Курсовая работа (т): Первичная миграция нефти и газа

4) Появление новых порций воды - высвобождение новых порций связанной воды (рис. 5). Большей частью НГМП являются глинистые породы, поровые пространства которых насыщены седиментационными водами. Эти породы являются основными генераторами УВ. Пелитовые воды отдают всю свою воду в процессе уплотнения. Отдача воды происходит по экспоненциальной кривой, в пределах которой можно выделить три отрезка или стадии, хорошо коррелирующиеся со стадиями генерации УВ (Высоцкий, Высоцкий, 1986).

Рис. 5 Появление новых порций связанной воды при дегидратации глинистых минералов (фото Джима Букмана)

Глава 4. Механизмы первичной миграции

Механизм миграции и эмиграции УВ до настоящего времени является предметом дискуссий, так как общепризнанной теории еще нет, хотя именно этот механизм определяет возможность появления скопления нефти или газа. Со стороны сторонников неорганического происхождения нефти эмиграция вызывает наибольшее количество возражений. В.Ф. Линецкий вообще считал невозможным процесс миграции углеводородов по материнским толщам, сложенным глинистыми породами из-за высокой сорбционной способности глин, их низкой проницаемости, которая уменьшается с глубиной.

Сторонники осадочно-миграционной теории С.Г. Неручев и И.С. Ковачевой в 1965 году определили изменения состава флюидов в материнской породе в зависимости от расстояния до кровли коллектора. Они проанализировали состав нефтей палеозойского возраста в месторождениях Шпаковского и Туймановского Волго-Уральского нефтегазоносного бассейна и выяснили, что содержание N+S+O на расстоянии 14-16 метра до контакта с коллектором составляет 8,65%, а на расстоянии 0-2 м их 13,61%. Содержание углерода и водорода в данном случае уменьшается. Это служит доказательством перемещения УВ, при котором более тяжелые молекулы смол и асфальтенов сорбируются на минеральном матриксе породы, а лёгкие УВ свободно проникают вглубь коллектора (рис. 6).

Рис. 6 Изменение состава УВ при удалении от коллектора

Перенос молекул нефти и газа внутри НГМП может осуществляться разными способами в зависимости от особенностей распределения этих молекул в материнской породе. Существует различные формы переноса

·  в водорастворённом состоянии;

·        в виде газовых растворов;

·        в свободном состоянии.

Экспериментально было выяснено, что растворимость жидких УВ в воде крайне мала и измеряется в пределах от 0.03 до 0.25 л/м³. До главной зоны нефтегазообразования видно, что жидкие УВ могут раствориться в воде, каковыми являются коллоидные и мицеллярные растворы, так как УВ плохо растворяются при такой температуре. Поэтому большинство жидких УВ способно растворяться в свободном состоянии за счет соотношения объёма генерации УВ с их количеством, способным раствориться в воде или газе. Глубже, на стадии нижней зоны газообразования жидкие УВ способны хорошо растворяться в газе, за счет его преобразования и уже возможна миграция в газовой форме. Главными агентами данного процесса являются давление и состав газа.

4.1    Эмиграция углеводородов в водорастворенном состоянии

Эмиграция УВ в водорастворенном состоянии, предполагает, что седиментационные воды в процессе уплотнения материнской свиты выносят в прилегающий коллектор растворенные жидкие и газообразные УВ или находящиеся в эмульсионной или коллоидной форме жидкие УВ.

Рис. 7 Общая схема эмиграции (Высоцкий, Корчагина, 1995)

В дальнейшем УВ мигрируют вместе с пластовыми водами и с ухудшением растворимости в результате понижения температуры выделяются в свободное состояние и заполняют ловушки. УВ могут находиться в воде в виде молекул, мицелл и эмульсий.

Исследования по растворимости УВ в воде были высказаны Дж. Адамсом в 1903 году, а позднее В.Д. Ламтадзе, Н.М. Страховым, Н.Б. Вассоевичем и другими. В результате многих исследований было получено, что растворимость УВ в воде колеблется от первых граммов до нескольких килограммов на кубический метр воды и зависит эта величина от многих факторов. (Высоцкий, Высоцкий 1986)

Температура - один их главных факторов, определяющих растворимость УВ в воде. С повышением температуры влияние размеров молекул на растворимость УВ снижается (рис. 8). По данным Прайса наибольшую растворимость имеют арены, а наименьшую - н-алканы. Например растворимость бензола составляет 1740 мг/л, а н-нонана 0,122 мг/л. Таким образом растворимость УВ увеличивается от алканов к цикланам и более резко к аренам. (Баженова, Бурлин, 2000)

Присутствие в воде растворенного газа также влияет на растворимость в ней УВ. (табл. 2) Влияние газа зависит от степени насыщения им воды, состава газа и температуры. Отрицательное влияние газов на растворимость в воде жидких углеводородов увеличивается в ряду азот-метан-этан-углекислый газ-пропан, (Баженова, Бурлин, 2000)

Рис. 8 Относительная растворимость УВ в воде с ростом температуры

По данным Л. Прайса в интервале температур 25-180С растворимость нефтей тяжёлого состава составляет первые граммы на 1м³, для лёгких этот показатель составляет сотни граммов на 1м³.

Таблица 2

Из данной таблицы мы видим, что в среднем растворимость УВ в воде насыщенной метаном снижается на 27-47%. Это означает, что повышение газонасыщенности вод снижает растворимость УВ.

Так же на растворимость УВ оказывает влияние минерализация пластовых вод. Минерализация пластовых вод в природных условиях может варьировать от нескольких миллиграммов до сотен граммов на литр. Она оказывает непосредственное влияние на растворение УВ. По данным Л. Прайса растворимость пентана при 25С в дистиллированной воде равна 39.5 г/м³, в морской воде 27.6 г/м³, а в воде с большой минерализацией всего 2.01 г/м³. Если учесть во внимание, что большинство пластовых вод имеют высокую минерализацию, то растворимость УВ в них незначительна (Высоцкий, Высоцкий, 1986).

Мицеллярная растворимость УВ также имеет определенное значение для первичной миграции. Она была рассмотрена в работах В. Майншайна 1959г., М.И. Гербера и М.Ф. Двали 1961г., Э. Бейкера 1962 и 1967 гг., а так же С.Н. Белецкой 1978г. и др. Проведенные опыты по извлечению водой ОВ из глин показали, что количество извлекаемого РОВ превышает величину истинной растворимости его компонентов. Вероятно, причиной этому послужило существование в водном растворе углеводородных мицелл. Для образования мицелл в воде требуется значительное количество поверхностно-активных полярных веществ (ПАВ) - мицеллообразователей, например, жирных и нафтеновых кислот, а так же гетерогенных компонентов асфальтено-смолистых веществ, способных, по мнению Р. Корделла, давать высокомолекулярные коллоидообразующие вещества. Однако содержание таких веществ в пластовых водах несколько сотых грамм на литр. Кроме этого, для мицелл максимум их образования приходится на температуру 70С, а при дальнейшем повышении температуры они распадаются. Также в водных растворах, содержащих Ca и Mg, органические кислоты могут образовывать нерастворимые соли кальция и магния, что препятствует возникновению мицелл. Размер мицеллы достигает до 500 нм, что превышает диаметр сообщающихся пор в глинах в 100 - 50 раз, и исключает возможность их просачивания через глины. Таким образом, миграция УВ возможна только при наличии большого количества мицеллообразователей и глубине до 1.5 км, где глины ещё не уплотнены.

Возможность образования слабоконцентрированных эмульсий УВ в воде была высказана еще в 1909 году М. Мэнном. Позднее данная теория рассматривалась в работах М.Ф. Двали 1959 г., В.И. Сергеевича 1972 г., а так же Н.М. Кругликова и Н.С. Петрова в 1976 году.

Представление данной теории выдвигалось в двух тезисах:

.   Жидкие УВ образуются из ОВ в тонкодисперсном состоянии.

2.      Возникает химическое эмульгирование УВ при взаимодействии кислотных компонентов ОВ с щелочными пластовыми водами, при pH равном 8-9.

А.А. Трофимчук, А.Э. Конторович и В.С. Вышемирский провели несколько экспериментов с предварительно дебитуминизированной и насыщенной водой глиной и тяжёлым остатком нефти. Глина подвергалась сжатию под давлением 15-30 Мпа и температуре 40-70С. В результате в отжатой воде, содержание нефтяного остатка составляло 0.0085%, что превышало его истинную растворимость в 4 раза. Экспериментаторы считают, что часть нефтяного остатка находилась в виде тонких эмульсий (Высоцкий, Высоцкий, 1986)

4.2    Эмиграция углеводородов в газорастворенном состоянии

Расчёт количественной интенсивности генерации УВ на различных стадиях превращения был произведён А.Э. Конторовичем, С.Г. Неручевым и др. по методу В.А. Успенского. Подсчеты объема генерации ОВ приведены в таблице 3.

Таблица 3

Из приведенных данных в таблице следует, что генерация высокомолекулярных УВ, смол и асфальтенов составляет сотни граммов на кубический метр осадка от протокатагенеза до газовой стадии углефикации при содержании сапропелевого ОВ, равного 1%. На стадии жирных углей генерация уменьшается. Для гумусового ОВ наблюдается обратная зависимость: в протокатагенезе и на буроугольной стадии углефикации объем генерирующихся УВ небольшой, а начиная со стадии метокатагенеза он резко увеличивается до сотен грамм на кубический метр породы.

Для расчёта удельной продуктивности материнских пород извлекаемых из РОВ растворителями используется следующая формула:

П = С_овdK_в * 100

П - удельная продуктивность породы;

C_ов - содержание ОВ в породе;

D - плотность породы;

К_в - коэффициент выхода УВ из РОВ

Из расчётов данной формулы И.Ю. Корчагиной и О.П. Четвериковой была придумана классификация материнских пород по продуктивности:

.   Очень бедные материнские породы - продуктивность 10-50 г/м³ и коэффициент выхода УВ не более 0.5% от РОВ;

2.      Бедные - продуктивность 50-100 г/м³ и выход УВ до 1%;

.        Хорошие - продуктивность 250-500 г/м³;

.        Богатые и очень богатые - продуктивность 500-2500 г/м³.

К последнему типу относятся материнские породы баженовской свиты и доманиковой свиты. Наиболее распространены по мнению Корчагиной и Четвериковой материнские породы с продуктивностью от 250 до 500 г/м³, каковыми являются хорошие материнские породы с содержанием ОВ от 0.1 до 5% и коэффициентом выхода УВ от 10.87 до 0.21%

Изучение вопроса растворимости жидких УВ в природном газе было начато в 50х годах прошлого века Т.П. Жузе и М.А. Капелюшниковым и продолжается до настоящего времени. Главными агентами данного процесса являются давление и состав газа. Способность газа растворять жидкие УВ уменьшается в ряду пропан, двуокись углерода, метан, этан. Зависит она от наличия гомологов в газе. Так, например, по данным Л.Н. Королёва и Т.П. Жузе присутствие в газе 10-15% гомологов метана повышает растворимость жидких УВ подобно увеличению давления на 35 МПа. Метан при температуре 40С и давлении 10 МПа способен растворять парафиновые УВ в количестве 50-70 г/м³, а ароматические 10-49 г/м³. Смолы и асфальтены растворяются при высоком давлении, температуре и содержания в газе гомологом метана. Растворимость жидких УВ в природном горючем газе составляет десятки, а то и сотни грамм на 1 м³. (Высоцкий, Высоцкий, 1986)

Исследователями также установлено, что при прохождении сквозь материнскую породу углеводородный и углекислый газы способны извлекать жидкие УВ, смолы и асфальтены. Количество увеличивается при повышении давления, температуры, степени влажности и длительности воздействия на них газа. При этом наблюдается следующая последовательность извлечения: парафиновые УВ - нафтеновые - ароматические - смолистые вещества - асфальтены. М.А. Капелюшников, Т.П. Жузе и Л.С. Закс выяснили, что растворимость бензино-керосиновых фракций нефти составляет 50-60 г/м³ при давлении 15 Мпа и температуры до 50С, а при давлении 40 МПа и температуре более 90С растворимость достигает 100 г/м3. Также определено, что в пористой среде давление растворения нефти в газе ниже, чем в лабораторных опытах, что связано с сорбцией поверхностью пород наименее растворимых соединений.

Исследования в области определения роли угленосных и субугленосных толщ в генерации углеводородных газов также проводились многими исследователями. Основная заслуга в разработке этой проблемы принадлежит А.Л. Козлову, В.И. Ермакову, И.В. Еремину, М.В. Голицыну и др. В процессе преобразования органического вещества углей образуются различные газы. Большинством исследователей признаётся, что на высоких градациях катагенеза (глубины 4 км и выше) процесс газогенерации идёт особенно активно. Этот вывод очень важен для установления роли газа в миграции жидких УВ. Углеводороды, растворённые в газе, по-видимому, являются преобладающей формой перемещения в породах с очень мелкими порами. Эмиграция нефтяных углеводородов в виде газовых растворов доказана экспериментально. Существует также мнение о возможности перемещения нефти в виде пленки на поверхности пузырьков газа. На основе теоретических расчетов Н.М. Кругликов обосновал механизм миграции нефти в виде пленки на газовом пузырьке. При прохождении через жидкую фазу газовый пузырёк захватывает пленку нефти, толщина нефтяной плёнки не должна превышать 1/3 радиуса газового пузырька, масса же нефти может превышать массу газа более чем на порядок. (Баженова, Бурлин, 2000)

4.3 Эмиграция углеводородов в свободном состоянии

Возможность эмиграции жидких УВ в свободном состоянии определяется соотношением объёма генерации УВ с их количеством, способным раствориться в воде или газе. В условиях генерации УВ происходит растрескивание материнской породы под действием выхода паров легких УВ и воды. Выяснено, что при температуре 300^◦С (в недрах это соответствует условиям диагенеза) происходит образование трещин, связанных с выходом паров легких УВ и воды (рис. 9а). При температуре 400^◦С (конец ПК - начало МК) появляются крупные линзообразные трещины, образованные в местах наибольшей концентрации вновь образованных флюидов, на этом этапе происходит максимум генерации УВ (рис. 9б). При температуре 470^◦С (начало АК) новые крупные трещины не образуются, отмечаются мелкие трещины поперек напластования, соединяющие ранее образованные более крупные пустоты (рис. 9в), начинается процесс миграции. А при температуре 510^◦С уже изменений в структуре порового пространства не фиксируется. В процессе миграции разница давлений выравнивается, поры схлопываются и снова начинается процесс аккумуляции.

Рис. 9 Изменение структуры порового пространства (Корост, Надежкин, 2010)

а - нагревание до 300^◦С,

б - нагревание до 400^◦С,

в - нагревание до 470^◦С, красным пунктиром показаны зоны трещиноватости поперёк напластованию.

Если взять мощность материнской породы 20 метров, то площадная продуктивность материнской толщи будет 700 кг на 1м². Площадная продуктивность рассчитывается по формуле

П_пл = 6,4C_овК_в

Измеряемая величина площадной продуктивности кг/м2. Площадная продуктивность позволяет подсчитать общий объём сгенерированных УВ и сравнить его с количеством УВ, растворившихся в воде или сжатом газе. Так, количество жидких УВ, которые способны раствориться в воде, измеряется лишь граммами на кубометр породы и иногда достигает нескольких десятков граммов при температуре 150С. В процессе эмиграции растворением УВ в воде можно пренебречь.