油藏地球化學描述第一頁，共77頁。(1)直觀表現

油藏內石油的非均質性主要表現在石油物性（如石油密度、粘度等）、氣油比、石油族組成、同位素組成以及石油分子組成在空間上規則和不規則的變化。不同油藏內非均質性分布特征和規模存在一定的差異。

（2）造成油藏內流體非均質性的原因

England（1987）：①油藏內部諸如氣油比和生物標志物之類的非均質性，是石油充注、聚集過程中繼承性保留下來的源巖有機相和成熟度的差異所致，即同一油源不同時期生成的石油以及不同油源的石油在組成上具有內在的差異。第二頁，共77頁。

②油藏內部的地球化學作用：如水洗作用和生物降解作用、重力作用和焦油席的形成、油藏內石油的熱蝕變作用以及流體—巖石相互作用和油氣運移過程中的分餾作用等，也是控制油藏流體在空間上非均質性分布的因素。

③石油注入儲層后，儲層孔隙度和滲透率以及油藏構造、地層特征的差異也可造成流體組成的非均質性（Hillebrand等，1992）。

第三頁，共77頁。

Larter和Aplin（1995）總結了近年來的研究成果，指出造成油藏內流體不同規模上非均質性的原因可能是不同的。一公里至幾十公里范圍內的橫向成分梯度（圖A）指示區域性的石油定位成藏方向（氣油比、成熟度標志）、生物降解油田中區域性水流方向（正烷烴濃度）以及大規模流體流動屏障的存在（成分階梯）；10m范圍內的非均質性（圖B），例如地層水（鹽度或87Sr／86Sr同位素比值）或分子標志物參數，反映油藏在垂向上存在分隔層；幾十微米至分子級規模的非均質性（圖C）則與油層的表面化學以及流體包裹體中古流體的作用有關。第四頁，共77頁。（3）非均質的保存

油藏內流體的混合作用使流體在力學上和化學上達到平衡狀態的速率，取決于不穩定性流體存在的規模和油藏滲透性結構。

從充注期間繼承下來的大規模橫向成分梯度則可能保持相當長的地質時期。因此，油田內烴類和水的組成非均質性可以提供大量的地質信息，且可以用來指導區域勘探、油藏描述、評價和油田開發。

第五頁，共77頁。

2．油藏充注與混合模式盡管對于油藏中出現成分非均質性流體的認識已有數十年歷史，但目前對它的地質解釋主要建立在England及其合作者的工作基礎上。第六頁，共77頁。油氣向儲層注入模式圖第七頁，共77頁。

當油藏內石油達到較高飽和度時，為達到力學和化學上的平衡，石油柱內的化學組成將進行重新分配。England等（1987）提出低速混合作用是促使油藏內石油組成進行重新分配的主要因素。石油組成的混合作用主要包括熱對流混合作用、密度驅動混合作用和擴散作用。第八頁，共77頁。（1）密度驅動混合作用由于從源巖中生成的、具有不同成熟度的石油不斷地向油藏注入，造成油藏內石油的密度在縱向上和橫向上均存在差異。地下烴類因密度差異而處于不穩定狀態，必將產生流體對流混合現象。影響密度混合作用的因素主要有：

①石油注入油藏后所經歷的時間，時間越長，石油在油藏內混合作用越完全；②儲層的物性特征和非均質性，儲層物性能越好，密度驅動混合作用越有效，所需的混合作用時間越短。第九頁，共77頁。（2）擴散作用在油藏流體中，分子擴散作用是一種普遍的現象。由于油氣向油藏充注時，其原始化學組成具有非均質性，因此擴散作用將導致物質重新分配，部分或完全消除側向上的濃度梯度，建立垂向上由重力分異作用而形成的濃度梯度。第十頁，共77頁。（3）熱對流混合作用從理論上講，油層在垂向上地溫梯度的變化將導致流體發生熱對流。實際上，在大多數油藏中，如果具有正常垂向地熱梯度，加之儲層的孔隙性特征，導致重力作用往往阻礙熱對流作用的順利進行。石油在油層中的熱對流作用相當緩慢，對油藏中石油非均質性的影響甚微。第十一頁，共77頁。England和Mackenzie對混合機理的時間尺度數量級進行了估算，其基本結論是：(1）單個石油柱內，垂向上擴散混合作用在地質學上是快速進行的，導致在1Ｍａ時間幅度內以大約100m的規模建立重力分異的濃度梯度；混合機理的時間時間尺度第十二頁，共77頁。（2）橫向上穿越大油田的石油柱擴散混合作用，在地質學上是緩慢進行的，成分的非均質性可保持數十百萬年；（3）全油田普遍具有高滲透率儲層的情況下，石油柱的密度驅動混合作用在地質學上是快速的（104—106年的時間尺度）；（4）全油田廣泛具有低滲透率時，密度驅動的混合作用在地質學上是緩慢的。第十三頁，共77頁。油藏混合作用的數量級估算在對來自油藏不同部分的流體分析結果進行比較和解釋時具有重要意義。垂向擴散密度驅動翻轉ABC1234123412341234時間推移油藏內混合過程對石油組分和密度的影響第十四頁，共77頁。二、油藏地球化學研究1．研究內容

油藏地球化學研究包括三方面內容：

油藏流體地球化學剖析，建立油藏地球化學三維結構模型；

油藏流體非均質性特征和分布規律分析，界定流體流動屏障，劃分流體分隔單元；

確定流體非均質性成因類型，探討其成因機理。具體研究內容包括以下方面：第十五頁，共77頁。2.油藏地球化學的研究程序：

（1）選擇具代表性的井，采集石油和（或）巖心樣品，進行系統地化分析（棒色譜、氣相色譜、色譜—質譜、餾分與單體烴同位素、殘余鹽同位素）。精細剖析石油（巖心抽提物）化學組成，劃分石油族群。（2）編制單井地球化學剖面圖，分析油藏內部流體垂向非均質性特征，檢測油藏內部有機隔層（焦油席）、巖性與物性隔層，劃分垂向流體分隔單元。第十六頁，共77頁。（3）根據油層橫向上流體非均質性及其分布特征，結合地質、地球物理測井和油層物性分析資料，確定油層連通性，從空間上劃分油藏流體流動單元。（4）在區域地質和油藏地質研究的基礎上，結合油藏工程資料，根據流體在區域上和油藏范圍內的分布特征，探討構造條件、巖性特征和儲層孔隙結構特征對油藏內流體非均質性的控制作用，分析油藏內流體非均質性的主控因素，研究流體非均質性的成因機制。第十七頁，共77頁。（5）運用石油及油層巖心抽提物的總體組成和分子地球化學參數，根據油藏流體非均質性分布特征、石油成熟度、高分子量化合物和非烴的分布特征，確定油氣充注點和充注方向。根據分子地球化學、流體包裹體測溫、包裹體組成分析和油層中自生礦物放射性同位素分析，研究流體充注方式、時間序列，建立流體充注模型，分析流體充注機制，探討石油運聚史。第十八頁，共77頁。（6）在油藏地球化學精細描述的基礎上，充分應用石油色譜指紋特征，生物標志物、非烴化合物等資料，結合巖心分析、電測井、試油和地層測試資料判別油、氣、水層，分析烴類在平面上和剖面上的分布特征。確定不同油層石油產能分配，中途測試前石油物性（密度、粘度）及其分布特征預測，研究有機質（尤其是高分子量化合物）對油層的損害。第十九頁，共77頁。地質學的成巖作用的有機地球化學的無機地球化學的測井研究儲層物性中級方法數據處理巖石熱解、棒色譜、全油GC、氣體成分分析水化學成分、同位素分析非烴氣體同位素分析水的痕量化學分析熱解-GC-MS、中途測試油的化學分析、氣體同位素極性化合物、生標分析礦物顯微分析、鍶同位素分析流體包裹體油藏狀態分析一項油藏地球化學研究的剖析研究由外向內逐步進行，樣品分析項目由普通向高級、由多到少第二十頁，共77頁。（1）巖心抽提物分析巖心抽提物分析首先要確定其受鉆井液污染的程度。盡量采集受污染輕的巖心。目前巖心抽提物分析技術主要包括以下幾方面：3.關鍵技術與研究方法第二十一頁，共77頁。①巖石熱解分析和熱蒸發（即熱脫附）—氣相色譜—火焰離子檢測（FID）或質譜（MS）分析：

該方法采用熱萃取與程控裂解相結合技術，能直接從未加處理的毫克級的巖心或巖屑樣品中，獲得游離烴的高質量氣相色譜（質量色譜）圖及高分子量非烴和瀝青質的熱解氣相色譜圖。第二十二頁，共77頁。

總有機質可溶有機質干酪根

有效碳無效碳P2P1P3

樣品中烴干酪根熱捕集釋出類的揮發解生烴的CO2

300℃Tmax550℃

程序升溫過程

降溫過程氯仿瀝青“A”可降解生烴部分殘余碳熱解分析原理示意圖

S1S2S3第二十三頁，共77頁。S1S2S1+S2S1/(S1+S2)油砂＞16＞7＞23＞50含油9-164-713-2350油浸5-92.5-48-1350油斑3-51.5-45-840油跡1-30.5-1.51.5-530干砂＜1＜0.5＜1.5儲層含油氣級別評價第二十四頁，共77頁。②薄層色譜—火焰離子檢測技術（棒色譜）：用于快速分析石油與含油巖心抽提物的族組分。該方法每日可提供達到70個油藏巖心樣品的飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質的數據。第二十五頁，共77頁。③地層水同位素分析：

是研究油層內流體非均質性的重要手段。重點測定從地層水或貯存巖心中蒸發殘余水后所沉淀鹽類的87Sr/86Sr同位素組成。目前一般殘余鹽分析法（RSA）。第二十六頁，共77頁。

④氣相色譜指紋分析技術和生物標志物分析技術氣相色譜指紋分析技術用于計算相關烴類相對組成來區分原油族群和油藏流體連通性研究。生物標志物組成剖析技術，可鑒定飽和烴和芳烴餾分中全部生物標志化合物，應用于石油族群劃分、生源母質與有機相分析以及油源對比。第二十七頁，共77頁。氣相色譜圖第二十八頁，共77頁。第二十九頁，共77頁。極坐標圖第三十頁，共77頁。（2）流體包裹體分析

需要建立流體包裹體與成巖礦物形成次序關系油氣包裹體鹽水包裹體石英次生加大碎屑顆粒油氣有兩次充注早晚顆粒原生包裹體(早)加大邊次生包裹體(較晚)顆粒微裂隙包裹體(最晚)螢石子礦物第三十一頁，共77頁。油氣包裹體的均一溫度是成藏期的定時劑冷熱臺測定的均一溫度需要校正(溫度－壓力校正、鹽度校正)精確的儲層埋藏史分析地溫梯度及其分布10504030201000400030002000地質時代(Ma)埋藏深度(m)（溫度）均一溫度55度(第一充注期)熱液侵入(螢石形成)均一溫度110度第二充注期均一溫度的校正很重要，均一溫度是油藏形成的最低溫度，必須考慮包裹體的代表性，必須考慮油藏形成后的熱史、埋藏史的變化等。50℃100℃100℃第三十二頁，共77頁。（3）K/Ar同位素年齡技術利用儲層中自生礦物（主要是伊利石）同位素年代分析烴類進入儲層時間上世紀80年代發展起來的新技術。其原理：當烴類充填到儲層時，儲層中自生礦物的形成作用便停止了。砂巖儲層中自生伊利石僅在富鉀的水介質環境中形成，油氣進入儲層后伊利石形成過程便會停止（Hogg等，1993）。所以利用K/Ar法測定自生伊利石的年齡就可確定油氣藏的形成時間。第三十三頁，共77頁。利用儲層自生伊利石測年法確定油氣藏形成期原始油水界面水層的水介質發生變化伊利石停止生長兩期成藏長期緩慢的成藏作用伊利石形成與油氣充注無關油氣快速充注水層伊利石長期生長假設的自生伊利石K－Ar年齡與深度關系圖第三十四頁，共77頁。（4）NSO化合物和高分子量化合物分析NSO化合物：是指含有氮、硫和氧雜原子的有機化合物，主要包括非烴和瀝青質。第三十五頁，共77頁。含氮化合物石油中含氮通常在0.055-0.5%。以芳香稠環形式存在的主要有兩種結構類型：通常具有中性吡咯結構的含氮化合物含量高于堿性吡啶。由于后者分析困難，目前主要對前一類研究相對深入。這些化合物可被強烈地吸附在礦物表面和固相有機物質上。所以可以用原油中含氮化合物的分布作為油氣運移的指標。第三十六頁，共77頁。

1-甲基咔唑3-甲基咔唑4-甲基咔唑1，8-二甲基咔唑1，4-二甲基咔唑3，4-甲基咔唑苯并〔c〕咔唑咔唑苯并〔a〕咔唑中性含氮化合物的主要類型：NHNHNHCH3

NHCH3

NHCH3

CH3

NHCH3

NHCH3

CH3

NHCH3

CH3

NH12345678ahgfedcbi第三十七頁，共77頁。目前能利用GC-MS定性定量分析的中性含氮化合物有咔唑（M/Z167）、甲基咔唑（M/Z181）、二甲基咔唑（M/Z195）和苯并咔唑（M/Z217），對于C3~C5-咔唑系列和C1~C4-甲基苯并咔唑系列無法對每個峰定性。第三十八頁，共77頁。含氮化合物的成因第三十九頁，共77頁。在咔唑系列化合物中，因為吡咯環中的N-H基團可以和其他極性基團形成氫鍵，所以可被強烈地吸附在礦物表面和固相有機物質上，從而阻礙咔唑類的運移。如果1，8位置的氫原子被烷基取代，那么咔唑中的N-H基團將被有效的遮蔽，使其形成氫鍵的能力下降，使運移能力相對增加，因此稱1，8-二甲基咔唑為遮蔽型化合物。1，8中一個碳位上有取代基的稱為部分屏蔽形異構體，兩個碳為均無取代基的稱為裸露形異構體。裸露形異構體運移最困難，屏蔽形異構體相比最容易。含氮化合物在油氣運移研究中的應用第四十頁，共77頁。初次運移過程中有機氮化合物的分餾效應含氮化合物的含量：含氮化合物傾向于殘留在烴源巖中，同時，運移作用使咔唑、苯并咔唑和二苯并咔唑發生明顯的分餾效應。咔唑類異構體的分布：遮蔽型化合物易于進入儲層中，裸露型異構體傾向于殘留在源巖中。咔唑、苯并咔唑系列高、低分子量的相對豐度：高分子的傾向于進入儲層中，低分子的傾向于殘留在源巖中。第四十一頁，共77頁。二次運移過程中有機氮化合物的分餾效應二次運移對咔唑類的影響與初次運移有相似之處。二次運移過程中，原油中單體吡咯型化合物的豐度相對降低，官能團暴露型比遮蔽型異構體降低的趨勢更快，后者在運移中相對富集。咔唑、苯并咔唑和二苯并咔唑系列的相對豐度也會變化，隨運移距離的增加，咔唑相對增加。苯并〔a〕咔唑/苯并〔c〕咔唑可用于估計原油的運依距離。咔唑、苯并咔唑系列高分子的二次運移能力也強于低分子類，因為低分子類更容易進入水相。第四十二頁，共77頁。第四十三頁，共77頁。用于研究運移的參數：咔唑的絕對含量、1-甲基咔唑/4-甲基咔唑、裸露形/屏蔽形咔唑等。右圖是王鐵冠等所做的輪南奧陶系原油吡咯類化合物分布圖，并由此判斷出油的運移方向。第四十四頁，共77頁。石油中的含氧化合物主要以羧酸或酚的形式存在。含氧化合物石油羧酸烷基酚類第四十五頁，共77頁。第四十六頁，共77頁。第四十七頁，共77頁。OHCH4CH4CH4目前也有人使用酚類化合物研究油氣的運移方向。酚類化合物也和咔唑類化合物一樣，當在C-1和C-6位有取代基時將比沒有取代基的酚類相對容易運移一些。所以考察兩者間的相對含量可以判別油氣運移方向。第四十八頁，共77頁。第四十九頁，共77頁。高分子量化合物：油藏中廣泛分布著高分子量化合物，這些化合物主要為瀝青質、非烴類化合物及部分高分子量烴類化合物。主要由高分子量（Ｃ21+）的鏈烷烴組成的化合物，通常稱之為石蠟。石蠟的沉積作用是石油開采中的問題之一。主要原因：開采引起油藏壓力降低，導致超臨界溶劑體系運載能力的下降，引起高分子量烴類的沉淀作用。第五十頁，共77頁。第二節油田水地球化學特征一、油田水文地質條件油田水文地質條件對于油氣運移、油氣賦存、油藏保存和油氣分布具有控制作用，所以，深入研究對預側和尋找油氣藏具有指導意義。1．油田水的分布規律油田水的分布嚴格地受地質構造和沉積環境等因素的控制。第五十一頁，共77頁。2．油田水的起源油田水主要有沉積成因水、滲入成因水組成，其次是凝結成因水和深成成因水。滲入成因水是大氣降水和上覆地層中沉積水通過裂隙摻合于油田水中。凝結水是氣態水因地熱環境的變化轉變成的液態水。深成水是來自上地幔軟流圈中初生的高熱離解水、高熱飽氣初生水及巖漿水（包括巖漿分異水、底部巖漿分異水和重熔再生水）。無論是那種起源的油田水，它的原始成分與現在水的成分都是不同的。這是因為地下水經歷了淋濾、濃縮，交換、擴散和分異純化等作用，使油田水化學成分變得異常復雜。第五十二頁，共77頁。3．油田水的埋藏和徑流條件（1）油田水的基本儲集類型油田水按其儲水空間特征分為三種基本類型，即孔隙型、裂隙型及溶蝕型油田水。（2）油田水的產狀

層狀油田水席狀油田水不規則油田水第五十三頁，共77頁。（1）油田水礦化度較高二、油田水化學成分的基本特征油田水有較高的礦化度，波動幅度較大（0.5～350g/L）。多數油田水的含鹽量低于大洋水的平均含鹽量，其含量高低主要受古氣候、沉積特征及構造封閉程度的控制。與沉積變質的古海水、古鹽湖水有成因聯系的油田水礦化度普遍很高，在淡水的河湖相沉積中油田水礦化度一般偏低。我國主要產油區油田水礦化度的區間值為3～50g/L。（2）油田水的離子分異現象無機組分是油田水化學成分的重要組成部分，就常量組分（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-）而言，含量高低不等，差異懸殊。在陽離子中Na+占了絕對優勢，而Ca2+、Mg2+含量甚低。在陰離子中，Cl-占優勢，只有在烴類氧化和生物地球化學作用比較強的含油氣盆地內，HCO3-含量劇增，甚至超過Cl-而躍居首位。SO42-在一般情況下缺失或含量甚低，但是在硫酸鹽沉積物發育的含油氣盆地中，該離子的絕對含量增高（成為含量第二的陰離子）。（3）油田水中含有較多的微量元素油田水中微量元素（如表）所示，其含量從淡水湖盆的河湖沉積相、半咸水湖盆的海陸交互相到咸水湖盆的鹽湖相依次升高。在縱向上隨沉積環境和埋藏深度的變化有較大的差異，它們與石油和巖石中的微量元素有成因上的聯系，并與礦化度、PH值等有一定的消長關系。此外，油田水含有一定量的I、Br、F、B等元素。第五十四頁，共77頁。油田水中微量元素的含量

第五十五頁，共77頁。（4）油田水中有機物比較豐富油田水中普遍含有較多的有機物質。目前研究較多的有可溶氣態烴、苯及其同系物、酚及其同系物、有機酸、脂肪酸及生物標記化合物等。總的來講，以沉積成因為主的油田水，烴類含量較高。在平面上，隨接近含油邊界水中烴類含量增高。芳烴組分易溶于水，而使油田水中苯、酚等組分的含量增高。第五十六頁，共77頁。某油田油田水中苯系物的組成（×10-9）

第五十七頁，共77頁。（5）油田水同位素特征油田水中δD值為-57.95～-69.88‰，δ18O值為-8.38～-9.98‰，介于大氣降水和海水之間。（6）油田水中其它組分特征油田水中有有放射性元素（鈾、鐳、氡等）及稀土元素等，并含有多種微生物。具有較高的地溫場及低的氧化還原電位（Eh＝-125～-350mv）。

第五十八頁，共77頁。第三節油藏流體與巖石相互作用流體-巖石相互作用的研究內容包括油氣、地層水、巖石及微生物之間發生的化學、生物化學反應，以及這些反應對儲層物性、石油性質、礦物潤濕性變化的影響等。其中以水—巖反應最為普遍。

水—巖相互作用是指在地下相對高溫、高壓條件下，孔隙水的化學組分與儲層礦物間的一種化學平衡作用。其中對孔隙體積改變貢獻較大的作用是有機質熱演化產生的CO2和有機酸等成巖溶劑參與的反應。自然界中水—巖相互作用包括幾種物理、化學過程：（1）礦物溶解、沉淀；（2）離子交換、吸附/解析；（3）流體混合；（4）壓力下降或沸騰引起的氣體分離；（5）有機—無機相互作用等。第五十九頁，共77頁。一、有機酸形成機制及其對儲層物性的影響1．有機酸形成機制有研究者將碳酸鹽膠結物的溶解歸因于CO2流體的溶解作用。然而，在許多沉積盆地中，由于有機質所含的氧量有限，其所產生的CO2不足以解釋所觀察到的次生孔隙發育規模，所以必須引入其它機理來解釋次生孔隙的成因。人們轉而普遍相信次生孔隙的形成可能與有機酸參與有關。近年來的研究表明，有機酸的來源主要包括干酪根成熟作用、烴類微生物降解作用、烴類熱化學硫酸鹽還原（TSR）或熱變反應。第六十頁，共77頁。有機酸形成于生油高峰之前，Ro=0.5%附近。由于在細菌活動帶，細菌會消耗這些有機酸，他們的濃度較低。而當地層溫度升高到120~200℃范圍時，有機酸會因熱脫羧作用而破壞分解為烴類和二氧化碳。所以在地溫約為80℃時有機酸的含量通常最高。腐殖型干酪根最容易形成有機酸。（1）干酪根熱成熟作用第六十一頁，共77頁。第六十二頁，共77頁。（2）烴類微生物降解作用盡管有機酸可以作為微生物的營養物質而被消耗掉，仍然存在大量的證據表明，石油儲層中微生物可產生有機酸。（3）烴類熱化學硫酸鹽還原作用（TSR）或熱變作用石油有水熱解實驗表明，石油可生成一元羧酸和二元羧酸陰離子。那些具有低API比重、遭受過生物降解的和未成熟的石油均可生成相對較高的羧酸。TSR作用是深埋、高溫儲層含有高有機酸濃度的主要原因。第六十三頁，共77頁。2．有機酸運移與石油運移機制不同，有機酸不能依靠浮力驅使，沒有相似營力可以促使有機酸從源巖長距離運移到儲集巖中。有機質成熟時，往往油、水、有機酸一起從源巖中排出。由于有機酸親水性極強，實驗證實分配到水相中的有機酸濃度與油相中的相近，這樣，隨離源巖距離增大，油相中有機酸濃度降低，有機酸在油相中運移距離是有限的。第六十四頁，共77頁。3．有機酸分布世界各地統計數據顯示，在新生界、地層溫度介于80~120℃的油田水中可含有高達10000mg/L的一元羧酸和2540mg/L的二元羧酸。由于二元羧酸比一元羧酸具有更強的絡合Al、Ca的能力，所以二元羧酸對次生孔隙改造具有重要意義。第六十五頁，共77頁。第六十六頁，共77頁。常見有機酸的PH值和相對供氫能力酸PH供氫能力甲酸1.8820乙酸2.387丙酸2.446乙二酸0.65~2.14350碳酸3.2~5.114.有機酸與礦物顆粒的相互作用（1）有機酸的反應能力主要取決于氫離子的提供能力。第六十七頁，共77頁。（2）有機酸的熱力學反應能力①方解石的溶解反應CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO3△Gr0=+11.78kj/molCaCO3+CH3COOHCa2++2HCO3+CH3COO△Gr0=-23.89kj/mol②硅酸鹽的溶解反應2NaAlSi3O8+CaAl2Si2O8+4H++2H2O2Al2Si2O5(OH)4+4SiO2+Na++Ca2+

這個反應可以產生14.3%的孔隙。第六十八頁，共77頁。其它硅酸鹽的轉化作用：KAlSi3O8（微斜長石）+2HCO3+12H2OKAl3Si3O10(OH)2（伊利石）