Факторы вторичной миграции нефти и газа

 

Миграция УВ обуславливается рядом причин или факторов. Среди наиболее важных факторов выделяются: гравитационный, гидравлический, геодинамический, диффузионный и действие капиллярных сил.

Гравитационный фактор. По мнению большинства исследователей главной или даже единственной силой, обусловливающей вторичную миграцию УВ, является гравитационная сила. Поэтому миграция УВ происходит в свободном фазово-обособленном состоянии и является в основном восходящей. Представление о струйной миграции сформулировал в 1958 году В.П. Савченко.

Всплывание УВ идет по зонам наименьшего фильтрационного или капиллярного сопротивления субвертикально в проницаемых зонах и сублатерально в кровельной части проницаемых пластов по их восстанию.

Гравитационный фактор обусловлен всплыванием нефти и газа в природных резервуарах по наиболее крупным сообщающимся пустотам. Сила всплывания или выталкивания нефти и газа водой р_в пропорциональна разнице плотностей воды ρ_в и углеводородов ρ_ув в пластовых условиях, высоте струи УВ Н и синусу угла наклона пласта, умноженных на ускорение силы тяжести g:

 

р_в = gН (ρ_в–ρ_ув) sin α,

 

где р_в - сила всплывания нефти и газа

g – ускорение силы тяжести,

Н – высота струи, как разность отметок начала и конца фазы,

ρ_в–ρ_ув – разность плотностей воды и УВ (нефти или газа) в пластовых условиях.

α – угол наклона пласта коллектора.

В пластовых условиях струйная миграция нефти и газа начинается только тогда, когда сила всплывания нефти и газа превысит капиллярное давление в поровом канале, или туннеле, коллектора. Наиболее существенную помеху миграции УВ представляют сужения поровых каналов. С вязано это с тем, что капле шарообразной формы, которая обладает минимальной поверхностью, для прохода через сужение необходимо преодолеть силу поверхностного натяжения и вытянуться, то есть увеличить свою поверхность. Для этого необходима дополнительная энергия. Разность давлений, позволяющая преодолеть капиллярные силы, образуется при слиянии капель в струю. Поэтому всплывание УВ облегчается, если оно происходит не отдельными каплями, а струей. Следовательно, уже на стадии миграции УВ необходима первичная аккумуляция УВ, которая и происходит на контакте производящей породы и коллектора.

По расчетам А.И. Леворсена сила всплывания нефти начинает заметно проявляться при высоте непрерывной фазы (струи) от 1 до 10 м. В.П. Савченко подчёркивает, что миграция нефти и газа начинается при малейшем перепаде давления, то есть при превышении силы всплывания нефти (газа) над капиллярным давлением. Таким образом, чем интенсивнее дислоцированы породы и круче поставлены пласты, и чем больше разница в плотностях УВ и воды и длиннее струя непрерывной фазы УВ, тем больше сила всплывания.

Противодействие капиллярных сил резко уменьшается при пластовых температурах свыше 90 °С в присутствии поверхностно-активных веществ, а при температуре 150 ºС становится столь незначительной что может не учитываться. Связано это со снижением силы поверхностного натяжения.

Гидравлический фактор. Сущность этого фактора заключается в транспортировке УВ водой. Движущиеся вверх по пласту или разрывному нарушению подземные воды переносят газ и нефть в растворенном состоянии и облегчают всплывание нефти и газа.

Фильтрация жидкостей происходит согласно закону Дарси, по которому количество жидкости, проходящее в единицу времени через породу-коллектор с определенным поперечным сечением, прямо пропорционально проницаемости породы и перепаду давления, обусловливающему фильтрацию, и обратно пропорционально вязкости жидкости.

Роль гидравлического фактора может проявляться в жестких термобарических условиях при температуре выше 150 ºС, когда резко возрастает растворимость нефти в воде. Её растворимость при температурах до 100-110 ºС очень низкая и составляет порядка 100 г нефти на 1 м³ воды.

Большое значение гидравлическому фактору придавали А.А. Бакиров, И.О. Брод, М.С. Бурштар, З.А. Табасаранский и др. В настоящее время большинство геологов (И.В. Высоцкий, Н.А. Еременко, Г.В. Чилингар, С.Б. Вагин, В.П. Шугрин, Ю.И. Брагин и многие другие) считают, что роль гидравлического фактора весьма незначительна. Связано это с низкой растворяющей способностью и скоростью движения пластовых вод. Скорость движения подземных вод наибольшая в складчатых областях и передовых прогибах, но и здесь она достигает всего нескольких десятков метров в год, а чаще находится в пределах нескольких метров или даже нескольких десятков сантиметров в год. В платформенных условиях пластовые воды движутся со скоростью от микрометров до 10 см в год.

Геодинамический фактор. Мощным источником энергии миграционных процессов являются тектонические процессы и геодинамика недр.

Тектонические движения наиболее интенсивно протекают при проявлении тектонических фаз. Повышенная тектоническая активность ведёт к существенной перестройке структуры природных резервуаров, образованию в них путей вертикальной миграции - разрывов и трещин и нарушает равновесие флюидных систем. Поскольку эти системы стремятся к статическому состоянию, то выравнивание энергии флюидов в пласте, нарушенной тектоническими процессами, достигается за счёт процессов миграции, формирования, переформирования и разрушения залежей УВ.

Среди геодинамических факторов наибольшее значение имеют постоянные короткопериодические и быстропротекающие процессы - землетрясения, а также явления связнные с лунно-солнечными приливами и изменениями солнечной активности. Эти процессы вызывают вариации гравитационного и электромагнитного поля Земли, баровакуумные эффекты и вибрации блоков горных пород. Например, на Земле происходит от 200 тысяч до 1 млн. землетрясений в год. Всё это способствует изменению упругих сил расширения флюидов и заключающих их пород и тем самым проявлению других факторов миграции, особенно - гравитационного фактора.

Диффузия УВ. Это один из механизмов переноса растворённого вещества, связанный с наличием в растворе градиента концентраций. Диффузия всегда происходит в сторону уменьшения концентраций вещества.

Многие исследователи отмечают, что диффузия имеет место при эмиграции УВ, но она в принципе по своей природе, связанной с выравниванием концентраций, не может самостоятельно привести к аккумуляции УВ и образованию их залежей. Большая роль диффузии проявляется при разрушении и рассеянии скоплений УВ. Однако, в некоторых благоприятных геологических условиях, при наличии весьма надёжных флюидоупоров диффузия может способствовать первичной аккумуляции УВ и возникновению вторичной собирательной миграции в эпигенетичных НГК. Этому явлению может способствовать также понижение температуры вверх по разрезу, которое ведет к уменьшению коэффициента диффузии УВ.

Действие капиллярных сил. Вода лучше, чем нефть смачивает горные породы, поэтому силы поверхностного натяжения между породой и водой больше. В связи с этим вода вытесняет нефть из мелких пор в крупные. Это создает в природном резервуаре условия для избирательного движения флюидов, дифференцированного по величине сечения проводящих каналов и возникновению струйной миграции нефти. Капиллярное давление понижается с увеличением диаметра пор и отсутствует в порах диаметром более 0,5-1,0 мм и трещинах шириной более 0,25 мм. В субакапиллярных порах менее 0,0002 мм и трещинах менее 0,0001мм физические связанные или адсорбированные флюиды препятствуют движению нефти, газа и воды. При прохождении нефти по пустотному пространству породы поверхность минералов гидрофобизируется и тогда на контакте нефти и воды знак капиллярного давления меняется на противоположный.

Миграции УВ могут способствовать и другие факторы, например:

- упругие силы (напряжения) расширения флюидов и заключающих их пород, возникающие вследствие уменьшения геостатического давления при тектоническом подъёме нефтегазоносных комплексов;

- разные коэффициенты теплового расширения пород и заключенных в них флюидов при погружении нефтегазоносных комплексов;

- изменение объема пор породы, вызванное их цементацией или перекристаллизацией минералов;

- избыточное давление, возникающее вследствие разности плотностей флюидов, залегающих в высокоамплитудных ловушках, которое вызывает прорыв газа или нефти через покрышку и их ремиграцию.