Виды и формы миграции углеводородов (стадийность, фазовое состояние УВ и характер миграции)

Под миграцией нефти и газа понимают любое перемещение этих веществ в земной коре.

Прежде чем говорить о силах, вызывающих перемещение по­движных веществ в земной коре, следует коротко остановиться на том, в каком физическом состоянии они могут передвигаться сквозь толщу пород. Вопрос этот очень сложен, и пока не существует твердо сложившегося представления.

Рассмотрим ряд: асфальты (1) →мальты (2) → «мертвые» нефти (3) → недонасыщенные газами нефти (4) → насыщенные газами нефти (5) → смесь нефти и газа (6) → газ с конденсатом (7) → газ сухой (8). В этом ряду способность к перемещению увеличивается в направлении от твердых асфальтов к газам.

Первые три члена этого ряда сами по себе малоподвижны, и пере­мещение их в недрах земной коры возможно только совместно с вмещающими их породами в процессе тектонических движений.

Четвертый и пятый члены ряда имеют относительно большую подвижность. Здесь следует иметь в виду уменьшение вязкости нефти и ее плотности по мере растворения в ней газов. Можно пред­полагать наличие в недрах достаточных количеств газообразных углеводородов для насыщения нефти на первых стадиях ее образо­вания. Встречающиеся в природе случаи недонасыщенной или «мертвой» нефти следует рассматривать как результат вторичных процессов.

Шестой член разбираемого ряда несколько отклоняется от общей закономерности. Для него характерно наличие не одной, а двух фаз, следовательно, на перемещение будет влиять фазовая проница­емость.

У седьмого и восьмого членов ряда наблюдается одна фаза, и, следовательно, они действительно будут обладать максимальной подвижностью при наличии непрерывной фазы (струи). Всегда надо иметь в виду еще одну жидкую фазу — воду. На границе раздела газ — вода возникают большие поверхностные напряжения (мезапол­ненной водой. Чтобы вызвать перемещение газа в пористой среде, заполненной водой, необходимо преодолеть эти напряжения (давле­ние прорыва) и создать непрерывный поток газа. Сказанное в равной степени относится и к контакту нефть — вода. Величина сопротивле­ний определяется поверхностными напряжениями на контактах разных фаз. Этим обстоятельством, в частности, объясняется спо­собность воды фильтроваться через покрышку резервуара, пред­ставленную глинами, смоченными водой, в то время как для нефти и газа она оказывается практически непроницаемой.

Давление геостатическое и динамическое. Роль давления в пер­вичной миграции рассмотрена в предыдущей главе. Здесь следует добавить, что уплотнение пород может происходить не только под действием геостатического давления (нагрузки вышележащих слоев), но и под действием тектонических сил, выводящих породы из нор­мального залегания и сминающих их в складки. Давление, вызываемое тектоническими силами, называется динамическим в отличие от геостатического давления, вызываемого нагрузкой вышележащих пород. Под действием динамического давления возможно дальнейшее уплотнение пород и, следовательно, дальнейшее выжимание подвижных веществ. В результате действия тектонических сил породы сминаются в складки, часто нарушенные разрывами. При этом происходит перераспределение давления в отдельных участках земной коры. Возникшие в толще пород трещины и разломы могут служить путями для перемещения воды, нефти и газа. Перераспре­деление давления вызывает новое перемещение подвижных ве­ществ.

При складкообразовании часть пород поднимается на значи­тельную высоту и подвергается усиленной эрозии. Эрозия, с одной стороны, влияет на распределение давления в земной коре, а с дру­гой, — может повести к разрушению слоев, содержащих в себе нефть и газ.

Гравитационный фактор.Под гравитационным фактором мигра­ции нефти и газа понимают действие силы тяжести. Если в резуль­тате тех или иных перемещений нефть и газ попадают в коллектор, лишенный воды, то нефть в силу своего веса будет стремиться занять в этом пласте его пониженные участки, а газ — повышенные.

Миграция нефти и газа путем всплывания может происходить лишь по трещинам и крупным порам. Перемещению нефти игаза под действием гравитационных сил препятствуют силы трения, междуфазное трение, вызываемое относительным перемещением газа, нефти и воды по отношению друг к другу (фазовые проница­емости); вязкость (или внутреннее трение); молекулярное притяже­ние между стенками породы и молекулами подвижных веществ (своего рода сила «прилипания»).

Всплывание облегчается, если оно происходит не по отдельным каплям, а непрерывным слоем нефти или газа, или в подвижной среде. При движении нефти по порам в виде отдельных капелек нефти и газа существенную роль играет эффект Жамена. Капельки нефти и газа стремятся принять шарообразную форму, обладающую наименьшей поверхностью. Когда капельке необходимо пройти через пору с меньшим диаметром, чем ее собственный, она вынуж­дена вытянуться и увеличить свою поверхность. Увеличение поверх­ности капли может произойти только под воздействием внешних сил. Внешней силой может быть разница в удельных весах — грави­тационная сила.

Гидравлический фактор.Вода в земной коре может находиться в движении. В пластах горных пород наблюдается струйное движе­ние воды, подчиняющееся закону Дарси. В своем движении. вода увлекает вместе с собой мельчайшие капли нефти и газа и таким образом перемещает их.

В процессе движения дифференциация подвижных веществ по их плотностям происходит значительно легче. Отдельные капельки нефти и газа, всплывая над водой, соединяются между собой, обра­зуют более крупные капли, последние в свою очередь соединяются между собой и при благоприятных условиях образуют скопление нефти и газа. При наличии сплошной массы нефти или газа, заполня­ющих поры породы, вода может вытеснять их силой своего гидро­статического давления на поверхность нефть (газ) — вода. Здесь главную роль играет напор воды на поверхность раздела или вытес­нение всего объема залежи. Возможен и другой механизм разруше­ния залежи, обусловленный скоростью движения воды, т. е. путем послойной передачи количества движения от воды к залежи нефти и газа. Углеводороды растворимы в воде в незначительной степени. Растворимость их в воде зависит от температуры и давления, а также от содержания в воде некоторых компонентов. В одних условиях температуры и давления вода может растворить в себе углеводороды, а в других — вновь выделить их. Таким образом совершается мигра­ция углеводородов, растворенных в воде.

Капиллярные и молекулярные явления.Механизм перемещения нефти и газа под действием капиллярных сил в достаточной мере еще не изучен. Трудно сказать, на какое расстояние возможны такие перемещения и какую роль играют они в процессе миграции угле­водородов. Поставленные опыты и некоторые теоретические пред­посылки дают основание предполагать, что такое перемещение вряд ли возможно на большие расстояния и вряд ли играет главную роль в процессе формирования скоплений нефти и газа.

Не углубляясь в физическую сущность капиллярных явлений, остановимся коротко на основных положениях теории замещения. Величина капиллярного давления зависит от свойств подвижных веществ, свойств породы и размера пор. В поре породы наблюдается сложнее взаимодействие породы, воды, нефти и газа. Поверхностное натяжение на границе сред различное. Поверхность раздела междуводой и нефтью в поре, стенки которой состоят, например, из крем­незема, имеет выпуклую форму, обращенную в сторону воды. Кри­визна поверхности, обусловленная поверхностным натяжением, зависит от диаметра поры. Чем больше диаметр поры, тем меньше кривизна и тем меньше капиллярное давление. При диаметре поры около 0,5 мм оно исчезает совершенно. Чем меньше диаметр поры, тем больше кривизна поверхности раздела и тем больше капиллярное давление, так что уже при диаметре поры 0,1 мм капиллярные силы обычно превышают гравитационные. Так как вода смачивает породы лучше, чем нефть, то в результате капиллярного давления она стремится вытеснить нефть из мелких пор в более крупные.

Можно предполагать передвижение нефти не в виде отдельных капель, а в виде молекулярных пленок. Зерна породы в результате молекулярного притяжения обволакиваются концентрическими слоя­ми воды. Нефть в свою очередь в виде молекулярных пленок распо­лагается между слоями воды.

Передвижение подвижных веществ может происходить под дей­ствием капиллярного фактора, под действием гидравлического давления и в результате выдавливания при уплотнении породы. По существу сюда же должны быть отнесены и ранее упомянутые перемещения вследствие диффузии. Возникновение скопления пред­ставляет собой процесс возрастания концентрации углеводородов. Тогда явления диффузии должны рассматриваться прежде всего как один из факторов разрушения существующих скоплений нефти и газа. Созидающая роль этого фактора может быть отмечена при рассмотрении региональной стороны явления. При огромных мас­штабах диффузии этим процессом можно объяснить массовый пере­ход углеводородов из одних пород в другие, из пород плохо прони­цаемых в породы хорошо проницаемые. Дальнейшая концентрация углеводородов в хорошо проницаемых пластах возможна под влиянием других факторов, в частности гидравлического.

Энергиягаза. Энергия газа как движущая сила для нефти в пласте довольно хорошо изучена путем наблюдений за разрабаты­ваемыми скоплениями нефти и газа. Установлено двоякое проявле­ние энергии газа. Если в скоплении нефти и газа последнего доста­точно много для полного насыщения нефти при данном давлении и температуре, то избыток газа может образовывать газовую шапку. В газовой шапке газ находится в сжатом состоянии под давлением.

При перепаде давления (например, при вскрытии пласта скважинами) газ расширяется, затрачивая свою энергию на работу по продвижению подстилающей его жидкости. В этом случае энергия расширяющегося газа прикладывается к поверхности его контакта с жидкостью. Такой режим перемещения жидкости (нефти) в пласте называется газонапорным.

При снижении давления происходит выделение и расширение газа, растворенного в нефти или в воде. Выделяющийся и расширя­ющийся газ также совершает работу по перемещению жидкости; В этом случае энергия газа равномерно распределена по всему объему жидкости. В практике разработки скоплений нефти такой процесс называется режимом растворенного газа.

Упругие расширения жидкости и пород.Жидкость (преимущественно вода), заполняющая коллектор и нахо­дящаяся под некоторым давлением, сжимается. Коэффициент сжима­емости воды весьма мал (примерно 5*10^-5 I/am), но при больших объемах воды в пласте снижение давления в нем может вызвать значительное увеличение объема жидкости. Увеличение объема жидкости будет сопровождаться ее перемещением — миграцией. Коэффициент сжимаемости пород еще меньше, но при больших объемах пласта его упругие силы могут иметь существенное значе­ние для миграции жидкости в пласте. При снижении пластового давления в результате упругого расширения зерен породы поровые каналы будут сужаться, а находящаяся в них жидкость вытесняться из пласта.

Как видно из изложенного, процесс миграции определяется физико-химическим состоянием мигрирующих веществ, силами, вызывающими их перемещение, и наличием путей миграции. Если физическое состояние мигрирующего вещества допускает его пере­мещение под действием любого из перечисленных выше факторов и при этом существуют необходимые пути миграции, то последняя будет происходить на любые расстояния в пределах действия сил миграции. Таким образом, вопрос о дальности миграции следует рассматривать прежде всего исходя из конкретной геологической обстановки, обеспечивающей действие необходимых сил и наличие путей для перемещения. Судя по крупным нефтяным и газовым месторождениям, протягивающимся иногда на многие десятки и даже первые сотни километров, необходимо допустить миграцию по пластам (внутрирезерву арную) на многие километры.

Процесс уплотнения и консолидации карбонатных илов при их превращении в породу сопровождается кристаллизацией минераль­ных веществ и возникновением многочисленных трещин и каверн. Трещины большей частью мелкие, часто микроскопические. Нахо­дящиеся в осадке подвижные вещества при переходе карбонатного ила в породу частично входят в состав самой породы, а частично полу­чают способность свободно перемещаться. Последнее облегчается за счет трещиноватости, возникающей при вторичных процессах доломитизации известняка. Погружение пород вызывает и возраста­ние температуры. Под влиянием повышения температуры породы содержащиеся в них подвижные вещества стремятся расшириться. Коэффициенты расширения пород воды, нефти и газа различны. Нефть и газ при повышении температуры увеличиваются в объеме значительно больше, чем породы. Поэтому повышение температуры должно способствовать перемещению подвижных веществ. Кроме того, под действием температуры подвижные вещества изменяют свои физические свойства, вязкость их уменьшается, они могут пе­рейти полностью или частично в парообразную или газообразную фазу. Естественно, что такое изменение физического состояния по­движных веществ также способствует их миграции.

X. Ватте (1963) вообще считает основной движущей силой первич­ной миграции изменение температуры в земной коре (температурный градиент). По его мнению, процесс первичной миграции протекает путем переноса углеводородов в растворенном в воде состоянии и комбинации адсорбции и диффузии при температурном градиенте.

Исходя из ранее сделанного вывода о непрерывности процессов образования углеводородов, следует относиться критически к фак­торам, обеспечивающим их первичную миграцию лишь на коротком отрезке времени диагенеза осадков. Повидимому, следует искать фактор или факторы, действие которых охватывает длительные пери­оды преобразования осадков. Следует обратить внимание на поло­жение, выдвинутое И. О. Бродом, А. Н. Снарским и А. Л. Коз­ловым. По мнению упомянутых исследователей, при уплотнении пород в субкапиллярных порах глинистых отложений вследствие слабой проницаемости и разобщенности пор должны возникнуть аномалийные давления, совершенно отличные от давлений, существу­ющих в коллекторских породах той же толщи. Между глинами и коллекторами возникает перепад давлений, который и может послу­жить причиной для перемещения углеводородов из материнских по­род в коллекторы. К сказанному следует добавить возможность увеличения давления за счет больших объемов вновь образующихся веществ. Описанные факторы выдержаны во времени и могли бы обеспечить процесс первичной миграции, хотя сам механизм этой миграции и в данном случае остается неясным. Многие исследователи (Л. Эзи, В. А. Соколов, М. Ф. Двали, Дж. Хант и др.) допускают возможность перемещения углеводородов в растворенном в воде состоянии (И. О. Брод считал такую форму перемещения основной). Как газообразные, так и жидкие углеводороды в той или иной степени растворимы вводе. Растворимость в воде газообразных угле­водородов использована А. Л. Козловым в созданной им схеме фор­мирования газовых месторождений. Растворимость жидких угле­водородов в воде возрастает с увеличением температуры. Как отме­чает М. Ф. Двали и М. И. Гербер, органические добавки сильно повышают растворимость в воде жидких углеводородов. По мнению М. Ф. Двали, литературные данные и лабораторные опыты, прове­денные во ВНИГРИ, позволяют говорить о повышенной раствори­мости углеводородов при наличии в воде коллоидных органических соединений. Большая часть таких органических соединений и, ве­роятно, другие подобные им, но еще не идентифицированные соеди­нения, имеются в седиментационных водах или возникают при пре­образовании захороненного органического вещества.

По М. Ф. Двали при седиментационном уплотнении осадка от­жимаемая вода при своем движении через материнскую породу все более насыщается коллоидно-растворимыми органическими соеди­нениями и тем самым значительно повышает свою растворяющую способность по отношению к рассеянным углеводородам, содержа­щимся в органическом веществе осадка-породы. При дальнейшей миграции воды выделение углеводородов уже в жидком виде будет происходить при понижении температуры или изменении состава самого раствора.

Исходя из упоминавшихся выше критериев, И. О. Брод совместно с автором в 1945 г. разработал классификацию миграционных процессов, которая и приводится ниже в несколько переработанном и расширенном виде. Все миграционные процессы рассматриваются по трем категориям: 1) по форме (характеру) движения нефти и газа; 2) по масштабу движения; 3) по путям движения. Факторы, обу­-

словливающие процессы миграции, были рассмотрены ранее.

Классификация миграционных процессов по путям движения.

В таблицах рассмотрены группы, виды и разновидности миграционных процессов, при этом предусмотрены всевозможные формы движения битумов при формировании и разрушении скопле­ний нефти и газа.

Классификация миграционных процессов по путям движения