静压力把生油层中的绝大部分水和油、气“榨”出来。这个过程周而复始,渐渐地,越来越多的小液滴离开了“家”。初生油、气被赶出烃源岩后又往哪里去呢?它们当然是去往压力小的地方了。

    我们知道,沉积岩是成层分布的,烃源岩附近常常有储层存在。储集层的小房间一般是砂质和砾石颗粒搭建而成的,岩石骨架坚固,里面的流体承受的压力一般就只相当于那里的静水压力,住在里面自然舒坦了。

    一般来说,被榨出的油、气会离开泥岩去往砂岩储层,离开深处去往浅部,离开盆地中心来到边缘地区。它们不仅能进入烃源层上部的储层,也可进入生油层下部的储层。

    我们认识了正常压力,下面要讲的几种排烃动力多数和“异常高压”有关。并非所有岩石空隙都能像正常压实过程中那样缩小,在一些系统较为封闭的泥质岩类中,软的不行就只能“蛮力”解决——来硬的了。

    2.出路是自己闯出来的——欠压实作用

    同样是在上覆沉积物变重的情况下,不同的是地下交通阻塞(空隙封闭),家门打不开,液滴们挤得难受却又堵在房里出不去,这时房间里的流体就承受着“异常高压”。当它们再也无法承受就要“夺门而出”——它们将岩石撑破,顺着“微裂隙”流走。

    放走一些流体之后压力得以释放,微裂隙也就重新闭合,直到下次破裂再开启。就这样周而复始,液滴们一点一点从欠压实中心处离开,向上,向下流去。

    3.神奇的造水石头——蒙皂石脱水作用

    地下有种叫做蒙皂石的黏土矿物有种神奇的作用,它可以从自己体内“吐”出水来。它产生的水虽然使小小的房间更加拥挤,但是这样一来,反而配合了欠压实作用,更促进了异常高压产生微裂隙。

    它吐出的水还有一个奇特的作用,就是将吸附在岩石颗粒表面的油滴剥离下来,让它们集中到空隙中间,有助于运移。更有趣的是,水一多,小油气滴就如同搭载了交通工具,可以溶解在水中(水溶相)离开了。

    4.地底热炉——流体热增压作用

    当盆地沉降,烃源层深度增加,温度也就增高,这时小液滴就要发生膨胀。由于流体比岩石颗粒膨胀剧烈,所以温度的升高帮助流体从岩石颗粒之间往外挤。另外,温度的增加又使流体黏度减小,变得更易流动,这样,外榨内挤,初生油、气就离开它们生成的地方。

    5.闯出新天地——有机质生烃作用

    地下“石油酿造缸”在不断生成新的油气,油气体积比它的原料“干酪根”体积大得多,所以新生流体必然排挤孔隙原有的流体。想想看,就像鼓胀的气球再充气就要胀破一样,即使空隙封闭暂时排不出去,异常高压也能撑开微裂隙将它们挤出去。

    6.盐度平衡的使者——渗析作用

    流体总是从盐分少的地方去往盐分多的地方来维持盐度平衡。

    而由于压实作用下流体总是从泥岩向砂岩中去,从而砂岩积留的盐分比泥岩多,渗析作用更促使小液滴们从泥质岩向砂岩中运移。而对烃源岩本身来说,泥岩边部比中部压实快,过滤下的盐分多,所以渗析作用让油气从泥岩内部向边部运移。

    7.人小力量大——扩散作用

    有浓度差存在时,烃源岩中的小小油气滴就能通过分子的不规则运动扩散到周围岩石中去。虽然效率低,但是无处不在,尤其是当烃源岩孔隙极小,别的作用难以实现时,就显得非常重要了。

    8.胶结和重结晶作用

    碳酸盐岩生油岩层在成岩过程中的胶结和矿物重结晶作用也是一种让孔隙变小的“榨油”动力。这种作用一方面排挤混杂在未结晶的碳酸盐岩中的流体,另一方面又造成无数大大小小的裂缝,给流体的运移、储集创造了良好条件。

    9.阻力也能变动力——毛细管力

    直径在0.5~0.0002毫米之间的孔隙,由于流体和孔壁分子之间的吸附力,流体已不能在其中自由流动。这种孔隙虽然不利于流体在重力的作用下从中通过,却有利于孔壁分子发挥对流体分子的作用,帮助油、气从生油层进入储油层,这就是毛细管孔隙的毛细作用。

    当岩石颗粒亲水而不亲油时,在岩石的毛细孔隙中,液体弯曲面的凸面是指向水的。即是说,在这些毛细孔隙中,孔径愈小,把水拉进自己“体内”的力量愈大。当生油层的孔隙比储油层的小很多时,在生油和储油层接触的地方,毛细管力就把储油层中的水往生油层中吸,同时,把生油层中的油、气向孔隙较大的储油层中排挤。

    一条条孤立的毛细管能起的作用是非常微小的,分布在广阔的岩层中难以计数的毛细管却形成了一股不可忽视的力量。

    可以说,初次运移是各种因素综合作用的结果,有动力也有阻力,但是阻力终究是局限而暂时的,如同我们长大成人之后再恋恋不舍也要离开爸爸妈妈,油气离开烃源岩也是必然要发生的。

    走出家门,它们要去往哪里?现在让我们走进油气运移的第二个阶段——“二次运移”。

    二次运移

    经过初次运移的小油气滴离开家,来到储集层中,踏上了一生的旅程。储集层真是个大千世界啊,这里有广阔的孔隙空间,有各种各样的构造现象,有那么多的缝缝洞洞,还有太多太多的道路摆在眼前。每个小液滴都想找到一个容身之所,每个小液滴都想聚集成藏,实现一滴油,一股气的价值。那么,在这里它会经历什么呢?

    在压力和毛细管力的作用下,刚进入储层的小油、气、水滴仍然保持着在生油层中那种相互混杂的“密切关系”,但一遇适当条件,三个好伙伴就要“分家”了。

    混在一起的油和水因比重不同而发生分离的现象叫“重力分异”,原因在于一种液体对另一种液体有浮力。

    有浮力托着,游离的气就上浮到油的上面,而游离相的油将浮到水的上面。但那些溶解在油和水中的气则只有压力低于饱和压力时才能从溶剂中脱出,和油、水发生重力分异。

    油、气、水就这样逐渐分离。它们一面分离,一面又在压力差的作用下向压力低的地方渗流,走上了“新的旅途”。

    二次运移的道路比初次运移要大而通畅地多,主要是连通孔隙、裂缝、断层和不整合面。在连通孔隙中,喉道越大,小油滴运动起来也就越容易。

    岩石中的各种裂缝对小油气滴来说简直就是宽广的“交通大道”,有了这些裂缝,流体就可以直接从中流过,在岩石中运移也就容易了许多。

    而油气要在垂直方向上运移,很大程度上归功于断层。它不仅可以沿着断层面走,有时还可以穿过断层从一盘到另一盘去。不整合面也可以帮助油气滴“横着走”,在储层中侧向运移。

    在储集层这个新天地里,谁会让小油气滴沉沦不前,谁会搀扶着小液滴继续走下去?它们最终会立足在哪里?让我们跟随小液滴一起经历——“油气二次运移的方向,阻力和动力”。

    1.亦敌亦友——毛细管力

    毛细管力是个摇摆不定的两面派,一会儿当阻力,一会儿当动力。小油滴经过孔隙系统时要穿越喉道,浮力托着它变形挤进去,这时就遇到困难了,毛细管力不让小油滴进。好在小油滴下面的浮力大,还是挤进喉道中来。谁知当小油滴要离去时,毛细管力倒成了好帮手,它协助动力一起将小油滴向外推,让它顺顺利利从一个孔隙到达另一个孔隙。

    2.黏人的胶水——吸附力

    有些岩石颗粒总想把油气分子留在身边,它用吸附力把它们黏在自己身上,始终是妨碍油气运移的阻力。

    3.腾云驾雾去仙境——浮力

    当四周的水流静止时,只有浮力向上托举着小油气滴让它垂直向上浮起。此刻它的心情就像飞天的嫦娥一般忐忑——上面会是什么样呢?遇到水平地层的小油滴怕是不太幸运,它们到达储集层的顶部就分散开来,无法形成有价值的油气藏。而如果岩层是倾斜的,那么这种期待简直令人战栗——它不断沿着倾斜方向向上,向上,最终到达类似背斜这样的圈闭——漂泊的旅程宣告终结,小油滴终于形成了油气藏,在广阔的地下找到了自己的立足之地。油气只有形成油气藏,才能实现自己的经济价值,造福人类。

    4.乘势前进——水动力

    水流在盆地中流动,一般是压实或者重力作用的结果。被盖层和底层所夹着的一层层砂层,就像埋在地下的一根根大管子。“管子”两端露出口的海拔高度有差别时,管中的水就要流动。如果入口处有水源源不断地补充,岩层中的水就不断流向出口。当小油气滴遇到这种水动力,就会一面渗流、一面发生重力分异,进行着二次运移。

    5.如有神助——构造应力

    构造运动可以把原来水平的岩层弄得高低起伏,左倾右拱,形成背斜;可以撕开岩层、裂出口子,形成裂缝和断层;可以将能量传递,让各种动力得以将油气运移。构造应力直接或间接地帮助着小油、气滴。

    另外,分子扩散力也起着一定的作用,那些在不连通孔隙中的小油气滴就只能分子扩散力二次运移了。而对已经形成的气藏来说,气体通过分子扩散从上面的岩层溜走,也是气藏破坏的“罪魁祸首”之一。

    二次运移不可能在整个运载层中发生,在不均匀(非均质)的地层中油气总是沿最容易通过(渗透率最大)、毛细管阻力最小的通道运移。

    聚集成藏

    小油滴、小气泡经历初次运移、二次运移,从生油层进入储层,又在储集层中继续运移。遍历弯弯曲曲、又细又小的缝缝洞洞,它们中很大一部分散失掉了,另一些幸运儿在浮力、水动力等的共同作用下,被运进仓库保存下来,成为一座座天然的地下油、气藏,等待石油地质人去开启。

    世界上任何事物都是不断变化、运动的。从大的宏观背景上看,在漫漫地质历史长河中看,日复一日,年复一年,油气藏终将破坏。油气的成藏虽然短暂,但灿烂过就是一种美丽。所有散失掉的小油气滴都永远不在了吗?不是的。当条件适合,它们也许能进入新的轮回,继续运移,聚集起来。

    参考资料和贡献者

    1.中国石油天然气集团网站,石油知识

  • 烃源岩

    烃源岩也叫生油母岩或生油岩,是指富含有机质、在地质历史过程中生成并排出了或者正在生成和排出石油和天然气的岩石。只生成和排出油的岩石称为油源岩,只生成和排出气的岩石称为气源岩。烃源岩的概念中不仅强调了能够生成油气,并且还强调能够排出油气;不仅具有生成和排出油气的潜力,而且还要已经生成和排出油气或者正在生成和排出油气,只有这样的岩石才能算作烃源岩。

    由烃源岩组成的地层则称为烃源岩或源岩层。在一个沉积盆地的发展过程中,在一定地质时期内,源岩层和非源岩层往往间互沉积,在一套地层内形成源岩层与非源岩层的互层。具相同岩性和岩相特征的若干源岩层与其间非源岩层的组合称为源岩层系。

    源岩层是自然界生成石油和天然气的岩层,在沉积盆地中,油气是从源岩层中生成并运移到具有多孔介质的储集层中储集起来形成油气聚集的。因此,烃源岩研究既对探讨油气成因具有理论意义,同时也是指导油气勘探实践的主要根据之一。烃源岩评价的主要目的,就是根据大量地质和地球化学分析结果,在一个沉积盆地(或凹陷)中,从剖面上确定源岩层,在空间上确定出有利的烃源区,为油气勘探提供科学依据。

    烃源岩的类型

    烃源岩岩一般是粒细、包暗、富含有机质和微体生物化石的岩石,其中常含原生分散状黄铁矿和游离沥青质。

    常见的炬源岩主要是粘土岩类烃源岩、碳酸盐岩类烃源岩和煤系烃源岩。

    粘土岩类短源岩

    这类烃源岩主要包括泥岩、页岩等。粘土岩类烃源岩沉积于浅海、三角洲、湖泊等沉积环境,环境安静乏氧,浮游生物或陆源有机物丰富并随粘土矿物质大量堆积、保存,在埋藏过程中,其中的有机质大量向油气转化。因而这些粒细的粘土岩类富含有机质及低价铁化合物,颜色多呈暗色。我国主要陆相盆地如松辽、渤海湾、准噶尔、柴达木等含油气盆地,主要烃源岩层多为灰黑、深灰、灰及灰绿色泥岩、页岩。国外的烃源岩层也以此类最多。

    碳酸盐岩类烃源岩

    这类烃源岩以低能环境下形成的富含有机质的石灰岩、生物灰岩和泥灰岩为主,如沥青质灰岩、隐晶灰岩、豹斑灰岩、生物灰岩、泥质灰岩等等,常含泥质成分; 多呈灰黑、深灰、褐灰及灰色;隐晶—粉晶结构,颗粒少,灰泥为主;多呈厚层块状,水平层理或波状层理发育;含黄铁矿及生物化石;偶见原生油苗,有时锤击可闻沥青臭味。我国四川盆地丰富的天然气资源部分与二叠系和三叠系的石灰岩有关;华南、塔里木地台广泛发育的古生界碳酸盐岩和华北地台中元古界、上元古界、下古生界的许多般酸盐岩都具备良好的生油条件。波斯湾盆地的上保罗统阿拉伯组和古近—新近系阿斯马利石灰岩都是重要的磺酸盐岩烃源岩。

    煤烃源岩

    煤系地层是指在成煤环境下形成的含煤地层。其中的煤层和含煤地层中的富含有机质的泥岩可以成为烃源岩。煤系地层主要形成于沼泽环境和海陆过渡环境。煤是一种富集型有机质,它是由不同数量的壳质组、镜质组和情质组构成的泪合体。晚古生代以后所形成的煤主要是以高等植物为主体的腐殖煤。我国广泛分布有含煤层系,石炭纪—二叠纪、侏罗纪和古近纪是个主要的聚煤期。煤系不仅可以作为气源岩,也可以作为油源岩。

    烃源岩形成的地质环境

    烃源岩是富含有机质的细粒岩石。因此,形成烃源岩的地质环境一般水体安静、气候温暖、生物繁茂、稳定沉降。这样的环境有利于大量有机质的形成、堆积和保存,也有利于有机质的演化。显然,这种环境并不是到处都有,它们受到区域大地构造和岩相古地理等条件的严格控制。

    大地构造条件

    长期稳定继承性沉降的大地构造背景是烃源岩发育的基础。烃源岩是沉积岩,只有沉积盆地才会有沉积岩,才会有烃源岩。因此,在地质历史上能够形成沉积盆地的构造背景才是有利的构造条件。

    根据板块构造的观点,在板块相互作用带上,板块的离散运动和聚敛运动都包含有垂直构造运动,但是,纯粹的转换运动则不带垂直运动性质,可见,只有前两种板块运动才与沉积盆地的形成密切相关;在离散板块分离处,伴随着洋壳形成,地壳变薄引起下沉、弯曲,出现张性环境中的各种沉积盆地;在聚敛板块接合处,伴随着洋壳消亡、陆壳增厚和碰撞造山带上升,沿着造山带的翼部出现许多沉积盆地。在时间顺序上,某一盆地在不同时期可以发生在不同类型的环境中,也可以逐渐过渡。

    板块的边缘活动带,板块内部的裂谷、凹陷,以及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单位,是在地质历史上曾经发生长期持续下沉的区域,是地壳上油气资源分布的主要沉积盆地类型。在这些沉积盆地中,沉降幅度迅速被沉积物的沉积所补偿,因而在沉积盆地的各个沉降时期中,研究沉降速度归与沉积速度之间的关系至为重要。若沉降速度远远超过沉积速度,水体急剧变深,生物死亡后,在下玩过程中易遭巨厚水体所含氧气的氧化破坏;反之,若沉降速度显著低于沉积速度,水体迅速变浅,乃至盆地上升为陆地,沉积物暴露地表,有机质易受空气中的氧所氧化,也不利于有机质的堆积和保存,只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降,沉降速度与沉积速度相近或前者稍大时,才能持久保持还原环境。在这种条件下,不仅可以长期保持适于生物大量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度,保证丰富的原始有机质沉积下来;而且可以形成沉积厚度大,埋藏深度大,地温梯度高,源岩层和储集层频繁相间广泛接触,有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。

    此外,在一个大型沉积盆地内,由于断裂分割或沉降速度的差异造成盆底起伏不平,出现许多次级凸起与凹陷,使有机质不必经过长距离搬运便可就近沉积下来,避免途中氧化。所以这种沉积盆地的分割性对有机质的堆积与保存都有利。华北地区从中生代以来的块断升降作用造成了渤海湾盆地古近纪多断陷、多生泊中心的显著特点。

    岩相古地理条件

    国内外油气勘探实践证明:无论海相、陆相还是海陆过度相,都可能具备适合于油气生成的岩相古地理条件。在海相环境中,浅海区是最有利于油气生成的古地理区域。在浅海大陆架范围内,水深一般不超过200m ,水体较宁静,阳光、温度适宜,生物繁盛,各种浮游生物异常发育,死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来。海湾及泻湖因有半岛、群岛、沙堤或生物礁带与大海相隔,携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入,新的氧气不易补给,在这种半闭塞无底流的环境中,也对保存有机质有利。波斯湾盆地的中、新生界,西西伯利亚的侏罗系、白垩系,墨西哥湾的中、新生界,以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属于浅海环境的产物。而在滨海区和深海区,不利于有机保存和油气的生城。在滨海区,海水进退频繁,浪潮作用强烈,不利于生物繁殖和有机质的堆积保存,深海区生物本来就少,死后下沉至海底需经过巨厚水体,易遭氧化破坏,加上离岸又远,陆源有机质需经长途搬运,早被淘汰氧化,都不有利于有机质的堆积和保存。值得注意的是,随着世界油气工业的发展,人们已开始注意到大陆架以外的深海区域找油气的远景,包括深海平原、大陆坡和小洋盆地区,已经开始进行海上勘探工作。

    海陆过渡环境的三角洲环境既有陆源有机质源源搬运而来,又有原地繁殖的海相生物,致使沉积物中的有机质含量特别高; 三角洲环境沉积物堆积速率高、埋藏快,地温梯度高,有利于有机质的保存和演化,是极为有利的生油区域。

    大陆深水—半深水湖泊是陆相烃源岩发育的区域,一方面湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质,增加了湖泊营养和有机质数量;另一方面湖泊有一定深度的稳定水体,提供水生生物的繁殖发育条件。尤其在近海地带的深水湖盆更有利于有机质的堆积,因为近海区域地势低洼、沉降较快,是陆表水的汇集地带,容易长期积水而形成深水湖泊,保持安静的还原环境。这种地区气候温暖湿润,浮游生物及藻类繁盛,而且往往又是河流三角洲的发育地带,河水带来大量陆源有机质注人近海湖盆,有机质异常丰富。油气勘探开发实践表明,我国许多陆相沉积盆地,如晚二叠世的准噶尔盆地、晚三叠世的鄂尔多斯盆地、早白垩世的松辽盆地、古近纪的渤海湾盆地,甚至古近纪的柴达木盆地都可能属于当时的近海湖盆,成为湖相生油的最有利区域。

    在浅水湖泊和沼泽区,高等植物繁盛,是有利的成煤环境,有机质多属腐殖型。这种环境中的有机质生油潜能较差,更适合形成煤和天然气。但是在一些流水沼泽和分流间湾沼泽,形成的有机质中富含富氢显微组分,具有较强的生油潜力,也可以形成石油,如澳大利亚的吉普斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。

    古气候条件

    古气候条件也直接影响生物的发育,年平均温度高、日照时间长、空气温度大,都能显著增强生物的繁殖能力。所以,温暖湿润的气候有利于生物的繁殖和发育,是油气生成的有利外界条件之一。

    上述各项条件都对形成适于有机质繁殖、堆积、保存的环境产生综合性的影响,相互之间有密切联系。其中大地构造条件是根本的,它控制着岩相古地理及古气候的特征。所以,在研究任何区域的油气生成条件时,必须从区域大地构造特征入手。

    烃源岩的地球化学特征

    在一个沉积盆地中只有有效的烃源岩才能提供商业油气聚集。作为有效的烃源岩首先必须具备足够数量的有机质、良好的有机质类型,并具有机质向油气演化的过程。

    通过对烃源岩的地球化学研究,可以判断哪些岩石具备烃源岩的条件,何种烃源岩才是有效的烃源岩,其生烃能力如何等。

    烃源岩的地球化学特征包括三个方面:有机质丰度、有机质类型和有机质演化程度。随着石油地球化学的进展,鉴别和分析烃源岩的方法和技术手段不断发展。以下分别介绍表征烃源岩特征的主要地球化学指标和方法。

    有机质丰度

    岩石中有足够数量的有机质是形成油气的物质基础,是决定岩石生短能力的主要因素。通常采用有机质丰度来代表岩石中有机质的相对含量,衡量和评价岩石的生烃潜力。日前常用的有机质丰度指标主要包括总有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”和总烃(HC) 含量和岩石热解生烃潜量等。

    总有机碳含量是国内外普遍采用的有机质丰度指标。有机碳是指岩石中除去碳酸盐、石墨等中的无机碳以外的碳。这部分碳包含了岩石中不溶有机质—干酪根中的碳,也包含了岩石中可溶有机质中的碳,故称为总有机碳。因为在烃源岩有机质生成的油气中,有一部分已经排出烃源岩,实验室所测定的是岩石中残留下来的有机质中的碳的数量,故又称为剩余有机碳含量。总有机碳含量以单位质量岩石中有机碳的质量百分数表示。

    氯仿沥青“A”是用氯仿从岩石中抽提出来的有机质,也就是能够溶于氯仿的可溶有机质。总烃是指氯仿沥青“A”中的饱和怪和芳香烃组分,氯仿沥青“A”含量和总烃含量也是最常用的有机质丰度指标之一。氯仿沥青“A”含量用其占岩石质量的百分数表示,总烃含量用其占岩石质量的百万分数(10-6 )表示。

    岩石热解是一种快速评价是源岩的方法,该方法由法国石油研究院(FPI)提出,研制的相应仪器称为热解仪或岩石评价仪(Rock – Eval) 。
    该方法的基本原理是将烃源岩样品放在仪器中加热,对其进行热解,然后根据其生成产温度物的类型和数量来对蜂拥岩进行评价。热解的结果用热解谱图表示。

    有机质类型

    有机质(干酪根)一般划分为三种类型,即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。基本的类型划分是以干酪根元素分析法为基础的,除元素分析方法外,干酪根类型的划分方法还有显微组分分析法和烃源岩热解分析法。

    有机质成熟度

    沉积岩中有机质的丰度和类型是生成油气的物质基础,但是有机质只有达到一定的热演化程度才能开始大量生烃。勘探实践证明,只有在成熟烃源岩分布区在有较高的油气勘探成功率。所以,烃源岩的成熟度也是决定油气勘探成败攸关的问题。

    成熟度是表示沉积有机质向油气转化的热演化程度。由于在烃源岩的演化过程中,烃源岩中的有机质的许多物理性质、化学性质都发生相应的变化,并且这一过程是不可逆的,因而可以应用有机质的某些物理性质和化学组成的变化特点来判断有机质热演化程度,划分有机质演化阶段。为了判断有机质是否达到成熟,是否开始大量生成石油,各国石油地质学家和地球化学家提出了许多衡量有机质成熟作用的指标,例如:镜质体反射率、孢粉碳化程度、热变指数、岩石热解参数、可溶抽提物的化学组成特征(饱和烃成分、碳优势指数CPI、环烷烃指标、生物标志物)、干酪根自由基含量、干酪根的颜色及H/C – O/C 原子比关系,以及时间温度指数(TTL)等。

    烃源岩评价

    评价烃源岩要从其地质特征和地球化学特征两方面入手。具体步骤如下:

    1、根据测、录井及取心资料,并结合基础地质资料在纵向上识别、划分烃源岩;统计各个层位烃源岩的厚度,做出厚度等值线图,指出主要的烃源岩发育区。

    2、根据油田上已有的资料以及我们取样、分析化验的资料,分层位做各套烃源岩有机质丰度指标(有机碳(TOC)、总烃(HC)、氯仿沥青“A”和生烃潜量(S1+S2))的等值线图。如要确定生油门限,还要选择典型井做某些指标在剖面上的演化图。

    3、根据收集的H/C、O/C资料或热解资料(IH和IO)做范式图,也可以收集类型指数资料,通过做散点图分析各套烃源岩的干酪根类型。

    4、收集Ro资料,做平面等值线图,并分析平面上的烃源岩成熟区和生烃中心;选择典型井,做Ro剖面演化图,并指出生烃门限。

    5、选择一种方法,计算资源量。

    6、综合以上信息在纵向上指出主要的生烃层位,在平面上指出主要的生烃区。

    参考资料和贡献者

    1.柳广弟主编.石油地质学. 石油工业出版社,2009.P1-3

  • 天然气成因

    前面对油气生成的一般原理进行了详细的论述,其中也涉及天然气的成因问题。前面已经提及,在不同类型的有机质(干酪根)中,Ⅲ型干酪根更趋向于生气;在有机质的未成熟阶段通过生物化学作用可以生成生物化学气,在有机质的成熟阶段可以生成热解气,在有机质的过成熟阶段可以生成裂解气等。然而,天然气和石油在成因上的差异远不止这些,它们在母质类型、生成机理和形成环境上都存在差异,从而造成天然气的成因类型更加多种多样。本文将在进一步介绍天然气生成特点的基础上,重点阐述不同成肉类型天然气的基本特征和鉴别标志。

    天然气的生成特点

    与石油相比,天然气的生成具有成气母质类型多、成气机理多、成气环境广的特点。

    生气母质的多元性

    生成天然气的母质具有多元性的特点。石油主要是由I 型和II1 型干酪根生成的,而生成天然气的母质在类型上要比生袖的母质更多,因此天然气在成因上是多元的。

    1.无机物

    根据有机生油理论,石油是有机成因的。但是除有机成因的天然气外,还有一部分天然气却是无机成因的,它们由无机物生成。例如CO2 气可以通过CaCO3 的受热分解而形成,CO2 在细菌作用下可以通过还原反应形成CH4 等。

    2. 原始沉积有机质

    沉积有机质在没有变成干酪根之前,通过细菌的分解作用就可以生成天然气,沼气的形成就是原始有机质生气的很好的例子。

    3. 各种类型的干酪根

    原始有机质通过有机质的成岩作用形成干酪根后,通过热降解作用和热裂解作用可以形成天然气。不同类型的干酪根在演化过程中的生气能力是不同的, I型和II型干酪根以生油为主,也可以生成一部分天然气;而Ⅲ型干酪根则以生气为主,生油有限。

    4. 液态石油和分散可溶有机质

    由干酪根生成的液态烃在高温条件下可以进一步发生裂解,长链的短类可以裂解成短链的短类以至最后裂解为甲烷,这是I 型和II 型干酪根在演化过程中生气的重要途径。液态烃在地下的赋存状态主要有两种方式:一种是呈聚集状态的石油;另一种是以分散状态存在的液态烃,也就是岩石中的分散可溶有机质。它们都是形成天然气的重要母质。

    生气机理的多样性

    石油主要是在有机质的成熟阶段由干酪根的热降解作用生成的,而形成天然气的机理则是多种多样的。在前面的章节中已经讲到,在生物化学生气阶段,细菌的生物化学作用可以生成天然气,干酪根和液态烃的热降解和热裂解作用也可以生成天然气。除此之外,天然气还可以通过无机化学反应生成。

    1.生物化学作用

    微生物的生物化学反应可以生成甲烷。国内外对于生物气的成因都有较多研究,但对微生物作用形成甲烷的机理至今还不十分清楚,不过它是一种包括各种辅助酶在内的独特的生物化学反应。在微生物的作用下,甲烷的形成主要有两种途径,一种是乙酸的发酵;另一种是二氧化碳的还原。这两种生气途径可以分别用下面的反应过程表示:

    CO2+3H2—CH4+H20(辅酶M)

    CH 3 COO-+H+—CH4 +CO2(产甲烷菌)

    2. 热降解作用

    在有机质的演化过程中,干酪根在温度的作用下发生热催化作用,连接在干酪根核上的支链和侧链断裂形成烃类,这就是热降解反应。对于I型和Ⅱ型干酪根,由于含有较多的长链,因此以生油为主,但也含有一些短链,这些短链的断裂就形成了天然气;而Ⅲ型干酪根以短链为主,在热降解过程中则以生气为主。

    3. 热裂解作用

    裂解作用主要是高温条件下,有机质C-C 键断裂而形成小分子结构烃类的作用。这种C-C 键断裂后必须通过加氢才能形成相对分子质量低的烃类,因此,在裂解反应中,氢的补给是一个重要的条件,热裂解作用可以使长链的烃类发生断裂形成短链的烃类,这样就形成了天然气。这种生气机理是液态石油和可溶有机质裂解成天然气的主要机理。

    4. 无机化学反应

    无机化学反应生成天然气最常见的实例是CaC03 在高温下分解为CO2 和CaO ,这是无机CO2 形成的重要机理。无机烃类气体的存在已经有许多地质和地球化学证据• 但其形成机制比较复杂,它们可能与地壳深部的无机化学反应有关(戴金星等, 1995) 。

    生气环境的广泛性

    除母质类型和生成机理外,天然气的形成环境也比石油的形成环境广泛得多。已知石油主要形成于有机质的热催化阶段,其形成的深度以1000~5000m 范围为主,地层温度在65~180℃, 而天然气几乎可以形成于各种深度和环境。在地表和近地表环境中,由于厌氧细菌对有机质的发酵作用可以生成天然气,沼气就是在地表条件下天然气生成的典型实例,在一些沼泽中,由于有机质的分解也可以形成天然气,与生油的过程相伴生,在石油生成的深度范围内,可以生成天然气;当埋藏深度过大,液态石油已经不能存在了,这时天然气还可以继续生成。研究表明,甲烷可以在高达600℃ 的温度下存在;也已经有证据证明,无机甲烷可以在地壳深处甚至在地幔中生成(戴金星等, 1995)。

    综上所述,生成天然气的物质不仅可以是不同类型的沉积有机质,也可以是无机物;天然气不仅可以由干酪根热降解和热裂解作用以及液态烃的热裂解作用形成,也可由细菌的生物化学作用形成,或由无机物合成和分解作用形成;其形成的环境多样,既可以在沉积有机质埋藏极浅、温度较低的环境下由生物细菌还原作用形成,也可在埋藏中、深层条件下由干酪根和储层石油热解和裂解形成,甚至可来自高温热液或高温和成。因此,天然气有比石油更广泛的形成条件,天然气不仅能伴随石油的形成过程而生成,而且能在许多不适于生油的条件和环境中大量形成。表1 概括对比了天然气和石油生成特点的主要差异。

    表1 天然气和石油生成特点比较

    天然气的成因类型及基本特征

    根据生成天然气的原始物质的类型和天然气的形成机理,可以对天然气的成因类型进行划分。首先根据成气物质的来源,可把天然气划分为无机成因气和有机成因气。
    无机成因气泛指各种环境中由无机物质形成的天然气,无机成因气根据其形成机制可以进一步划分为幔源气、宇宙气、岩浆岩气、变质岩气、放射作用气、无机盐类分解气。

    有机成因气泛指沉积岩中分散和集中有机质或可燃有机矿产形成的天然气。根据形成天然气的有机质类型和生气机理,可以对有机成因气进行进一步的划分。根据形成有机成因气原始有机质类型的不同,可以把有机成因气划分为油型气和煤型气。由腐泥型有机质及其干酪根生成的天然气称为油型气,而腐殖型有机质及其干酪根形成的天然气称为煤型气。根据生气机理和演化阶段的不同,煤型气和油型气又可以分别进一步划分为生物成因气、热降解气和热裂解气。天然气成因类型的划分见表2 。

    表2 天然气成因类型划分

    不同成因类型天然气的鉴别方式

    地壳中的天然气绝大部分是气体化合物与气体元素的泪合物,只有个别特殊情况下才由单一气体组成。因此,识别天然气的成肉类型应该是对天然气中各种组分的成因进行识别,但这样要花费大量的时间和财力,所以,一般只鉴别天然气中几个主要组分的成因类型。另一方面,在理论上不同成因天然气的地球化学特征有所不同,欲寻求统一的标准来识别各种不同类型的天然气,目前尚难做到。

    鉴别烃类气体成因通常根据以下三方面的资料(1)天然气的组成特点,如碳同位素组成、甲烷含量等参数。(2)成气母质的有机质类型和演化程度等。(3) 天然气伴生物特征,如凝析油的成分、储层沥青的成分等。

    表三 天然气的鉴别方式

    参考资料和贡献者

    1.柳广弟主编.石油地质学. 石油工业出版社,2009.P1-3

  • 沉积有机质的成烃演化

    沉积有机质的成烃演化主要分为三个阶段,分别是成岩作用阶段、深成作用阶段和深成作用阶段。

    成烃演化阶段

    成岩作用阶段
    此阶段从沉积有机质被埋藏开始到门限深度为止,R0<0.5%。成岩作用早期,有机质要经历细菌分解和水解,随着埋深的增加,细菌作用趋于终止,进而演化为地质聚合物即干酪根。成岩作用阶段尤其是早期牲畜的烃类产物,是生物甲烷和少量高分子烃。
    在有机质成岩作用晚期,地下水对碳酸盐、铝硅酸盐和硅酸盐矿物的溶解能力增加,有助于形成溶蚀的次生空隙。
    深成作用阶段
    为干酪根生成油气的主要阶段,也可称油和湿气阶段。此阶段划分2个带,油带R0为0.5-1.3%,又叫低-中成熟阶段,其中低熟油带R0为0.5-0.7%,中熟油带R0为0.7-1.3%,干酪根通过热降解作用主要产生成熟的液态石油。轻质油和湿气带又叫高成熟阶段,在较高的温度下,干酪根和已形成的石油发生热裂解,C1-C8的轻烃迅速增加,还可形成凝析气。
    准变质作用阶段
    该阶段埋深大、温度高,R0>2.0%。由在成熟阶段干酪根上的较长烷基链已消耗殆尽,所以生油潜力枯竭,只能在热裂解作用下生成高温甲烷,而且先前生成的轻质油和湿气也将裂解为热力学上最稳定的甲烷。该阶段也称热裂解干气阶段。
    有机质成岩演化与成烃作用(据Tissot&Welte,1984)

    促使沉积有机质演化成烃的因素

    促使沉积有机质演化成烃的因素主要有细菌、温度和时间、催化剂、放射性、压力等。

    细菌

    按其生活习性可分为3类:喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。

    细菌所起的作用是将原始的有机质中的O、S、N、P等元素分离出来,使C、H特别是H富集起来。细菌一般作用于有机质改造早期。

    温度和时间

    只有对沉积有机质演化而成的干酪根加热以后才能生成石油烃类;

    温度较低时,加热干酪根生成的液态烃和挥发组分产率较低。只有达到一定温度,才会大量生成液态烃。而温度继续上升到一定程度,液态烃又会减少,气态烃生成量继续增加。

    有利于油气生成的地质环境

    一是有丰富的有机质,二是有适宜的物理化学条件,前者是生油的物质基础,后者为生油提供了保障。

    岩相古地理环境

    无论海相还是陆相都有可能具备适合于油气生成的岩相古地理条件。海洋中以浅海为最有利的生油环境。陆地上的深水-半深水湖泊也比较有利。从气候来看,温暖、湿润的气候是生物繁殖和发育的外部有利条件。

    大地构造条件

    只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降、沉降速度略大于或接近沉积速度地区,才能持久保持还原环境。