Роль явления всплывания в нефте- и газонакоплении
Значение гравитационной и гидравлической теорий. Обычное залегание нефти и газа в закрытых антиклиналях поверх вод, оконтуривающих залежи, наводит на мысль о подъеме углеводородов в верхние части коллекторов вследствие того, что их удельный вес меньше удельного веса воды. Данную теорию можно назвать гравитационной, при этом ее следует четко отличать от антиклинальной теории. Последняя просто говорит о том, что нефть и газ встречаются в антиклиналях гораздо чаще, чем это можно было бы ожидать, если бы нефтяные и газовые залежи распределялись случайно, хаотически, независимо от структурных условий. Ни один геолог-нефтяник не сомневается в достоверности антиклинальной теории, но многие геологи ставят под сомнение тот факт, что гравитационный фактор является наиболее важным в процессе аккумуляции газа и нефти. Большинство геологов, не признающих гравитационную теорию, являются сторонниками гидравлической теории. Влияние капиллярных сил, хотя и признается в некоторых случаях значительным, однако не считается главным, так как оно не объясняет образование скоплений нефти и газа в антиклиналях; современная геологическая мысль ищет объяснение процесса нефте,накопления в гравитационной или гидравлической теориях или в комбинации их обеих.
Изучение геологической литературы показывает, что как гравитационная, так и гидравлическая теории имеют много приверженцев. А.У. Мак-Кой и У.Р. Кейт утверждают, что наибольшее число сторонников имеет гравитационная теория.
Сущность гравитационной теории. Принято считать, что всплывание не играет роли в процессе вытеснения нефти и газа из тонкозернистых материнских пород. После того, как нефть и газ попадут в коллектор (поры которого относительно крупнее, чем поры в материнских породах и,- следовательно, влияние поверхностного натяжения слабее, а условия для всплывания лучше), они начинают подвергаться воздействию сил тяжести. Так как трудно представить себе, что нефть и газ в закрытых антиклиналях возникли исключительно внутри них самих [в их пределах], то обычно предполагают, что нефть и газ до концентрации были рассеяны в коллекторах в виде небольших масс, которые поднялись к кровле коллекторов, а затем вдоль кровли мигрировали дальше вверх по воостанию слоев в антиклинали или другие ловушки.
Экспериментальные данные, противоречащие гравитационной теории. Самым большим препятствием к полному признанию гравитационной теории являются эксперименты, показывающие, что капельки нефти и пузырьки газа не всплывают в насыщенном водой песчанике с такой структурой (зернистостью), которая наиболее характерна для природных нефтяных коллекторов. Если нефть и газ не могут всплыть за несколько минут, то они не поднимутся и в течение очень длительного периода времени, если только не изменятся условия. Причина, мешающая всплыванию нефти и газа, заключается в том, что капельки и пузырьки должны при прохождении через поры между ограничивающими их зернами породы деформироваться, вследствие чего общая поверхность капельки или пузырька должна увеличиться. Этому увеличению их поверхности противодействует поверхностное натяжение, и для того, чтобы преодолеть его, потребуются силы, значительно большие, чем сила всплывания. Очевидно, именно эта неэффективность всплывания при лабораторных опытах заставила многих геологов принять гидравлическую теорию. В ней не было бы большой нужды, если бы удалось показать, что в природных условиях капельки нефти и пузырьки газа все же могут всплывать в коллекторах.
Полевые данные. В общем, скопления нефти и газа обнаруживаются в тех ловушках, где их и следует ожидать, если считать всплывание единственным фактором, обусловливающим их аккумуляцию. Например, Ч. Томлинсон утверждает: «Любое промышленное скопление нефти и газа в южной Оклахоме занимает Именно то место, которое ему и следовало бы занимать при условии, что различие в удельных весах нефти, газа и воды является единственным фактором, обусловившим миграцию нефти и газа внутри коллекторов». Довольно часто встречаются линзовидные песчаники, в которых нижние части заняты соленой водой, а верхние заполнены нефтью и газом. Эти случаи довольно легко объясняет гравитационная теория, но их трудно понять с позиций гидравлической теории, так как почти или вовсе невозможно объяснить, каким образом быстрые потоки, продвигающие капельки нефти через мелкозернистые песчаники, могут попасть в песчаные линзы, не связанные с основными массами песчаника. Короче говоря, полевые наблюдения, в общем, говорят в пользу гравитационной теории.
Однако есть такие залежи, образование которых вряд ли связано с явлением всплывания. Наклонные контакты нефть-вода и газ-вода, обнаруженные в ряде месторождений, нельзя объяснить только лишь действием гравитационной миграции. Аккумуляцию нефти и газа, полностью заполняющих песчаные линзы, также, очевидно, нельзя объяснить всплыванием. То же самое можно сказать о пористых линзах в песчаниках, известняках и доломитах, о системах трещин в известняках и других породах в тех случаях, когда указанные коллекторы почти целиком заполнены нефтью или газом. Часто встречаются заполненные нефтью жеоды, пустоты в раковинах и другие изолированные поры; при этом во многих случаях во вмещающих непроницаемых породах нельзя обнаружить какую-либо трещину или отверстие, через которое нефть могла бы попасть в пустоты. Аккумуляция нефти в таких мелких скоплениях также, очевидно, не-была обусловлена лишь одним всплыванием. Только что изложенные данные вовсе не опровергают гравитационную теорию вообще; они лишь показывают, что в ряде случаев действовали, другие факторы.
На некоторых участках явно антиклинальные скопления нефти и газа залегают в линзовидных коллекторах, например таких как песчаные линзы и локальные пористые зоны в песчаниках, известняках и доломитах. Примерами залежей данного типа являются многие нефтяные зоны в месторождении Гус Крик в Техасе, залегающие в непостоянных песчаниках, хотя эти зоны, по-видимому, приурочены к антиклинали. Вследствие небольшого горизонтального протяжения коллекторов данного типа, трудно представить себе, каким образом нефть под действием всплывания или под влиянием; гидравлических потоков могла продвинуться вверх по восстанию. Можно предположить, что нефть, вследствие существования трещин и небольших сбросов, возникших под действием напряжения вблизи антиклинальных перегибов, легко проникла в коллекторы около осей складок или же допустить, что в антиклинальных зонах под влиянием существующих там [повышенных] давлений нефть и газ генерировались в большем количестве.
Характер нефтяных и газовых месторождений песка Клинтон (Clinton) в восточном Огайо подтверждает предположение, что помимо всплывания аккумуляция нефти и газа в складках может обусловливаться другими причинами. Песчаник в этом-месторождении лишен воды, имеет ярко выраженную линзовидную форму и не постоянен в своем залегании. Ввиду отсутствия воды и, следовательно, невозможности всплывания нефти и газа вверх по восстанию, можно было бы предположить, что залежи нефти и газа не будут связаны с тектоническими структурами, но У.Л. Рассел обнаружил, что залежи тяготеют к зонам складчатости.
Опыты Эммонса и Тиля. Поскольку невсплывание частиц нефти и газа в насыщенном водой песчанике при проведении опытов в лаборатории является самым сильным аргументом против гравитационной теории, постольку данные в пользу того, что в природных условиях такой процесс может иметь место, значительно упрочили бы положение этой теории. Такие данные получены в результате опытов, поставленных У. Эммонсом и Д. Тилем. В опыте У. Эммонса стеклянные трубки антиклинальной формы были заполнены песком со смесью нефти, морской воды и легкого газолина. После значительного отрезка времени никакого накопления нефти в «антиклинали» не произошло. Тогда трубка была нагрета так, что газолин превратился в газ, находящийся, очевидно, под некоторым давлением. Через 48 часов газ мигрировал к вершине «антиклинали», нефть заняла промежуточное положение на крыльях «антиклинали», а морская вода оказалась в самых нижних частях резервуара. Te же самые результаты были получены при использовании вместо газолина эфира; так же себя вела углекислота, выделявшаяся при действии кислоты на известняк в трубке. Разделение флюидов имело место в тех случаях, когда выделявшийся газ находился под небольшим давлением.
В опытах Д. Тиля стеклянная трубка, диаметром в 25 мм, была заполнена раздробленным кварцитом, просеянным через сито в 20 меш (т. е. диаметром отверстий меньше, чем 0,833 мм). Кварцит был пропитан нефтью, а трубка наполнена морской водой, подкисленной уксусной кислотой до содержания в 0,5—1%. Схема опытов Д. Тиля дана на рис. 12-6. Плотно притертые пробки на концах трубок обозначены буквой С, а части трубки, заполненные дробленым известняком — буквой D. При воздействии уксурной кислоты на известняк выделялся углекислый газ, повышавший давление в трубке. Как и в только что описанном опыте У. Эммонса, присутствие газа вызывало аккумуляцию углеводородов и расслоение нефти, газа и воды в соответствии с их плотностями. Можно было бы Думать, что пузырьки газа переносят нефть в виде тонких пленочек или оболочек на своей поверхности. Однако Д. Тиль указывает, что это не имеет места при аккумуляции нефти в положении В (см. рис. 12-6), когда трубка имеет синклинальную форму, а нефть и газ скопляются на ее концах, потому что в этих случаях газ должен бы был пройти вниз по падению от концов трубки, где он образовался (D на рис. 12-6), в то время как движение нефти происходило прямо в противоположных направлениях.
Эти опыты показывают, что газы, находящиеся под давлением в нефтяных и газовых коллекторах, могут настолько уменьшать вязкость, силу прилипания и поверхностное натяжение частиц нефти, что создаются условия, при которых углеводороды оказываются способными перемещаться в коллекторах путем всплывания. Однако сделать какие-либо положительные выводы на основании данных опытов можно лишь после ряда тщательных проверок.
Миграции нефти и газа путем всплывания, возможно, способствовал переход нефти и газа в раствор, о чем будет говориться ниже [наиболее вероятное объяснение].
Выводы о значении миграции, связанной со всплыванием. Конечные выводы о роли всплывания в процессе нефте- и газонакопления следует отложить до тех пор, пока не будет проведено большое количество опытов, доказывающих, что мельчайшие частицы нефти и газа под воздействием физических условий, существующих в коллекторах во время миграции, способны подниматься в осадках. Для того, чтобы происходило всплывание нефти и газа, очевидно, необходимо присутствие какого-либо агента, который бы уменьшал поверхностное натяжение; то же самое следует сказать и о медленных гидравлических потоках; последние не смогут привести в движение частицы нефти и газа до тех пор, пока не будет преодолено действие сил поверхностного натяжения. Однако если удастся доказать, что нефть и газ поднимаются в коллекторе под действием сил всплывания, то не будет никакой необходимости в гидравлической теории, так как гидравлическая теория разрабатывалась частично для объяснения тех случаев миграции предельно мелких частиц газа и нефти, когда всплывание представлялось неэффективным. Полевые данные, в общем, не противоречат гравитационной теории; но прежде, чем сделать окончательные выводы, нужно получить дальнейшие экспериментальные подтверждения.
Имеющиеся в настоящее время в нашем распоряжении данные не позволяют сделать вполне ясные и четкие выводы относительно миграции нефти и газа. Возможно, что значительное влияние на миграцию нефти и газа оказали факторы, которые до сих пор являются малоизученными или совсем неизвестными. Тем не менее из всего сказанного выше следует, что гравитационная теория встречает меньше трудностей, нежели любая другая теория.