第五章 石油和天然气的聚集

准噶尔之子

§1  圈闭与油气藏的基本概念
一、圈闭
（一）概念及其要素
烃源岩生成的油气经过运移后，在适宜的地方就会停下来，油气会随后不断地汇集而来，发生聚集。我们把这种适合于油气聚集的场所，称为圈闭。
一个圈闭必须具备三个条件（或三要素）：（1）容纳流体的储层；（2）阻止油气向上逸散的盖层；（3）在侧向上阻止油气继续运移的遮掩物。它可以是盖层本身的弯曲变形，如背斜，也可以是断层、岩性变化等。圈闭只是一个具备了捕获分散状烃类而使其发生聚集的能力的一个有效的地质体，它可以有油气，亦可以无油气，即与油气无关。
（二）圈闭的度量
考查一个圈闭最大能聚集多少油气，要用一些参数来度量。用来描述、评价、度量圈闭的主要参数如下（以背斜圈闭为例图5-1）。

图5-1有效容积的有关参数示意图
1．溢出点
流体充满圈闭后，开始溢出的点（注：它在剖面上是一点，在平面上是一条闭合线）。
2．闭合面积
通过溢出点的海拔构造等高线所圈出的面积。
3．闭合高度
圈闭溢出点到储层最高点之间的垂直距离，或圈闭最高点与溢出点之间的海拔高差（注：闭合度与构造幅度是完全不同的两个概念）。
圈闭的类型多种多样，在圈定闭合面积时，要先找出溢出点遮挡条件的下限，然后根据形成圈闭遮挡物性质是断层、岩性尖灭线或盖层的弯曲，用断层线、岩性尖灭线、构造等高线，三者中的一、二或三，通过溢出点构成的一个闭合的回路或封闭线所圈出的面积。（如图5-2、5-3所示）。
         
图5-2                                      图5-3
（一）概念：运移着的油气，遇到了圈闭，在盖层和遮挡物的作用下，阻止了它们的继续运移，就会在其中的储层内聚集起来，就形成了油气藏。
油气藏是指油气在单一圈闭中的聚集，它是地壳上油气聚集的基本单元。如果圈闭中只聚集了油或只聚集了气就分别称为油藏或气藏，二者同时聚集就称为油气藏。
若油气聚集的数量足够大，达到了工业开采价值，则称为商业性油气藏，否则，聚集的数量少，不具备工业开采价值，则称为非商业性油气藏。二者是一个相对概念，取决于政治、经济和技术条件。
油气藏的重要特点是在"单一"圈闭内的聚集，所谓"单一"的涵义，主要是指受单一要素所控制，在单一储层内，具统一的压力系统，统一的油、气、水边界，同一面积内的油气藏（如图5-4）。

图5-4三个储集层组成的三个油藏
（二）油气藏的度量
油气藏大小要进行储量计算，但计算储量要用如下参数（如图5-5）：

图5-5背斜油气藏中油气水分布示意图
1．含油边界和含油面积
在油气藏中，由于重力分异的结果，油、气、水的分布规律是气上、油中、水底。形成油-气、油-水分界面，静水条件下界面是水平的，动水条件下倾斜。
含油（气）边界是油（气）-水界面与储层顶、底的交线。其中与储层顶面的交线叫做外含油（气）边界，又称含油边缘；与储层底面的交线称内含油（气）边界，又叫含水边界。
2．底、边水
如果油层厚度不大，或构造倾角较陡，这时油气充满圈闭的高部位，水围绕在油气藏的四周。即在内含油气边缘以外，这种水称为边水；如果油层厚度大，倾角小，油气藏的下部全部为水，这种水称为底水，还有另外一种分法。
3．油气柱高度：油气藏内油（气）水界面至油气藏高点的垂直距离。
4．气顶和油环：油气藏顶部的气称为气顶，油位于中部，在平面上呈环状分布，称油环。
5．充满系数：含油气高度与闭合高度的比值。

§2  油气藏成藏要素
油气藏的形成过程，实际上是在各种成藏要素的有效匹配下，油气从分散到集中的过程。这些要素有哪些呢？
1．成藏要素：
油气成藏要素包括生油层、储集层、盖层、运移、圈闭、聚集、保存（即生、储、盖、运、圈、聚、保）七大要素，油气藏的形成和分布，是它们的综合作用结果。
生油气源岩是油气藏形成的物质基础。好的烃源岩取决于其体积、有机质丰度、类型、成熟度及排烃效率。这要结合盆地沉积史、沉降埋藏史、地热史、古气候综合分析评价。
储层的好坏决定了油气藏容纳油气的能力，及开采的难易程度。
盖层的好坏直接影响了油气的聚集与保存。
油气的运移是油气由分散状态到聚集状态的唯一途径；也正是由于油气运移，在一定条件下可造成油气藏的破坏。它是分析油气聚集规律与分布规律的主要证据。
圈闭是油气发生聚集的场所，没有圈闭就形不成油气藏；圈闭的大小、规模决定了油气的富集程度；它的分布规律及形成控制着油气藏的分布规律。
保存条件是油气藏从形成到现在能否完好无损地保存至今的关键因素。
以上任何一个要素不优越，都不能形成现今的油气藏。
二、油气藏富集条件
（一）充足的油气来源
生油条件是油气藏形成的物质基础。因此，充足的油气供给，才能形成储量大、分布广的油气藏。油气源的供烃丰富程度，取决于盆地内烃源岩系的发育程度及有机质的丰度、类型和热演化程度。生油凹陷面积大、沉降持续时间长，可形成巨厚的多旋回性的烃源岩系及多生油气期，具备丰富的油气源，是形成丰富油气藏的物质基础。从国内外大型及特大型油气田分布看，它们都分布在面积大、沉积岩系厚度大、沉积岩分布广泛的盆地中。如波斯湾、西伯利亚、墨西哥、马拉开波、伏尔加-乌拉尔、松辽、渤海湾。这些盆地的面积多在10×104km2以上，烃源岩系的总厚度均>200~300m，沉积岩体积多在50×104km3以上。
（二）有利的生、储、盖组合
1．生、储、盖组合及其类型。
生、储、盖组合是指紧密相邻的（剖面上的）生油层、储集层和盖层的一个有规律的组合，称为一个生、储、盖组合。
（1）根据三者之间的时空配置关系，可划分为四种类型（图5-6）。

图5-6生储盖组合类型示意图
正常式组合：生下、储中、盖上
侧变式组合：指由于岩性、岩相在空间上的变化而导致的生、储、盖在横向上渐变而构成。
顶生顶盖式（顶生式）：生油层与盖层同属一层，储层位于下方。
自生、自储、自盖式：本身具生、储、盖三种功能于一身。
如灰岩中，泥岩中的局部裂缝，泥岩中的砂岩透镜体。
（2）根据生油层与储集层的时代关系划分为新生古储式、古生新储式和自生自储式三种型式。
（3）根据生、储、盖组合之间的连续性可将其分为连续性沉积的生、储、盖组合和不连续的生、储、盖组合。
所谓有利的生、储、盖组合是指生油层生成的油气能及时地运移到良好的储层中，同时盖层的质量和厚度又能保证运移至储集层中的油气不会逸散。
2．生、储、盖组合评价
到底什么样的生储盖组合才算有利的呢？根据国内外学者研究认为：在粘土岩-砂岩类构成的生储盖组合中，砂岩体与其周围生油气层接触面积是控制石油储量的重要因素。当砂岩储集层单层厚约10~15m，泥岩生油层单层厚约30~40m，二者呈略等厚互层时（图5-7），砂-泥岩接触面积最大，最有利于石油聚集。从砂泥厚度比率看，砂岩厚度比率介于20%~60%对油气聚集最有利，中值为30%~60%，太大太小均不利。

图5-7
不同的生、储、盖组合，具有不同的输送油气的通道和不同的输导能力，油气的富集条件就不同。生、储互层式组合，生与储接触面积大最为有利。生、储指状交叉的组合（图5-8），生油层与储层的接触局限于指状交叉地带，在这一带最有利；向盆一侧远离此带，因缺乏储集层，输导能力受限；而另一侧则缺乏生油层，油气来源又受限制。砂岩透镜体从接触关系上来说，应该是油气的输导条件最为有利（图5-9），但油气的输导机理，至今还没有人能解释清楚。这三种组合关系是最有利的或较为有利的。

图5-8

图5-9
（三）圈闭的有效性
油气勘探的实践业已证明，在有油气来源的前提下，并非所有的圈闭都能聚集油气。有的有油气聚集，有的只含水，属于"空"圈闭，说明它们对油气聚集而言是无效的。圈闭的有效性就是指在具有油气来源的前提下，圈闭聚集油气的实际能力。可理解为聚集油气的把握性大小。其影响因素有三个方面：
1．圈闭形成时间与油气区域性运移的时间的关系（时间上的有效性）
圈闭形成早于或同时于油气区域性运移的时间是有效的，否则，在油气区域性运移之后形成的圈闭，因油气已经运移走了当然是无效的。
油气初次运移时，在生油层内部的岩性、地层圈闭中聚集起来的油气藏，是形成最早的油气藏。在烃源岩生烃并大量排烃以后，所发生的第一次地壳运动，是油气大规模区域性运移的主要时期，在此时及其以前形成的圈闭是最有效的。如果盆地在此后又发生过一次或多次构造运动，可能会产生两种结果：一种情况仅使原有多数圈闭进一步发育定型，对油气聚集最为有利，而新形成的圈闭则因无油气可捕获而常常是无效的。另一种情况是地壳运动比较强裂，改变了盆地原来的构造面貌，破坏了已有油气藏，打破了原来的油气聚集的平衡状态，油气可再次发生区域性运移，油气重新分布，这时及其以前形成的圈闭可能成为有效的。
如果一个盆地含有多套烃源岩层，会有多个油气生成和油气运移期，那么后期生成的圈闭，对于早期的油气运移期是无效，而对于后期的油气运聚则可能是有效的。所以应作全面分析研究。
2．圈闭位置与油气源区的关系（位置上的有效性）
油气生成以后，首先运移至离油源区以内及其附近的圈闭中，形成油气藏，多余的油气则依次向较远的圈闭运移聚集。显然，圈闭离烃源岩区域越近越有效，越远有效性越差。
圈闭位置上的有效性是一个相对概念。它受两方面因素影响：一是油源是否充足，若烃源岩供烃充足，则盆地内所有圈闭（指在时间上是有效）都应是有效，否则其有效性随距离增加而变小；二是油气运移的通道和方向，油气在运移过程中，若因岩性变化、断层阻挡或其它阻力的影响，油气运移的方向就会发生变化或停止运移，这时只有油源附近的圈闭才会有效，较远的圈闭只有在有良好通道相连时才是有效的，否则是无效的。
3．水压梯度对圈闭有效性的影响
在静水条件下，油气藏内油水或气水界面是水平的。但在动水条件下，这个界面则是倾斜的，倾角大小取决于水压梯度和流体的密度差（如图5-10所示）。

图5-10水压梯度与圈闭有效性的关系
对油藏而言，油水界面倾角可由下式求出：
  （5-1）
在水动力条件下，油（或气）水界面是倾斜的，意味着会有部分油气被冲走，倾角越大，能留住的油气就会越小。当这个倾角大于或等于圈闭水流方向一翼的岩层倾角时（r≥α），油气就会全部被冲走。
由上两式可知，在相同的水动力条件下，相同的α，则气水界面倾角比油水界面倾角小，所以圈闭对油可能无效而对气可能是有效的（图5-11）。同一水压梯度下，圈闭中能否聚集油气还取决于岩层倾角的大小，倾角越大，有效性越好。当然天然气对倾角要求要比石油小的得多。也就是说，水动力对圈闭有效性取决于流体性质、水动力大小及岩层倾角大小，同一圈闭往往对天然气有效，而对石油可能无效。

图5-11水动力条件下油气水界面分布示意图
（四）必要的保存条件
在地质历史时期形成的油气藏能否存在，决定于在油气藏形成以后是否遭受破坏改造。必要的保存条件，是油气藏存在的重要前提。主要有以下条件影响：
1．地壳运动对油气藏保存条件的影响
地壳运动对油气藏的破坏表现在三个方面：
1）地壳抬升，盖层遭受风化剥蚀，盖层封盖油气的有效性部分受到破坏，或全部被剥蚀掉，油气大部分散失或氧化、菌解，造成大规模油气苗。如西北地区许多地方的沥青砂脉。
2）地壳运动产生一系列断层，也会破坏圈闭的完整性，油气沿断层流失，油气藏破坏。如果断层早期开启，后期封闭，则早期断层起通道作用，油气散失；而后期形成遮挡，重新聚集油气，形成次生油气藏或残余油气藏。如勃海湾盆地的"华北运动"，以块断活动为主，产生大量的断层，这些断层破坏了原有圈闭及油气藏的完整性，使油气重新分布，同时也导致次生油气藏的形成。
3）地壳运动也可以使原有油气藏的圈闭溢出点抬高，甚至使地层的倾斜方向发生改变，造成油气藏的破坏。
2．岩浆活动对油气藏的保存条件的影响
岩浆活动时，高温岩浆会侵入到油气藏，会把油气烧掉，破坏油气藏。而当岩浆冷凝后，就失去了破坏能力，会在其它因素的共同配合下成为良好的储集体或遮挡条件。
3．水动力对油气藏保存条件的影响
活跃的水动力条件不仅能把油气从圈闭中冲走，而且可对油气产生氧化作用。
所以在地壳运动弱、火山作用弱、水动力条件弱的环境下才利于油气藏的保存。

§3  油气聚集
油气在圈闭中不断汇聚，形成油气藏的过程称为油气聚集。
一、基本规律：
油、气、水由于密度不同，在圈闭中会发生重力分异。当油气生成以后，运移至储层的油气便沿上倾方向向周围高处的圈闭中运移。由于天然气的密度最小、粘度最小、分子小、它最易流动、流动地最快，运移的结果，天然气必然占据盆地中心周围最高位置的构造环，而石油则占据其下倾方向位置较低的构造，比较接近盆地的中心。当然也发现了正好相反的规律，由此而提出了差异聚集的原理。这是油气聚集的基本规律。
二、差异聚集规律
（一）油气在单一圈闭内的聚集
在静水条件下，油气在浮力作用下向上倾方向运移至圈闭中，因重力分异作用，气上、油中、水下。当油气继续运移时，气占据上部，气顶体积增大，油被挤出；油气继续运移，直到天然气占据全部圈闭（图5-12）。

图5-12油气在单一背斜圈闭中的聚集
（二）油气差异聚集原理
1．原理
假如在静水条件下，同一渗透层相连的多个圈闭的溢出点海拔依次递增，且由单一油气源供油气，其聚集过程如下（图5-13）：

图5-13要相连通的一系列圈闭中的油气差异聚集
第一个圈闭充满油气后，油气继续运移，气就会聚集在第一个圈闭，圈1中原来的油会被排挤出去，多余的油和被挤出的油就会运移至圈闭二中；再继续运移，直到1中仅剩天然气而2中仅有油；再继续运移，2会重复1中的聚集过程，至到全部被天然气所充满。运移的最终结果，可能1、2为纯气藏，3为油气藏，4、5为纯油藏。当供油气不充足，或特别充足，其结果会有所变化，但所遵循的原理是不变的。
由差异聚集原理可以得出如下规律或结论：
1）在离源岩区最近，溢出点最低的圈闭中，在油气源充足的前提下，形成纯气藏；稍远处，溢出点较高的圈闭中，可能形成油气藏或纯油藏；在溢出点更高，距油源区更远的圈闭中可能只含水。
2）一个充满了石油的圈闭，仍然可以做为有效的聚集天然气的圈闭；反过来，一个充满天然气的圈闭，则不再是一个聚油的有效圈闭。
3）若油气按密度分异比较完善，则离供油区较近，溢出点较低的圈闭中，聚集的油和气密度应小于距油源区较远、溢出点较高的圈闭中的油和气。
4）所形成的纯气藏、纯油藏、油气藏的数目，取决于供烃的充分程度、所供烃类性质及圈闭的大小和数目。
2．差异聚集的必备条件
差异聚集作用是否充分取决于下列条件：
1）具有区域性较长距离运移的条件，即要求具区域性的地层倾斜，储集层岩相稳定，渗透性好，区域运移通道的连通性好。
2）相连通的圈闭溢出点依次增高。
3）油气源供应区位于盆地中心地带，有足够数量的油气供应。
4）储集层中充满水并处于静水压力条件下，石油和游离气是同时一起运移的。
3．影响差异聚集的地质因素
具备上述条件，差异聚集就进行得完善，否则，当有干扰时，就进行得不完善，表现得不典型。这些干扰因素主要有：
1）在油气运移通道上有另外油气供给来源的支流时，则会打乱原来应有的油气分布规律。
2）气体在石油中的溶解作用，随物理条件（T、P）的改变而变化，它可以造成次生气顶，也可以导致原生气顶的消失，从而影响油气的分布规律。
3）后期地壳运动造成圈闭条件的改变，造成油气重新分配。
4）区域水动力条件，主要指水压梯度的大小及水运动方向，也会影响油气的分布规律。
（三）油气聚集模式
1．油气聚集机理
油气藏的形成过程是一个复杂的过程，运移中的油气在圈闭中发生聚集的过程主要受圈闭几何特征（形态、闭合高度、闭合面积和最大有效容积），储层地质特征（主要是孔隙特征）及流体力学特征（流体物性及相态分布、流体运动样式及强度和流体驱动力）的影响。目前关于圈闭中油气聚集机理主要存在四种观点：
1、渗滤作用：
Cordell（1977）、Roberts（1980）等认为含烃的水或随水运移的油气进入圈闭以后，因为一般亲水的、毛细管压力封闭的盖层对水不起封闭作用，水可以通过盖层而继续运移；对烃类则产生毛细管压力封闭，结果把油气过滤下来在圈闭中聚集成藏（图5-14）。

图5-14圈闭中油气的聚集机理
2、排替作用
Capman(1982)认为泥岩盖层中的流体压力一般比相邻砂岩层中的大，因此圈闭中的水是难以通过盖层的。另外油气进入圈闭后首先在底部聚集，随着烃类的增多逐渐形成具有一定高度的连续烃相，由于浮力作用产生一个向下的流体势梯度，使油在圈闭中向上运移的同时把水向下排替直到束缚水饱和度为止。
3、渗滤作用和排替作用共同作用
当上覆盖层中只有毛细管压力封闭时，在油气聚集过程中上述两种作用都可能存在。在油气聚集的初期，水是可以通过上覆亲水盖层而发生渗流的；当油气聚集到一定程度后，水就很难通过上覆盖层而主要是被油气排替到圈闭的下方。
4、油气充注方式
England（1987）认为：一个油藏将以一种顺序方式充注，石油将首先进入具有最低孔隙排替压力的最佳渗透层，并且按着以一组向前推进的石油波阵面方式充注油藏。
2．油气聚集模式
Cordell(1977)提出了碎屑岩中不同圈闭里油气聚集的可能模式。
1）背斜圈闭中油气聚集模式
从生油层进入储集层中的压实流体，沿着背斜的翼部向顶部运移。在圈闭中，水很可能通过上覆泥岩盖层渗滤，这是由于背斜构造的张力或其它原因所产生的微裂隙使水继续向上流动，而把烃类和无机盐类过滤在圈闭中聚集。并使圈闭中流体的含盐度增大，Ｐh值降低，这又有利于烃类的进一步聚集（图5-15）。

图5-15背斜圈闭中油气聚集模式
2）地层圈闭中油气聚集模式
从上、下生油层进入砂岩的压实流体，沿上倾方向进行二次运移，由于地层尖灭或不整合造成地层圈闭，流体中的水可以通过圈闭的上方继续运移，而烃类则滞留在圈闭中聚集，同时圈闭中流体含盐量增加，PH值降低，有利于油气的进一步聚集（图5-16）。

图5-16地层圈闭中油气聚集模式
3）岩性圈闭中油气聚集模式
压实流体从周围的生油泥岩进入被泥岩包围的透镜状或扁豆状砂岩体，并从下倾部分往上凸部分进行二次运移，在砂岩体上倾的低势区聚集，水可以通过泥岩的层理面或微裂隙继续向上流动，而油气则滞留下来（图5-17）。








图5-17岩性圈闭中油气聚集模式示意图
4）断层圈闭中的油气聚集模式
压实流体从泥岩中进入砂岩中，开始了二次运移，在运移的上倾方向因断层的遮挡形成圈闭，流体中的水可通过遮挡面向上继续运移，油气则聚集下来（图5-18）。

图5-18断层圈闭中油气聚集模式
（四）油气藏的再形成
原有油气藏在外力作用下遭受破坏，呈分散状态的油气遇到新的圈闭条件又重新聚集，形成的新油气藏称为次生油气藏。次生油气藏的形成有两种情况：
1）地壳运动破坏了圈闭的完整性，使它丧失了或减弱了对油气聚集的能力。因而油气发生再运移重新聚集成藏，这主要是断裂作用造成（如图5-19）。

图5-19
2）地壳运动未破坏圈闭的完整性，但使溢出点抬高或使其有效性变差，就会使油气藏中的油气部分或全部逸出，在新的圈闭中聚集起来，形成新的油气藏（图5-20）。

图5-20
3）水动力冲也可使油气藏破坏形成次生油气藏。

§4  油气藏形成时间的确定
确定油气藏的形成时间，对油气田勘探具有重要的现实意义。主要有如下几种方法：
一、根据盆地沉降史、圈闭发育史和生排烃史确定油气藏的形成时间
（一）盆地沉降史、圈闭发育史
盆地沉降史分析实际上考虑到了盆地演化史、油气生成及排烃史、圈闭发育史，以此来分析油气藏的形成时间。
1．沉积埋藏史和构造发育史
通过回剥法来恢复埋藏史，由此也可以恢复构造演化史。这种方法也叫古厚度恢复方法。这只要考虑正常压实原理、古地层剥蚀恢复、地层欠压实现象。
2．构造发育史对油气藏形成的作用
与油气初次运移同时或早于油气初次运移的圈闭是有利的，特别是长期继承性发育的圈闭最有利。一般油气藏形成时间的上限是圈闭形成时间（最晚），下限为油气初次运移时间（最早），且前者可早于或同时于后者（图5-21、5-22、5-23、5-24）。

图5-21构造发育史于油气聚集关系示意图
            
图5-22构造形成时间与油气聚集的关系                  图5-23圈闭形成的相对时间

图5-24圈闭形成与油气聚集的时间关系
（二）根据生油岩主要排烃时间确定
二、根据饱和压力确定油气藏的形成时间
由于地壳上所有油藏多少都含有天然气，且很多油藏都被气饱和或接近饱和，油藏的饱和压力与油藏的地层压力相等。与饱和压力（静水柱压力）相当的地层埋藏深度，其对应的地质时代即为该油藏的形成时代。
设某地层油藏的饱和压力为20Mpa（如图5-25）
                （5-2）
这时从油藏顶面上推2000m恰到B层，可认为油藏是在B层开始沉积时形成的。

图5-25计算油藏形成时间示意图
这种计算方法在应用时，应充分考虑各种不利因素的影响，如地壳下沉，原始地层压力增加，饱和压力增大；或上覆地层发生剥蚀作用，引起油气藏内的温度压力发生变化而减小了饱和压力；或地层压力与静水柱压力不等。
三、气藏形成时间的缺定
波义尔定律：P0V0=P1V1=1×10-6ρgH×V0
则：                   可用圈闭体积代V0                （5-3）
四、油藏地球化学方法
1．储层成岩作用与烃类流体运聚关系
在成岩过程中，胶结物和自生矿物的形成是水与岩石作用的结果，烃类流体注入储层，随着含油气饱和度增加，孔隙与矿物之间的反应受抑制（如储层中石英次生加大等）或中止（自生伊利石、钾长石的钠长石化等），从油气层至水层的系列样品分析，根据成岩作用，特别是胶结物和自生矿物形成特征的差异可估计油气充填储层的时间。
2．同位素地球化学方法
当烃类充填到储层后，自生伊利石的形成作用就中止了。这样就可以利用自生伊利石的同位素年龄（K/Ar）来判断油气藏的形成时间，即烃类充填储层的时间应略晚于自生伊利石的同位素年龄。
3．流体包裹体方法
流体包裹体（矿物次生加大后，把油或气包裹到里面去）有几种应用：一是储层流体包裹体均一化温度，结合埋藏史和热演化史，确定油气运移-成藏期次和时间；二是包裹体中烃类成分与油气藏中吸附烃，游离烃成份对比，确定各期次烃类流体的成藏贡献；三是储层含油包裹体丰度作为古含油饱和度标志，识别古油层，确定油水界面的变迁史；四是从包裹体均一化温度、相态、成分认识化石流体性质。
4．储层固体沥青反射率确定油藏破坏时间。固体沥青反射率反映了烃类流体转变为固体沥青后经历的热历史。

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不错，真是不错的资料。