Учение о нефти

разницы в величине поверхностного натцжения у воды и нефти начинается перемещение нефти и воды из одного пласта в другой. Именно вода будет занимать капиллярные поры в глине и вытес­ нять оттуда нефть. Мелкопористая глина, как губка, будет впи­ тывать в себя из песков воду, которая будет постепенно — моле­ кула за молекулой — замещаться в песках нефтью в течение це­ лых геологических эпох; пока вся нефть не переместится в песчаные или другие пористые пласты, располагаясь в них, в случае гори­ зонтального залегания, как показано на фиг. 52. Газ, нефть и вода расположатся по удельному весу: вода займет нижнюю часть

Фиг. 52. Распределение газа, нефти и воды по удельному весу в случае горизонтального залегания

пласта, а газ и нефть — верхнюю. Если налицо будет свободный газ, он займет самое высокое положение в пласте, т. е. скопится

вкровле пласта. Следовательно, при распределении нефти и воды

впесчаном пласте будет действовать закон тяжести, так как поры

впесчаном пласте имеют сверхкапиллярные размеры, а в таких порах, как известно, сила капиллярного притяжения проявляется лишь частично.

Опытами установлено, что капиллярное притяжение изменя­ ется с увеличением температуры, а следовательно, и с глубиной. При геотермическом градиенте, равном 30 м на 1° С, приблизи­ тельно на глубине в 5 тыс. м сила капиллярного притяжения умень­ шится на половину в своей величине, а так как по данным ряда ис­ следователей, например Д. В. Голубятникова, относящимся к Би- би-Эйбату, во многих нефтяных месторождениях геотермический градиент в два раза меньше нормального (для Биби-Эйбата он равен 12 м на 1° С), то указанное уменьшение произойдет в ряде случаев еще на меныпей глубине, примерно наглубине вЗ —4 тыс. м. Кроме того, нужно принять во внимание, что поверхностное натяжение нефти с увеличением температуры падает медленнее, чем у воды, следовательно, на некоторой глубине силы поверхно­ стного натяжения воды и нефти могут сравняться. У Эммонса 1 ука­ зывается, что это произойдет на глубине 4—5 тыс. м и что на боль­ ших глубинах нефть в глинах и сланцах может находиться в диф­

фузном состоянии, если только она не была вытеснена оттуда в пески в более ранний геологический период, когда соответствую­ щие пласты могли залегать на меньшей глубине от земной поверх­ ности, или же если нефть не была выжата силою давления.

1 W. Н. Emmons. Geology of Petroleum, 1921, p. 116.

189

Вышеуказанное распределение нефти в песчаном горизонтально залегающем пласте произойдет в том случае, если этот пласт имеет более или менее однородное строение, т. е. состоит из зерен при­ близительно одной и топ же формы и величины. Бели же пласт песка является неоднородным по своему строению и в своем составе содержит линзы из более грубозернистого материала, то, очевидно, как это показывают опыты Мак-Коя, нефть прежде всего сконцен­ трируется в наиболее пористых частях песка, примером чего может служить хотя бы вышеприведенный «100-футовый» пласт одного из Пнпсбургскпх юфтяных месторождений в штате Пенсильвания.

Случаи нахождения нефти в промышленных количествах в го­ ризонтально залегающих пластах, вообще говоря, довольно редки. Теи не менее, в Соединенных Ш татах (в штате Канзас) имеется не­ сколько месторождений, в которых нефть подчинена почти го­ ризонтально залегающим песчаным пластам и где залежи ее, по выражению американцев, контролируются не наличием той или иной тектонической формы, а литологическим составом породы — ее большей или меньшей пористостью. По-видимому, у пас в ме­ сторождении Верхнечусовских Городков нефть также находится в пористых, кавернозных, горизонтально залегающих известняках аргпнекого возраста, н ее концентрация в выдающихся точках погребенного рельефа обусловлена пористостью в известняках.

Втом случае, если с материнской породой будут переслаиваться так называемые сухие пески, из которых вода по тем или иным причинам ушла или же вовсе в них не содержалась (пески конти­ нентального происхождения), нефть в нит могла переместиться, по-видимому, вследствие выдавливания ее из глин при уплотнении

впроцессе днагенетического изменении породы.

Всухом песчаном пласту нефть вследствие силы тяжести будет

стремиться занять наиболее низкие его части, а газ, если таковой будет в свободном состоянии, расположится над нефтью.

Теперь посмотрим, какое получится соотношение между газом, нефтью и водой в том случае, если пласты, в которых собрались эти жидкости, будут выведены из горизонтального положения и об­ разуют ту или иную тектоническую структуру. Возьмем наиболее часто встречающуюся форму нарушенного залегания пластов, про­ стую симметричную аитцклинальную складку. Многочисленные пример® разработки нефтяных месторождений показывают, что пряв такой форме залегания нефть скопляется в сводовой части складки, как в наиболее приподнятой ее части, а вода занимает более низкие части складки: она располагается на ее крыльях и шодширает нефть со всех сторон. Такое расположение произойдет под влиянием силы тяжести вследствие разницы в удельных весах воды щ.нефти. Прав этом нефть, как обладающая меньшим удельным весом, непременно должна занять наиболее высокие части антнклшиадпышо шеапяутжо пласта. Что касается газа, то он, как налболее липши, должен раснолажаться над нефтью н занять самую верх- невно «давдевую часть пласта. Такое идеальное расположение воды*

Ш

нефти и газа показано на фиг. 53. Часть месторождения, занятая газом, обыкновенно у нефтяников называется «газовой шапкой». По мнению многих практиков при разработке месторождения эта шапка должна заботливо охраняться, ибо она создает необходимое (для активного притока нефти к забою скважины) давление в пласте.

Указанное распределение нефти и газа в пласте наблюдается, однако, крайне редко, а некоторыми авторами 1 и вообще оспа­ ривается. Ввиду того что залежь нефти, образовавшаяся в сводовой

/аз

Фиг. 53. Разрез через бартлесвильский песок Купшнгского нефтяного место­ рождения

части складки, находится под сильным давлением вышележащих пород и воды, которая в силу гидростатического напора давит на нее с крыльев, газ не образует свободных скоплений, а будет на­ ходиться в нефти в растворенном состоянии, создавая еще большее напряжение в нефтяной залежи. Поэтому, когда такие залежи вскрываются скважиной, газ с большой силой начинает извергаться из скважины, увлекая за собой нефть и песок. Получается явление, известное под именем нефтяного фонтана, или фонтанирования скважины.

В некоторых нефтяных месторождениях количество газа очень велико или, как говорят, в них очень велик «газовый фактор». Примером может служить пласт С в Нефтяно-Ширванском нефтя­ ном месторождении Майкопского района. В других месторождениях, наоборот, при незначительном газовом факторе наблюдается чрез­ вычайно большой напор крыльевой воды. В таких месторождениях главной движущей силой, гонящей нефть к забою скважины, яв­ ляется гидродинамическая сила, или гидродинамический фактор. Примером такого месторождения служит Новогрозненская неф­ теносная площадь, где причиной фонтанов или, вернее, перели­ вания нефти является главным образом гидродинамическое дав­ ление, создающее условия истечения нефти, близкие к артезиан­ скому режиму. Роль того и другого из упомянутых двух факторов

врежиме нефтеносного месторождения или района является обыч­ ным предметом горячих споров. Такие длительные споры велись,

вчастности, и в отношении Грозненских месторождений.

Если мы имеем моноклинальное залегание пластов, то нефть и газ при условии совместного нахождения с водой будут подни­ маться вверх по восстанию пласта; если пласт выходит на дневную поверхность, они будут выходить наружу, образуя так называ­ емые поверхностные признаки нефти и газа, связанные с головными

1 Я. Крэг. Поиски нефти, 1923.

191

частями пласта. Если же на пути восхождения нефти и газа вверх по восстанию пласта встретится препятствие или в виде вторичной складки, возникшей на фоне общего залегания (структурная тер­ раса, структурные выступы), или в виде сброса, или же в виде не­ согласного перекрытия вышележащими свитами, то в местах таких препятствий (барьеры) начнет скопляться нефть, и здесь может об­ разоваться залежь промышленного характера.

Иногда верхние, или]головные, части песчаного пласта бывают закупорены образовавшимися здесь отложениями асфальта или кира, и в этом случае создается чрезвычайно затрудненный выход нефти на дневную поверхность и значительно уменьшается ее по­ теря путем самоистечения и дегазации. Это явление может по­ служить причиной образования больших скоплений нефти в моно­ клинально залегающих пластах. Примеры подобных скоплений и богатых залежей нефти представляют нефтяные месторождения внутренней зоны Калифорнии (месторождение Мидвэй).

Описанные формы скопления и распределения воды, нефти и газа в пластах, сложенных в антиклинальные складки и вообще выведенных из горизонтального положения (например, монокли­ нальное залегание), наблюдаются только в тех случаях, когда пески насыщены водой и нефтью. Если же нефть и газ вступают в сухие или частично насыщенные водою пески, то картина распре­ деления будет иная.

Если нефть,и газ вступают в сухой песок или песчаник, то нефть будет стекать вниз по пласту, пока сила тяжести является достаточ­ ной, чтобы преодолеть силу трения и капиллярного притяжения. Газ в этом случае будет находиться в свободном состоянии и займет верхнюю часть пласта. В случае антиклинального строения газ поместится в сводовой части и действительно образует то, что на­ зывают «газовой шапкой», а нефть займет или дно синклиналей или наиболее низкие крыльевые части складки, прилежащие к син­ клинали. В случае моноклинального залегания пласта верхняя часть его будет занята газом, а нижняя — нефтью. В случае линзообраз­ ного строения пласта нефть будет скопляться в наиболее низких частях линз, а верхние будут заняты газом. Примером подобного залегания может служить линза С в Нефтяно-Ширванском место­ рождении, головная часть которой оказалась богато насыщенной газом, а вниз по падению в ней появилась нефть с чрезвычайно большим газовым фактором.

Если моноклинально залегающий пласт покрывает большую площадь и имеет изменяющийся наклон, нефть при отекании вниз будет задерживаться в тех местах, где наклон наименьший и где, следовательно, сила тяжести не в состоянии преодолеть силу тре­ ния.

Если нефть и газ вступают в песчаные пласты, частично насы­ щенные водою, то получается следующее их размещение: газ займет наиболее высокое место в пласте, перемешавшись с водя­ ными парами; нефть расположится над водою и в виде полосы той

192

или иной ширины опояшет купол или антиклиналь, сводовые части которых будут заняты газом. В случае, если нефти не хватит, чтобы заполнить всю структуру, получится расположение, близкое к тому, когда нефть заполняет сухие пески. Если же нефти ско­ пится так много, что она в состоянии будет заполнить всю струк­ туру, свободного 'газа. не получится, так как он окажется рас­ творенным в нефти. Получится расположение, аналогичное тому, когда нефть и газ попадают в антиклинально изогнутые пласты, насыщенные водою. Описанные формы скопления нефти и газа подтверждаются данными разработки многочисленных нефтяных месторождений.

Расположение воды, нефти и газа, наблюдаемое в нефтяных месторождениях антиклинального строения, было воспроизведено и опытным путем. Серия опытов была проделана в лабораториях геологического факультета университета штата Миннесота в США. Эти опыты состояли в следующем: брались стеклянные трубки длиною около 1,8 м и изгибались в виде антиклинали с уклоном крыльев около 15° (фиг. 54). Трубки наполнялись песком, пропи­ танным нефтью и морской водой, которая была слабо подкислена уксусной кислотой. Сюда же вводился и газ. Таким образом, за­ полненная трубка оставалась в положении, показанном на фиг. 55, В, на некоторый более или менее значительный промежуток времени. При этом никакого разделения введенных жидкостей и газа не наблюдалось, кроме местных скоплений нефти в виде небольших капель. После того как в конце трубки было введено небольшое количество доломитового известняка а, началось раз­ деление воды, нефти и газа, и через 48 час наблюдалось взаимное их расположение, показанное на фиг. 54, С. Газ d занял наиболее высокое положение над нефтью с, которая в свою очередь располо­ жилась над водою в. -

Росвэлл Джонсон так резюмирует основные причины движения нефти и газа в земной коре.

1.Уплотнение осадков вследствие постепенно увеличиваю­ щейся нагрузки вышележащих свит. Движение направляется главным образом вверх, так как уплотнение увеличивается с глу­ биною и вообще вдоль линий наименьшего сопротивления.

2.Увеличение температуры по мере погружения пород в глу­ бину влечет за собою расширение как породы, так и содержащихся

вней нефти и газа. Вследствие большего коэффициента рас­ ширения у жидкости и у газов по сравнению с твердой породой первые должны вытесняться кверху в области с наименьшим уплот­

нением осадков.

3. С увеличением глубины, а следовательно, и температуры, жидкость может переходить в парообразное и газообразное состоя­ ния, вследствие чего значительно возрастает давление в пластах, которое опять-таки заставит и газ, и нефть двигаться по линиям наименьшего сопротивления.31

d

С

Фиг. 54. Опыт, показывающий скопление нефти, газа и воды в песке

А — стеклянная трубка, изогнутая в виде антиклинали; В — стеклянная трубка, напол­ ненная нефтяным песком вместе с морской водой; С — то же, но после 48 часов

4. Уплотнение породы может происходить не только за счет возрастающего с глубиною давления, но и вследствие цементации. Это влечет за собою уменьшение объема пустот и вытеснение жид­ кости и газа из первоначально занятых ими пор. Степень цемента­ ции растет с глубиной под действием циркуляции на глубине более насыщенных минеральными солями вод.

5. Многие нефтяные залежи в течение истории их развития в результате колебаний земной коры не изменяли своего положения по отношению к уровню моря, что является причиной изменения и температуры, и давления в залежи и нарушения создавшегося в ней равновесия, что также служило причиной передвижения нефти и газа.

6. Процессы эрозии выводят на дневную поверхность нефтяные пласты, и в местах их обнажения происходит длительное высачивание нефти и улетучивание газа.

7. Процессы тектоники производят разрывы в земной коре; в связи со сбросом, сдвигом и антиклинальным перегибом возни­ кают трещины, которые и являются путями, по которым происхо­ дят передвижка и утечка нефти и газа.

8. В нефтяных месторождениях вместе с нефтью обыкновенно находится и вода иногда в одном и том же пласте, иногда в особых водяных пластах. Вода эта не остается спокойной и под влиянием гидростатического и гидродинамического напора движется как

впределах месторождения, так и за его пределами. Это тоже явля­ ется одной из главнейших причин мпгр'ации нефти и газа.

Кроме перечисленных способов перемещения нефти, существует

внедрах земли перемещение нефти через всю толщу пласта — своего рода фильтрация через отдельные пласты и целые свиты пластов. Причиной такой передвижки нефти и газа являются силы

194

капиллярные, обусловленные поверхностным натяжением нефти

иводы. Экспериментально этот способ передвижки был доказан

Д.Дэем.

Д.Дэй 1 взял U-образную трубку и одну ее половину запол­ нил измельченной фуллеровой землей или флоридином 2. Во вто­ рую часть трубки им была налита нефть. Стремясь к постоянству уровней, нефть проходила и через флоридин. На разных высотах из цилиндра с флоридином брали пробу и оказалось, что при про­ хождении нефти через флоридин происходила настоящая фракционировка нефти. Нефть верхних частей этой трубки отличалась меньшим удельным весом, чем нефть нижних слоев; кроме того, с высотой цвет нефти становился все светлее по сравнению с ис­ ходным продуктом.

Подобная естественная фракционировка объясняется специфи­ ческими адсорбирующими свойствами флоридина, на которых основано его применение в том же нефтяном деле. Последний из­ влекал и впитывал в себя все смолистые и асфальтообразные ве­ щества, благодаря чцму изменялся удельный вес нефти. Нечто по­ добное в смысле распределения нефти по удельному весу в пре­ делах одного и того же месторождения отмечено в ряде нефтяных месторождений СССР и США. Блестящим в этом отношении при­ мером является Сураханское месторождение, где по мере углуб­ ления были найдены нижеследующие сорта нефти:

Что касается нефтяных месторождений США, то Д. Дэй, на­ пример, считает, что нефти штата Пенсильвания являются резуль­ татом миграции нефтей силура в вышележащие пласты девона.

Объяснить все вышеизложенное с точки зрения первичного за­ легания'нефти не представляется возможным. В то же самое время с точки зрения возможности фильтрации или продвижения нефти снизу вверх через все пласты — все это и очевидно, и объяснимо, так как здесь мы видим повторение всех тех явлений, какие наблю­ дал Д. Дэй в U-образной трубке с флоридином. Опыты Дэя вы­ звали, однако, ряд возражений. Указывалось, что для своих опы­ тов Дэй пользовался измельченным и ранее высушенным флори­ дином, тогда как в природе мы имеем глины, содержащие влагу, в которых поры между частицами глины заполнены водой, поэтому возникают сомнения в возможности прохождения нефти через та­ кие влажные глины, которые должны быть абсолютно непрони-

1 D. Т. Day. Handbook of Petroleum Industry, 1922.

2Флоридин — сукновальная глина с п-ва Флорида. С помощью этой глины извлекаются жировые вещества из.шерсти. Глина обладает адсорбирую­ щими свойствами.

13* 195

цаемы для нефти. Но здесь упускаются из виду так называемые явления капиллярности, или поверхностного натяжения. К. Крэг, например, считает, что «. . капиллярное притяжение или, верх­ нее, поверхностное натяжение, наблюдается во всякой пористой породе, независимо от величины ее пор». Это явление, — говорит он, — не только широко распространено, но встречается повсеместно, где только есть поверхность соприкосновения между веществами: твердыми, жидкими и газообразными. Нет никакой необходимости запутывать наши представления относительно того, что происходит под землей, когда в природе присутствуют вода, нефть и газ. Если бы не поверхностное натяжение, может быть, приходилось бы рас­ сматривать весьма сложные условия, но благодаря ему все упро­ щается, и перемещение, или миграция, нефти или воды под вли­ янием газа, силы тяжести или гидростатического давления совер­ шаются с большею легкостью».

Несколько слов о том, в каком направлении совершается ми­ грация. Здесь определенных законов не существует.

Вообще говоря, теоретически возможны два направления миг­ рации, условно обозначенные терминами «боковая» и «вертикаль­ ная». В ряде стран, особенно в США, идут бесконечные затяжные споры между крайними сторонниками преобладающего значения одного из этих двух направлений миграции. Интересующихся более подробно этими спорами и развитием тех и других идей от­ сылаем к специальным статьям на эту тему, в частности к работе Ф. Ляхэ х, здесь же ограничимся лишь кратким изложением не­ которых основных его положений и мыслей.

Прежде всего уточним самые понятия «боковая» и «вертикаль­ ная» миграции, страдающие, как уже указывалось, несколько ус­ ловным характером.

Под именем «боковой» миграции разумеется передвижение нефти, газа или воды обычно по пористым породам в направлении, параллельном их напластованию, или при несогласном залегании по поверхностям несогласия. При таком общем направлении дви­ жение может происходить и вверх и вниз, и по простиранию слоев и под некоторым углом к этому последнему.

Под «вертикальной» миграцией разумеется передвиж.ение жид­ кости и газа в направлении, поперечном напластованию. И тут могут иметь место разнообразнейшие частные случаи дифферен­ циации направления: вверх, вниз, в косом направлении и т. д.

Разумеется, в природе имеются боковая и вертикальная мигра­ ция, и нам нет никакой необходимости придерживаться обязательно одной из двух версий. Закон передвижения нефти, в сущности, чрезвычайно прост: нефть выбирает линии наименьшего сопро­ тивления и пробирается в каждом отдельном случае в том направ­ лении, в каком ей это легче сделать.1

1Frederick Н. Lahee. A study of the evidence for lateral and vertical migration of oil. — Problems of Petr. Geol., 1934, p. 399—427.

196