При рассмотрении физико-химической сущности перехода УВ из глинистых нефтематеринских толщ в природные резервуары на стадиях мезокатагенеза, когда глинистые породы уплотнены в результате потери свободной поровой воды, возникают две основные проблемы: выявление агента транспортировки огромного количества УВ из нефтематеринских глин и установление энергетического ресурса, определяющего перемещение флюидов в коллектор.

С начала развития нефтяной геологии гипотеза о первичной миграции УВ в водорастворенном состоянии поддерживалась большинством ученых, несмотря на недостаточную обоснованность ее основных положений. Наиболее дискуссионным является вопрос о возможности растворения жидких УВ в поровой воде.

В настоящее время теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что фильтрующаяся вода тонкодисперсных минеральных систем обладает аномально высокой растворяющей способностью.

Прямое изучение свойств аномальной воды тонкодисперсных минеральных систем пока невозможно, поскольку специфической структурой и уникальными свойствами эта вода обладает только в условиях фильтрации по тонким капиллярам. При выходе из них она моментально восстанавливает свойства, характерные для обычной воды. Время релаксации воды, по данным физхимии, измеряется миллиардными долями секунды, т.е. оно настолько мало, что выделить аномальную воду для прямого изучения практически невозможно. Попытки физхимиков провести прямой эксперимент по изучению свойств воды в тонких кварцевых капиллярах потерпели неудачу. Причиной тому стала необычная высокая агрессивность воды тонких капилляров, приведшая к частичному растворению кварцевых стенок капилляров. Как показали экспериментальные исследования [3], растворимость кремнезема в воде, фильтрующейся по тонким капиллярам, возрастает в несколько раз по сравнению с его растворимостью в дистиллированной воде. Близкие данные о растворимости кремнезема (аэросила) в аномальной воде представлены в работе [1].

Таким образом, экспериментальными исследованиями подтверждаются теоретические представления А.И. Тугаринова, Ю.В. Богданова, И.В. Берзина и многих других о перераспределении и концентрации рудных элементов при участии агрессивной поровой воды тонкодисперсных минеральных систем.

По мнению авторов статьи, агрессивность этих вод распространяется и на углеводородную часть пород, на что указывают минерало-битумоидные ассоциации, повсеместно фиксируемые в локальных пустотах и трещинах внутри массивов тонкодисперсных пород, а также установленная приуроченность ореолов повышенной концентрации микроэлементов к зонам нефтегазонакопления (А.А. Демидович, Б.К. Прошляков, А.Э. Конторович и др.). Все это свидетельствует о едином механизме массопереноса УВ, минералов, микроэлементов, обусловленном аномально высокой растворяющей способностью поровой воды тонкодисперсных минеральных систем [7, 8].

На стадиях мезокатагенеза нефтематеринских глинистых толщ поровые растворы представляют собой рассмотренную модификацию воды и оцениваются как главный транспортирующий агент в массопереносе жидких и газообразных УВ, аутигенных минералов и рудообразующих элементов.

Основным энергетическим ресурсом, определяющим непрекращающееся движение поровых растворов, является весьма значительный перепад внутрипорового давления в глинистых и коллекторских горизонтах, существование которого в природных условиях доказано многими исследователями. Этот перепад давлений фиксируется и по данным промыслово-геофизических исследований [10].

Макропористая песчаная порода в процессе погружения уплотняется незначительно, главным образом в результате вторичной цементации, перемещения и более плотной упаковки зерен. Геостатическая нагрузка воспринимается жесткой скелетной частью пласта, а насыщающие его флюиды испытывают давление, близкое к условному гидростатическому. В зонах затрудненного водообмена пластовое давление в коллекторах постепенно возрастает за счет притока отжимаемых из глин флюидов, что нередко приводит к возникновению в резервуарах АВПД.

Совершенно иначе происходит уплотнение высокопористой, но плохо проводящей глинистой толщи. В отличие от песчаников гибкий скелет глин, испытывая возрастающую геостатическую нагрузку, передает давление и на заключенные в них флюиды. Последние стремятся в перемещению в область более низкого давления, т.е. в смежные природные резервуары с гидростатическим давлением. Однако условия для эмиграции флюидов из глин весьма затрудненные. В результате они частично или полностью воспринимают геостатическое давление, и разница между давлением в порах глин и коллекторов может достигать десятков мегапаскалей [10]. Этот перепад давлений является одним из основных факторов, определяющих интенсивность отжатия поровых растворов в смежные коллекторы. В частности, поровое давление в глинах выше такового в коллекторах в 1,4 раза и более, что неизбежно вызывает гидроразрывы с образованием трещиноватости в глинистом слое на контакте с коллектором и, таким образом, усиливает процесс отжатия поровых растворов и соответственно масштабность эмиграции УВ.

Принципиальная схема возникновения перепада давления в поровом пространстве глин и прилегающих к ним коллекторов (Dр) по мере постепенного погружения терригенных нефтегазоносных комплексов довольно проста и упоминается во многих публикациях по проблемам нефтяной геологии, однако изменение этого перепада давления в зависимости от колебательных тектонических движений и сопровождающие его процессы первичной миграции УВ изучены далеко недостаточно. В то же время хорошо известно, что геологическому развитию большинства крупных нефтегазоносных территорий присущи неоднократные инверсионные движения, сопровождающиеся региональной перестройкой структурного плана, перерывом в осадконакоплении и размывом накопившихся ранее отложений. Как отмечал Ю.А. Косыгин [4], в случае значительных по площади, но медленных крупных поднятий возникают области сплошной денудации, происходит размыв и нивелирование поднимающихся возвышенностей. В процессе поднятия слоистая структура испытывает те или иные дислокации, причем формы рельефа, соответствующие возникающим структурным формам, разрушаются одновременно с их развитием.

Анализируя соотношение пластовых давлений в глинистых толщах и коллекторах при инверсионных движениях, мы допускаем, что внутрипоровое давление в глинах стремится к уровню геостатического, а в коллекторах, при условии их гидродинамической раскрытости,- к гидростатическому давлению. Такое допущение вполне правомочно, поскольку нас интересуют не конкретные величины перепада давления в глинах и коллекторах, а общая тенденция его изменения.

В качестве примера рассмотрим следующий частный случай. Допустим, что толщина водного слоя (h₁) 3 км, мощность неуплотненных илистых осадков (h₂) 1 км, консолидированных водопроницаемых отложений (h₃) 2 км. В основании последних залегает глинистый горизонт, под которым находится коллектор, имеющий гидродинамическую связь с залегающими выше отложениями. В этом случае внутрипоровое давление в коллекторе (р_к,) будет равно условному гидростатическому- 60 МПа. Внутрипоровое давление в глинистом горизонте (p_г) соответствует полному нормальному напряжению (s), действующему на его кровле. Это напряжение можно рассчитать, используя уравнение К. Терцаги [9]:

где r₀ - плотность частиц неуплотненных осадков (2 г/см³), k₀ - пористость неуплотненных осадков (0,5), r_в - плотность воды (1 г/см³), r_п - плотность консолидированных отложений (2,3 г/см³), k_п - пористость консолидированных отложений (0,2), h₁, h₂, h₃ - мощности соответственно водного слоя, неуплотненных осадков, консолидированных отложений.

В данном примере s=95 МПа. Таким образом, перепад внутрипорового давления в глинистом горизонте и коллекторе

р = р_г-р_к=35 МПа.

Теперь представим, что рассматриваемая толща осадков в результате положительных инверсионных движений была выведена из-под уровня моря. Допустим два варианта: в первом весь илистый осадок сохранился полностью, но в ходе инверсии претерпел литификацию, во втором варианте часть илистого осадка была размыта подводными течениями, а сохранившаяся часть при подъеме на дневную поверхность также литифицировалась. Процессы литификации привели к увеличению плотности осадка (2,2 г/см³) и уменьшению его пористости (0,3). В соответствии с уплотнением мощность первоначального слоя ила сократилась до 700 м.

Если (в первом варианте) толща пород окажется приподнятой на 500 м выше уровня моря (см. рисунок ), то пластовое давление в коллекторе составит 22 МПа (р_к = Ргидрост), а полное нормальное напряжение в кровле глинистого горизонта достигает величины:

Следовательно, перепад внутрипорового давления в глинах и коллекторе составит 44 МПа, что на 9 МПа больше, чем в доинверсионный период.

Если же часть илистого осадка размылась и сохранившаяся толща мощностью 400 м также была выведена на дневную поверхность, то Dр в рассматриваемых горизонтах достигнет 39,6 МПа, т. е. превысит до-инверсионное значение этой величины на 4,6 МПа.

Аналогичный процесс происходит и в том случае, если в инверсионные движения вовлекается полностью консолидированная толща пород (без илистого слоя), залегающая под водами седиментационного бассейна, однако увеличение перепада внутрипоровых давлений в системе глинистая толща - коллектор при этих условиях составляет несколько мегапаскалей.

Таким образом, при условии гидродинамической раскрытости природных резервуаров высокоамплитудные инверсионные движения приводят к увеличению разницы внутрипоровых давлений в системе коллектор - глинистая толща на единицы и даже десятки мегапаскалей, что, в свою очередь, стимулирует гидроразрывы внутри глинистых горизонтов с возникновением новых систем трещин и активизирует эмиграцию УВ из нефтематеринских пород.

При условии гидродинамической изолированности природных резервуаров Dр по мере погружения будет постепенно уменьшаться в результате притока отжимаемых из глин флюидов и возникновения в резервуарах, как следствие этого, АВПД.

Снижение перепада давления между глинами и коллекторами должно сопровождаться затуханием эмиграции УВ из материнских пород, в то время как их генерационный потенциал может быть очень высоким.

В этих условиях положительные инверсионные движения приобретают особо важное значение. Как правило, крупноамплитудные положительные движения сопровождаются нарушением гидродинамической замкнутости резервуаров, в результате чего пластовое давление в них резко падает до уровня гидростатического. В 1954 г. Н.Б. Вассоевич [2] писал, что нарушение изолированности коллекторов от атмо- или гидросферы приводит к резкому снижению в них пластового давления и тем самым к возникновению большого перепада давления, благоприятного для миграции из пелитовых пород в поры коллекторов. Давление между глинистыми частицами может быть в 2-2,5 и даже в 3 раза больше гидростатического в порах коллекторов. Резкое и весьма существенное увеличение отрицательного градиента давления в коллекторах при положительных инверсионных движениях вызывает активнейшую эмиграцию УВ, образовавшихся в нефтематеринских породах на стадиях их постепенного погружения.

В случае сохранности условий гидродинамической замкнутости резервуаров во время инверсионных поднятий отрицательный градиент давления в коллекторах, по-видимому, также будет возрастать за счет более быстрой адаптации в новых условиях коллекторов, нежели глинистых пород.

Рассмотренные выше примеры далеко не исчерпывают всех возможных вариантов механизма снижения пластового давления в коллекторах и увеличения Dр при инверсионных движениях, однако изложенный материал, как представляется авторам, позволяет говорить о положительной роли инверсионных движений в первичной миграции УВ.

Кроме того, активизация первичной миграции УВ при инверсионных движениях протекает на фоне образования новых структурных форм, а следовательно, и ловушек УВ, что еще более усиливает положительное влияние инверсионных циклов развития нефтегазоносных областей на формирование углеводородных залежей.

Большое значение инверсионные движения имеют и на ранних стадиях диагенеза осадков. Как показали исследования [6], в глубоководных океанических впадинах мощность илистых неуплотненных осадков может быть весьма большой: так, при глубине бассейна 5,5 км она порой составляет около 4 км. В этом случае полное нормальное напряжение, действующее по горизонтальному сечению, соответствующему подошве илистой толщи, можно вычислить по формуле

где h - суммарная мощность водного слоя и илистого осадка (9,5 км), h₁ - мощность водного слоя (5,5 км), r₀ - плотность твердых частиц ила (2 г/см³), k - пористость осадка (0,5), r_в - плотность воды (1 г/см³).

Решая это уравнение, получим s=115 МПа.

Эффективное нормальное напряжение, обусловливающее уплотнение осадков (s₀), составляет разницу между полным нормальным напряжением и поровым давлением воды (р_в), которое в данном примере соответствует гидростатическому давлению. Таким образом, s₀ = s- р_в = 20 МПа.

Теперь предположим, что толща илистого осадка вследствие положительных тектонических движений начала постепенно подниматься над уровнем моря. При этом илистые частицы уже не будут находиться во взвешенном состоянии, что, естественно, приведет к уплотнению осадка. Нормальное эффективное напряжение s₀ на том же горизонтальном сечении осадка возрастет (при условии изменения первоначальной плотности до 2,2 г/см³ и пористости до 0,2) до 39,2 МПа. Иными словами, эффективное напряжение в результате инверсии увеличивается на 19,2 МПа.

Таким образом, по мере развития восходящих тектонических движений илообразные осадки седиментационных бассейнов уплотняются, а возрастающее эффективное напряжение способствует интенсивному вытеснению седиментационных вод и вместе с ними продуктов начального преобразования захороненного в осадках ОВ. Если эта толща подстилается водопроницаемыми породами, то из ее нижней половины седиментационные воды будут отжиматься вниз по разрезу. Следовательно, в результате проявления инверсионных движений в рассмотренном случае обеспечиваются сразу два необходимых условия процесса нефтегазообразования - выход флюидов из материнских пород в коллектор и сохранность последних под непроницаемой покрышкой.

Положительная роль инверсионных восходящих движений может проявляться и в совершенно ином аспекте. Как полагает С.П. Максимов [5], при достаточно высокой газонасыщенности пластовых вод коллекторов инверсионные движения сопровождаются выделением в свободную фазу ранее растворенных газов, увеличивая масштабность образования скоплений газа в природных резервуарах.

Обобщая изложенный выше материал, можно сделать следующие выводы.

1. Основным агентом транспортировки УВ из нефтематеринских толщ на стадиях мезокатагенеза служит агрессивная вода тонкодисперсных минеральных систем, обладающая аномально высокой растворяющей способностью.
2. Основным энергетическим ресурсом, определяющим направленное движение насыщенных поровых растворов из нефтегазопроизводящих глинистых пластов в смежные природные резервуары, является перепад внутрипоровых давлений в этих системах, достигающий десятков мегапаскалей.
3. Крупноамплитудные положительные инверсионные движения сопровождаются увеличением перепада поровых давлений в глинистых толщах и соседних резервуарах, что способствует активизации процессов первичной миграции УВ из нефтематеринских пород.
4. При наличии условий сохранности углеводородных скоплений крупноамплитудные инверсионные движения следует рассматривать как весьма благоприятный фактор для формирования залежей нефти и газа.
5. Положительные инверсионные движения, проявляющиеся на стадиях диагенеза осадков, при определенных условиях способствуют развитию процессов нефтегазообразования.

1. Блох Л.М., Симоненко В.Ф. Измененность растворяющих свойств воды в поле поверхностных сил минеральных систем. - В кн.: Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллекторов. М., 1974. с. 72-75.
2. Вассоевич Н.Б., Успенский В.А. Спутник полевого геолога. Т. II. М., Гостоптехиздат, 1954.
3. Исследование аномальной воды методом нейтронно-активационного анализа/Викт.И. Спицын, М.П. Глазунов. В.М. Муляр и др. - Докл. АН СССР, 1972, т. 202, № 1, с. 132 - 135.
4. Косыгин Ю.А. Тектоника. М., Недра,1969.
5. Максимов С.П., Ларская Е.С., Суханова А.Н. Стадийность образования Оренбургского газоконденсатного месторождения. - Геология нефти и газа. 1979. № 2 .с. 26-32.
6. Перспективы поисков крупных скоплений углеводородов в окраинных и внутренних морях/Н.А. Еременко, А.А. Геодекян, Л.И. Лебедев и др. - В кн.: Палеонтология, морская геология. М., 1976. с. 231 -247.
7. Симоненко В.Ф., О возможном участии аномальной воды глин в процессах миграции углеводородов. - В кн.: Геология нефти и газа, М., 1974, с. 37-42.
8. Симоненко В.Ф. Роль поровых растворов в процессах нефтегазонакопления - В кн.: Теоретические вопросы нефтегазовой геологии. Киев, 1980, с, 98-120.
9. Терцаги К. Теория механики грунтов. М., Госстройиздат, 1961
10. Юсифзаде X.Б., Набиев Г.И., Дергунов Э.Н. Отжатие воды из глин с аномально высокими поровыми давлениями в коллекторы. - Геология нефти и газа. 1978, № 8, с 18-22.

Рисунок

1 - толща водного слоя; 2 - неуплотненные осадки; 3 - консолидированные водопроницаемые отложения; 4 - горизонт глинистых отложений