Диффузия

Все виды миграции происходят на фоне постоянно идущего потока диффузии как неотъемлемого свойства любого вещества, стремящегося выравнивать свою концентрацию во всем окружа­ющем пространстве. Диффузионному переносу углеводородов в осадочных породах уделяется большое внимание в связи с разру­шением залежей. Однако диффузия играет определенную роль и в процессах первичной миграции, стремясь к выравниванию кон­центраций УВ как между НМ толщей, богатой микронефтью, и природным резервуаром, изначально бедным таковой, так и в микромасштабе — между обогащенными и относительно бедны­ми участками НМ толщи. Кроме различия в концентрации вещества диффузия может определяться разностью температур и давлений (соответственно термодиффузия и бародиффузия).

Диффузия в породах протекает постоянно, но медленно, осо­бенно для тяжелых молекул, которые удерживаются особенно в глинистых пород вследствие их высокой адсорбционной способ­ности. Это заметно даже в случае близких по составу и свойствам веществ. В частности, это видно по соотношению метан—этан в зависимости от расстояния от материнской толщи. В непосред­ственной к ней близости соотношение почти равное и состваляет 1,13, выше по разрезу отношение метана к этану постепенно дос­тигает 10, т.е. метан проходит легче этана. Свидетельством диф­фузии могут служить газовые аномалии в породах, перекрываю­щих залежь. Ю.С. Шилов и Ф.А. Макаренко для усть-тазовской серии пород Западной Сибири подсчитали, что поток метана, поднимающийся через площадь 1000 м² с глубины 3400 м, со­ставляет более 700 млн м³ за 1 млн лет.

Одним из видов диффузии является поверхностная, под которой понимается перемещение молекул углеводородов по по­верхности твердого тела в результате скачков молекул между со­седними площадками, обладающими различной адсорбирующей способностью. Следы этой диффузии можно наблюдать в виде ореолов вокруг трещин и пор при рассмотрении пришлифовок под люминесцентным микроскопом. Исследования показали, что роль поверхностной диффузии газа увеличивается с ростом дав­ления. В целом диффузионный поток в масштабах геологическо­го времени рассматривается как реальный фактор первичной миграции газа и газовых растворов нефтяных углеводородов. Л.М. Зорькин показал, что примерно 65—70 % газа эмигрирует из

глинистых толщ в прилегающие водоносные горизонты путем диффузии. Многие исследователи считают, что масштабы этого вида миграции значительно скромнее.

Таким образом, все перечисленные формы первичной мигра­ции, видимо, имеют место в недрах осадочных бассейнов. Одна­ко проявление каждой из них зависит от конкретных геологичес­ких условий бассейна: состава минеральной матрицы, концентра­ции ОВ, его состава, строения НМ толщи и др. В значительной степени форма первичной миграции определяется степенью ката-генетической зрелости ОВ в пределах ГЗН. В верхних частях ГЗН — в основном это водные растворы, в нижней части ГЗН — газовые, такой форме способствует наличие газового потока из более погруженной части бассейна (ГЗГ); при наличии в разрезе доманикитов эмиграция в собственно жидкой фазе может осуще­ствляться по всему разрезу ГЗН.

Под действием каких сил происходят процессы эмиграции образовавшихся УВ из НГМ толщи? Основной силой, вызываю­щей движение флюидов, является разница давлений в нефтегазо-материнском пласте и природном резервуаре. В процессе погру­жения, под действием статической нагрузки в НГМ пласт испы­тывает уплотнение, в нем происходит рост горного давления,

где Р_геост - геостатическое давление в МПа, ρ_пор — плотность породы, Н — глубина, м. практически равного геостатическому

где Р_{гидрост} - геостатическое давление в МПа, ρ_в — плотность воды, Н — глубина, м.

Таким образом разница этих давлений ΔР, определяемая раз­ностью плотностей породы и воды, и является главной движущей силой эмиграции. При незначительных толщинах НГМ пласта эмиграция вверх и вниз, в подстилающий пласт-коллектор будет происходить практически под действием одинаковых сил. Рост давления в НГМ пласте может быть вызван не только увеличиваю­щимися статическими нагрузками, а рядом других причин. По­мимо упомянутого выше увеличения объема воды в связи с ее пе­реходом из связанного состояния в свободное возрастанию дав­ления в пластах способствует генерация жидкой и газовой фаз, которая происходит в результате деструкции керогена. При отсут­ствии оттока образующихся продуктов в относительно замкнутой

системе (например, во внутренних частях мощной глинистой толщи, богатой органическим веществом) породы находятся в на­пряженном состоянии под большим (геостатическим) давлением, особенно в центральных частях достаточно мощных (сотни мет­ров) глинистых пачек. Все эти процессы, по-видимому, реализу­ются лишь частично из-за того, что затруднен уход флюидов (по­роды-коллекторы находятся далеко) или если нет необходимых условий для трансформации глинистых минералов и отрыва и преобразования связанной воды. Часто в этих участках сохраня­ется аномально высокое давление, и породы находятся в пе­ренапряженном состоянии длительное время даже на больших глубинах (5-6 км и глубже).

Капиллярное давление также рассматривается как один из факторов миграции, в том числе первичной, но механизм пере­мещения нефти и газа особенно в материнских породах под дей­ствием капиллярного давления изучен крайне слабо. Величина капиллярного давления зависит от свойства флюида, свойства породы и размера капилляра. Эту величину, так же как и подъем воды в капилляре, можно рассчитать по формуле:

где Р_к — величина капиллярного давления, а — поверхностное натяжение, θ — угол смачивания стенки капилляра, R — радиус капилляра.

Из формулы следует, что величина капиллярного давления растет с уменьшением радиуса, при диаметре поры менее 0,1 мм капиллярные силы больше гравитационных, при диаметре 0,5 мм капиллярные силы не действуют. Поскольку поверхностное натя­жение воды более чем в два раза выше, чем у нефти (соответ­ственно 0,07 и 0,03 Н/м), то вода с большей силой поднимается по тонким порам, т.е. под действием капиллярного давления вода будет вытеснять нефть из мелких пор в более крупные. Экспери­ментально такое замещение было установлено на контакте песка и глины (опыты Мак-Коя). В условиях погружающейся толщи и направленного движения выделяющейся воды в коллектор ка­пиллярные силы вряд ли могут изменить ход этого процесса. Действие капиллярных сил ослабевает под действием повышен­ных температур, а в температурных условиях ГЗН они вряд ли как-то определяют процессы первичной миграции.

Динамическое давление, обусловленное направленным дей­ствием тектонических процессов, также может оказывать влия­ние на процессы первичной миграции. Динамический стресс вы­зывает уплотнение пород, приводящее к выжиманию флюидов, в результате действия динамического фактора возникают систе-

мы напряжений, а как следствие этого, системы нарушений, зон трешинноватости и других участков, что способствует движению флюидов.

Проблема первичной миграции тесно связана с начальной аккумуляцией (по Д.В. Несмеянову) нефти. Необходимо накопле­ние определенной критической массы нефти, которая бы обла­дала достаточной энергией, чтобы начать движение, преодолев капиллярное давление и прорвав поверхностную пленку воды. При достижении определенной массы нефти, если сила всплыва-ния (различие в плотностях воды и нефти) преодолеет капилляр­ное давление, начинается ее движение в природном резервуаре.