《油气倒灌会发生吗？——与王永诗先生商榷》 by 李传亮，刘东华

0，文献地址

http://journal15.magtechjournal.com/Jwk_xnzk/article/2024/1674-5086/20240515.htm

1，油气生成

• 地层岩石由骨架颗粒和粒间孔隙组成，孔隙中饱和了水，骨架颗粒中夹杂着一些沉积有机质（干酪根，hydrogen）。干酪根就是所谓的生烃物质，它以固体颗粒的形式分散在岩石之中。总有机碳(TotalOrganicCarbon，TOC)含量越高，生烃量就越大。根据研究，烃源岩对TOC的要求并不高，1%就算是好的烃源岩了，即100个颗粒中有一个有机质颗粒就可以成为烃源岩了（图1)。烃源岩也叫生油层，大多数的烃源岩都是泥岩。
  
• 干酪根属于超大分子聚合体，没有固定的分子量和明确的分子式，主要由C、H和O等元素组成，并通过C—C和C—H等化学键把它们组合在一起，结构十分稳定。油气分子通常较小，是干酪根分解之后的产物，以烃类物质为主，油气为流体可以流动。
• 干酪根颗粒被地层水包围，在高温下慢慢分解，分解是从外部枝权上开始的，并逐渐向内部发展，黏土矿物催化剂会加速分解过程(图2)。由于C—H键的键能比C—C键高，因此，C—C键比C—H键更容易断裂，这样才保证了烃类物质的稳定存在。干酪根的分解也没有固定的模式，不同温度下生成的烃类物质也不尽相同，进入生烃门限后，较低温度下生成（分解）的长链烃较多，较高温度下生成（裂解)的短链烃较多，特高温度下C—H键开始断裂，干酪根逐渐石墨化。
  
• 干酪根并不是直接生成油滴或气泡，而是将分解出的烃分子直接排放到水中，形成烃的水溶液（图3）。由于干酪根不断向水中排放烃分子，因此水的烃浓度会不断升高。如果烃浓度低于烃在水中的溶解度，则不会有油滴或气泡形成。幸运的是，烃在水中的溶解度非常低，因此很容易形成烃的过饱和水溶液。过饱和水溶液很不稳定，烃分子容易聚集和凝结成分子团，并且越聚越大，最后形成油滴或气泡。但是，形成油滴需要种子，也就是“核”。很显然，种子就在某些个干酪根颗粒上，不是所有的干酪根颗粒上都有种子。烃分子围绕着种子不断生长，形成大的油滴或气泡，浮力使其脱离母体并向上运移，然后种子继续生长，形成下一个油滴或气泡。这个过程与汽水瓶中的气泡形成过程完全一样。油滴只能向上脱离母体，不可能向下脱离母体。向上脱离母体后的油滴，再掉头向下进行倒灌，缺少动力的驱动。
• 由于烃源岩生烃的速度非常慢，需要几十万年甚至几百万年才能完成生烃过程，因此油气只能以油滴或气泡的形式排出烃源岩，这与湖底淤泥排出沼气的形式完全相同。
  

2，运移与流动

• 运移与流动是两个完全不同的概念，油气运移(migration)并不是油气流动(flow)。运移是离散介质的位置变化，油滴的移动就叫运移，油滴前后都不是油，而是水。流动是连续介质的位置变化，前后都是同一种流体，如水流。流动是连续流，运移是离散流或滴流。流动是压(势)差驱动的结果，图4b中的p1必须大于p2才能产生流动。运移不需要压差，只需要浮力即可，图4a中的油滴运移不需要p1大于p2，在p1等于p2的情况下油滴依然可以运移。油气运移与鸟类的迁徙(migration)类似，都属于离散介质的位置移动，二者使用同一个单词。高空中的雨滴下落到地面，并不是因为高空中的压力比地面高，而是因为重力作用的结果。开采过程中的油气为连续相，所以通常说油气流动，而不说油气运移。成藏过程中的油气为离散相，所以通常说油气运移，而不说油气流动。但很多人把油气运移当成油气流动进行研究，说油气运移需要压差的驱动，显然犯了一个概念错误。
  
• 流动与运移的另外一个区别就是，流动的速度快，因为压差大、动力强；运移的速度慢，因为浮力小、动力弱，只能以滴流的形式进行。流动是从高压向低压进行的，但低压并不是只有一个方向，而是有很多方向，因此，流动方向也不止一个，而是有很多个，即流动是可以分叉的，河流入海口的分流河道就是流动分叉的证据。但运移不需要压差，只需要微弱的浮力(或重力)，浮力的方向只有一个，因此，运移的方向也只有一个，即向上运移，遇到障碍后再转为侧向上运移，但不会分叉。油气运移不是压差驱动的连续流，而是浮力驱动的离散流，因此，不能用连续流的势理论来研究油气运移问题。自来水的流动可以是连续流，也可以是滴流，连续流压力大，水流急，四处飞溅，流动分叉；滴流的速度慢，只能有一条运移路线，即阻力最小的方向，见图5。
  

3，运移成藏

• 对于均质的地层或均匀的孔隙，不管是砂岩还是泥岩，都不会有油，因为油会在浮力的作用下运移出去。砂岩与泥岩的主要区别就是砂岩的孔隙大，泥岩的孔隙小。砂岩与泥岩组合在一起即成为非均质地层，图10就是由生储盖组合起来形成的非均质地层油气运移聚集机理图。非均质地层的孔隙为非均匀孔隙，当初也都饱和了地层水。当油滴从烃源岩小孔隙向储集层大孔隙运移时，没有任何障碍，连门槛压力都没有，可以顺利进入储集层。但是，当油滴从储集层大孔隙向盖层小孔隙运移时就有障碍了，毛管压力卡住了油滴，油滴无法继续运移，只好聚集起来形成油气藏(图10)。盖层是通过毛管压力封堵油气的，毛管压力起到了汽水瓶盖的作用。毛管压力对油气运移不起作用，是因为均匀孔隙中油滴顶、底端的毛管压力大小相等，方向相反，其合力为0，但毛管压力对油气聚集成藏却起到了至关重要的作用。油气可以由小孔隙运移进入大孔隙，却不能由大孔隙运移进入小孔隙，这就是油气运移的奇妙之处，也是油气能够聚集成藏的理论基础。
  • 地层也都是如汽水瓶一样的容器，只是靠孔隙储存流体而已，盖层孔隙的毛管压力起到了汽水瓶盖的作用。
    
• 当岩石亲水时，毛管压力朝下，可以封堵油气；当岩石亲油时，毛管压力朝上，不仅不能封堵油气，还加速了油气的散失。因此，地层岩石的亲水性成就了石油工业。当然，油气必须在非均质地层中才能聚集成藏，地层的非均质性也是油气聚集成藏的必要条件，均质地层不能聚集油气。

4，初次运移与二次运移

• 油气往往生成于致密的细粒烃源岩（泥岩)中，生成的油气首先必须从烃源岩运移出来，然后在储集层中沿着上倾方向继续运移，并最终在圈闭中聚集起来形成油气藏（图15)。油气从烃源岩向储集层的运移，即烃源岩中的运移，为初次运移；油气在储集层中的运移为二次运移。油气运移的动力为浮力，因此，油气在地层中的运移总是向上或侧向上的。
• 由于油气运移总是向上或侧向上的，因此，烃源岩必须位于储集层的下方，盖层必须位于储集层的上方，这样的生储盖组合模式即为下生上储式，也叫正常式。
  
• 有一个认识误区，就是把烃源岩误以为必须位于油气藏的正下方，实际上很多油气藏的烃源岩都位于油气藏的侧下方。油气藏的范围通常很小，可以认为是一个点，如图16中的R处，而烃源岩的范围通常都很大，可以认为是一个面，如图16中的S。油藏R的油气是来自于烃源岩S的B点油气经过侧向上运移储集的。
  

5，结论

• 运移与流动不同，流动需要压差驱动，运移不需要压差驱动，油气运移是浮力作用下的离散流或滴流。
• 油气可以向上运移，油气倒灌不会发生，因为缺少动力的驱动。
• 室内实验没有模拟地下情况，压差大，流速高，属于油气流动，而非油气运移。
• 泥岩地层为开放地层，并不存在超压，地层水通过流动可以平衡地层压力。
• 油气被地层水分割包围，可以出现超压，超压部分被毛管压力所平衡。
• 上生下储式并不存在，烃源岩不一定位于油气藏的正下方，侧向运移也可以实现油气成藏。

N1，理论与公式

N1-1，泊肃叶定理

• 流体在水平圆管/空隙中作层流运动时，其体积流量\(q/(m^3/s)\)与
  • 流体粘度系数\(\mu/(mPa.s)\)
  • 管子两端的压强差\(\Delta{p}/(MPa)\)，管的半径\(r\)，管的长度\(L\)有以下关系：

\(q=\frac{\pi{r^{4}}}{8\mu}\frac{\Delta{p}}{L}\)