Первичная миграция

Наиболее сложные вопросы связаны с первичной миграцией углеводородов из материнских пород, особенно с причинами на­чала этого движения. Исходное вещество (кероген), присутствую­щее в материнских породах как в дисперсной, так и в концентри­рованной форме является источником основной массы углеводо­родных соединений. Для преобразования ОВ требуется энергия, частично заключенная в самих осадках и органическом веществе.

В основном же повышение энергетического уровня происходит при погружении пород и росте температур в осадочном бассейне. И.М. Губкин представлял первичную миграцию как вынос нефти из материнских пород водой в виде мельчайших капелек. Конечно, это очень трудно себе представить, если материнскими породами являются очень тонкопористые глины, из которых даже при очень большом давлении нефть трудно выжать. Тем не менее перемещение углеводородов все же происходит. При рас­смотрении возможностей первичной миграции наибольшее вни­мание исследователями уделяется гипотезе о выносе углеводоро­дов в виде растворов.

Растворимость углеводородов и нефтей

Исследованием молекулярной растворимости углеводородов и нефтей в воде занималась А.Н. Гусева, Е.Н. Парнов, Л. Прайс и др. В работах Л. Прайса анализировалась растворимость углево­дородов и нефтей при температурах до 400°С и давлениях до 200 МПа. При поверхностных условиях давления и температуры 20-25°С жидкие углеводороды слабо растворяются в воде. Наи­большую растворимость (от 150 до 1700 мг/л) имеют арены, а наи­меньшую (24—62 мг/л) — н-алканы. Цикланы занимают проме­жуточное положение. Растворимость некоторых углеводородов (в мл/л) следующая: метан — 24,4; этан — 60,4; пропан — 62,4; н-бутан — 61,4; изобутан — 48,9; н-пентан — 38,5; изопентан — 48,8. Растворимость жидких углеводородов уменьшается с увеличе­нием их молекулярной массы. Растворимость н-октана при обыч­ных условиях составляет 0,66, а н-нонана — 0,122 мг/л. Особенно резкое уменьшение растворимости н-алканов наблюдается начи­ная с н-декана. При росте температуры растворимость алканов в воде возрастает, особенно в интервале 130—150°С (рис. 5.1). Раст­воримость у н-парафинов растет больше, чем у ароматических углеводородов. Из кривых на рис. 5.2 следует, что относительная растворимость плохо растворимых в воде углеводородов с боль­шей молекулярной массой увеличивается с ростом температуры значительно сильнее, чем углеводородов с меньшей молекуляр­ной массой. Возрастание давления несколько уменьшает раство­римость. Различные компоненты, находящиеся в нефтях (смо-листо-асфальтеновые соединения, нафтеновые кислоты и др.), растворяются в воде пропорционально их содержанию и в зави­симости от соотношения индивидуальных растворимостей.

Влияние концентрации солей в воде имеет обратную зависи­мость: при повышении минерализации растворимость будет па­дать. Изменение (снижение) растворимости бензола в пластовых водах различной минерализации при температуре 25°С и нор­мальном давлении показана на рис. 5.3.

Присутствие в воде растворенного газа также влияет на раст­воримость в ней углеводородов. Влияние газа зависит от степени насыщения им воды, состава газа, температуры и характеристики самого растворяющегося углеводорода. Судя по имеющимся дан­ным, насыщение газом оказывает отрицательное воздействие на растворимость углеводородов до 180°С и положительное при бо­лее высоких температурах. О влиянии состава газов можно судить из опытов с различными газами. Отрицательное вли­яние газов на раствори­мость в воде жидких угле­водородов при температу­рах до 150°С увеличивает­ся в ряду: азот-метан-этан-углекислый газ-пропан.

Л. Прайсом было ис­следовано влияние насы­щения воды углекислым газом на растворимость в ней различных фракций нефти при температурах до 350°С и давлении до 150 МПа. Это влияние зависе­ло от углеводородного со­става фракции и темпера­туры. При температурах ниже 250°С присутствие уг­лекислого газа в воде сни­жало растворимость углево­дородов от С₁ до С₁₀, а при более высоких температу­рах — увеличивало. Раство­римость фракции с углево­дородами C₁₀-C₁₅ при тем­пературах ниже 180°С уменьшалась в присутствии СО₂, но эффект был на­много меньшим, чем для предыдущей фракции. При температуре выше 250°С влияние СО₂ на раствори­мость углеводородов фрак­ции C₁₀-C₁₅ все более и более усиливается. Рас­творимость углеводородов фракции С₂₄-С₃₄ увеличивается в присутствии углекислого газа при всех температурах от 100 до 400°С. Различное влияние газа при высоких температурах на растворимость в воде компонентов нефти разной молекулярной массы может сильно изменять сос­тав растворяющихся в воде смесей углеводородов.

Величина концентрации растворенных углеводородов, выде­ляющихся из материнских отложений в свободной воде, по раз­ным данным, сильно колеблется. Существенное значение имеет не только температура. По-видимому, важно, в каком виде подхо­дит вода к границе перехода от материнской толщи к коллектору. Если это только что оторвавшаяся связанная вода, обладающая повышенной растворяющей способностью, она приносит больше углеводородов. Вода, находящаяся уже какое-то время в свобод­ном состоянии, несет меньше растворенных углеводородов. При переходе геохимического барьера на рубеже материнская поро­да — коллектор молекулярный водный раствор углеводородов по­падает в новые условия (из более восстановительных в менее вос­становительные или даже в слабо окислительные). Кроме того, у воды здесь, как правило, иная минерализация. В результате рас­творимость многих углеводородов резко изменяется, и многие из них, прежде всего алканы, выделяются в свободную фазу.

При повышенных температуре и давлении большое значение имеет растворение жидких углеводородов в газах. Как следует из экспериментов, в смеси углекислого газа и паров воды при тем­пературе ниже 100°С и давлении от 8,8 до 32 МПа растворяются углеводороды с низкой молекулярной массой С₅—C₁₅. При тем­пературе 100°С и выше и давлении 80 МПа все компоненты нефти могут растворяться в газах.

Первичная миграция углеводородов в виде водных молекулярных растворов

Миграция углеводородов в составе водной фазы представляет сложную проблему, все рассматриваемые гипотезы относятся в основном к глинистым нефтематеринским породам. Для оценки достоверности первичной миграции в водных растворах необхо­димо иметь данные о растворимости углеводородов в воде (в раз­ных ее видах) в различных пластовых условиях и о способности этой воды двигаться. Важно также иметь сведения об объемах воды, отжимаемых из материнских пород на различных стадиях уплотнения.

Вначале после седиментации вода составляет существенную часть осадка. Основное ее количество отжимается из одних осад­ков очень быстро, а из других (глинистых) отжимание свободной воды затягивается и происходит при уплотнении уже не осадков, 202

а пород и погружении их до нескольких сотен метров. На уровне ранних градаций протокатагенеза из осадка и молодой породы удаляется примерно 80% водной фазы. Это главным образом сво­бодная вода, которая заполняет поровое пространство и не свя­занная с минералами какими-либо особыми силами. При этом имеются в виду условия шельфовых бассейнов с умеренной тол­щей воды. В глубоководных условиях действуют другие законы, там уплотнение сильно замедляется, и осадки долгое время остаются сильно обводненными.

Связанная вода удерживается на поверхности минеральных частиц с разной степенью прочности. Вокруг зерен могут образо­ваться пленки связанной воды толщиной в один или несколько мономолекулярных слоев. Наиболее прочно с кристаллической решеткой минералов связаны два ближайших слоя — химически связанная вода и физически прочно связанная вода. Эти прикон-тактные слои сильно прижаты к поверхности минеральных час­тиц. К связанной воде в значительной мере относится вода, нахо­дящаяся в межслоевом (межпакетном) пространстве глинистых минералов. Особенно это относится к смектитовым разбухающим глинистым минералам типа монтмориллонита. По-видимому, на поверхности решеток глинистых минералов молекулы воды зани­мают фиксированное положение и образуют относительно упоря­доченную структуру типа жидкого кристалла.

Изучение механизма высвобождения воды, в том числе свя­занной, из глинистых осадков было проведено М. Пауэрсом в 60-е годы XX в. Он пришел к выводу о том, что при превраще­нии монтмориллонита в иллит происходит переход большого ко­личества связанной воды в свободную при достижении опреде­ленных глубин и температур. Это преобразование характера воды имеет большое значение для изменения свойств пород и способ­ствует началу миграции углеводородов из материнских толщ. В некоторых случаях появление чистой воды вызывает распрес-нение соленых пластовых вод. Это явление было названо второй стадией дегидратации (под первой стадией подразумевается уда­ление свободной воды). Плотность связанной воды имеет разные значения. Дж. Берет, например, подсчитал, что два прочно свя­занных водных слоя в пределах элементарной структурной ячей­ки с размером 0,9 нм может иметь плотность 1,15 г/см³, что зна­чительно превышает плотность обычной воды. Некоторые авторы пишут, что плотность может быть даже еще больше — до 1,4—1,5 г/см³. При снижении плотности до величины близкой к единице объем воды увеличивается, что приводит к росту внутрипорового давления и разуплотнению породы. Так, в бассейне Мексикан­ского залива на глубинах от 3880 до 4500 м отмечен рост порис­тости кайнозойских глин на 5-6%. При полной трансформации

содержащегося в породе монтмориллонита объем свободной воды в породе увеличивается максимально. Это и является одной из причин возникновения аномально высокого порового, а затем и пластового давления.

В осадках, которые состоят из мало разбухающих глинистых минералов и содержат малое количество связанной воды, при пе­реходе ее в свободное состояние увеличение объема заметно не чувствуется, не сказывается также ее влияние на распреснение пластовых вод.

На примере молодых отложений, вскрытых скважинами в бассейне Мексиканского залива, Дж. Берет пришел к выводу, что существенное выделение воды (дегидратация) в данных кон­кретных условиях кайнозойских отложений соответствует темпе­ратурному интервалу 85-115°С. Вопрос об объемах выделившей­ся из глин воды решается неоднозначно. В.Н. Холодов предпола­гает, что в результате преобразования глинистых минералов, на­пример, в толще майкопских глин Предкавказья, выделился очень большой объем воды (примерно равный объему воды в Каспийском море, что близко объему глин Майкопа). Другие ис­следователи считают, что объем воды в породе возрастает при­мерно на 15%. Видимо, все зависит от того, какими минералами сложены глинистые толщи, способны ли они выделять повышен­ные объемы воды. Вопрос должен решаться в каждом конкрет­ном случае.

Этап преобразования форм воды может совпадать с главной фазой массовой генерации жидких углеводородов. При плотной упаковке (рис. 5.4) связанная вода является химически очень чис­той. В дисперсных средах и тонких капиллярах вода приобретает аномальные свойства. Она становится чрезвычайно активной — возрастает ее растворяющая способность по отношению к не­полярным веществам, по свойствам она при­ближается к вещест­вам типа спирта.

При десорбции связанной воды она благодаря своей чис­тоте обладает боль­шой растворяющей способностью и по отношению к жид­ким УВ и различным минералам вплоть до кварца, нераствори­мым в воде в обычных условиях. Интересные эксперименты по растворяющей спо­собности связанной воды в России были выполнены В.Ф. Симоненко. В проведенных им экспериментах в пробах воды, последо­вательно отбиравшейся при увеличении давления, было отмечено увеличение концентрации ОВ, которую можно объяснить ее уве­личивающейся растворяющей способностью, что определяется соотношением радиусов капилляров породы и зоной действия поверхностных сил (рис. 5.5). Если радиус действия поверхност­ных сил меньше радиуса капилляра (рис. 5.5, а), то десорбиро-ванная вода приобретает свойства свободной воды. В случае, ког­да радиус капилляра меньше радиуса действия поверхностных сил (рис. 5.5, б) и их действие распространяется на весь капил­ляр, вода не приобретает свойства свободной воды, но она уже и не прочно связанная, это так называемая

«неструктурированная» вода, характеризующаяся аномальными свойствами — малой по­лярностью и высокой диссоциированностью. Эти особые свой­ства связаны и с промежуточной структурой воды, только что оторвавшейся от минеральной матрицы, но еще находящейся в сфере влияния поверхностно-адсорбционных сил. При расшире­нии поровых каналов вода теряет свою высокорастворяющую способность и приобретает свойства обычной свободной воды. При этом растворенные в ней вещества, в том числе и микро­нефть, осаждаются из раствора. Свидетельством того, что этот процесс имеет место в природе, являются часто наблюдаемые на контактах НМ глинистых пород и песчаников примазки и мине­ральные корки с вязкими битумами.

Повышенные растворяющие свойства воды, находящейся в особом состоянии, можно рассматривать как один из существен­ных факторов, способствующих началу перемещения углеводоро­дов в виде молекулярных растворов. При перемещении в породу с более крупными порами эти особые свойства воды будут те­ряться, она все больше будет насыщаться различными солями, а растворенные углеводороды будут из нее выделяться и обособ­ляться в отдельную фазу. Этот этап начала перемещения углево­дородов и выделения в свободную фазу в первую очередь касает­ся наиболее подвижных жидких компонентов и газа. При перехо­де в породу-коллектор молекулярный раствор приобретет иной облик и образует вместе с водой эмульсию.

При переходе воды из связанного в свободное состояние вследствие увеличения ее объема возрастает внутрипоровое дав­ление. Этому способствует также генерация жидких продуктов и газов из рассеянного органического вещества. При достиже­нии определенного критического давления в порах происходят импульсные флюидоразрывы, они мгновенно пронизываются системами микротрещин. По ним происходит перенос образовав­шихся углеводородов на некоторое расстояние. При погружении эти процессы повторяются. При каждом новом этапе погружения порода будет полнее реализовывать свой материнский потенциал.

Первичная миграция углеводородов из материнских пород другого, неглинистого состава имеет свои особенности, но они изучены слабо. В качестве нефтематеринских иногда выступают биогенные кремнистые и карбонатные породы. Миграция в кремнистых осадках и породах происходит на фоне минеральных трансформаций кремнезема в ряду: опал—опал КТ-кристобалит-тридимит-халцедон-неупорядоченный мелкозернистый кварц-более упорядоченный кварц. Все это происходит на фоне обиль­ного водоотделения, поскольку воды вначале очень много. На­чальные члены ряда имеют очень высокоразвитую поверхность с высоким энергетическим запасом, что, по-видимому, может сти­мулировать десорбцию микронефти ранней генерации, зачастую имеющей место в НМ толщах биогенно-кремнистого состава, как об этом уже говорилось в разделе 4.3. Перестройка структуры по­род из биогенной в глобулярную с высокими емкостными свой­ствами создает возможность перемещения флюидов, в том числе углеводородов, в это вновь созданное поровое пространство внут­ри этой же толщи. В карбонатах миграция ограничена в условиях их быстрой литификации, однако примесь глинистого и крем­нистого материала может обеспечить как выделение некоторого объема воды, так и перемещение ее вместе с образовавшимися углеводородами.