|
© Ю.В. Афанасьев, Л.В. Цивинская, 1999 |
ЗАЛЕЖЬ УГЛЕВОДОРОДОВ
КАК САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ СИСТЕМАЮ.В.
Афанасьев, Л.В. Цивинская (Самарский государственный технический университет)По мнению И.В.
Высоцкого и В.И. Высоцкого (1986) к важнейшим видам движения и перемещения первично рассеянных органических флюидов, определяющих формирование залежей, относится "аккумуляция УВ в ловушке и превращение их в современную нефть (газ)". "Механизм миграции и аккумуляции УВ, – подчеркивают они в своей работе, – до настоящего времени является предметом дискуссий, так как общепризнанной теории еще нет, хотя именно этот механизм определяет возможность появления скопления нефти или (и) газа".На наш взгляд, к настоящему времени имеются необходимые методологические, теоретические и экспериментальные основания для разработки моделей, уточняющих и конкретизирующих современные представления об аккумуляции органического вещества и его превращении в нефть. Цель данного исследования – изложение оснований моделирования и модели формирования залежей УВ.
Залежь УВ – сложный геологический объект, обладающий множеством свойств, сторон, аспектов. Возможности наблюдения за изменениями этого объекта не исключены, но весьма ограниченны. Однако к настоящему времени накоплен огромный объем фактов, в том числе физико-химического характера, как нашедших, так и не получивших удовлетворительного объяснения. Поэтому генетическая модель должна отражать как можно большее число сторон и может быть построена с опорой на весь совокупный исторический экспериментальный и теоретический материал как геологический, так и методологический, позволяющий не только судить о состояниях и изменениях объекта, но и выдвигать обоснованные гипотезы о его происхождении и становлении. Поскольку проблема формирования оказывается на стыке теории и методологии моделирования, геологии, геохимии, физической химии и др., именно модели открывают возможность соотнести и связать друг с другом разнопредметные представления системного объекта.
Различного рода "аномалиям", в том числе вторичным изменениям пород, уделяется пристальное внимание в связи с возможной их причастностью к формированию месторождений УВ (Алексеева М.А., Каледа Г.А., 1975; Афанасьев Ю.В., 1994; Аширов К.Б., 1959; Исаев В.П., 1991; Холодов В.Н. и др., 1961; Чепиков К.Р. и др
., 1959). Целый ряд изменений обнаружен и подвергнут тщательному анализу К.Б. Ашировым (1962, 1969). Одним из значительных стало обнаружение явления запечатывания залежей нефти на водонефтяных контактах (ВНК), потребовавшее разработки и внедрения новой технологии эксплуатации.Целенаправленные и систематические исследования выполнены Р.С. Сахибгареевым, поскольку, по его мнению, "...изучение вторичных изменений (курсив авторов данной статьи) пород на древних ВНК позволяет понять многие особенности стадийности процессов формирования залежей..."[3]. Установленные вторичные изменения коллекторских сред нефтяных месторождений отражены в прерывистой и непрерывно-прерывистой моделях, суть которых может быть интерпретирована следующим образом. Стабилизация ВНК после прихода очередной порции УВ в ловушку сопровождается значительным растворением минералов цемента и скелета пород, слагающих коллектор, под действием продуктов окисления УВ. Перешедшие в растворенное состояние вещества в зависимости от гидрогеологических условий и степени заполнения ловушки "...либо могут вытесняться за пределы ловушек, либо откладываться ниже зоны растворения в виде цементирующих коллектор минералов. Поэтому вторичные неоднородности на древних ВНК могут быть двух типов. Первый тип связан с образованием зоны растворения, второй – с дополнительным развитием зоны цементации под зоной растворения"[3]. Зона растворения устанавливается по пигментации пород битумом окислительной природы. Часто ниже пигментированной (битумной) формируется безбитумная часть зоны растворения. Общая мощность зоны растворения в коллекторах, сложенных существенно кварцевыми песчаниками, в среднем около 5 м, ее битумной части – 2-3 м. Формирующиеся в процессе "многоэтапного поступления УВ древние ВНК могут либо сливаться
, либо разделяться "слоем" неизмененных пород", в котором нефть способна приостанавливать процессы катагенетического уплотнения пород (Чепиков К.Р., Ермолова Е.П., Орлова Н.А., 1959).Удалось обнаружить такой геологический объект, в котором сопряженность разуплотнения и цементации проявлена в наиболее отчетливой, простейшей форме. В качестве такового выступила нефтяная залежь с единственным ВНК Гаевского месторождения Калининградской зоны нефтенакопления. Залежь занимает сводовую часть куполовидного поднятия амплитудой 17 м и приурочена к среднекембрийским сравнительно однородным кварцевым песчаникам. По керну с выносом 100 % из скв. 1 литологическими и электронно-микроскопическими исследованиями установлена существенная вторичная неоднородность разреза, выражающаяся в различиях пористости, характера флюидонасыщения перового пространства и цементации последнего вторичными минералами [3].
За указанной неоднородностью открывается достаточно четко выраженная упорядоченность. Верхнюю часть разреза занимает нефтенасыщенный песчаник с "фоновой" пористостью и плотностью 2,35-2,45 г/см
3. Ниже по разрезу следует разуплотненный песчаник плотностью 2,18-2,20 г/см3, стенки пор которого выполнены твердым черным битумом, вследствие чего разрез приобретает характерную темную окраску. Битуминозный песчаник сменяется разуплотненным водонасыщенным светлым песчаником с аналогичной плотностью. Ниже зоны разуплотнения четко выделяется зона цементации, сложенная плотным кварцитоподобным пиритизированным песчаником плотностью до 2,6 г/см3. Зона цементации через небольшую "переходную" зону с изменяющимися параметрами "плавно" переходит также в водонасыщенную "нейтральную" зону, параметры которой близки или совпадают с имеющимися у возможных коллекторов до прихода УВ и аналогичны параметрам нефтенасыщенной части.Вторичным изменениям карбонатных пород нефтяных залежей Урало-Поволжья и Северного Прикаспия посвящены исследования Л.В.
Цивинской. Предложенная ею литогенетическая модель формирования залежей УВ отличается от модели Р.С. Сахибгареева большей детализацией, основанной на открытом, благодаря имеющемуся уникальному петрографическому материалу и данным ряда физико-химических методов исследования, явлении ступенчатости процесса стабилизации ВНК, при сохранении общей картины, тенденций и направлений вторичных изменений пород карбонатных коллекторов (Аширов К.Б., Цивинская Л.В., Данилова Н.И. и др., 1985).Имеющийся материал по вторичным изменениям пород-коллекторов обнаруживает определенную общность. "Следы" формирования залежей в форме единичного ВНК или совокупности современного и древних ВНК вследствие определенного числа этапов проявляются (в рамках данной выборки):
Последнее порождает настоятельную необходимость обратиться к работам, в которых специально рассматриваются явления, связанные с образованием, устойчивым существованием и распадом стационарных или зависящих от времени регулярных, упорядоченных структур.
Установление общих закономерностей спонтанного возникновения макроскопических пространственных, пространственно-временных и временных структур – самоорганизации – является предметом новой научной дисциплины, возникшей на стыке нескольких наук – синергетики. Установлено, что самоорганизация возникает в неравновесных, стохастических потоковых системах, число элементов (подсистем, атомов, молекул и др.) в которых имеет порядок числа Авогадро.
Самоорганизующиеся системы являются открытыми и обмениваются с окружающей средой энергией и веществом. Благодаря потокам энергии и вещества элементы системы становятся активными и при критических условиях участвуют в хорошо согласованном коллективном движении, сопровождающемся образованием регулярной структуры. Макроскопические формы этого движения и структур немногочисленны и весьма характерны. Переход от однородного хаотического состояния к упорядоченному является следствием нарушения устойчивости системы. Определяющую роль в инициировании перехода играют флуктуации как в окружающей неравновесной среде, так и в самой неравновесной, но еще однородной системе. К настоящему времени обнаружены, а также экспериментально и теоретически исследованы явления самоорганизации в физических, физико-химических, биологических объектах [2,5], предпринимаются попытки применить синергетический подход для исследования и характеристики процессов в геологических системах (Летников Ф.А., 1992).Известно, что залежь УВ – открытая, неравновесная природная система, контактирующая с двумя резервуарами: источником энергии и вещества (нефтегазоматеринская толща) и термостатом (гидро- и атмосфера), в который диссипируют из нее вещество и энергия. Параметры внешней среды в связи с тектоническими явлениями существенно флуктуируют, вызывая флуктуации внутренних характеристик системы, играющих решающую роль в переходе системы в иное состояние в критических областях. Кроме того, известно, что залежь при естественном или техногенном нарушении
наложенных на нее внешних ограничений разрушается. Следовательно, можно предполагать, что возникновение пространственной структуры, проявляющейся в закономерном распределении флюидов по разрезу и простиранию и материально зафиксированной выносом вещества и продуктами необратимых физико-химических процессов (битум, новообразованные минералы), является свидетельством решающей роли самоорганизации в формировании залежи. В связи с этим задача поиска подходящей модели конкретизируется и формулируется следующим образом: результатом какого известного, реального процесса, происходящего при формировании залежи, является возникающая упорядоченная пространственная структура, или, иными словами, какова сущность процесса самоорганизации.На наш взгляд, наиболее адекватным и к настоящему времени достаточно хорошо изученным является процесс расслоения [4]. Тщательное исследование механизма и кинетики расслоения в двух- и многокомпонентных системах с ограниченной растворимостью компонентов выполнено И.Л.
Крупаткиным [1].Микроскопическими исследованиями было установлено [1], что расслоение – сложный процесс фазообразования, в ходе которого можно условно выделить три стадии: возникновение центров расслаивания как результат флуктуации концентрации, распространение расслаивания
и разделение жидкости на фазы. Вдали от расслоения гомогенизированный раствор представляет собой статичную жидкость, в которой отсутствуют какие-либо макроскопические движения. При приближении к расслоению в однородной жидкости возникают хаотические потоки, по форме и интенсивности отличающиеся от конвективных. В условиях расслоения, определяющихся составом и температурой раствора, сначала возникают центры расслаивания (от 1 до 5, как правило 1), представляющие собой (при микроскопическом наблюдении) локальные скопления мельчайших капель новой ведущей фазы (сгустки эмульсии). Число и место возникновения центров случайны и не зависят ни от концентрации, ни от режима эксперимента. С их появлением потоки жидкости интенсифицируются, их движение становится упорядоченным в направлении от центра. Вслед за ними из центра источаются тонкие струи эмульсии. Струи расширяются и сливаются в единый фронт расслоения. Далее процесс протекает таким же образом, но уже в направлении от фронта, постепенно охватывая весь объем раствора. За фронтом расслоения развивается следующая, завершающая стадия – разделение (отслои) фаз, которая заключается в коалесценции стремительно движущихся и сталкивающихся капелек ведущей фазы и последующем гравитационном отделении одной фазы от другой. При этом, по-видимому, происходит гомогенизация составов первоначально образовавшихся метастабильных фаз, т.е. приближение их к стационарным, отвечающим составу исходного гомогенного раствора и термобарическим условиям расслоения. Этот процесс направлен от периферии к границе раздела фаз и наблюдается по степени прозрачности. Разделение фаз завершается их осветлением и формированием поверхности раздела – мениска.Кинетическими исследованиями установлено, что скорость распространения расслоения сравнительно велика (первые единицы миллиметров в 1 с) и зависит от состава, переохлаждения и вязкости расслаивающейся системы. Наименьшая скорость имеет место при составах, близких к краям бинодали (бинодаль – кривая, характеризующая составы сосуществующих равновесных фаз на диаграмме состав–свойство), т.е. в условиях, близких к полной растворимости.
Скорость разделения фаз на несколько порядков меньше и также существенно зависит от тех же факторов. В условиях эксперимента разделение фаз может продолжаться несколько суток в зависимости от химической природы компонентов, входящих в состав расслаивающейся системы.
Физическая картина развития процесса расслоения фаз, обнаруженная и описанная И.Л. Крупаткиным, аналогична волновым картинам химической и хемотаксической активности в химических и биологических системах [5], а возникающие центры вполне отвечают признакам пейсмекеров – ведущих центров, выступающих источниками расходящихся волн [2].
"Если в данной системе имеет место равновесие трех жидких фаз, – отмечает И.Л. Крупаткин, обобщая результаты исследований многофазных равновесий, – то оно возникает так, что вначале из гомогенного образуются два жидких слоя. После
этого, при температуре трехфазного равновесия, один из слоев вновь распадается на две фазы, играя роль гомогенной смеси" [1].В трехкомпонентных системах с дополнительными твердыми фазами возможны области расслоения, в которых две жидкие фазы находятся в равновесии с твердым веществом [4]. Такие системы важны для геологии, так как при формировании залежей УВ неизбежно имеет место не только контактирование, но и взаимодействие как жидких, так и твердых веществ.
Изложенные основания позволяют представить формирование залежей УВ в следующей форме. Мигрирующее диффузионно из нефтегазоматеринских отложений ОВ аккумулируется в насыщенном минерализованной водой поровом пространстве коллекторов ловушки (Ларин В.И., 1995). Известно, что растворимость ОВ существенно зависит от минерализации воды. Поэтому увеличение его концентрации сопровождается снижением минерализации за счет оттока ионов растворенных солей, а затем и воды из зоны аккумуляции вниз по разрезу, т.е. устанавливается встречный диффузионный поток. Этот поток оказывает существенное влияние на формирование состава погребенных и пластовых вод. При достижении некоторой критической концентрации, соответствующей сложившимся к этому моменту неравновесным термобарическим условиям, формирующийся однофазный многокомпонентный флюид органическое вещество – неорганическое вещество – вода переходит в неустойчивое, метастабильное состояние. На значение критической концентрации определяющее влияние (помимо давления и температуры) оказывает пористая среда, вмещающая флюид. Вследствие существенных кинетических и диффузионных ограничений, накладываемых порами коллектора, критическая концентрация должна существенно превышать значения, экспериментально полученные в квазиравновесных условиях (Коган В.Б., Дейзенрот И.В., Кульдяева Т.Д. и др., 1959). Критический параметр может значительно возрастать в связи с многокомпонентностью и вязкостью флюида, а также поверхностными явлениями. Геометрия единичного модельного ВНК, подробно исследованного Р.С.
Сахибгареевым [3], дает основания принять критическую концентрацию близкой к 40-50%. В этих условиях согласованное, когерентное поведение частиц, составляющих сформировавшийся в поровом пространстве однофазный флюид, весьма вероятно.При переходе через критическое значение концентрации при данных термобарических условиях однофазное состояние многокомпонентного флюида становится неустойчивым,
т.к. флуктуации и внешние возмущения не гасятся. Незатухающие флуктуации в заполняющем эффективное поровое пространство закритическом флюиде, вызывающиеся, вероятнее всего, внешними, тектоническими стрессами, приводят к развитию переходного процесса, состоящего в распространении волн расслоения с последующим разделением фаз: органической (ОВ-фазы) и водной.В ОВ-фазе концентрируются главным образом УВ, а также в соответствии с закономерностями расслоения в системах с ограниченной растворимостью некоторое количество воды и солей (хлоридов, сульфатов и др.). Эти компоненты были обнаружены К.Б.
Ашировым и Н.И. Даниловой (1969) при исследовании нефтей, добываемых в так называемый безводный период эксплуатации залежей. Из приведенных данных видно, что в нефтях может содержаться до 0,8 % воды и от 15 до 90 мг солей на 1 л. Как уже отмечалось, при расслоении многокомпонентных жидкофазных систем, содержащих в гомогенном состоянии растворенные твердые компоненты, в том числе соли, возможно образование, помимо жидких, еще и твердой фазы [4]. Следовательно, с позиций расслоения присутствие в "безводных" нефтях твердой фазы солей вполне закономерно, а с другой стороны, является прямым свидетельством формирования пространственной структуры посредством расслоения.Обособление ОВ-фазы сопровождается возрастанием концентраций всех компонентов, которое обусловливает развитие процессов в сторону образования нефти. Эти процессы весьма разнонаправленны и приводят к образованию как легких (гидрирование, гидрогенолиз), так и тяжелых УВ (Исаев В.П., 1991; Успенский В.А., 1970).
В водной фазе концентрируются неорганические вещества и некоторое, соответствующее условиям расслоения количество органических. Кислые газы (СО
2, H2S) распределяются между обеими фазами.Граница раздела фаз вследствие того, что расслоение осуществляется в пористой среде, приобретает не двухмерную, плоскую форму (мениск), как это имело бы место в отсутствие среды, а трехмерную, пространственную. Трехмерность определяется также и физико-химическими свойствами контактирующих фаз, неоднородностью свойств коллекторов, капиллярным эффектом и др. Так как вариации свойств сравнительно ограниченны, протяженность такого рода "границы раздела" по вертикали может выступать в качестве своеобразной константы формирования.
Концентрирование полярных и кислых компонентов на "границе раздела" и в водной фазе приводит к увеличению концентрации ионов водорода (снижению рН) и резкому ускорению (в полном соответствии с законом действующих масс и принципом Ле-Шателье) процессов выщелачивания карбонатных минералов:
и замещения глинистых минералов (Лебедев В.А. 1992)
Кроме того, на "границе раздела" фаз создаются благоприятные условия для анаэробного восстановления сульфатов (сульфатредукции):
сопровождающегося ростом количества окисленных, полярных органических соединений и диоксида углерода.
Очень важное явление в формировании "границы раздела" – концентрирование на ней полярных органических соединений липидной и иной природы (эфиров, жирных кислот, спиртов). Вследствие поверхностной активности полярные дифильные молекулы этих соединений адсорбируются на контакте ОВ- и водной фаз, образуя мономолекулярный слой, в котором неполярные гидрофобные УВ-радикалы адсорбируются ОВ-фазой, а полярные гидрофильные функциональные группы – водной.
Отрицательно заряженные ионы поверхностно-активных электролитов (типа RCOO-, где R – УВ-радикал) адсорбируются также и на твердой поверхности пород, гидрофобизуя их и придавая им отрицательный заряд. Если концентрация поверхностно-активных соединений превысит критическую концентрацию мицеллообразования, то в ОВ- и водной фазах вблизи "границы раздела" и в ее объеме начинаются агрегация молекул и образование коллоидных частиц – мицелл. Процесс мицеллообразования, приводящий к сокращению числа частиц, существенно стимулируется пластовым давлением. В зависимости от концентрации число молекул в агрегате изменяется в широких пределах, что приводит к образованию мицелл как сферической, так и пластинчатой форм (Воюцкий С.С., 1976). В зависимости от среды образуются мицеллы двух типов. В водной среде неполярные УВ-радикалы молекул обращены внутрь мицелл, а полярные функциональные группы – в водную фазу. В УВ-среде полярные участки молекул направлены внутрь мицелл, а неполярные – в УВ-фазу.Образование коллоидного раствора сопровождается развитием солюбилизации – растворения в мицеллах как органических соединений, обладающих низкой растворимостью в воде, так и воды, характеризующейся низкой растворимостью в органической УВ-фазе.
Результатом этих процессов является образование разного рода конденсированных структур, преобразование которых при дальнейшей эволюции осадочного бассейна приводит к формированию полупроницаемых мембран и развитию стилолитов, образованию пленочного и консолидированного битумов как окислительного ряда, так и ряда карбонизации, а также других высокоуглеродистых форм (антраксолитов, карбенов, карбоидов, фулеренов и др.).
Интенсивность процессов выщелачивания в зоне локализации водной фазы по мере исчерпания резерва агрессивных компонентов снижается и сменяется процессом кристаллизации аутигенных минералов (СаСО
3, CaMg(CO3)2, CaSO4, SiO2, FeS2) порфиро- и пойкилобластической форм. В процесс кристаллизации вовлекаются и вещества, мобилизующиеся на "границе раздела" фаз. При этом формируется так называемый запечатывающий слой, или зона цементации. Формирование зоны цементации приводит к возрастанию концентрации сероводорода и затуханию сульфатредукции.Рассмотренной совокупностью процессов, представляющей собой лишь начальную стадию элементарного акта (этапа) формирования, охватывается пространство протяженностью по разрезу ~10 м. Поэтому формирование единичной залежи в ловушке с большими размерами осуществляется в несколько этапов, по существу, являющихся последовательной трансляцией этой совокупности. А завершается каждый акт возникновением структуры, получившей в развитом, зафиксированном разуплотнением и продуктами необратимых процессов состоянии название ВНК (древний ВНК) (Аширов К.Б., Цивинская Л.В., Данилова Н.И. и др., 1985; [3]), переходная зона которого есть не что иное, как трансформированная "граница раздела" фаз.
В различных геологических, нефтегенерационных, гео-, гидро- и термодинамических условиях реализация указанной совокупности процессов на каждом этапе, естественно, может давать бесчисленное множество индивидуальных форм: с запечатыванием и без него, с нейтральными зонами и без них, с равномерным и пятнистым распределением битума, с интенсивным и слабым разуплотнением и т.д., что хорошо подтверждается петрографическими исследованиями (Аширов К.Б., Цивинская Л.В., Данилова Н.И. и др., 1985; [3]).
Таким образом, на современном этапе развития нефтегазогеологической науки необходима разработка комплекса моделей, раскрывающих не отдельные стороны объекта – залежь, а их совокупности, а также ее тонкую структуру. Предложена модель формирования – самоорганизация породно-флюидной системы. В качестве важнейшего элемента механизма самоорганизации принято расслоение в многокомпонентной системе с ограниченной растворимостью компонентов как процесс, наиболее полно отвечающий признакам самоорганизации и неизбежно приводящий к формированию пространственной структуры.
Литература