книги из ГПНТБ / Бурштар М.С. Основы теории формирования залежей нефти и газа

Из этого очень краткого обзора видно, что источниками тепла являются процессы планетарного происхождения и геологические явления. На различных участках литосферы масштабы водного теплопереноса определяются физическим состоянием воды и степенью ее подвижности. В земной коре преобладают термодинамические усло­ вия, при которых вода находится в жидкой фазе. Причем подземные воды активно перемещаются в самой верхней части континентальной коры, охватывающей первые 5—10 км геологического разреза, т. е. в интервале, в котором главным образом и происходит образование залежей нефти и газа, их переформирование и разрушение.

Поскольку миграция флюидов и аккумуляция их в залежи — процессы весьма длительные, то особое значение приобретает изуче­ ние палеогеотермических условий, которые на различных этапах геологической истории оказывали влияние на формирование залежей нефти и газа.

Для изучения палеотемператур И. Дорф на основе палеоботани­ ческих исследований в западных районах США разработал весьма оригинальный «термометр веков», согласно которому палеотемпературы на поверхности Земли на отрезке широт 40—50 с. ш. изменя­

Многие исследователи рассматривали палеогеотермические усло­ вия с точки зрения теории остывания Земли. Так, И. Джакобс и X . Аллан (1956), основываясь на разработанной ими палеотемпературной модели ІѴ-В с параметрами, согласующимися с современ­ ными представлениями о строении Земли, высказали мнение, что верхняя 50-километровая толща литосферы за последний 1 млрд. лет остывала со скоростью 0,1° С за 1 млн./лет.

По мнению А. В. Лыкова (1954), геотермический градиент может считаться критерием при исследованиях процесса миграции флюидов, поскольку перенос тепла в пористой среде тесно связан с переме­ щением жидкой фазы. Исследованиями Н . И. Чеботарева (1952), проведшего статистическую обработку более 800 определений сред­ них значений геотермических градиентов, было установлено, что повышенные их значения характерны для нефтегазоносных районов.

Повышенные значения геотермических градиентов некоторые исследователи ставят в прямую зависимость от вертикальной мигра­ ции подземных вод (Руф, Резерфорд, 1958; Рудаков, 1961). Понижен­ ный геотермический градиент связывается ими с интенсивной боковой миграцией. Причем эти исследователи считают, что, возможно, пони-

40

женный геотермический градиент является отрицательным фактором для сохранения нефтяных и газовых залежей.

Повышенные геотермические градиенты отмечаются в пределах сводовых частей антиклиналей и участков с неглубоким залеганием фундамента (Беляков, 1955; Овнатанов, Тамразян, 1960; Покров­ ский, 1960).

Некоторые исследователи делали попытки сопоставить состав нефтей со средними геотермическими градиентами. В частности, Г. В. Рудаков (1961) считает, что в районах с повышенными значе­ ниями геотермических градиентов нефти, как правило, характери­ зуются наибольшим содержанием фракций, выкипающих до 300° С.

Величина геотермического градиента является функцией от ряда переменных величин, главными из которых являются температуро­ проводность и время.

Основная трудность при проведении расчетов геотермических градиентов состоит в том, что не всегда удается с достаточной точ­ ностью установить коэффициент температуропроводности, поскольку он является комплексным и обусловливается значениями коэффи­ циентов теплового сопротивления горных пород, их теплоемкостью и плотностью. Особенно трудным является определение величины этого коэффициента при литологической неоднородности разреза (Бурштар, Машков, 1963).

В различных стратиграфических комплексах величины темпера­ туропроводности не остаются постоянными, они изменяются в широ­ ких диапазонах как во времени, так и в пространстве. Общей тенден­ цией в изменении величин температуропроводности является их

в начале эоцена — 1,37, в начале среднего миоцена — 1,34, в начале

штар, 1963), что во всех без исключения стратиграфических комплек­ сах величины геотермических градиентов увеличиваются с течением времени, прошедшего с начала образования земной коры. Так, если в Прикумском районе Восточного Предкавказья геотермический гра­ диент в нижнемеловом комплексе в начале сеномана был равен

рассчитанные для отложений какого-либо стратиграфического ком­ плекса в зонах поднятий и впадин, очень отличаются друг от друга, причем отличия становятся все более существенными по мере про­ явления активности тектонических движений.

41

При составлении методики расчетов геотермических градиентов Бурштар, Машков, 1963) в их основу закладывались данные по уплот­ нению осадков и пород (пористость и плотность). Поскольку пори­ стость и плотность изменяются в соответствии с нагрузками, то вели­ чины геотермических градиентов в значительной степени будут отра­

градиента для Восточного Предкавказья за все верхнемеловое время. Сопоставление данных, характеризующих величины геотерми­ ческих градиентов по территории эпигерцинской платформы Пред­ кавказья и Закаспия, показывает, что на всех этапах геологического развития этой обширной территории наименьшие значения градиен­ тов были, как правило, характерны для положительных структурных элементов, а наибольшие — для отрицательных. Поскольку тепловой поток направлен из зон с большими геотермическими градиентами (депрессионных) в зоны с пониженными градиентами (своды, зоны поднятия), результаты действия геотермического фактора в процессе миграции флюидов накладываются на результаты действия механи­

ческого фактора, усиливая их.

Таким образом, температурный фактор играет важную роль в процессе миграции углеводородов не только в стадию эмиграции их из нефтепроизводящих толщ, но и в период вторичной миграции

впластах-коллекторах.

Х и м и ч е с к и й п е р е н о с (химические факторы). Если процесс механической транспортировки заключается в переносе углеводородов в больших масштабах (водой, посредством фильтрации нефти и газа), перенос тепла характеризуется переносом подземными водами тепла от максимальных зон нагрева к минимальным, то хими­ ческий перенос заключает в себе химические реакции, испарение, растворение и диффузию в газообразном, жидком и твердом состоя­ нии. Он обусловливается потенциальными химическими различиями. При этом имеет место стремление к состоянию химического равно­ весия.

В понятие о химических процессах, или факторах миграции, включаются явления, обусловленные движением отдельных атомов, молекул, ионов, а также коллоидальных частиц. Движение более мелких (чем атомы) частиц относится уже к области ядерных и элек­ трических процессов.

t Характер и направленность химических процессов определяются химическим потенциалом, а химическое равновесие в той или иной системе может наступить лишь при полном прекращении всех хими­ ческих реакций, превращений и диффузионных токов. При хими-

42

ческом равновесии вся система приобретает инертность и становится полностью релаксированной.

При устойчивых изотермических условиях химическое равнове­ сие возможно только в том случае, если свободные энергии каждого

мических условиях химические реакции и диффузионные токи про­ исходят в направлении снижения свободной энергии.

Если в той или иной системе происходят только химические про­ цессы, т. е. если свободная энергия не возобновляется непрерывно нехимическими процессами, то система будет последовательно раз­ виваться по направлению к химичееки более устойчивому состоянию до тех пор, пока не будет достигнуто конечное химически устойчивое равновесие (Рамберг, 1955). Сказанное свидетельствует в пользу возможности химической транспортировки на неограниченное рас­ стояние, так как градиенты свободной энергии могут проявляться на значительных расстояниях и вызывать однонаправленные диффу­ зионные токи в течение всей геологической истории данного района.

Факторы механического, теплового и химического переноса в при­ родных условиях проявляются одновременно. В гидродинамической системе того или иного комплекса при гравитационном уплотнении в первую очередь будет нарушаться механическое равновесие, кото­ рое вызовет нарушение теплового режима и химического равновесия. Но может быть и иначе: нарушение какого-нибудь равновесия, например термического, вызовет нарушение химического и механи­ ческого равновесия.

Каждый из перечисленных процессов (перенос механический, тепловой, химический), находясь в тесной взаимосвязи с другими процессами, будет развиваться в направлении снижения соответ­ ствующего ему градиента. В случае миграции углеводородов в гидро­ динамической системе снижение соответствующих градиентов будет происходить из зон депрессий к поднятиям, т. е. от отрицательных структурных элементов к положительным, поскольку первые из них являются своеобразными «аккумуляторами» механической, тепловой и химической энергий.

Периодам относительной стабилизации тектонического режима, характеризующимся отсутствием существенных перестроек структур­ ного плана, будет свойственно почти полное прекращение миграции флюидов, так как именно в эти периоды градиенты механической, тепловой и химической энергий будут наиболее близки к минимуму. Процесс миграции флюидов вновь может активизироваться, если возобновятся тектонические подвижки и одно из равновесий в флюидальной системе нарушится.

Таким образом, можно сказать, что процесс миграции флюидов, обусловленный различными факторами, является непрерывно-пре­ рывистым во времени, а периодичность его проявления тесно связана с тектонической обстановкой.

43

ПЕРВИЧНАЯ МИГРАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Прежде чем переходить к вопросу о миграции нефти и газа по пластам-коллекторам, необходимо рассмотреть некоторые вопросы, связанные с перемещением флюидов в земной коре и первичной миграцией (эмиграцией) углеводородов, т. е. с переходом их из нефтепроизводящих свит в коллекторы.

Начальный этап миграции нельзя отрывать от условий захоро­ нения и миграции седиментационных (элизионных) вод. Неясным при этом остается вопрос о механизме и продолжительности про­ цессов эмиграции углеводородов из глин.

Мало у кого возникает сомнение в том, что первостепенная роль в возникновении первичной миграции принадлежит геостатическому давлению.. При значительных нагрузках, в процессе уплотнения пород, переходу подвижных веществ из пелитовых пород в породыколлекторы способствует повышение температуры. (Гусева, Парнов, 1963). При этом уменьшается величина поверхностного натяжения растворов, особенно, если они содержат углеводородные соединения. При уплотнении осадков коллоидальный раствор седиментационных

Г. Гедберг считает, что отдача воды заканчивается на глубинах около 2000 м. В. П. Батурин (1945) предполагает, что выжимание седиментационных вод из глин происходит на глубинах до 400 м, а В. Д. Ломтадзе на основе результатов своих исследований дает

Из опыта геологоразведочных работ хорошо известно, что глины на глубинах в несколько сотен метров обладают значительной пори­ стостью и естественной влажностью до 20—30%, что указывает на достаточно большие потенциальные возможности с точки зрения отдачи воды на значительных глубинах. Однако степень обезво­ живания глин лимитируется прежде всего количеством прочно

давления, температуры), от условий равновесия между силами, отжимающими воду, и силой, связывающей ее у твердой поверх­ ности, от присутствия тех или иных катионов и от многих других факторов.

44

Прочно связанная и рыхло связанная вода представляют собой полимолекулярные пленки, внутри которых давление уменьшается

воды, удерживаемой молекулярными силами сцепления. Прочно связанная вода не способна растворять в себе вещества, не обладает электропроводностью, плотность ее выше единицы. Адсорбирован­ ная (прочно связанная) вода может находиться одновременно на поверхности минеральных частиц, внутри их кристаллических реше­ ток и вокруг адсорбционного слоя ионов (Сергеев, 1949).

Из присутствующих в осадочных породах дисперсных систем высокой способностью связывать воду обладают минеральные кол­ лоиды: глинистые минералы, особенно минералы группы монтмо­ риллонита. По данным Ф. Д. Овчаренко (1961), количество прочно связанной воды достигает 10—24% .

Согласно Р. Пауэрсу (1967),-в интервале глубин до 2000 м в ре­ зультате интенсивного превращения монтмориллонита глины теряют не только свободную и рыхло связанную воду, но и часть прочно связанной воды. Так как плотность прочно связанной воды состав­

Таким образом, процесс обезвоживания глин может происходить на очень больших глубинах — до 3000 м и более. Ниже этих глубин поровое пространство глин занято энергетически наиболее прочно связанной водой. В связи с этим значительно замедляется движение седиментационных вод, меняется гидродинамический режим, так как начинается влияние инфильтрационных процессов. Именно на этом этапе отжатия вод резко замедляются процессы миграции (эмигра­ ции) углеводородов (конечно, при условии унаследованного проги­ бания седиментацио'нного бассейна).

Как указывает И. Зхус (1962), процессу перемещения седимен­ тационных вод из глин может способствовать обусловленная уплот­ нением глин гидрослюдизация монтмориллонита. При этом происходит значительное уменьшение адсорбционной способности нефтепроизводящих пород в целом.

Весьма важным для понимания первичной миграции является вопрос о том, каков характер эмигрирующих из нефтепроизводящих толщ углеводородных и неуглеводородных соединений. По этому поводу имеются различные мнения, но в основном они сводятся к двум концепциям: 1) процесс генерации углеводородов начинается на ранней стадии формирования осадков с возникновения главным образом нафтеново-ароматических углеводородов тяжелых нефтей; 2) процесс генерации углеводородов происходит на более поздних этапах превращения органического вещества с первоначальным образованием легких углеводородов.

45

Не вдаваясь в подробности этих вопросов, можно сказать, что характер образующихся соединений является результатом не только термодинамического преобразования самого органического веще­ ства, но и воздействия сложных физико-химических процессов на стадии эмиграции углеводородов из нефтепроизводящих толщ. Вли­ яние этих двух факторов и определяет основной физико-химический облик углеводородов на отдельных стадиях развития зон генерации и их первичной миграции.

Имеющиеся данные показывают, что в целом на ранней стадии преобразования органического вещества в растворе все же преоб­ ладают относительно легкие метаново-нафтеновыё углеводороды, несмотря на то, что в этих условиях органическое вещество ге­ нерирует, по-видимому, в значительных количествах и энергети­

толщ и изменения термодинамических условий происходит отщепле­ ние от захороненного вещества менее энергоемких соединений, однако нарастающая растворяющая способность сжатых газов и снижение потенциала сорбции будут обусловливать увеличение содержания в растворе более сложных, в том числе ароматических соединений.

Вероятно, вначале возникают самые разнообразные по составу и свойствам углеводородные скопления, дальнейшее развитие кото­

Важно подчеркнуть, что процессы, связанные с преобразованием органического вещества в стадии погружения, происходят в водной среде и видоизменяются по мере обезвоживания породы. Основное количество углеводородов, за счет которых формируются залежи нефти и газа, образуются и перемещаются в элизионную стадию

вновь генерировать углеводороды в газовой фазе в виде высоко­ температурного метана.

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ФЛЮИДОВ В ПРОЦЕССЕ МИГРАЦИИ ПО ПЛАСТУ-КОЛЛЕКТОРУ

Процесс миграции углеводородов, являющихся составной частью

В настоящее время подавляющая часть исследователей совер­ шенно справедливо считает, что движение подземных вод в гидро­ динамической системе пласта-коллектора происходит из областей с большим пластовым давлением в области с пониженным давлением. Однако для однозначного решения вопроса о движении подземных

46

вод важно знать не только характер распределения давлений в пласте-коллекторе, источника питания, но и сравнительно точное местоположение областей питания и разгрузки, т. е. мест проявле­ ния максимальных и минимальных давлений.

В. Ф. Дёрпгольц (1962) отмечает, что в большинстве гипотез, касающихся происхождения подземных вод, «молчаливо и безого­ ворочно принимаются два положения: 1) земная кора на подавля­ ющей своей площади и в большей части своей толщи представляется герметически непроницаемой и 2) все основные массы природных вод происходят тем или иным способом за счет инфильтрации под­ земных вод и подчиняются силам гравитации».

Оба эти положения не выдерживают критики. В настоящее время среди геологов найдется мало сторонников «инфильтрационной» теории, согласно которой во всякой гидродинамической системе пласта-коллектора (водоносном комплексе) существуют три об­ ласти — питания, напора и разгрузки. Анализ фактического материала показал, что в действительности такой простой схемы гидродинами­ ческой связи не существует.

Прежде чем говорить о роли подземных вод в процессе миграции углеводородов, необходимо несколько слов сказать о типах этих вод и их генезисе.

Подземные воды, образовавшиеся из первичных вод седимента­ ции, называются седиментогенными. Основная масса седиментогенных вод морского происхождения, в то время как инфильтрогенные воды атмосферного происхождения (метеогенные).

Огромная роль в формировании подземных вод принадлежит седиментогенным водам. В результате отжимания из глин седи­ ментационных вод происходит водообмен, т. е. вода в песчаном коллекторе замещается седиментационной водой из подстилающих или перекрывающих коллектор уплотняющихся глин (элизионный водообмен). Выжимание вод происходит и из других пород (песча­

об элизионном гидрогеологическом этапе, в течение которого форми­ руются седиментогенные воды и идет элизионный водообмен. Это — первая часть гидрогеологического цикла. Затем наступает инфильтрационный гидрогеологический этап — вторая часть гидроге­ ологического цикла, в течение которого происходит инфильтрация метеогенных вод и формируются инфильтрогенные подземные воды, постепенно вытесняющие и замещающие седиментогенные воды (при определенных тектонических условиях). Этот обмен вод назван инфильтрационным.

При смене тектонической обстановки (погружение и трансгрес­ сия) начинается новый гидрогеологический цикл.

На втором элизионном гидрогеологическом этапе инфильтроген­ ные воды могут быть вытеснены седиментогенными водами. Инфильтрационный этап гидрогеологического цикла может привести и к инфильтрации атмосферных вод в древние отложения, в результате

47

чего происходит вытеснение новыми инфильтрогенными водами сохранившихся там древних вод, остатков прежнего цикла — седиментогенных, инфильтрогенных, иногда частично и эндогенных вод (Карцев, Вагин, Басков, 1969).

Повторение этих циклов может быть неоднократным. Элизионный и инфильтрационный типы водообмена могут сосущество­ вать в пределах одного бассейна подземных вод. Процессы водо­ обмена весьма сложны и многие их стороны и особенности еще недостаточно изучены.

Для передачи давлений в одном комплексе на большие расстоя­ ния должны быть соответствующие благоприятные геологические условия — наличие в осадочной толще слоев с относительно одно­ родным диалогическим составом, одинаковой пористостью, про­ ницаемостью и т. п. Между тем такого постоянства коллекторских свойств в разрезах осадочного чехла нигде не наблюдается, осо­ бенно в зонах, переходных от геосинклинальных зон в платформен­ ные. Мощности отдельных стратиграфических комплексов, гори­

Граница раздела между водами различной природы не может быть четкой, так как происходит их смешивание в результате диф­ фузии. Таким образом осуществляется взаимообмен молекулами и ионами между водами различного генезиса. А. А. Карцев (Карцев, Вагин, Басков, 1969) указывает также на то, что при водообмене воды переходят не только из глин в коллекторы, но при определенных условиях и в обратном направлении. При снижении геостатической нагрузки возможно разуплотнение глин и засасывание или вдавли­ вание в них инфильтрогенных и сохранившихся от предыдущих этапов гидрогеологической истории седиментогенных вод, выжатых ранее из глин.

Таким образом, неоднократная смена элизионных и инфильтрационных этапов для одного водоносного комплекса постепенно усложняет генетическую характеристику пластовых вод. Если на первом элизионном (седиментационном) этапе имеются только седиментогенные воды, а на первом инфильтрационном — инфильтрогенные воды, то на втором элизионном этапе в коллекторы могут попасть новые порции седиментогенных вод, выжатых из глин уже на этом этапе, и т. п.

Однако при всем многообразии условий водообмена роль талассогенных (морского генезиса) седиментационных вод в формировании гидродинамической системы является главной. По объему инфильтрогенные воды занимают весьма скромное место, поэтому их значение в формировании скоплений углеводородов ничтожно.

48

Рис. 9. Схема пространственных соотношений инфильтрационной и элизионной водонапорных систем в разрезе (по А. А. Карцеву, 1969).

1— инфильтрационная водонапорная система; 2 — элизионная водо­ напорная система; з— водоупоры; 4 — уплотняющиеся илы-глины; 5 — море; 6 — направление движения вод.

А. А. Карцев (Карцев, Вагин, Басков, 1969) выделяет элизионные и инфильтрационные водонапорные системы (рис. 9). Поскольку в элизионных системах напор создается в результате осадконакопления и геостатической нагрузки, то эти системы можно считать гео­ статическими водонапорными системами в отличие от геодинами­ ческих элизионных водонапорных систем, образующихся в резуль­ тате геодинамического давления при тектонических напряжениях.

Анализ обширного материала гидрогеологических исследований показывает, что процесс миграции флюидов (вода, нефть и газ) по пласту-коллектору в региональном плане контролируется исклю­ чительно перемещением седиментогенных (элизионных) вод; инфильтрогенные воды имеют сугубо подчиненное значение, оказывая заметное действие только в районах, непосредственно прилегающих

кгорным сооружениям.

Визучении процессов миграции особую роль приобретают воп­ росы о направлении движения подземных вод в коллекторских горизонтах, миграции компонентов флюидальной системы и диф­

их движения будет полностью совпадать с направлением движения пластовой воды. Если же углеводороды нефти и газа находятся в жидком и газообразном состоянии (в виде капелек нефти и пузырь­ ков газа), то направление их движения будет лишь частично совпа­ дать с направлением движения подземных вод и в значительной степени будет определяться различием в плотностях компонентов, входящих во флюидальную систему. Кроме того, направление