книги из ГПНТБ / Кудряков, В. А. Гидрогеологические факторы, влияющие на формирование нефтяных и газовых месторождений обзор

ренного вещества фильтром, так как в.опытах использовались раст­ воры веществ (хлориды и сульфаты меди, марганца а д р .), не адсор­

бируемых фильтром, представленным кварцевым песком. Кроме того ,

наблюдалось увеличение минерализации вод перед фильтром.

Большое внимание явлениям фильтрационного эффекта уделялось в связи с процессами распыленной разгрузки водоносных горизонтов через водоупорную кровлю [15] . На выделение углеводородов

фильтрационный эффект оказывает двоякое действие: I ) прямое -

за счет почти полного задержания нефтяных компонентов под гли­ нистым водоупором, возрастания их концентрации и выделения из насыщенных растворов; 2) косвенное - за счет высаливания водно-

растворенных углеводородов в условиях нарастания минерализации

вод.

Нами предпринята попытка привлечь для распознавания приро­

ды фильтрационного эффекта действие так называемых "молекуляр­ ных сит" и процессы ионной фильтрации водных растворов через спонтанно заряженные глинистые толщи.

Селективное поглощение флюидов пористыми кристаллами неко­ торых минералов (цеолитов, бентонита и д р .) происходит вследст­

вие различия в соотношениях размеров пор и диаметров молекул флюидов [46 J. М о л е к у л я р н ы е с и т а с размером

пор 4 -5 А свободно пропускают молекулы воды, первых гомологов метана и низкомолекулярных нормальных парафиновых углеводородов с критическим диаметром 2 -5 1 ,но препятствуют прохождению молекул изопарафиновых и циклических углеводородов с гораздо большими критическими диаметрами. С действием молекулярных сит может быть

связано увеличение концентрации растворенных углеводородов и других органических веществ, но не основных ионов, диаметры ко­

слои. Механизм ионной фильтрации был использован зарубежными ис­ следователями [AS] для объяснения формирования концентрирован­ ных рассолов в нефтегазоносных районах. Процессы концентрирова­ ния или опреснения подземных вод зависят от заряда глинистых слоев, представляющих в естественном залегании идеальные мембран­ ные электроды. Свободно пропуская нейтральные молекулы воды,

глинистые слои препятствуют прохождению одноименно заряженных

- 19 -

ионов. В результате этого процесса,названного "ионной фильтра---

цаей", снижается минерализация фильтрата и повышается концентра­ ция растворенных веществ под глинистым водоупором, т .е . наблюда­ ется фильтрационный эффект. Таким же образом предполагается ион­ ная фильтрация растворов углеводородов и других органических веществ, т .е . прямое действие фильтрационного эффекта на образо­ вание залежей нефти и газа . Нам же кажется, что, поскольку явле­ ние ионной фильтрации ограничено заряженными частицами, оно не может иметь столь важного значения для водаорастворенных органи­ ческих веществ и особенно для нейтральных молекул углеводородов.

Более вероятно косвенное влияние фильтрационного эффекта, приво­ дящее к уменьшению растворимости углеводородных компонентов в воде а их высаливанию, хотя ионы органических кислот могут под­ вергаться и прямому действию фильтрационного эффекта.

Главным результатом фильтрационного эффекта является увели­ чение насыщенности водных растворов органическими и минеральными веществами. Наиболее интенсивны эти процессы в зонах усиленной распыленной разгрузки водоносных горизонтов, такие зоны обычно приурочены к сводовш частям поднятий конседиментационного раз­ вития, где водоупорные свойства покрышек ухудшены за счет более крудаообломочного характера осадочного материала. В гидрогеоло­ гическом развитии систем указанные зоны длительное время пред­ ставляют собой очаги скрытой разгрузки водоносных горизонтов или пьезоминимумы переточного типа [25] . Под водоупорной кровлей образуются капли нефти, а при слиянии их происходит гравитацион­ ное разделение водяной и нефтяной масс, после чего струи нефти всплывают вверх по восстанию пластов и, попадая в ловушки,обра­ зуют залежи.

В Бухаро-Хивинской области предельная разгружеаность водо­ напорных кош лексов при четкой вертикальной гидрохимической зо­ нальности может быть связана с проникновением высокоаапорного опресненного фильтра через нижнеальбский и ннжнетуронский глини­ стые водоупоры.

3. Повышеннаярастворимость опганических веществ в нефти по сравнению с водой. Экспериментальными работами Э.Бейкера,

1967 г . , и Е.А.Барс и д р ., I9 & г ., показано, что распределение органических веществ при контакте нефти с водой происходит в

- 20 -

соответствии не с растворимостью индивидуальных соединении или

зол не был обнаружен.

При взаимодействии пластовой воды и нефти органические сое­

динения переходят не только из нефти в воду, но и из воды в

нефть /43J . В частности, из сульфатно-кальциево-магниевой воды

углеводороды и гумусовые вещества полностью сорбируются нефтью,

а в самой воде увеличивается содержание нейтральных и кислых смол.

Нами был проведен опыт по изучению изменения содержания

воднорастворенного бензола в смесях вода-нефть и вода-бензол-

была изучена растворимость некоторых индивидуальных жидких угле­ водородов (бензола, толуола и мётилциклогексана) в воде, насыщен­

- 21 -

римость газов в воде при нормальных условиях очень мала. Молеку­ лы газа растворяются в результате внедрения в полости дьдоподоб-

ных ассоциаций /28] , связывая иногда большое число молекул во­ ды (для-метана 15 -20). При дегазации воды образуется избыток ее молекул, который идет на гидратацию жидких углеводородов. Так

можно объяснить увеличение растворимости жидких углеводородов в воде при ее дегазации. Однако это явление происходит только

при относительно пониженной газонасыщенности вод, а при высокой

(близкой к предельной) - молекулы газа разупорядочивают структу­ ру водных растворов [ в ] , что способствует увеличению раствори­

мости жидких углеводородов. В связи с этим можно предположить,

что при дегазации высокогазонасыщенных вод растворимость жидких углеводородов в воде ■уменьшается.

Можно полагать, что в воде увеличение растворимости газов

входящих в нее молекул газа (по типу внедрения). Это соответству­ ет условиям и результатам опытов Т.П.Жузе и др. [ l 3 j . С прибли­ жением концентрации жидких углеводородов к предельной структура

водных растворов начинает разупорядочиваться и уменьшается число полостей, включающих молекулы га за , вследствие чего растворимость газа в воде уменьшается. В этих условиях уменьшение содержания жидких углеводородов приведет к упорядочению структуры водных растворов и соответственно к увеличению растворимости газа.

Рассмотренная взаимосвязь растворимости в воде жидких и газообразных углеводородов заслуживает экспериментальной правер-

- 22 -

ки, которая, возможно, позволит установить оптимальные условия их фазового обособления. Безусловно, в различных гидрогеологиче­ ских обстановках эти условия будут различны, ибо взаимосвязью растворимостей в воде жидких и газообразных углеводородов вовсе не исчерпывается механизм формирования нефтяных и газовых место­ рождений. Привлечение же теории строения водных растворов к объяснению данного механизма может оказать существенную пользу для интерпретации получаемых экспериментальных данных.

Связь нефгегазообразования и нефтегазонакопления с эволюцией геогидродинамичеоких систем

формы и виды распространения органических веществ и углево­ дородов в земной коре определяются в основном геохимическими и термобарическими условиями, которые изменяются в процессе геоло­ гического развития, литогенеза и эволюции геогидродинамичеоких систем [ 3 ] . Основные стадии нефгегазообразования и эмиграции углеводородов показаны на рис.2 .

Стадия седиментогенеза

Для стадии седиментогенеза2^ характерны низкие давления и

низкие температуры. При низких давлениях структура водных раство­

растворяются и обогащают воды(в случае их малой минерализации)

положительно гидратирующими ионами. При пониженных температурах в структуре водных растворов примерно половина молекул имеет во­ дородную связь N , что способствует растворению ионов.с отри­ цательной (хлор, калий) и с малой положительной (натрий, бикар­ бонат) гидратацией. Таким образом, на стадии седиментогенеза минерализация и состав вод различны, преобладают соленые хлор-

магниевые (тадассогенные) и пресные гидрокарбонатно-сульфатно-

натриевые (метеогенные).

Стадия седиментогенеза на р ас.2 не показана

- 23 -

В зависимости от степени развития окислительных процессов

на стадии седиментогенеза органические вещества горнetc пород и

подземных вод (включая углеводороды) достигают разной стадии разрушения. Общей тенденцией этого процесса является образование органических кислот, углекислоты, метана, аммиака и других более простых, по сравнению с исходными, органических соединений.

Формы перехода органических веществ в водный раствор раз­

личны. Молекулы неполярных низкомолекулярных органических соеди­ нений внедряются в полости льдоподобных каркасов, при этом свя­

ся в воде по типу заполнения - по мере заполнения полостей в структуре водных растворов увеличивается растворимость жидких

углеводородов. Дальнейшее увеличение содержания этих молекул в воде приводит к разрушению водородных связей, т .е , рост насыщен­ ности вод жидкими углеводородами на стадии седиментогенеза

ограничен.

При растворении в воде органических веществ, содержащих

карбоксильную или гидроксильную группы, неполярная часть их мо­ лекул заполняет пустоты льдоподобных каркасов, а полярная >- заме­

щает молекулы воды в каркасах. Однако полярная часть молекул (в отличие от молекул воды) не способна к образованию водородных

связей, поэтому прочность каркаса ослабевает и структура'водных растворов разупорядочивается. Поскольку низкие давления способ­ ствуют упорядочению структуры водных растворов, переход в них отрицательно гидратирующих ионов, как овили являются органические анионы, существенно облегчается, хотя в условиях низких темпера­ тур также ограничен.

Таким образом, на стадии седиментогенеза низкие давления '

способствуют растворению жидких углеводородов и органических кислот и препятствуют растворению газообразных углеводородов, од­

- 25 -

нако низкие температуры и малая минерализация вод сглаживают этот эффект. В результате в водах содержание органических кислот повышается, а углеводородов - понижается(особенно при учете пре­ образованияорганических веществ в органические кислоты и сорби­ рования углеводородов органическим веществом осадкоЩ

Стадия диагенеза

На стадии диагенеза в условиях пониженных температур сохра­ няется довольно высокий процент водородных связей в структуре

водных растворов, благодаря чему в последних растворяются ионы с отрицательной гидратацией. Разупорядочение структуры водных раст­ воров с ростом давления и минерализации может обусловить выпада­

ние в осадок наименее растворимых солеи - карбонатов кальция и

магния и сульфата кальция. Переход в воду иолов с положительной и малой отрицательной гидратацией(при уменьшении содержания ионов кальция, магния, гидрокарбоната и сульфата) определяет тенден­ цию формирования преимущественно хлоридно-натриевых вод повышен­ ной минерализации,

Учитывая продолжение сорбции углеводородов органическим ве­ ществом пород, можно предполагать, что насыщение вод углеводоро­

дами на ст адии диагенеза остается низким, хотя и несколько повы­ шенным в более минерализованных водах.

Стадия катагенеза

Подстадия протокатагенезиса. Благодаря росту температур, постепенно теряется способность ионов к отрицательной гидратации и все ионы становятся положительно гидратирующими. Поскольку с ростом температуры и давления (последнего до определенных преде­

ный раствор. Вследствие взаимодействия сульфатов с органическими веществами происходит образование карбонатов натрия и магния.

Все это способствует формированию вод преимущественно хлориднонатриевого состава. Упорядочивая структуру водных растворов, в

них переходят органические кислоты и десорбируемые углеводороды;

насыщенность вод и рассолов углеводородами начинает постепенно нарастать.

- 26 -

Процессы, протекающие на стадиях седиментогенеза и диагене­

за и подстадии протокатагенеза, могут быть оценены в качестве ус­

ловий подготовительной фазы и биохимической зоны нефтегазообразо-

сокой температуре стабилизируют ее структуру. Однако при высоком содержании солей , газов и органических веществ водные.раствор]

преобразуются в соответствующий солевой расплав [53] , -благодаря

чему, а также и появлению пресных дегидратационных вод , сохраня­ ется тенденция растворения большинства содей и нарастания их

'Рис.З. Зависимость минимума вязкости воды от температуры и давления (по Хорну и

Джонсону, 1966)

- 27 -

В результате десорбции углеводородов при деструкции органических веществ пород и

преобразовании воднорастворен-

ных органических веществ насы­ щенность водных растворов не­ которыми углеводородами начина­

препятствует десорбции углеводородов (тормозящее действие связан­ ной породы установлено лишь для монтмориллонитовых глин). Однако,

как показали эксперименты [ 2 J , даже при полиминеральном составе глин температурный максимум десорбции углеводородов наступает после удаления сорбированной воды (р и с .4 ).

При повышении концентрации углеводородов более чем на 2 моль/л

они начинает разупорядочивать структуру водного раствора и те­ рять способность к растворению. Первыми этого предела достигают новообразованные и десорбированные высокомолекулярные жидкие углеводороды, как более способные к отрицательной гидратации по сравнению с газообразными. Это предопределяет возможности фазово­ го обособления жидких углеводородов в подземных водах и непосред­ ственного их накопления в поровом пространстве пород, минуя стадию водного раствора. Таким образом, имеются предпосылки для нефте-

накопления как в самих нефтегазопроизводящих породах, так и при миграции насыщенных водных растворов в коллекторы и зоны пьезо-

минимумов»

- 28 -