油气二次运移机理研究进展

周波1，2 金之钧1 王毅1

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国地质大学能源学院，北京100083）

摘要 本文从油气运移动力学机理出发，主要从几个方面阐述油气二次运移的动力学机理。首先阐述油气运移的通道变化规律，并用含油饱和度值来界定运移通道的范围。然后讨论影响油气运移的各个因素，将影响油气运移的各种因素综合为毛管力、黏滞力和浮力3个力之间的关系，并用Bo数和Ca数两个无量纲数对几个力之间的关系进行探讨。进一步探讨目前存在的几种油气运移的模式：稳定式、指进式和优势式，并对不同模式所代表的流体运移机理进行了阐述，指出了不同运移模式中含油饱和度的变化规律。为研究者更深刻地认识油气运移的机理提供了基础。

关键字 研究进展 逾渗理论 二次运移

Advance in the Study of Secondary Oil Migration

ZHOU Bo1，2，JIN Zhi-jun1，WANG Yi1

（1.Exploration and Production Research Institute，SINOPEC，Beijing 100083；2.China University of Geosciences，Beijing100083）

Abstract In this article，the dynamic regime of secondary oil migration is discussed in different angles.Firstly the changes of the oil migration pathway are analysis and the oil saturation in pathway is chose to judge the variation of the pathway.Then the factors which affect the oil migration pathway are analyzed.All the factors are unversed by three forces：capillary force，viscous force and the buoyancy force，and the three forces are instead of two parameters，Bond number and the Capillary number.In the end three migration modes are discussed，it is stable migration mode，fingering mode and advance mode.And the migration discipline in different mode is expressed by the oil saturation.The research will provide the basis for the understanding of the dynamic regime of the oil migration.

Key words research advance percolation theory secondary oil migration

油气运移是石油地质学研究的重要内容，也是实际勘探中要解决的重要问题。在含油气盆地形成演化、油气藏形成-破坏的全过程中，油气运移始终起着重要的纽带作用［1］。作为流体矿产，石油必须通过一定距离的运移才有可能聚集成藏，运移是最能体现油气作为流体矿产本质的关键环节。长期以来，油气运、聚、散过程的重要性一再为人们强调，但至今仍是油气地质的薄弱环节。近年来，优势路径的提出［2～6］，逾渗理论的应用［7～10］，新的实验手段如X射线吸收法、超声波技术、核磁共振技术［11，12］，以及地球化学资料、油源对比等新方法的应用［13］，都使得油气二次运移的研究思路、方法和手段发生了巨大变化。这些为油气二次运移动力学机理的研究提供了可能性。本文主要从油气运移的动力学机理出发，阐述近年来在油气运移的影响因素、运移模式和运移机理方面的新认识。

1 油气运移相态

油气二次运移是指油气由生油层进入输导层后的一切运移［14～15］。研究表明，石油二次运移以游离相为主，水溶相占次要地位。

2 油气运移动力和阻力

油气在进入输导层后，主要在构造应力、浮力、水动力和毛细管力等一种或者几种力的作用下进行二次运移，然后在圈闭之中聚集［2，16～21］。其中，浮力始终是油气运移的原始动力，而水动力和毛细管力是动力还是阻力取决于岩石的物理状态和油气和水动力流动方向的相互关系。区域的构造应力则是产生浮力和水动力的根本动力。

3 油气运移通道

在二次运移过程中，除了输导层内的连通孔隙外，裂缝、断层以及不整合面都可以作为油气运移的通道［1］。近年的研究使人们相信，油气在盆地内的二次运移是一个极不均一的过程［2，17，22～24］。即便是在均匀的孔隙介质内，油气的运移也只沿着通道内有限的范围发生，其体积大约只占全部输导层的1%～10%［2～4，25］。张发强等［5］提出路径概念，将运移发生时油气在运移通道内占据的有限空间定义为路径。在盆地尺度上，二次运移路径的直径可能仅为数米［2］。而且，运移路径一旦形成，在流速变化不大的情况下，后续油气将主要通过该路径向前运移［5］。油气沿着优势通道（路径）运移过程的研究使人们认识到，在二次运移过程中烃的损失量可能很小［2，3，4，25］。但即便如此，对于二次运移发生的临界油气饱和度及运移后在通道上残留烃量的讨论却一直未有定论［26］，其变化的幅度从20%到1%［2，18，25］。

4 影响油气运移的主要因素

物理模拟实验发现，石油的二次运移过程受颗粒粒度、表面润湿性、注入压力（原始油柱高度）和流体性质等多种因素的影响［2，4，6，26］。为综合地考虑各种影响因素对两互不相溶流体在孔隙介质中的排替方式，David Wilkinson将所有的影响因素综合为毛管力、黏滞力和浮力。最后提出用Bo数和Ca数来综合二次运移过程中不同影响因素［7，8］。图1为改变浮力大小时油气运移路径的变化，可以看出随着浮力值的变化，油气运移路径也随着变化。图2为改变毛管力大小时油气运移路径的模拟图，从图可以看出，改变毛管力大小时，油气运移的路径会发生变化。根据前人研究，用Bo数和Ca数来综合浮力、毛管力和黏滞力可以涵盖所有影响油气运移的物理因素。

图1 改变浮力大小获得的运移数值模拟结果示意图

从a到c浮力值的大小逐渐增加。图中，红色的部分为运移的路径，白色的部分为运移的通道［Zhou，2006］

图2 改变毛管力大小获得的运移数值模拟结果示意图

从a到c毛管力值的大小逐渐变小。图中，红色的部分为运移的路径，白色的部分为运移的通道［Zhou，2006］

5 油气运移的模式

Lenormand［9］等利用侵入逾渗理论，在不考虑浮力的情况下，通过大量物理实验将两相流动过程划分为3种模式：毛管指进式、黏滞力指进式和稳定运移模式，并提出两个模型。一个模型认为，当注入速度或注入压力较大时，所有后续压力大于阻力的喉道都被突破，这时油气整体前进，产生的运移模式为稳定运移模式和黏滞力指进模式；另一个模型认为，当注入速度很小时，两相渗流过程符合逾渗理论的原则，油只沿阻力最小的部位突破，这时油气呈指状前进，产生的运移模式为毛管指进模式。由于其未考虑浮力作用，因此对运移的分析并不全面。Meakin［9，27～28］等针对油气运移两相流动的过程，考虑了当流体流动符合逾渗模型时的流体流动，通过大量物理实验和数学模拟，认为油气运移过程应该分为毛管指进模式和优势式运移模式。优势运移模式和指进运移模式的运移规律各不相同。将流体运移的不同模式统一到一个系统的原则下，Tukunaga［26］根据物理实验，利用两个无量纲数（Bond数和Ca数），绘制了一个油气运移相图，将油气运移模式划分为稳定运移模式和非稳定运移模式，但是，Tukunaga的实验数据太少，只是对两种极端的运移模式进行了定性的描述，没有界定两种模式之间的界限。罗晓容［5，6］（图3）等根据物理实验获得了3种油气运移模式：即稳定模式、指进模式和优势式运移模式，侯平［29］等在前面基础上对毛管数的计算方法进行了校正，同样获得稳定运移模式、指进运移模式和优势式运移模式。

图3 不同油气注入速率条件下的油气运移模式变化［6］

a―活塞式运移模式；b―指进式运移模式；c―优势式运移模式

6 油气运移的机理

在阐述油气运移的机理之前，有必要对目前油气运移的研究方法进行一个简单的回顾。目前用来描述油气二次运移过程的方法基本上分为3类：①基于流体势原理［2，16，18，30］，利用构造法线来对油气运移过程进行定性分析；②基于达西渗流方程的有限元法、差分方程、物质守恒原理等方法［31～32］；③基于流体非均一流动的各种流动模型［7～9，27，33］。即在很多情况下，流体的流动过程不再是一个连续的流动过程，这时候流体的流动规律也不可能用流体势原理或者达西渗流方程来描述，因此提出了新的流动模型。从上述的描述方法可以看出，流体势方法和达西渗流方程方法都必须有一个前提，也就是流体的流动必须是一种连续流动，如果流体的流动属于非均一性的流动，那么流体势方法和达西渗流方程方法就不适用于描述流体流动过程，根据前人的研究，这时候，侵入逾渗模型就可以用来描述油气运移的过程。

在前文描述到的3种运移模式中，稳定式运移模式属于达西渗流方程描述范围，其流体流动规则符合连续流动的流动规则，而指进式运移和优势式运移都是一种不连续流动的过程，都属于侵入逾渗理论描述的范围。根据目前的研究结果，当运移模式为稳定式时，流体流动的整体含油饱和度值为80%，为稳定值，当油气运移模式为指进式运移时，含油饱和度只受运移尺度的影响，二者存在关系式：S0∝L-0.5。当油气运移模式为优势式运移时，含油饱和度和Bo数存在关系式：

。这里L为运移的尺度，S0为含油饱和度。

因此，可以将目前的油气运移机理总结为两种类型，即连续流动型运移和非连续流动运移，连续流动型运移的基本原理就是达西渗流方程，代表运移模式为稳定式运移；而非连续性流动的基本流动规则符合侵入逾渗理论运移规律，代表运移模式为指进式运移和优势式运移。

另外，前文提到，运移路径上的含油饱和度一直没有定论，从本文分析的结果可以看出，油气运移的含油饱和度在不同的运移规律下是不同的，这应该就是为什么一直无法获得确切的运移路径含油饱和度值的原因。

参考文献

［1］张厚福等.我国油气运移的研究现状与展望.石油大学学报（自然科学版），2000.24（4）：1～5.

［2］Schowalter T T.Mechanics of secondary hydrocarbon migration and entrapment.AAPG Bulletin，1979，63（5）：723～760.

［3］Dembicki H J，Anderson M J.Secondary migration of oil：experiments supporting efficient movement of separate，buoyancy oil phase along limited conduits.AAPG Bulletin，1989，73（8）：1018～1021.

［4］Catalan L，Xiaowen F，Chatzis I，et al.An experimental study of secondary oil migration.AAPG Bulletin，1992，76：638～640.

［5］张发强等.石油二次运移的模式及其影响因素.2003，25（1）：67～74.

［6］Luo X，Zhang F，Miao S，et al.Experimental verification of oil saturation and losses during secondary migration.Journal of Petroleum Geology，2004，27（3）：29～39.

［7］Wilkinson D.Percolation model of immiscible displacement in the presence of buoyancy forces.Physical Review A，1984，30：520～531.

［8］Wilkinson D.Percolation effects in immiscible displacement.Physical Review A，1986，34：1380～1391.

［9］Lenormand，Zarcone R，Touboul E.Numberical models and experiments on immiscible displacements in porous media.Journal of Fluid Mechanics，1987，189：165～187.

［10］Wagner G，Birovljev A，Meakin P，et al.Fragmentation and migration of invasion percolation cluster：experiments and simulations.Physical Review E，1997，55（6）：7015～7029.

［11］Thomas M M，Clouse J A.Scaled physical model of secondary oil migration.AAPG Bulletin，1995，79：19～29.

［12］苗胜等.核磁共振成像技术在油气运移路径观察与分析中的应用.石油学报，2004，25：44～47.

［13］李素梅等.八面河地区原油烃源岩中甾类化合物的分布特征及其应用.地球科学，2002，27：711～717.

［14］曾溅辉等.正韵律砂层中渗透率级差对石油运移和聚集影响的模拟实验研究.石油勘探与开发，2000，27（4）：102～105.

［15］李明诚等.油气运移研究的现状与发展.石油勘探与开发，1994，21（2）：1～7.

［16］Hubbert M K.Entrapment of petroleum under hydrodynamic conditions.AAPG Bulletin，1953，37：1954～2026.

［17］Berg R R.Capillary pressure in stratigraphic traps.AAPG Bulletin，1975，59（6）：939～959.

［18］England D A，et al.The movement entrapment of petroleum fluid in the subsurface.Journal of Geologyical Society，London，1987，114：327～347.

［19］Weidner D E，Schwartz L W.An experimental and numerical investigation of buoyancy-driven twophase displacement.Phys.Fluids A，1991，3（9）：2076～2080.

［20］查明等.扩散排烃模拟研究及其应用.石油大学学报，1997，14～19.

［21］陶一川等.盆地烃类运移二维二相流动数学模型分析与应用实例.地球科学，1993，20（3）：314～321.

［22］McNeal R P.Hydrodynamic entrapment of oil and gas in Bisti field，San Juan County，New Mexico.AAPG Bulletin，1961，45：315～329.

［23］Harms J C.Stratigraphic traps in a valley fill，western Nebraska.AAPG Bulletin，1966，50：2119～2149.

［24］Smith D A.Theoretical considerations of sealing and non-sealing faults.AAPG Bulletin，1966，50：363～374.

［25］Hirsch L M，Thompson A H.Minimun saturatioins and buoyancy in secondary migration.AAPG Bulletin，1995，79：696～710.

［26］Tokunaga T，Mogi K，Matsubara O，et，al.Buoyancy and interfacial force effects on two-phase displacement patterns：an experimental study.AAPG Bulletin，2000，84：65～74.

［27］Paul Meakin，et al.Invasion percolation in a destabilizing gradient.Physical review A，1991，46：3357～3368.

［28］Ewing R P and Berkowitz B.A generalized growth model for simulating initial migration of dense non-aqueous phase liquids.Water Resources Research.1998，34（4）：611～622.

［29］侯平.石油二次运移路径的模式分析.中国科学（D辑），2004，34（增刊Ⅰ）：162～168.

［30］Hindle A D.Petroleum migration pathways and charge concentratioin：a three-dimensional model.AAPG Bulletin，1997，81：141～148.

［31］Rhea L，Person M，marsily G D et al.Geostatistical models of secondary oil migration within heterogeneous carrier beds：a theoretical example.AAPG Bulletin，1994，78，1679～1691.

［32］Bethke C M，Reed J D，Oltz D F.Long-range petroleum migration in the Illinois Basin.AAPG Bulletin，1991，75（50）：925～945.

［33］Y Meheust，G Lovoll，K J Maloy，J Schmituhl.Interface scaling in a two-dimensional porous media under combined viscous.gravity and capillary effects.Physical Review E，2002，66：051603.