ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗ методичка

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГЛАВА X

МИГРАЦИЯ НЕФТИ И ГАЗА, ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СКОПЛЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МИГРАЦИИ

Под миграцией нефти и газа понимают любое перемещение этих веществ в земной коре1.

Прежде чем говорить о силах, вызывающих перемещение подвижных веществ в земной коре, следует коротко остановиться на том, в каком физическом состоянии они могут передвигаться сквозь толщу пород. Вопрос этот очень сложен, и пока не существует твердо сложившегося представления. •,

Рассмотрим ряд: асфальты (1) —>- мальты (2) —»- «мертвые» нефти (3) ->- недонасыщенные газами нефти (4) -> насыщенные газами нефти (5) -»- смесь нефти и газа (6) —>- газ с конденсатом (7) -> газ сухой (8). В этом ряду способность к

перемещению увеличивается в направлении от твердых асфальтов к газам.

Первые три члена этого ряда сами по себе малоподвижны, и перемещение их в

недрах земной коры возможно только совместно с вмещающими их породами в процессе тектонических движений.

Четвертый и пятый члены ряда имеют относительно большую подвижность. Здесь

следует иметь в виду уменьшение вязкости нефти и ее плотности по мере растворения в ней газов. Можно предполагать наличие в недрах достаточных количеств газообразных углеводородов для насыщения нефти на первых стадиях ее образования. Встречающиеся в природе случаи недонасыщенной или «мертвой» нефти следует рассматривать как результат вторичных процессов.

Шестой член разбираемого ряда несколько отклоняется от общей закономерности. Для него характерно наличие не одной, а двух фаз, следовательно, на перемещение будет влиять фазовая проницаемость.

У седьмого и восьмого членов ряда наблюдается одна фаза, и, следовательно, они

действительно будут обладать максимальной подвижностью при наличии

напрерывной фазы (струи). Всегда надо иметь в виду еще одну жидкую фазу — воду. На границе раздела газ — вода возникают большие поверхностные напряжения (ме--

1 Первичная миграция рассматривается в гл. IX.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ниск), препятствующие перемещению газа в пористой среде, заполненной водой. Чтобы вызвать перемещение газа в пористой среде, заполненной водой, необходимо преодолеть эти напряжения (давление прорыва) и создать непрерывный поток газа. Сказанное в равной степени относится и к контакту нефть — вода. Величина

сопротивлений определяется поверхностными напряжениями на контактах разных фаз. Этим обстоятельством, в частности, объясняется способность воды фильтроваться через покрышку резервуара, представленную глинами, смоченными водой, в то время как для нефти и газа она оказывается практически непроницаемой. Теоретическая сторона этих вопросов достаточно детально рассмотрена в трудах В. П. Савченко.

Законы фильтрации жидкостей, газов и их смесей через пористую или трещиноватую среду были рассмотрены в гл. VI. Диффузия, т. е. перемещение,

обусловленное собственным движением молекул, давно известна в физике и не вызывает сомнения. Диффузия того или иного вещества в другом веществе

обусловливается наличием градиента концентраций. Диффузия газов происходит в

соответствии с законом Фика

где Q — объемная скорость диффузии; D — коэффициент диффузии;

s — поперечное сечение;

Р — коэффициент растворимости или сорбции; h — толщина слоя;

С\—Су, — перепад концентраций.

В природных условиях по В. А. Соколову можно

наблюдать: 1) диффузию газа в другом газе; 2) диффузию газов в жидкости (в воде или нефти); 3) диффузию газа в твердом теле (в веществе породы); 4) диффузию газа в породе, насыщенной водой; 5) диффузию газа во влажной глине.

Давление геостатическое и динамическое. Роль давления в первичной миграции рассмотрена в предыдущей главе. Здесь следует добавить, что уплотнение пород может происходить не только под действием геостатического давления (нагрузки вышележащих слоев), но и под действием тектонических сил, выводящих породы из нормального залегания и сминающих их в складки. Давление, вызываемое тектоническими силами, называется динамическим в отличие от геостатического давления, вызываемого нагрузкой вышележащих пород. Под действием динамического давления возможно дальнейшее уплотнение пород и, следовательно,

дальнейшее выжимание подвижных веществ. В результате действия тектонических

сил

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

330 гл- х- Миграция нефти и газа, формирование и разр-ушение их скоплений

породы сминаются в складки, часто нарушенные разрывами. При этом происходит перераспределение давления в отдельных участках земной коры. Возникшие в толще пород трещины и разломы могут служить путями для перемещения воды, нефти и газа. Перераспределение давления вызывает новое перемещение подвижных веществ.

При складкообразовании часть пород поднимается на значительную высоту и подвергается усиленной эрозии. Эрозия, с одной стороны, влияет на распределение давления в земной коре, а с другой, — может повести к разрушению слоев, содержащих в себе нефть и газ.

Гравитационный фактор. Под гравитационным фактором миграции нефти и газа

понимают действие силы тяжести. Если в результате тех или иных перемещений нефть и газ попадают в коллектор, лишенный воды, то нефть в силу своего веса будет

стремиться занять в этом пласте его пониженные участки, а газ — повышенные.

Миграция нефти и газа путем всплывания может происходить лишь по трещинам и крупным порам. Перемещению нефти и газа под действием гравитационных сил препятствуют силы трения, междуфазное трение, вызываемое относительным перемещением газа, нефти и воды по отношению друг к другу (фазовые проница- емости); вязкость (или внутреннее трение); молекулярное притяжение между стенками породы и молекулами подвижных веществ (своего рода сила «прилипания»).

Всплывание облегчается, если оно происходит не по отдельным каплям, а непрерывным слоем нефти или газа, или в подвижной среде. При движении нефти по

порам в виде отдельных капелек нефти и газа существенную роль играет эффект Жамена. Капельки нефти и газа стремятся принять шарообразную форму, обладающую наименьшей поверхностью. Когда капельке необходимо пройти через пору с меньшим диаметром, чем ее собственный, она вынуждена вытянуться и увеличить свою поверхность. Увеличение поверхности капли может произойти только под воздействием внешних сил. Внешней силой может быть разница в удельных весах

— гравитационная сила.

При малом размере пор (плохой проницаемости) и малом угле падения пласта гравитационные силы не смогут преодолеть сил сопротивления, и свободное движение подвижных веществ прекращается. Для преодоления сопротивления

движению необходимо приложение добавочной внешней силы. Такой силой может оказаться напор воды — гидравлический фактор.

Гидравлический фактор. Вода в земной коре может находиться в движении. В пластах горных пород наблюдается струйное движение воды, подчиняющееся закону

Дарси. В своем движении вода увлекает вместе с собой мельчайшие капли нефти и газа и таким образом перемещает их.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Пользуясь законом Дарси и расчетами силы всплывания, которая будет пропорциональна разности удельных весов и синусу угла наклона пород, можно рассчитать скорость потока воды, при которой она способна увлечь с собой пузырьки газа или нефти. Подобные расчеты, начиная с прошлого столетия, неоднократно приводились различными авторами. Однако было бы грубой ошибкой распространять

подобные расчеты на процесс разрушения залежей водой (как это пытаются сделать А. А. Карцев, В. А. Краюшкин и некоторые другие).

В процессе движения дифференциация подвижных веществ по их плотностям происходит значительно легче. Отдельные капельки нефти и газа, всплывая над водой,

соединяются между собой, образуют более крупные капли, последние в свою очередь

соединяются между собой и при благоприятных условиях образуют скопление нефти и газа. При наличии сплошной массы нефти или газа, заполняющих поры породы,

вода может вытеснять их силой своего гидростатического давления на поверхность

нефть (газ) — вода. Здесь главную роль играет напор воды на поверхность раздела или вытеснение всего объема залежи. Возможен и другой механизм разрушения залежи,

обусловленный скоростью движения воды, т. е. путем послойной передачи количества движения от воды к залежи нефти и газа. В этом случае, как уже упоминалось, приведенные расчеты не применимы. Для решения подобной задачи может быть использовано уравнение движения вязких жидкостей Новье-Стокса. Попытка расчета скоростей движения воды, необходимых для разрушения залежей по этой формуле,

была произведена П. Л. Антоновым. Оказалось, что при мощности нефтяного слоя (девонская нефть) в пластовых условиях 10 см, проницаемости 0,5 д и пористости 25%

для разрушения залежи необходима линейная скорость движения воды около 20 см/сек. Обычные скорости движения вод в пластовых условиях порядка га-Ю"7 см/сек,

т. е. на 6—7 порядков ниже. Иначе говоря, в природных условиях не может быть достигнута скорость движения воды, необходимая для разрушения залежей путем

увлечения нефти или газа движущейся водой.

Углеводороды растворимы в воде в незначительной степени. Растворимость их в воде зависит от температуры и давления, а также от содержания в воде некоторых компонентов. В одних условиях температуры и давления вода может растворить в

себе углеводороды, а в других — вновь выделить их. Таким образом совершается миграция углеводородов, растворенных в воде.

Капиллярные и молекулярные явления. Механизм перемещения нефти и газа под действием капиллярных сил в достаточной мере еще не изучен. Трудно сказать, на

какое расстояние возможны такие перемещения и какую роль играют они в процессе миграции углеводородов. Поставленные опыты и некоторые теоретические пред- посылки дают основание предполагать, что такое перемещение

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

332 ^л- ^" Миграция нефти и газа, формирование и разрушение их скоплений

вряд ли возможно на большие расстояния и вряд ли играет главную роль в процессе формирования скоплений нефти и газа.

Не углубляясь в физическую сущность капиллярных явлений, остановимся коротко на основных положениях теории замещения. Величина капиллярного давления зависит от свойств подвижных веществ, свойств породы и размера пор. В поре породы наблюдается сложнее взаимодействие породы, воды, нефти и газа. Поверхностное натяжение на границе сред различное. Поверхность раздела между водой и нефтью в поре, стенки которой состоят, например, из кремнезема, имеет выпуклую форму, обращенную в сторону воды. Кривизна поверхности, обусловленная поверхностным натяжением, зависит от диаметра поры. Чем больше диаметр поры, тем меньше кривизна и тем меньше капиллярное давление. При диаметре поры около 0,5 мм оно исчезает совершенно. Чем меньше диаметр поры, тем больше кривизна поверхности раздела и тем больше капиллярное давление, так что уже при диаметре поры 0,1 мм капиллярные , силы обычно превышают гравитационные. Так как вода смачивает породы лучше, чем нефть, то в результате

капиллярного давления она стремится вытеснить нефть из мелких пор в более крупные.

Можно предполагать передвижение нефти не в виде отдельных капель, а в виде молекулярных пленок. Зерна породы в результате молекулярного притяжения

обволакиваются концентрическими слоями воды. Нефть в свою очередь в виде молекулярных пленок располагается между слоями воды.

Передвижение подвижных веществ может происходить под действием капиллярного фактора, под действием гидравлического давления и в результате выдавливания при уплотнении породы. По существу сюда же должны быть отнесены и ранее упомянутые перемещения вследствие диффузии. Возникновение скопления представляет собой процесс возрастания концентрации углеводородов. Тогда

явления диффузии должны рассматриваться прежде всего как один из факторов разрушения существующих скоплений нефти и газа. Созидающая роль этого фактора может быть отмечена при рассмотрении региональной стороны явления. При

огромных масштабах диффузии этим процессом можно объяснить массовый переход углеводородов из одних пород в другие, из пород плохо проницаемых в породы хорошо проницаемые. Дальнейшая концентрация углеводородов в хорошо проницаемых пластах возможна под влиянием других факторов, в частности гидравлического.

Энергия газа. Энергия газа как движущая сила для нефти в пласте довольно хорошо изучена путем наблюдений за разрабатываемыми скоплениями нефти и газа. Установлено двоякое проявление энергии газа. Если в скоплении нефти и газа

последнего достаточно много для полного насыщения нефти при данном давлении и температуре, то избыток газа может образовывать газовую шапку. В газовой шапке газ находится в сжатом состоянии под давлением.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

§ 1. Основные понятия о миграции

333

При перепаде давления (например, при вскрытии пласта скважинами) газ расширяется, затрачивая свою энергию на работу по продвижению подстилающей его жидкости. В этом случае энергия расширяющегося газа прикладывается к поверхности его контакта с жидкостью. Такой режим перемещения жидкости (нефти) в пласте называется газонапорным.

При снижении давления происходит выделение и расширение газа, растворенного в нефти или в воде. Выделяющийся и расширяющийся газ также совершает работу по перемещению жидкости. В этом случае энергия газа равномерно распределена по всему объему жидкости. В практике разработки скоплений нефти такой процесс называется режимом растворенного газа. •

Упругие расширения жидкости и пород. В. Н. Щелкачев и И. Н. Стрижов изучали упругие свойства жидкости и пород. Жидкость (преимущественно вода), заполняющая коллектор и находящаяся под некоторым давлением, сжимается. Коэффициент сжимаемости воды весьма мал (примерно 5-Ю"5 1/ат), но при больших

объемах воды в пласте снижение давления в нем может вызвать значительное увеличение объема жидкости. Увеличение объема жидкости будет сопровождаться ее перемещением — миграцией.

Коэффициент сжимаемости пород еще меньше, но при больших объемах пласта

его упругие силы могут иметь существенное значение для миграции жидкости в пласте. При снижении пластового давления в результате упругого расширения зерен породы поровые каналы будут сужаться, а находящаяся в них жидкость вытесняться из пласта.

А. Н. Снарский допускает существенное повышение внутри-пластового давления в глинах за счет их уплотнения, которое по своим размерам может приблизиться к горному давлению. Может наступить момент, когда внутрипоровое давление превысит предел упругости породы, произойдет ее разрыв и образование трещин. По

образовавшимся трещинам произойдет миграция от пород с большим поровым давлением в сторону пород, в которых поровое давление равно гидростатическому.

Широко применяющаяся ныне практика гидравлического разрыва пластов подтверждает выдвигаемую А. Н. Снарским схему.

Как видно из изложенного, процесс миграции определяется физико-химическим состоянием мигрирующих веществ, силами, вызывающими их перемещение, и

наличием путей миграции. Если физическое состояние мигрирующего вещества

допускает его перемещение под действием любого из перечисленных выше факторов и при этом существуют необходимые пути миграции, то последняя будет происходить на любые расстояния в пределах действия сил миграции. Таким образом,

вопрос о дальности миграции следует рассматривать прежде всего исходя из конкретной геологической обстановки, обеспечивающей действие необходимых сил и

наличие

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

334 Гл. X. Миграция нефти и газа, формирование и разрушение их скоплений

путей для перемещения. Судя по крупным нефтяным и газовым месторождениям, протягивающимся иногда на многие десятки и даже первые сотни километров,

необходимо допустить миграцию по пластам (внутрирезервуарную) на многие километры.

В горных и предгорных районах на всем протяжении складчатых зон, опоясывающих земной" шар, известны обильные нефтегазо-проявления. Связано это

как с тем, что в сильно дислоцированных областях существуют многочисленные пути

— трещины и разломы, облегчающие продвижение нефти и газа, так и с тем, что здесь происходят мощные процессы размыва, выводящие насыщенные нефтью и газом пласты на поверхность земли. Большинство естественных выходов нефти и газа

являются проявлением внерезервуар-ной миграции углеводородов на срезе современной поверхности земли. Эти явления свидетельствуют о процессах, которые

происходят в недрах и создают в природных резервуарах мощные скопления нефти и газа.

В слабодислоцированных складчатых районах и на платформах, где не наблюдается подобных интенсивных проявлений нефти и газа, подвижные вещества в недрах все же перемещаются то с большей, то с меньшей силой.

Миграция является одной из форм движения в общем процессе нефтегазообразова-ния и нефтегазонакопления в земной коре.

Известны многочисленные попытки создать классификацию миграционных процессов по их характеру и направлению. В. А. Соколов (1965) считает, что в

предложенных классификациях не учитывается рассеяние газа и нефти, а поэтому среди миграционных процессов предлагает выделять фильтрацию, всплывание,

диффузию, отжатие из уплотняющихся глинистых пород, перенос газа и нефти вместе с водой (в растворенном и в свободном виде), растворение и перенос нефти сжатыми

газами. .

При этом он отмечает, что всякий процесс миграции на более или менее

значительное расстояние сопровождается процессом разделения мигрирующей газовой и газонефтяной смеси. Следует, однако, отметить, что в природе обычно

одновременно проявляются противоположные тенденции. Мы также неоднократно подчеркивали возможность дифференциации веществ в процессах их миграции. Но при этом не следует забывать, что во многих случаях именно процессы миграции приводят к смешению ранее разделившихся веществ. В литературе по геологии нефти существует большое количество терминов, связанных с процессами миграции. Наиболее часто употребляются такие термины, как первичная и вторичная миграция, вертикальная и боковая (латеральная), урмиграция (первичная) и эмиграция (вторичная) и т.д.

И. М. Губкин писал: «Закон передвижения нефти в сущности чрезвычайно прост: нефть выбирает линии наименьшего сопротивле-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ния и пробирается в каждом отдельном случае в том направлении, в каком ей это легче сделать». С этой точки зрения следует выделять лишь основные типы миграционных процессов, постоянно имея п виду возможность сосуществования различных видов миграции;

Исходя из упоминавшихся выше критериев, И. О. Брод совместно с автором в 1945 г. разработал классификацию миграционных процессов, которая и приводится

ниже в несколько переработанном и расширенном виде. Все миграционные процессы рассматриваются по трем категориям: 1) по форме (характеру) движения нефти и газа;

2) по масштабу движения; 3) по путям движения. -Факторы, обусловливающие процессы миграции, были рассмотрены ранее.

В табл. 55 и 56 рассмотрены группы, виды и разновидности миграционных процессов, при этом предусмотрены всевозможные формы движения битумов при

формировании и разрушении скоплений нефти и газа.

Таблица 55 Классификация миграционных процессов по форме и масштабу движения

Миграция нефти и газа в гидродинамической обстановке коллектора, при которой они перемещаются по пласту вместе с гидравлическим потоком, подтверждается экспериментами В. А. Краюш-кина (1967). Эксперименты проводились в реальных пористых средах с водонасыщенностью 100%, при температуре 20—30° С и давлениях

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

336 ^]л" ^" Миграция нефти и газа, формирование и разрушение их скоплений

5—20 am. Они показали, что гидравлические потоки в большинстве случаев являются не разрушительной силой, а, наоборот, силой, создающей месторождения нефти и газа.

Таблица 56 Классификация миграционных процессов по путям движения

В. А. Краюшкин считает, что при латеральном подходе нефти вместе с

гидравлическим потоком к любым ловушкам антиклинального типа (пластовым, сводовым или массивным) нефть и газ не всплывают к их сводам, а образуют у места входа небольшие скопления. Перемещение этих

углеводородов вверх к своду ловушек осуществляется путем приращения их новых порций к данному скоплению и движения вверх по склону только на том отрезке пути, который соответствует приращенному объему скоплений.

Миграция нефти и газа от подошвы антиклинали к своду происходит в виде «ползущего ручейка» или струи. Нефть и газ вытесняют из пор воду, подталкиваемые гидравлическим потоком, который уносит из ловушек и вытесняемую воду. Поэтому В. А. Краюшкин считае:', что нефть и газ,

латерально мигрирующие вместе с гидравлическим потоком вверх по восстанию моноклинали, также движутся в виде «ползущего ручейка» или струи, переносятся гидравлическим потоком и улавливаются на участках пьезометрических минимумов — у литологических барьеров, поверхностей стратиграфических несогласий, зон уменьшения проницаемости коллектора и т. д.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Миграция нефти и газа в коллекторе подтверждается в процессе применения разработки нефти путем применения методов заводнения и закачки газа.

§ 2. ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ЗАЛЕЖЕЙ

Передвижение углеводородов сопровождается дальнейшими хими- ческими и физическими преобразованиями, в результате которых и возникают разнообразные углеводородные соединения.

Длинный путь ведет от рыхлого песка и ила к образованию плотного песчаника, сланцеватой глины или известняка. Жизнь углеводородных соединений не отделима от жизни и развития содержащих их отложений. Это происходит не потому, что глины служат катализатором при образовании битумов, и не только потому, что образовавшиеся масла, смолы и асфальтены входят в химическое взаимодействие с окружающей породой, но и потому, что превращение осадка в породу меняет его физические свойства, а следова- тельно, меняет и его взаимоотношение с содержащимися в нем подвижными веществами. При погребении осадка происходит все большее его уплотнение

и перемещение насыщающих его подвижных веществ в менее уплотненные зоны. Если нефтематеринская формация содержит в себе прослои и линзы песков или включения каких-нибудь других мало уплотняющихся осадков, то подвижные вещества перемещаются в них. Этому содействует капиллярный фактор. Более проницаемые породы с заключенными в них подвижными

веществами оказываются окруженными слабопроницаемыми породами с субкапиллярными порами, заполненными водой. При таком сочетании вода

стремится вытеснить нефть в более крупнопористые зоны и во всяком случае удержать в них нефть. Подвижные вещества дифференцируются. Газ и нефть всплывают над водой, образуя залежи этих полезных ископаемых.

Примером залежей нефти, образовавшихся, по-видимому, в материнской свите по описанной выше схеме, могут служить залежи в песчаных скоплениях, которые заключены в толще глин олиго-ценового возраста (майкопская свита) Кавказа,

В тех случаях, когда возникновение нефтяных углеводородных соединений связано с карбонатными илами, природным резервуаром может служить в целом толща, в которой произошло образование нефти и газа-

На первом же этапе формирования залежей может происходить не только их образование, но и разрушение. Процессы образования и разрушения тесно переплетаются между собой. Те же причины,. которые вначале способствуют образованию залежи, а в дальнейшем могут явиться причиной ее разрушения.

Так, в период формирования нефти биологические процессы, т. е. всевозможные биохимические реакции, помогают образованию

22 Заказ 1934.