pdf.php@id=6161.pdf

для предыдущей фракции. При температуре выше 250 °С влияние С02 на растворимость углеводородов фракции С10—С15 все бо­ лее и более усиливается. Растворимость углеводородов фракции С24-С 34 увеличивается в присутствии углекислого газа при всех температурах от 100 до 400 °С. Различное влияние газа при вы­ соких температурах на растворимость в воде компонентов нефти разной молекулярной массы может сильно изменять состав рас­ творяющихся в воде смесей углеводородов.

Величина концентрации растворенных углеводородов, выде­ ляющихся из материнских отложений в свободной воде, по раз­ ным данным, сильно колеблется. Существенное значение имеет не только температура. По-видимому, важно, в каком виде подхо­ дит вода к границе перехода от материнской толщи к коллектору. Если это только что оторвавшаяся связанная вода, обладающая повышенной растворяющей способностью, она приносит больше углеводородов. Вода, находящаяся уже какое-то время в свобод­ ном состоянии, несет меньше растворенных углеводородов. При переходе геохимического барьера на рубеже материнская поро­ да — коллектор молекулярный водный раствор углеводородов попадает в новые условия (из более восстановительных в менее восстановительные или даже в слабоокислительные). Кроме того, у воды здесь, как правило, иная минерализация. В результате рас­ творимость многих углеводородов резко изменяется, и многие из них, прежде всего алканы, выделяются в свободную фазу.

При повышенных температуре и давлении большое значение имеет растворение жидких углеводородов в газах. Как следует из экспериментов, в смеси углекислого газа и паров воды при температуре ниже 100 °С и давлении от 8 ,8 до 32 МПа растворя­ ются углеводороды с низкой молекулярной массой (С5—Cj5). При температуре 100 °С и выше и давлении 80 МПа все компоненты нефти могут растворяться в газах.

Первичная миграция углеводородов в виде водных молекулярных растворов

Миграция углеводородов в составе водной фазы представляет сложную проблему, все рассматриваемые гипотезы относятся в основном к глинистым нефтематеринским породам. Для оценки достоверности первичной миграции в водных растворах необхо­ димо иметь данные о растворимости углеводородов в воде (в раз­ ных ее видах) в различных пластовых условиях и о способности этой воды двигаться. Важно также иметь сведения об объемах воды, отжимаемых из материнских пород на различных стадиях уплотнения.

2 1 1

Вначале после седиментации вода составляет существенную часть осадка. Основное ее количество отжимается из одних осад­ ков очень быстро, а из других (глинистых) отжимание свободной воды затягивается и происходит при уплотнении уже не осад­ ков, а пород и погружении их до нескольких сотен метров. На уровне ранних градаций протокатагенеза из осадка и молодой породы удаляется примерно 80% водной фазы. Это главным об­ разом свободная вода, которая заполняет поровое пространство и не связана с минералами какими-либо особыми силами. При этом имеются в виду условия шельфовых бассейнов с умеренной толщей воды. В глубоководных условиях действуют другие за­ коны, там уплотнение сильно замедляется и осадки долгое время остаются сильнообводненными.

Связанная вода удерживается на поверхности минеральных частиц с разной степенью прочности. Вокруг зерен могут образо­ ваться пленки связанной воды толщиной в один или несколько мономолекулярных слоев. Наиболее прочно с кристаллической решеткой минералов связаны два ближайших слоя — химически связанная вода и физически прочно связанная вода. Эти приконтактные слои сильно прижаты к поверхности минеральных ча­ стиц. К связанной воде в значительной мере относится вода, на­ ходящаяся в межслоевом (межпакетном) пространстве глинистых минералов. Особенно это относится к смектитовым разбухающим глинистым минералам типа монтмориллонита. По-видимому, на поверхности решеток глинистых минералов молекулы воды занимают фиксированное положение и образуют относительно упорядоченную структуру типа жидкого кристалла.

Изучение механизма высвобождения воды, в том числе свя­ занной, из глинистых осадков было проведено М. Пауэрсом в 60-е годы XX в. Он пришел к выводу о том, что при превращении монтмориллонита в иллит происходит переход большого количе­ ства связанной воды в свободную при достижении определенных глубин и температур. Это преобразование характера воды имеет большое значение для изменения свойств пород и способствует началу миграции углеводородов из материнских толщ. В некото­ рых случаях появление чистой воды вызывает распреснение со­ леных пластовых вод. Это явление было названо второй стадией дегидратации (под первой стадией подразумевается удаление сво­ бодной воды). Плотность связанной воды имеет разные значе­ ния. Дж. Берет, например, подсчитал, что два прочно связанных водных слоя в пределах элементарной структурной ячейки с раз­ мером 0,9 нм может иметь плотность 1,15 г/см3, что значительно превышает плотность обычной воды. Некоторые авторы пишут, что плотность может быть даже еще больше — до 1,4—1,5 г/см3.

212

При снижении плотности до величины близкой к единице объем воды увеличивается, что приводит к росту внутрипорового дав­ ления и разуплотнению породы. Так, в бассейне Мексиканского залива на глубинах от 3880 до 4500 м отмечен рост пористости кайнозойских глин на 5—6%. При полной трансформации со­ держащегося в породе монтмориллонита объем свободной воды в породе увеличивается максимально. Это и является одной из причин возникновения аномально высокого порового, а затем и пластового давления.

В осадках, которые состоят из малоразбухающих глинистых минералов и содержат малое количество связанной воды, при переходе ее в свободное состояние увеличение объема заметно не чувствуется, не сказывается также ее влияние на распреснение пластовых вод.

На примере молодых отложений, вскрытых скважинами в бас­ сейне Мексиканского залива, Дж. Берет пришел к выводу, что су­ щественное выделение воды (дегидратация) в данных конкретных условиях кайнозойских отложений соответствует температурному интервалу 85—115 °С. Вопрос об объемах выделившейся из глин воды решается неоднозначно. В.Н. Холодов предполагает, что в результате преобразования глинистых минералов, например, в толще майкопских глин Предкавказья выделился очень большой объем воды (примерно равный объему воды в Каспийском море, что близко объему глин Майкопа). Другие исследователи счита­ ют, что объем воды в породе возрастает примерно на 15%. Види­ мо, все зависит от того, какими минералами сложены глинистые толщи, способны ли они выделять повышенные объемы воды. Вопрос должен решаться в каждом конкретном случае.

Этап преобразования форм воды может совпадать с главной фазой массовой генерации жидких углеводородов. При плотной упаковке (рис. 5.4) связанная вода является химически очень чи­ стой. В дисперсных средах и тонких капиллярах вода приобретает

НН

ской решетке минерала ••••водородная связь

213

аномальные свойства. Она становится чрезвычайно активной — возрастает ее растворяющая способность по отношению к непо­ лярным веществам, по свойствам она приближается к веществам типа спирта.

При десорбции связанной воды она благодаря своей чистоте обладает большой растворяющей способностью и по отношению к жидким УВ и различным минералам вплоть до кварца, нерас­ творимым в воде в обычных условиях. Интересные эксперимен­ ты по растворяющей способности связанной воды в России были выполнены В.Ф. Симоненко. В проведенных им экспериментах в пробах воды, последовательно отбиравшейся при увеличении давления, было отмечено увеличение концентрации ОВ, которую можно объяснить ее увеличивающейся растворяющей способно­ стью, что определяется соотношением радиусов капилляров по­ роды и зоной действия поверхностных сил (рис. 5.5). Если радиус действия поверхностных сил меньше радиуса капилляра (рис. 5.5, а), то десорбированная вода приобретает свойства свободной воды. В случае когда радиус капилляра меньше радиуса действия поверхностных сил (рис. 5.5, б) и их действие распространяется на весь капилляр, вода не приобретает свойств свободной воды, но она уже и не прочносвязанная, это так называемая «неструк­ турированная» вода, характеризующаяся аномальными свойства­ ми — малой полярностью и высокой диссоциированностыо. Эти

Рис. 5.5 Зависимость растворяющей способности десорбированной воды от соотношения радиусов капилляров (Rj) с радиусами действия поверх­ ностных сил (R2) ( п о В.Ф. Симоненко): а —центральная часть капилля­

ра не охвачена действием поверхностных сил, вода здесь имеет свойства свободной; б — сфера действия поверхностных сил охватывает все сече­

ние капилляра, десорбированная вода в капилляре частично структури­ рована и имеет повышенную растворяющую способность

214

особые свойства связаны и с промежуточной структурой воды, только что оторвавшейся от минеральной матрицы, но еще на­ ходящейся в сфере влияния поверхностно-адсорбционных сил. При расширении поровых каналов вода теряет свою высокорастворяющую способность и приобретает свойства обычной свободной воды. При этом растворенные в ней вещества, в том числе и микронефть, осаждаются из раствора. Свидетельством того, что этот процесс имеет место в природе, являются часто наблюдаемые на контактах НМ-глинистых пород и песчаников примазки и минеральные корки с вязкими битумами.

Повышенные растворяющие свойства воды, находящейся

вособом состоянии, можно рассматривать как один из суще­ ственных факторов, способствующих началу перемещения угле­ водородов в виде молекулярных растворов. При перемещении

впороду с более крупными порами эти особые свойства воды будут теряться, она все больше будет насыщаться различными солями, а растворенные углеводороды будут из нее выделяться и обособляться в отдельную фазу. Этот этап начала перемещения углеводородов и выделения в свободную фазу в первую очередь касается наиболее подвижных жидких компонентов и газа. При переходе в породу-коллектор молекулярный раствор приобретет иной облик и образует вместе с водой эмульсию.

При переходе воды из связанного в свободное состояние вследствие увеличения ее объема возрастает внутрипоровое дав­ ление. Этому способствует также генерация жидких продуктов и газов из рассеянного органического вещества. При достижении определенного критического давления в порах происходят им­ пульсные флюидоразрывы, они мгновенно пронизываются си­ стемами микротрещин. По ним происходит перенос образовав­ шихся углеводородов на некоторое расстояние. При погружении эти процессы повторяются. При каждом новом этапе погружения порода будет полнее реализовывать свой материнский потенциал.

Первичная миграция углеводородов из материнских пород другого, неглинистого состава имеет свои особенности, но они изучены слабо. В качестве нефтематеринских иногда выступа­ ют биогенные кремнистые и карбонатные породы. Миграция

вкремнистых осадках и породах происходит на фоне мине­ ральных трансформаций кремнезема в ряду: опал—опал КТ— кристобалит—тридимит—халцедон—неупорядоченный мелкозер­ нистый кварц—более упорядоченный кварц. Все это происходит на фоне обильного водоотделения, поскольку воды вначале очень много. Начальные члены ряда имеют очень высокоразвитую по­ верхность с высоким энергетическим запасом, что, по-видимому, может стимулировать десорбцию микронефти ранней генерации,

215

зачастую имеющей место в НМ-толщах биогенно-кремнистого состава, как об этом уже говорилось в разделе 4.3. Перестройка структуры пород из биогенной в глобулярную с высокими ем­ костными свойствами создает возможность перемещения флюи­ дов, в том числе углеводородов, в это вновь созданное поровое пространство внутри этой же толщи. В карбонатах миграция ограничена в условиях их быстрой литификации, однако при­ месь глинистого и кремнистого материала может обеспечить как выделение некоторого объема воды, так и перемещение ее вместе с образовавшимися углеводородами.

Первичная миграция углеводородов в виде мицеллярных растворов

Определенное значение для первичной миграции имеют ми­ целлярные растворы. Под ними понимаются системы, содер­ жащие мицеллы, представляющие агрегаты с более или менее упорядоченной структурой, содержащие гидрофильные поляр­ ные группы (СООН, NH, жирные и нафтеновые кислоты, смолы и др.) и гидрофобные углеводородные цепочки. Такие растворы способны растворять углеводороды, которые присоединяются к мицеллам. Способностью к образованию мицелл обладают также металлоорганические соединения. Возможность их возникнове­ ния в материнских породах связана с тем, что при трансформа­ ции глинистых минералов происходит катионный обмен (Si на Al, А1 на Fe), при этом вполне возможно образование металло­ органических соединений на основе высвободившихся катионов металлов и углеводородов, которые одновременно генерируют­ ся в этих толщах. Углеводородные цепи в мицеллах стягиваются под действием вандерваальсовых сил. Образование мицелл на­ чинается только после превышения определенной концентрации поверхностно-активного вещества в растворе. Повышенное ко­ личество жирных, нафтеновых и гуминовых кислот в водах яв­ ляется предпосылкой образования мицелл. В пластовых водах, имеющих слабощелочную реакцию, кислоты переходят в ней­ тральные или кислые мыла. При достижении критических для них концентраций происходит образование мицелл. (Нахожде­ ние мыл в водах снижает поверхностное натяжение на разделах вода—углеводороды и способствует повышению их растворимо­ сти и образованию микроэмульсий, которые могут обладать по­ вышенной способностью к перемещениям.)

Вследствие диссоциации карбоксильных групп мицеллы об­ ладают отрицательным зарядом и окружены ионами противопо­

216

ложного знака или прикрепляются к положительно заряженным центрам в кристаллической структуре минералов. При переме­ щении флюидов в горных породах (при движении неполярных жидкостей) возникает естественный фильтрационный потенциал и связанное с ним электрическое поле, в котором в природных условиях мицеллы могут перемещаться. Электрические поля в земной коре могут возникать также в результате других различ­ ных причин (сейсмические, геомагнитные события и др.). По мнению В.А. Королева и др., этот механизм особенно эффекти­ вен в тонкопоровых разностях пород.

М.И. Гербер, К. Бьерлик и др. высказывали мнение о возмож­ ности в некоторых случаях выноса углеводородов из материнских пород в коллекторы именно в виде мицеллярных растворов. Это­ му способствует то, что в пластовых водах содержатся жирные и нафтеновые кислоты. Их содержание может достигать десятков и даже первых сотен миллиграммов в литре. Их присутствие, а также содержание в водах летучих и нелетучих фенолов также оказывает положительное влияние на процесс мицеллярной рас­ творимости углеводородов.

По мнению Б. Тиссо и Д. Вельте, первичная миграция угле­ водородов в виде мицеллярных растворов наиболее вероятна на глубинах 1,5—2 км. К такому заключению они приходят, исходя из того, что на этих глубинах раскрытость каналов еще позволя­ ет мицеллам перемещаться по ним; в водах отложений на этих глубинах еще достаточно много поверхностно-активных компо­ нентов. При снижении количества поровых вод при погружении пород возможность образования мицеллярных растворов умень­ шается. Мицеллярные коллоидные растворы подвержены соот­ ветствующим физико-химическим законам, в частности явлению коагуляции, которая происходит при смене характера среды, тем­ пературы, концентрации раствора и т.д. В какой-то степени коа­ гуляция, возникновение хлопьев может, конечно, и затруднять первичную миграцию, но, вероятнее всего, образование хлопьев происходит на основной геохимической границе: материнская порода—коллектор. Здесь чаще всего изменяется характер среды и возможно выделение углеводородов при смешении мицелляр­ ных растворов с водами коллектора. При разрушении мицелл и выделении углеводородов в воде образуется эмульсия. Т.П. Жузе отмечает, что мицеллярные растворы могли играть заметную роль для протекания первичной миграции в Западной Сибири, так как здесь подземные воды богаты поверхностно-активными веществами, в том числе карбоновыми кислотами.

217

Первичная миграция в виде газовой фазы

Идея первичной миграции жидких углеводородов в виде рас­ творов в газах представляется реальной. Газоконденсатные зале­ жи являются примером таких растворов. Газовые растворы вслед­ ствие их низкой вязкости и большой подвижности в тончайших порах могут обеспечивать первичную миграцию из материнских пород.

В осадочных бассейнах генерируются громадные объемы газа. Генерация газа усиливается при погружении пород на большие глубины. Процесс газообразования в породах с рассеянным ор­ ганическим веществом изучался В.Л. Соколовым, С.Г. Неручевым, Е.А. Рогозиной, В.И. Ермаковым, В.А. Скоробогатовым и др. Условия газообразования и связь его с нефтеобразованием и катагенетической зональностью рассматривались в гл. 4. Как следует из анализа рис. 4.2, различными авторами признается как верхняя (протокатагенетическая), так и нижняя зона газо­ образования, выделенная С.Г. Неручевым и Е.А. Рогозиной в ка­ честве главной зоны газообразования (ГЗГ), интенсивность же газообразования в разных катагенетических зонах оценивается по-разному. Определяющую роль в этих процессах играет и со­ став исходного ОВ.

Исследования в области определения роли угленосных и суб­ угленосных толщ в генерации углеводородных газов также про­ водились многими исследователями. Основная заслуга в разра­ ботке этой проблемы принадлежат А.Л. Козлову, В.И. Ермакову, И.В. Еремину, М.В. Голицыну и др. В процессе преобразования органического вещества углей на градациях, отвечающих маркам углей Б и Д, образуется углекислый газ и метан, на градациях, соответствующих маркам Г—ОС, — метан и тяжелые углеводоро­ ды, на стадиях Т и А — метан и, возможно, водород при почти полном отсутствии тяжелых углеводородов. Глубже генерируются только метан и водород. Большинством исследователей призна­ ется, что на высоких градациях катагенеза (глубины 4 км и выше) процесс газогенерации идет особенно активно. Этот вывод очень важен для установления роли газа в миграции жидких УВ.

Выход метана для малометаморфизованных (невысокой сте­ пени преобразования) углей составляет до 10 м3Д, для углей средней степени метаморфизации 150-200 м3/т, для высокометаморфизованных углей 250—400 м3/т и для антрацитов 420 м3/т. На образцах, отобранных с глубин 2—3 км (майкопская серия олигоцена—нижнего миоцена Предкавказья), газообразование в экспериментах достигало 0 ,2 м3 на кг органического вещества. Для угленосной толщи юры Северного Кавказа В.И. Ермако­

218

вым была установлена плотность газообразования от 1500 до 3000 м3/км2 при мощности в первые десятки метров. В.И. Ерма­ ков, И.В. Высоцкий и др. считали, что на глубинах до 4 км про­ цесс газогенерации идет особенно активно. Максимальное оста­ точное газосодержание в каменных углях составляет 20-25 м3/т, редко больше. Большая часть газа уходит из углей и включается в общий кругооборот подвижных веществ, участвуя и в переносе углеводородов.

Среди углеводородов разных групп, по данным Т.П. Жузе, наибольшую растворимость в углеводородных газах обнаружи­ вают алканы, а наименьшую — арены. Нафтены занимают про­ межуточное положение. С повышением температуры и давления разница в растворимости различных групп уменьшается. По рас­ творяющей способности в порядке убывания газы располагаются в следующий ряд: углекислый газ—метан—азот. Присутствие го­ мологов метана в газе значительно повышает его растворяющую способность. Углеводороды, растворенные в газе, по-видимому, являются преобладающей формой перемещения в породах с очень мелкими порами. Эмиграция нефтяных углеводородов в виде газовых растворов доказана экспериментально. Существует также мнение о возможности перемещения нефти в виде пленки на поверхности пузырьков газа. На основе теоретических расче­ тов Н.М. Кругликов обосновал механизм миграции нефти в виде пленки на газовом пузырьке. При прохождении через жидкую фазу газовый пузырек захватывает пленку нефти, толщина не­ фтяной пленки не должна превышать 1/3 радиуса газового пу­ зырька, масса же нефти может превышать массу газа более чем на порядок.

Первичная миграция в собственно жидкой фазе

Первичная миграция нефти может осуществляться в виде са­ мостоятельной жидкой непрерывной фазы. Возможность такой формы первичной миграции рассматривалась многими исследо­ вателями (А.Н. Снарский, Б. Тиссо, Дж. Хант, Дж. Эрдман, МакОлифф и др.). Известно, что нефть плохо смачивает большинство минералов, и лишь поверхности частиц, имеющих битуминозное покрытие, родственное нефти, образуют пути, благоприятные для ее движения. Движение потоков углеводородов может облег­ чаться наличием прожилок и трещин, заполненных керогеном. В богатых нефтематеринских породах типа баженовской свиты или формации Монтерей с содержанием ОВ 10—20% и выше эти ке-рогеновые включения образуют непрерывную сеть. При вы­ соких содержаниях сапропелевого ОВ, богатого липидными ком­

219

понентами, в НМ-толщах (более 5%) стенки поровых каналов оказываются смоченными не водой, а нефтью (микронефтью). Поверхностное натяжение, обычно возникающее на границе двух сред — воды и нефти, исчезает, и но­ вообразованным УВ лег­ ко подниматься вверх. Эта гидрофобная система рассматривается как путь перемещения углеводоро­ дов. При этом углеводо­

роды будут подниматься по трехмерной матрице керогена, как керосин по фитилю. Механизм этого вида первичной миграции был разработан Мак-Олиффом (McAuliffe, 1979) и получил на­ звание «принцип фитиля». Такой способ первичной миграции возможен при условии высокой концентрации сапропелевого ОВ (по разным авторам, это содержание изменяется от 3 до 20%), равномерном распределении ОВ и отсутствии в системе воды. На рис. 5.6 изображен (фотография в сканирующем микроскопе) момент выхода капельки из обогащенных ОВ материнских пород формации Монтерей (Калифорния).

Диффузия

Все виды миграции происходят на фоне постоянно идущего потока диффузии как неотъемлемого свойства любого вещества, стремящегося выравнивать свою концентрацию во всем окружа­ ющем пространстве. Диффузионному переносу углеводородов в осадочных породах уделяется большое внимание в связи с раз­ рушением залежей. Однако диффузия играет определенную роль

ив процессах первичной миграции, стремясь к выравниванию концентраций УВ как между НМ-толщей, богатой микронефтыо,

иприродным резервуаром, изначально бедным таковой, так и в микромасштабе между обогащенными и относительно бедными участками НМ-толщи. Кроме различия в концентрации вещества диффузия может определяться разностью температур и давлений (соответственно термодиффузия и бародиффузия).

Диффузия в породах протекает постоянно, но медленно, осо­ бенно для тяжелых молекул, которые удерживаются особенно

вглинистых породах вследствие их высокой адсорбционной

2 2 0