郝石生石油天然气学术论文选集

成藏动力学自提出以来，经过近十年的研究和相关学科的不断发展，在盆地形成的地球动力学背景和盆地（充填）动力学、成烃动力学、排烃动力学、流体输导系统、油气成藏机理与充注历史分析等各个方面已经取得了重要进展。

1.盆地形成的地球动力学背景和盆地（充填）动力学

板块构造学说的产生和发展使盆地研究找到了新的切入点，人们通过板块构造理论重新认识沉积盆地的成因与演化。进入20世纪90年代，D′kinson（1993）率先强调了盆地研究的集中点应该由盆地类型研究转向盆地形成演化的动力过程研究。李思田等（1995）基于盆地与板块构造格架的关系提出了众多盆地分类方案。盆地动力学研究的目的在于认识盆地的成因，通过定量分析反映盆地动力过程的参数，以阐明各种盆地动力学控制因素的联合、复合作用及演化中的过程序列，了解盆地演化与发生在深部，包括地壳和岩石圈以下物质的状态和过程之间的关系以及板块相互作用过程中所造成的成盆区应力场。

盆地（充填）动力学的研究依靠层序地层学、事件地层学、构造—地层分析、精确定年技术（高分辨率古生物学和同位素技术）互相结合，构成等时地层格架，盆地中沉积体系三维配置加上时间关系研究的四维系统理论和研究的方法。这些不同学科、不同分支理论和方法体系的密切结合，使盆地（充填）动力学过程的研究产生了飞跃。高分辨率事件地层学的研究精度比传统生物地层学方法提高数十倍甚至上百倍，对有效预测盆地烃源岩和输导体系的分布具有重要意义。

2.成烃动力学

按照Tissot（1978）干酪根降解生烃理论，油气的成因主要是地下的沉积有机质在热力作用下的化学反应过程。根据温度与时间的相互补偿原则，成烃热模拟和化学反应动力学模型计算对大多数典型烃源岩干酪根的成烃研究有了很大发展。沈忠民（1999）、卢双舫（2000）等提出了多种动力学模型，如总包又可细分为总包一级动力学模型、分段一级动力学模型和总包多级动力学模型、最大反应速率模型、平行一级反应模型、无数平行一级反应模型、以沥青为中间产物的平行连续反应模型和活化能随转化率变化模型等。目前，有机质成烃动力学的研究不仅能从动力学的角度加深对有机质成烃过程的理解，更重要的是为油气生成量的计算提供了一种重要方法。

3.排烃动力学

近十几年来，国内外许多学者在烃源岩排烃机理方面进行了深入系统地研究。在排烃相态方面，石油和天然气有所不同。郝石生（1994）等通过气水高温、高压实验和分子扩散实验分析，认为水溶相和分子扩散对天然气排烃具有重要贡献。李明诚（2000）认为油气藏中聚集的主要是油相和气相，石油以油相、气溶相，天然气以气相、油溶相运移最为有效。在排烃相态方面，目前人们对泥岩烃源岩的压实排烃动力形成比较统一的认识，Leythauser等（1994, 1995）、张博全等（1995）、刘德汉（1996）等认为化学压实作用为碳酸盐岩烃类排驱到输导层或直接进入储层提供动力。由于烃源岩物性差、孔隙流体容易形成异常高压，微裂缝排烃往往是烃源岩主要的排烃方式。王新洲、周迪贤（1994）对济阳坳陷研究发现，烃源岩孔隙度＞10%才可引起自然水力压裂，否则一定要有油气增压的加入才有可能。Berg等（1999）通过对密闭系统的烃源岩孔隙体积、油气生成和压力之间关系的模拟研究认为，深度在2900m，有机碳含量低于0.7%的烃源岩，即使有机质的产烃率达到100%也难以形成微裂缝排烃。相比之下，对于高渗透性岩石，由于流体的流动降低了剩余流体体积，而不会使其在生烃过程中的剩余压力很大；低渗透性烃源岩中有机质含量高、产烃率大时，孔隙压力可能增大到足以造成破裂，从而产生裂缝并提高渗透率，剩余的油气就可以从这些裂缝中逸出。目前，烃源岩排烃的定量研究已经取得重要进展，如石广仁等（1996）在动力学方面通过建立地质模型和数学模型来定量评价烃源岩的排烃史，陈义才等（2002）根据烃源岩在生烃、排烃过程中烃类产物的质量守恒原理，将压实、扩散、水溶和微裂缝排烃系统地结合在一起，建立了多种排烃机理的微分数学方程，采用有限差分法模拟求解压实—扩散排烃模型。

4.地层流体压力预测

地层流体压力研究的核心是异常地层压力的形成、分布及其与油气藏形成与分布之间的关系，它是成藏动力学系统研究和划分的依据之一。现今流体压力研究主要进展表现在利用测井及地震资料预测异常地层压力。Bowers（1994）提出了一种不需要建立正常趋势线而用有效应力与声波速度之间的原始加载及卸载曲线方程直接计算有效应力、进而由有效应力定律确定地层压力的方法。古流体压力与油气的运聚具有更密切的联系。相对于静水压力，沉积盆地可出现超压或异常低压，其中超压具有更普遍的意义。超压是沉积盆地演化过程中的动态现象。尽管超压的发育与多种因素（包括不均衡压实、生烃作用、水热增压、粘土矿物脱水、构造应力等）有关，Hunt（1998）对非强挤压背景地区，提出了产生大规模超压的两种机制，即压实不均衡和生烃作用。

5.油气运聚的动力学机制及类型划分

油气成藏的动力学机制是复杂的，类型划分方案也是多样的。

康永尚、郭默杰（1998）提出流体运移的6种动力源：深部动力、沉积过程中产生的自源动力、热力、地应力、水动力、浮力。不同的动力源产生的动力有不同的作用方向：深部动力、热力与地应力的作用方向是由深部到浅部；沉积过程中产生的自源动力、沉积压实流体水动力的作用方向由高势区到低势区，由深部到浅部，由盆地中心向盆地边缘；浮力的方向是由深部到浅部；地表淋滤水动力方向是由浅层到深层，从盆地边缘向盆地中心，与压实流体的运动方向相反。在流体动力学中，热力、地应力、水动力和浮力的水动力学机制研究进展迅速。

田世澄（1997）等根据流体动力学系统的开放程度分4种类型：①强开放的重力驱动型，由造山运动导致的地形高差引起的重力驱动流占主导地位；②弱开放的压实驱动型系统，压实驱动是流体动力学系统的主要动力源；③相对封闭的流体封存箱型，热力和地应力对封闭系统的增压和破裂起关键作用；④滞流型，没有一种动力对油气运移发生重要作用，仅见于深盆低压气藏（深盆气）。

田世澄、张树林（1996,1999）、李莜瑾（1999）根据动力学特征或封闭条件将成藏动力学系统划分为开放型、封闭型、半封闭型3种类型；根据压力特征，又可分为超压成藏动力学系统、常压成藏动力学系统和低—负压成藏动力学系统；根据油源特征，还可划分为自源成藏动力学系统、他源成藏动力学系统和混源成藏动力学系统。而张树林等划分为单源、双源和三源3种成藏动力学系统。实际应用中常要考虑以上三个方面的因素，并且常在前面冠以生油凹陷的名称，以示地区和范围，故划分的成藏动力学系统常采用复合命名法。

6.流体输导系统

在含油气盆地中，砂岩和某些碳酸盐岩、不整合面、断裂等构成流体输导系统。在不同尺度上有效地预测各种输导体的流体行为和输导能力是成藏动力学研究的基础。输导系统研究的进展主要表现在砂体分布及输导能力预测和断裂流体行为的深入研究两个方面。由于沉积学、高分辨率层序地层学、地震盐隆预测和地层模拟技术的发展和综合应用，砂岩型输导层分布的预测能力已明显提高。Giles（1997）系统论述了不同地质条件下流体的流动、物质搬运和能量传递及其成岩效应，为砂岩输导能力的有效预测奠定了基础。此外，断层的结构、输导能力和流体行为的研究取得了长足的进展。断层带的流体输导能力和流体沿断层的垂向运移取决于断裂带的结构、断层的力学性质及活动强度等。Hooper（1991）、Roberts（1996）等认为流体沿断裂带的运移可能是幕式的，而且在超压盆地中，流体沿断裂带的幕式运移可能引起局部温度、压力异常。O′Brien（1999）等提出断裂在活动期具有较强的流体输导能力，晚期构造运动引起的断裂活化亦可明显增强断裂的流体输导能力，诱发大规模的流体运移，并控制油气的分布。

7.油气运移路径和运移主通道

油气在储层中二次运移路径十分复杂，但总是沿着毛细管阻力小的有利路径进行运移。Schowalter（1979）认为，烃类在运载层中运移，仅通过运载层上部几英尺的厚度。在均质条件下，运移通道位于运载层顶部，残余油也集中在运载层的顶部，而不是分布在整个运载层中。从盆地规模看，油气沿运载层垂直于地层走向朝上倾方向运移时，也主要集中在有限的运移通道上。England等（1987,1993）认为油气二次运移主要集中在少数“高速公路”上，只占运载层的空间比例约10%左右。近年来，Catalan（1992）、Carruthers（1995）、Thomas（1995）、Hindle（1997）、曾溅辉（2000）等对油气的二次运移过程进行了大量的模拟实验和数值模拟研究证明：①油气二次运移只通过局限的通道进行，油气运移空间可能只占据整个输导层的1%～10%；②输导层油气的运移路径受控于输导层顶面或封闭层底面的三维几何形态；③在生烃凹陷及其附近，油气运移路径形成密集的网络，而远离生烃凹陷，运移路径逐渐汇集。郝芳等（2000）根据油气二次运移的主要动力（浮力和水动力），利用射线追踪（ray trace）技术，可以从生烃凹陷出发对油气运移路径和主通道进行三维预测。

8.油气充注历史

油藏注入史研究是油藏地球化学研究的内容之一，其基本原理是根据流体非均质判断油气运移的通道方向、推断油气充注的时间。因此，油藏注入史研究对认识油气成藏过程也有重要作用。就单一油藏而言，同一油源不同时期产生的石油以及不同源岩同一时期产生的石油在组分上均具有内在的差异性。当石油向储层注入时，受到诸多因素的影响，因此有明显的非均质性。England等（1987）通过Fortiers油田的地球化学研究，首次将人们早已认识到的油藏流体非均质性现象与成藏研究结合起来，提出了油藏充注与原油混合模式。近年来，Hoffmann（1988）、Bodnar（1990）以及我国学者王铁冠（1997）、潘长春（1998）、宋长玉（2002）等在油藏注入史研究主要采用流体包裹体分析技术，并在很多地区或油田得到广泛应用。

9.成藏动力学系统的定量模拟

成藏动力学系统的定量模拟的目的是恢复油气成藏的演化历史，追踪油气运聚的动态过程。随着油气成藏密切相关的各种化学动力学和流体动力学过程和模型研究的不断深入，盆地演化和油气生成、运移和聚集过程的模拟技术不断改进。二、三维盆地模拟系统可作为成藏动力学系统定量模拟研究的基础。目前盆地模拟技术对稳态流体的模拟较为成熟，对幕式流体的模拟尚待改进。尽管目前的模拟技术作为预测油气分布的有效工具尚待完善，但计算机模拟为石油地质学家认识和再现地质历史中油气成藏的化学动力学和流体动力学过程提供了有效的工具。

地层水中存在不同的化学成分。笔者把所有经过过滤肉眼不能辨认而溶解在水中的液态烃类和气态烃类组分，统称为水溶烃，包括溶解烃和水溶气。溶解烃的研究工作开展不多，见有零星报道（侯读杰等，2001；李贤庆等，2002）。这里仅对水溶气的研究作一概述。

1.水溶气的地球化学特征

水溶气在自然界分布极为广泛，只要沉积盆地中有过产气过程，同时有地层水存在，即可形成水溶气。溶解在油气田水中的烃类气体，主要是甲烷，但也含有一定数量的重烃，部分氮、氢、氦、二氧化碳及硫化氢等。刘崇禧（1988）指出，我国鄂尔多斯、江汉、苏北及华北等含油气盆地的油田水中，重烃含量高，重烃系数一般都超过0.2，最高可达0.45。

据伊利琴科（1984）的研究，俄罗斯高加索地区不同性质的烃类矿藏，水溶气中重烃的含量是不同的。气藏分布区水溶气中，乙烷含量小于1%，没有丙烷和丁烷；凝析气藏分布区，乙烷＞1%，丙烷＜1%，丁烷＜0.35%；油田水中，乙烷＞3%，丙烷＞1%，丁烷也大于1%。上述水溶气在化学组成方面的差别，与油藏、凝析气藏和气藏的气体组成及烃类在地层水中的溶解度有关。

刘崇禧等（1983）研究了我国潜江凹陷和松辽盆地油田水中水溶气的某些变化规律后认为：①潜江凹陷垂直地层剖面上，油田水中溶解烃类气体的含量，在主要生油层段（潜二段、潜三段）处最高，尤其是重烃含量急剧增加，说明是有机质演变的产物；②松辽盆地主要层系从嫩江组到泉头组，即随油层时代变老，水中甲烷含量增加，其平均值为萨尔图油层30.86%，葡萄花油层38.1%，扶余油层70.07%。这种情况可能是受有机质演化程度的影响。

CH4/N2和烃类气体/N2可作为预测含油气性的指标。据辛格尔（1966）提供的资料，在伏尔加河下游地区，油藏的烃类气体/N2＜14，气藏则大于14；而罗曼纽克（1971）则认为前喀尔巴阡坳陷地区产油气层地下水中烃类气体/N2达4～50，而“空”构造地下水中该比值经常小于4。烃类和氮气的含量分布也是变化的，通常越接近油气层，油层水中烃类气体的含量增加，氮气减少。

天然气在水中的溶解度取决于温度、压力及水的性质和天然气的成分。郝石生等（1993）进行了室内实验研究，较系统地探讨了地层压力、温度、矿化度、水型和天然气组分与天然气在水中溶解度的关系。

2.水溶气藏的分布

根据世界上目前发现的水溶气藏分析，其主要特点如下。

水溶气藏广泛分布于中、新生代海相和陆相沉积盆地中，而多数则分布于古近系、新近系和第四系海相及海陆过渡相地层中。如俄罗斯克里木半岛的古近系、新近系、白垩系和侏罗系海相地层，美国墨西哥湾沿岸古近系、新近系、第四系海相地层，匈牙利多瑙河平原始新统和三叠系的海相裂隙性灰岩。

从其分布的大地构造单元看，多出现在年青的快速沉积的活动性的大陆边缘沉积盆地或稳定陆台中的坳陷盆地。前者如日本、美国、菲律宾的水溶气田，后者如俄罗斯、匈牙利的水溶气田。水溶气田的储集层岩性以细碎屑岩为主，多储存于上下由压实泥岩封闭的孔隙性较高的细砂岩层中。许多水溶气藏的分布与高压或异常高压带有密切关系，从高压带往往能得到高产水流和水溶气。

水溶气藏的圈闭条件和气源条件是多种多样的，可以是背斜、单斜、向斜、断块等，可以是自生自储、新生古储、古生新储。气源多是有机成因的，包括生物气、伴生气和裂解气。日本的低压水溶气多产自古近系、新近系和第四系，成分以甲烷为主，几乎不含乙烷以上重烃。尼泊尔的水溶气也以甲烷为主，但含有CO2和N2。俄罗斯克里木半岛异常高压带的水溶气组分具有随深度增加甲烷含量相对减少，乙烷以上重烃含量增加的分布规律。

俄罗斯A.C.帕仕金科等研究了油气藏附近地下水中所含气体量的分布规律后，提出了含油气盆地中水溶气的分布模式，即气体晕圈原理。他们认为：在近烃源的水中气体饱和度先是增加，而后随距离变远而减小，而且甲烷带离烃源较近，N2、CO2带离烃源较远。