|
УДК 553.98:551.345.53 |
Экранирующая и проводящая роль пород криолитозоны по отношению к миграционным углеводородам
В порядке обсуждения.
И.С. СТАРОБИНЕЦ, Р.Н. МУРОГОВА (ВНИИЯГГ)
С позиции геохимических методов поисков залежей нефти и газа теоретическое и практическое значение имеет вопрос о проводящей и экранирующей роли криолитозоны по отношению к мигрирующим углеводородным газам (УВГ). По мнению некоторых исследователей [6], породы, включающие газогидраты, создают непреодолимый барьер при перемещении УВ из залежей, поэтому использование геохимических поисковых критериев нефтегазоносности не представляется возможным. Подобные мнения, однако, не подтверждаются фактическим материалом. Для изучения этого важного вопроса была выполнена специальная экспериментальная работа.
Экранирующие и проводящие свойства многолетнемерзлых пород (ММП) по отношению к миграционным УВГ определяются воздействием двух факторов: изменением физических свойств влажных пород (в особенности пористости, фильтрационной и диффузионной проницаемости) при замерзании и эффектом образования газогидратов.
Воздействие первого фактора изучалось при низких давлениях (0,2-0,5 МПа) для исключения влияния процессов гидратообразования. Вначале выявлялось поведение водной части пород по отношению к УВГ при замораживании. Для этого дистиллированная вода (газовый фон - 0,002 см3 СН4 на литр) и приготовленный из нее лед контактировали в течение трех суток при давлении 0,22 МПа со смесью УВГ, состав ее (%): СН4 2,0, С2Н6 1,5, С2Н4 1,4, С3Н8 1,1, С3Н6 0,9, i-C4H10 1,1, n-С4Н10 1,0, О2 1,5, N2 19,3, Н2 0,02, Аr 70,1. Газ из воды и льда извлекался методом термовакуумной дегазации. На основании этих исследований было установлено, что растворимость УВГ во льду на порядок ниже, чем в воде, последняя поглощала в указанных условиях 2,75 см3/кг УВГ, а лед 0,28 см3/кг. В качественном отношении лед по сравнению с водой сорбирует относительно больше гомологов метана (табл. 1).
В данном случае основное значение имеют процессы сорбции и растворения, а не диффузии (коэффициент диффузии СН4 всегда выше, чем его гомологов). Это также косвенно подтверждается одинаковым значением отношения i-С4Н10/n-С4Н10. Особенно хорошо вода и лед поглощают непредельные УВ (см. табл. 1).
Изучалась также сравнительная сорбционная способность породы, насыщенной водой (67 % поровых объемов), и той же породы, замороженной при температурах от -5 до -7 °С). Выход УВ определялся по сумме результатов термовакуумной и последующей химической дегазаций за вычетом фоновой концентрации в исходной породе. Основные результаты, полученные после контакта изученных пород в течение трех суток со смесью УВГ, приготовленной на азотной основе (УВГ 4,2%; N2 95,8%), приведены в табл. 2.
Опыты показали, что количество сорбированных влажной породой УВ при замораживании резко снижается, а относительная сорбция УВГ замороженных пород значительно увеличивается с ростом их пористости. Весьма ярко возрастает поглотительная способность замороженных пород по отношению к гомологам метана (заметное увеличение показателя (С2Н6+высш.)/СН4), в последнем случае отмечается аналогия со льдом при сопоставлении с водой. Таким образом, даже в случае отсутствия гидратообразования при миграции УВГ через мерзлые породы эффект сорбции гомологов метана будет проявляться в большей степени по сравнению с немерзлыми породами (при прочих равных условиях).
Для количественной оценки изменения фильтрационной и диффузионной проницаемости пород (по отношению к УВГ) при замораживании смесь УВГ пропускалась через образцы одной и той же породы (доломита): 1) в воздушно-сухом состоянии; 2) насыщенной водой (67 % поровых объемов) и 3) замороженной при -5 °С (давление газа 0,5 МПа).
Фильтрационная проницаемость влажных пород при замораживании снижалась примерно на порядок (рис. 1) - с n*10-6 до n*10-7 мкм2. Коэффициент диффузии Д УВГ C1-С4 (рис. 2) для замороженной породы по сравнению с исходной влажной породой также значительно снижается. Определения и расчеты Д проведены по методике П.Л. Антонова (1968 г.) с некоторыми изменениями, учитывающими специфику работы при температурах ниже 0 °С.
Представляют интерес широко развитые песчано-глинистые ММП. Диффузионная проницаемость Д по отношению к УВГ терригенных пород севера Западной Сибири, по данным [4], колеблется в пределах n*10-9-n*10-10 м2/с; n= 1,5-2,4. По аналогии с результатами опытов по другим породам (см. рис. 2) в случае одинакового заполнения пор водой при промерзании следует ожидать снижения Д примерно в 5-6 раз, т. е. диффузионная проницаемость ММП песчано-глинистого типа (для УВ С1-С4) ориентировочно равна n*10-10- n*10-11 м2/с; n=0,9- 1,3.
Таким образом, замороженные породы обладают определенной диффузионной и в меньшей степени фильтрационной проницаемостью по отношению к УВГ. С этих позиций ММП нельзя рассматривать в качестве непреодолимого барьера при субвертикальной миграции УВГ. По данным различных исследователей [2, 5 и др.], криолитозона имеет сложное строение, по разрезу встречаются участки с относительно повышенной температурой («талики»). Лед обычно заполняет тектонические и другие трещины по всей толще ММП, однако льдистость, достигающая 10 % и более, с глубиной уменьшается до 2-3 % [1].
В то же время своеобразные экранирующие свойства ММП обусловлены не только резким снижением фильтрационно-емкостных свойств пород при замораживании, но и процессами гидратообразования - селективным взаимодействием отдельных УВГ с водой при определенных термодинамических условиях. Известно, что ближайшие гомологи метана дают гизогидраты при менее жестких термодинамических параметрах по сравнению с метаном, в то же время изобутан очень легко образует кристаллогидраты, а н-бутан трудно взаимодействует с водой. Следовательно, при миграции УВГ через ММП следует ожидать заметного снижения значений i-C4/n-C4; (C2H6+высш.)/СН4; С3/С2, а под ММП - относительного накопления УВГ. Рассмотрим пример, подтверждающий указанные эффекты на конкретном природном материале. На Пеляткинском газовом месторождении (Енисей-Хатангский прогиб) отмечалось образование газовых грифонов недалеко от залежи в районе распространения ММП [31, Просочившийся через ММП к поверхности газ (отбор из грифона) отличается (табл. 3) от газа залежей скачкообразным снижением концентрации отдельных гомологов метана и закономерным весьма существенным изменением геохимических показателей СН4/ (С2Н6+С8Н8+i-С4Н10), i-С4Н10/n-С4Н10, С2Н6/С3Н8.
Следовательно, при субвертикальном массопереносе газообразных УВ из их скоплений и достижении миграционного потока ММП они вступают с ними в сложное взаимодействие. При этом происходит частичное образование газогидратов и относительное накопление в нижней части ММП пропана (по сравнению с метаном и этаном) и изобутана по сравнению с n-бутаном. Часть УВГ концентрируется под ММП. При бурении скважин в северных районах Тюменской области наблюдались газовые выбросы при проходке нижней границы ММП (Г.Б. Острый, 1968), а часть УВГ, количество которых зависит от фильтрационной и диффузионной проницаемости ММП, степени образования газогидратов и сорбционной способности пород, проникает по разрезу в верхние пласты ММП. Об этом свидетельствуют результаты изучения распределения рассеянных УВГ в мерзлых песчано-глинистых четвертичных отложениях на Северо-Соленинском газовом месторождении. Как известно, ММП подобного литологического состава широко развиты. Глубина залегания верхних продуктивных пластов (апт-альбские отложения) 1440-1475 м, мощность ММП около 510 м. Используя приведенные в работе [2] исходные данные, рассчитали коэффициенты контрастности Кк при сопоставлении концентрации в породах отдельных УВГ внутри и за пределами контура продуктивности (табл. 4).
Если не считать наиболее миграционно способный метан, значительная часть которого в верхней зоне образуется биохимическим путем, величины контрастности Кк для гомологов его, особенно этана и изобутана, значительны. Величина Кк для изобутана, сравнительно легко образующего газогидрат, более чем в 5 раз превышает значение Кк для n-бутана. Последний, однако, лучше сорбируется породами, чем i-С4Н10.
На основании проведенных исследований и литературных данных можно сделать следующие выводы.
1. Нет основания считать ММП серьезным препятствием при проведении геохимических поисков залежей нефти и газа в районах их распространения.
2. С учетом особенностей ММП (мощность, состав, физические свойства, селективное образование газогидратов отдельных УВГ) выявляются специфические газогеохимические поисковые критерии: скачкообразное изменение концентрации УВГ в породах и газовых показателей при переходе от нижних горизонтов к ММП, возрастание снизу вверх по разрезу ММП параметров СН4/(С2Н6+С3Н8 + +i-С4Н10); С2Н6/С3Н8; n-С4Н10/i-С4Н10 и увеличение отношений С2Н6/С3Н8 и i-C4H10/n-C4H10 на продуктивных участках по сравнению с непродуктивными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вожов В.И., Сурнин А.И. Закономерности распространения многолетнемерзлых пород на Сибирской платформе.- Труды СНИИГГиМСа. Новосибирск, 1982, с. 5-16.
2. Гинзбург Г.Д., Бордуков Ю.К., Тимкин С.Б. Данные газогеохимического опробования мерзлых четвертичных отложений на газовых месторождениях. - В кн.: Методы детального прогнозирования нефтегазоносности. Л., 1979, с. 18-37.
3. Сенюков В.M., Афанасов Ю.А. Геохимические особенности природных газов мезозойских отложений Енисей-Хатангского прогиба.- Труды ВНИИГаза. М, 1975, вып. 47/55, с. 191-208.
4. Старобинец И.С., Обухова М.В., Матюхин Е.А. Оценка экранирующей и проводящей роли глинистых покрышек нефтегазовых залежей в связи с геохимическими методами их поиска.- Докл. АН СССР, т. 259, 1981, № 3, с. 684-687.
5. Фотиев С.M., Данилова Н.С., Шевелева Н.С. Геокриологические условия Средней Сибири. М., Наука, 1974.
6. Якуцени В.П., Баркан Е.С. Влияние гидратообразования на информативность гидрогеохимических поисковых критериев нефтегазоносности. - Геология нефти и газа, 1977, № 2, с. 28-34.
Поступила 3/V 1984 г.
Таблица 1 Состав углеводородной части газа, растворенного в воде, льду и исходной смеси
|
Состояние газа |
Состав углеводородной части, мольные доли, % |
||||
|
СН4 |
С2Н6+высш.(С2-С4) |
С2Н4+высш. (С2-С4) |
С2Н6+высш./CH4 |
i-C4H10/n-C4H10 |
|
|
Газ, растворенный в воде |
16,7 |
34,8 |
48,5 |
2,2 |
0,82 |
|
То же, во льду |
12,1 |
38,8 |
49,1 |
3,2 |
0,83 |
|
Исходная смесь |
22,2 |
52,3 |
25,5 |
2,4 |
1,1 |
Таблица 2 Сорбционные свойства влажных и замороженных пород по отношению к УВГ
|
Состояние породы |
Выход УВ, см3/кг |
С2Н6 + высш./CH4 |
||
|
СН4 |
С2Н6 + высш. |
С2Н4+ высш |
||
|
|
Кальцит (пористость 1%) |
|||
|
Насыщенная водой |
0,83 |
0,01 |
0,007 |
0,012 |
|
То же, замороженная |
0,02 |
0,003 |
0,002 |
0,15 |
|
|
Доломит (пористость 27 %) |
|||
|
Насыщенная водой |
0,54 |
0,08 |
0,05 |
0,15 |
|
То же, замороженная |
0,21 |
0,06 |
0,04 |
0,30 |
Таблица 3 Влияние гидратообразования на миграцию УВГ через ММП мощностью 460 м
|
Характер газа |
Состав углеводородной части газов, % |
Показатели |
||||||
|
СН4 |
С3Н6 |
С3Н8 |
i-С4Н10 |
n-C4H10 |
С1/С2+С3+i-С4 |
С2Н6/C3H8 |
i-С4Н10/n-С4Н10 |
|
|
Исходный |
94,1 |
3,45 |
0,24 |
0,12 |
0,07 |
25,6 |
14,4 |
1,7 |
|
После миграции через ММП (отбор из грифона) |
93,6 |
1,47 |
0,06 |
0,03 |
0,04 |
53,8 |
34,4 |
0,8 |
Таблица 4 Концентрации УВ С1-С4 в ММП четвертичных отложений внутри и за пределами контура продуктивности на месторождении Северо-Соленинское
|
УВ |
Концентрации УВ, n*10-3 см3/кг (средние данные) |
Кк=а/б |
|
|
внутри контура продуктивности(а) |
за контуром продуктивности(б) |
||
|
СН4 |
64,5 |
41,7 |
1,5 |
|
С2Н6 |
10,1 |
0,71 |
14,2 |
|
С3Н8 |
1,66 |
0,31 |
5,4 |
|
i-C4H10 |
6,14 |
0,34 |
15,3 |
|
n-С4Н10 |
0,95 |
0,32 |
2,9 |
* Исходные данные взяты из работы [2].
Рис. 1. Изменение проницаемости влажных пород по отношению к УВГ при замораживании.
Порода (доломит): 1 - воздушно-сухая, 2 – насыщенная водой при 22 °С (заполнение пор влагой 67%); 3 - замороженная при -5 °С
Рис. 2. Изменение коэффициента диффузии Д УВГ (м2 /с) во влажных породах при замораживании.
Порода: 1- незамороженная при 20 °С (заполнение пор влагой 17 %), 2 - замороженная при -5 °С