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

возможность растворения нефти в газе, считая, что количества газа, генерируемого органическим веществом, недостаточно для раство­ рения рассеянной в породах первичной нефти. Но они не учитывают многих процессов, происходящих в земной коре, которые способ­ ствуют выделению больших количеств газа. В частности, большие количества газа, выделившегося на начальной стадии метаморфизма органического вещества, способствуют резкому снижению сорбционной емкости глин, в связи с чем продолжается активное газообра­ зование в процессе дальнейшей метаморфизации органического веще­ ства, особенно на стадии бурый уголь — каменный уголь (соответству­ ющей основной стадии нефтеобразования). Важно отметить, что растворение углеводородов в сжатых газах в этих условиях зна­ чительно облегчается выделением наряду с углеводородными газами огромного количества углекислого газа (до 50%), особенно на ста­ дии бурый уголь — каменный уголь. К сожалению, этой стороны не учитывают многие противники органического происхождения нефти.

Наличие углекислого газа неизмеримо повышает растворяющую способность газовой смеси. Образование больших количеств метана и углекислоты в зоне начальных стадий катагенеза и значительного внутрипорового давления в глинах способствует активному извле­ чению углеводородов сжатыми газами. Однако дальнейшая мигра­ ция жидких углеводородов, растворенных в газе, т. е. миграция ретроградного раствора (в состоянии однофазовой смеси) по пластуколлектору, встречает трудности, так как в последнем существуют совершенно иные термодинамические условия и гидрогеологический режим, при которых ретроградный раствор распадается, нефть и газ растворяются в пластовых седиментационных водах и транспорти­ руются в таком состоянии к ловушкам.

На возможность миграции углеводородов в растворенном в воде состоянии указывали многие исследователи (M. Е. Альтовский,

И. О. Брод, М. С. Бурштар, В. А. Соколов, А. Бейкер, У. Рассел

идр.). И.О. Брод считает миграцию углеводородов в водорастворенном состоянии основной формой перемещения. «По существу, — пишет он, — нефть в том виде, в каком мы ее находим в залежах, обра­

зуется, по-видимому, лишь в том случае, если углеводородная часть бутуминозных веществ из рассеянного состояния в субкапил­ лярных порах переходит в растворенное в воде состояние в ка­

50

Мы уже указывали выше, что растворимость углеводородов в воде заметно повышается при условии обогащения ее органическими соединениями (солями жирных кислот, высших аминов, сложными эфирами и т. п.). Вероятно, роль этого фактора весьма существенна. Экспериментальные исследования А. Бейкера показали, что при содержании в воде до 500 мг/л натриевых солей нафтеновых кислот (нафтенатов) весь процесс миграции нефти может быть сведен к миграции жидких углеводородов в коллоидных растворах.

Однако при очень высоком содержании таких органических веществ раствор приобретает большую вязкость и в пластовых условиях становится малоподвижным. Поэтому миграция углево­ дородов в коллоидных растворах возможна в специфических усло­ виях, при определенной минерализации вод.

Имеются многочисленные данные о значительном содержании

углеводородов, которое могло быть растворенным и перенесенным этими водами на элизионной стадии гидродинамического бас­ сейна.

О масштабах перемещения вод можно судить хотя бы по резуль­ татам расчетов, произведенных по Запади о-Кубанскому прогибу: при уплотнении глин юрского комплекса с начала валанжина до начала альба (24 млн. лет) здесь было выжато около 7 трлн. м3 воды, а за последующее время до современного момента еще около 3,5 трлн. м3 (Бурштар, Машков, 1963). За все время уплотнения глин юрского комплекса (156 млн. лет) в пределах рассматриваемого района было выжато только из этого комплекса 3 9 - Ю 1 2 м3 воды, что в 99 раз превышает объем среднегодового стока Оби (394 млрд. м3 )

муляции (0,1) количество этих углеводородов превосходит все извест­ ные геологические запасы нефти, и свидетельствуют о реальной возможности формирования крупных скоплений углеводородов.

очень велико, поэтому даже при относительно небольшой раство­

Газ и нефть могут мигрировать также благодаря явлениям фильтра­ ции и всплывания. Определенную роль играет и такой вид миграции

газообразных углеводородов, как диффузия. Интенсивность диффузии газа незначительна, но поскольку она происходит в тече­ ние длительного времени, то играет важную роль в переносе газо­ образных углеводородов.

Ф и л ь т р а ц и я является одним из основных видов механи­

пропорциональна проницаемости пористой среды и перепаду дав­ ления, обусловливающему фильтрацию, и обратно пропорциональна вязкости жидкости:

О^пр £ (Рі — Рг)

подчиняются закону Дарси. Верхний предел применимости линей­ ного закона фильтрации соответствует скорости фильтрации, назы­ ваемой критической скоростью. Последняя зависит как от свойств пористой среды, так и от свойств жидкости (вязкость, плотность). Нижний предел применимости закона Дарси соответствует очень малым величинам скоростей фильтрации и напорных градиентов.

Опытным путем было установлено (Н. Пузыревский), что для начала фильтрации необходим некоторый начальный напорный градиент. Его существование, видимо, обусловлено наличием свя­

от проницаемости породы и может происходить лишь в особо благо­ приятных условиях, т. е. при движении больших масс газа и нефти в пористых песчаных и трещиноватых карбонатных породах. Гли­ нистые породы для процессов фильтрации неблагоприятны. Однако при уплотнении и потере большей части содержащейся в них воды глины переходят в плотные сланцеватые породы и приобретают некоторую трещиноватость.

Интенсивность фильтрации газа или нефти зависит также от

52

Для того чтобы газ или нефть могли проникнуть в водонасыщенную породу, имеющую капиллярную или субкапиллярную структуру порового пространства, необходимо некоторое избыточное давление (давление внедрения). Давление внедрения, при котором нефть или газ прорываются через такую породу, названо В. П. Савченко давлением прорыва. Последнее есть не что иное, как капиллярное давление на мениске газ — вода или нефть — вода.

Струйная миграция нефти и газа в водонасыщенных породах происходит под действием двух факторов: сил всплывания и пере­ пада давления воды. Поскольку всплывание газа и нефти в воде обусловлено разностью плотностей, то максимальное давление всплывания нефти и газа будет в самой высокой точке их скоп­ ления.

Давление прорыва нефти и газа в водонасыщенную породу обус­ ловлено капиллярным сопротивлением воды внедрению их в занятое ею поровое пространство породы. Максимальное значение этого

В качестве доказательства он указывает на горизонтальное поло­

Барьерами для струйной миграции нефти и газа по пласту явля­ ются высокие ловушки. В силу этого, как утверждает В. П. Сав­ ченко, они являются наилучшими участками межпластовой вер­ тикальной струйной миграции нефти и газа. На основе опытных

были выведены для струйной миграции газа в водонасыщенных породах. Различие будет состоять лишь в том, что газ прорвется' через нефтенасыщенную породу при меньшем давлении всплывания, чем через водонасыщенную породу. Это обусловлено меньшим зна­ чением поверхностного натяжения на границе нефть—газ по сравне­ нию с его значением на границе вода—газ при прочих равных усло­ виях. Особенно значительным это различие должно быть, как ука­ зывает В. П. Савченко, в условиях больших пластовых давлений.

Признание некоторыми исследователями только этого вида мигра­ ции привело к появлению различных схем формирования залежей нефти и газа. Среди них особую популярность, как известно, при­ обрела схема дифференциального улавливания углеводородов. В то же время появились работы, в которых принципы дифференциаль­ ного улавливания были подвергнуты серьезной критике. Более того, была показана необоснованность этой гипотезы. На конкретных примерах указывалось, что характер распределения скоплений нефти

54

и газа в ряде районов не подтверждают эту гипотезу. Ей противо­ речат физические законы перемещения нефти в пористой среде.

В. П. Савченко (1968) допускает, что при движении струи нефти из залежи, в случае если она оттуда вытесняется газом или же в слу­ чае раскрытия структурного замка в сторону движения вод, в залежи останется около 20% первоначального объема нефти и что также по 20% будет оставаться в каждом объеме норового пространства, вновь занимаемого нефтью.

Но из практики разработки месторождений известно, что в породе может оказаться остаточной нефти гораздо больше: даже при боль­ ших депрессиях 65—80% нефти из залежи не извлекается. Значит, норовое пространство по пути движения струи должно быть, по на­ шим реальным расчетам, заполнено на 65—80% остаточной нефтью.

В. П. Савченко объясняет отсутствие следов движения нефти струей тем, что полоса струйной миграции очень незначительна по ширине, и поэтому ее очень трудно установить. Однако следы нефти в виде

мигрировала в свободной фазе при переформировании или разру­ шении залежей, и в то же время этих следов нет по пути движения

известно, что если ее концентрация в коллекторе, даже в ловушкет будет меньше 20%, она ни при каких депрессиях не будет двигаться, так как ее фазовая проницаемость будет равна нулю. Для того, чтобы нефть двигалась струей, даже незначительной, ее концентра­ ция должна быть не менее 20% в каждой точке норового пространства

флюидов в проницаемых водонасыщенных породах. Он утверждает, что струи газа могут зарождаться непосредственно в газоматеринских

Из объяснений В. П. Савченко совершенно неясно, как зарождается струя и под действием каких факторов происходит струйная мигра­ ция. Если речь идет о перемещении некоторых масс газа и нефти за счет их малых плотностей по сравнению с водой, то это не что иное, как миграция посредством всплывания нефти и газа.

Совершенно проблематична треугольная форма струи с сечением

55

фильтрации и др., но не геометрическими формами и размерами. При струйной миграции нефти и газа возникают мелкие скопления, ко­ торые при благоприятных условиях будут мигрировать за счет всплывания или в водорастворенном состоянии.

Расчеты, которые пытается делать В. П. Савченко на основе простой фильтрации «струи», нельзя считать обоснованными.

Как известно, сила, обусловливающая всплывание нефти или газа в насыщенном водой коллекторе, зависит от его наклона. Коли­

проницаемость, т. е. проницаемость каналов, по которым в данных условиях может происходить перемещение нефти или газа; Ф — вели­

простирания. В этом главное принципиальное отличие взглядов автора от взглядов В. П. Савченко и других исследователей, которые •считают, что миграция нефти и газа в виде струи может происходить на большие расстояния только по осевым (гребневым) частям валообразных поднятий, антиклинориев и т. п.

Если придерживаться концепций В. П. Савченко, то многие стороны формирования залежей невозможно объяснить. Нельзя, например, объяснить формирование залежей нефти или газа в пре­ делах моноклиналей в приуроченных к ним стратиграфически экранированных ловушках. Причем, если по линии вскрет прости­ рания структур, расположенных на моноклинали, отсутствуют какие-либо протяженные осевые линии. Необъяснимо также законо­ мерное размещение различных фазово-генетических типов залежей углеводородов по простиранию и вкрест простираний. И в том, и в другом случае наблюдается уменьшение плотности нефтей, уве­ личение метанизации, уменьшение содержания ароматических угле­ водородов и т. д. в сторону регионального погружения.

56

Латеральная струйная миграция на отдельных участках может сочетаться с вертикальной, особенно в толще пород, представленной часто выклинивающимися прослоями и линзами песков, песчаников и глин.

Струйная миграция в основном происходит в зонах развития ловушек, особенно в зонах развития тектонической трещиноватости, на конечной стадии миграции и в процессе аккумуляции нефти, и газа в ловушках. При наличии надежных покрышек она может привести к образованию крупных месторождений, при отсутствии их способствует разрушению залежей, частичному или полному рассеиванию нефти и газа из них.

Проявления струйной миграции различны в разных геотектони­ ческих областях. На платформе, где развиты малоамплитудные структуры, неблагоприятные для образования больших избыточ­ ных давлений, переток нефти из нижних горизонтов в верхние может происходить только при наличии литологических окон или же

сопровождается их дифференциацией, результатами которой яв­ ляются своеобразное траппирование этих углеводородов в пласте в полном соответствии с их плотностями и перемещение их в строго обозначенных диапазонах величин градиентов давления, т. е. с огра­ ниченной миграционной способностью.

Наибольшей миграционной способностью и транспортабельно­ стью будет обладать углеводородный газ преимущественно метане-- вого состава, имеющий весьма незначительную плотность. Его перемещение может происходить и при очень незначительном уве­ личении градиентов давления. Небольшую миграционную способ­ ность будут иметь газы, в составе которых содержатся тяжелые» углеводороды, причем она будет тем меньше, чем больше в составе газов тяжелых компонентов, т. е. чем больше плотность газов.

Наибольшей миграционной способностью среди нефтей обла­ дают нефти, имеющие невысокую плотность и по своим свойствам

рактеризующиеся величинами градиентов давления, явно недоста­ точными для дальнейшего их продвижения (перемещения), то они будут оставаться на месте до тех пор, пока не возрастут величины градиентов давления. С уменьшением величин градиентов давления может наступить момент, когда всякое макроскопическое переме­ щение флюидов в пласте-коллекторе прекратится и гидродинамиче­ ский режим перейдет в свою противоположность — гидростатический

57

режим. В этом случае дифференциация флюидов будет происходить

ческой энергии фазы соответственно по давлению, высоте располо­

Выражение (2) характеризует элементарное условие для гидро­ статического равновесия в однородном несжимающемся слое в гра­

значениями механических потенциалов каждого флюида. При этом каждый из потенциалов должен быть однородным по всему соот­ ветствующему флюиду, а сами флюиды должны располагаться в виде концентрических оболочек, плотность которых последовательно

Но в противоположность гидростатическому равновесию, суще­ ствующему в каждом из слоев, их система в целом не будет нахо­

лишь в том случае, если слои поменяются местами, т. е. слой Ъ займет положение слоя а.

Если часть слоя Ъ вследствие каких-либо причин перейдет экви­ потенциальную поверхность и окажется заключенной в слое а,

58

то частная производная Фй при нулевой скорости движения будет равна

будет уменьшаться, и устойчивое равновесие в системе двух или нескольких флюидов будет достигнуто, когда произойдет их диффе­ ренциация по плотностям, т. е. когда флюиды с большей плотностью аккумулируются в виде нижних слоев внизу, а флюиды с меньшей плотностью — вверху. Отсюда можно сделать весьма важный вывод о том, что даже в гидростатических условиях, когда никаких мак­ роскопических перемещений флюидов не происходит (ѵ = 0), воз­ можна дифференциация флюидов по плотностям и их гипсометри­ ческому положению в гравитационном поле.

Таким образом, направление движения и характер дифферен­ циации углеводородов в гидродинамических условиях будут зави­ сеть не только от величины их плотностей, но и от направления дви­ жения транспортирующих их вод, т. е. направления изменения градиентов давления. При выравнивании величинградиентов дав­ ления в пласте-коллекторе, когда движущие силы флюидов стано­ вятся практически равными нулю, и гидродинамический режим сменяется гидростатическим, дифференциация флюидов происходит под действием сил всплывания.

59