При эмиграции углеводородных газов большое значение имеет диффузия, так как она протекает постоянно при наличии перепада давления или концентрации. А перепады давления (концентрации) газа между материнской толщей и смежным коллектором могут достигать больших величин. Между тем дальность диффузии в системе материнская порода « коллектор невелика. Выполненные расчеты показали, что основная масса газообразных УВ (65—70%) их глинистых толщ эмигрирует путем диффузии. Механизм этот позволяет понять причину существенного отличия газов, сорбированных ОВ, от газов подземных вод.
При учете всех форм миграции УВ эвакуация нефти и газа из материнских толщ в коллектор представляется в следующем виде. В материнской толще происходит рост внутрипорового давления в связи с литогенезом — генерацией нефти, газа, высвобождением химически и физически связанной воды, ростом горного давления. Рост внутрипорового давления приводит к гидроразрыву пород. Вначале возникают мелкие волосяные трещины, которые, сливаясь, образуют более крупные каналы. По этой системе пор, микро- и макротрещин происходит миграция сложных флюидальных систем: истинных, коллоидных, водных растворов. Следы этой миграции можно наблюдать в естественных обнажениях в виде многочисленных трещин горных пород, залеченных обломками терригенных пород, кальцитом и другими минералами.
Эмиграция флюидальной системы происходит ступенчато. Вначале система перемещается по порам, капиллярам и микротрещинам материнских пород. Основной флюидоноситель — сжатый газ и вода со структурой, отличающейся от структуры как связанной, так и свободной, гравитационной воды. Это — модифицированная вода с высокой растворяющей способностью, связанной с низкой полярностью и большим внутрипоровым и внутрикапиллярным давлением. Вторая ступень — миграция по открытым трещинам. При этом давление в системе скачкообразно падает от внутрипорового к давлению в трещине, что сопровождается нарушением физико-химического равновесия в системе. Третья ступень — миграция по кол лекторским пластам. Давление в системе снижается от давления в трещине до гидростатического. Происходит дальнейшая дифференциация фаз на нефть, углеводородные газы и пластовую воду.
Рассматривая миграцию УВ по коллекторам, следует подчеркнуть преобладание двух форм миграции: водорастворенной (пассивная миграция) и струйной (активная миграция).
Значение миграции водорастворенных УВ, особенно газов, предопределяется вездесущностью вод и их высокой растворяющей способностью. Для нефтяных УВ водораствореиная миграция в пластах-коллекторах, вероятно, менее значительна, так как водные растворы УВ в коллекторских пластах находятся в иных термодинамических и физико-химических условиях. Так, УВ, растворенные в модифицированной воде, и коллекторе выделяются в свободную фазу в связи с потерей водой аномальных свойств и снижением давления от геостатического до гидростатического. Последнее справедливо и для немодифицированной воды.
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
Гидрогеологические условия формирования залежей УК в значительной степени определяются условиями первичной миграции.
С учетом особенностей эмиграции УВ можно выделить дне обстановки: 1) формирование залежей происходит путем мобилизации УВ пластовых вод водонапорных систем; 2) в коллектор УВ поступают в виде самостоятельной фазы либо углеводородная фаза образуется в момент внедрения однофазового раствора из материнской породы в коллектор, т. е. формирование залежей происходит в процессе струйной миграции.
Формирование залежей газа, по-видимому, происходит преимущественно в результате мобилизации водорастворенного газа. В подземной гидросфере растворены гигантские количества природных газов. Без преувеличения можно сказать, что объем водорастворенных газов гидросферы Земли близок к объему ее атмосферы. Глобальные ресурсы природных газов в подземных водах осадочной оболочки планеты оцениваются в 1016—1017 м3. Следует подчеркнуть, что суммарное количество водорастворенных газов в подземных водах как для отдельных бассейнов, так и для планеты в целом на 1—2 порядка больше прогнозных запасов (мировые прогнозные запасы горючих газов на континентах, в зоне шельфов и мелководных морей составляют 1015 м3, а разведанные промышленные запасы 1014 м3). Иначе говоря, количества водорастворенных углеводородных газов более чем достаточно для формирования любых, в том числе и уникальных по запасам, месторождении горючих газов.
В коллекторские пласты основная масса углеводородных газов поступает в результате диффузии из смежных нефтегазогеперирующих толщ, в виде насыщенных водных растворов, в результате прорыва свободного газа (струнная миграция). Какие-то объемы газа генерируются в самих коллекторских толщах. Скорость насыщения пластовых вод углеводородными газами зависит от ряда причин: от обогащенности пород ОВ, интенсивности процессов газогенерации, сохранности газа, минерализации и температуры подземных под, гидростатического давления и т.д. По достижении предела насыщенности вод газ начнет выделяться в свободную фазу. Тот газ, который поступает в коллектор в виде струн свободного газа, в дальнейшем мигрирует по коллектору до ближайшей ловушки в форме свободных струнных потоков.
Однако и при постоянном газовом факторе пластовые воды могут оказаться предельно насыщенными, и газ начнет выделяться в свободную фазу. Механизм насыщения может быть обусловлен: восходящим движением пластовых вод, подъемом территории при эпейрогенических движениях, внедрением пластовых вод в благоприятную температурную зону, снижением регионального базиса разгрузки, ростом минерализации вод.
Из множества факторов формирования залежей газа, очевидно, ведущим является тектонический режим регионов, определяющий в итоге термодинамические условия подземных вод. Тектонический режим существенно влияет на онтогенез нефти и газа. Так, при отрицательных эпейрогенических движениях в связи с ростом температуры в осадочных породах усиливаются процессы генерации УВ. При подъеме территории УВ начинают выделяться в свободную фазу и формируют залежи. Эти знакопеременные движения действуют подобно поршню: при опускании территории (рост давления и температуры) усиливаются процессы генерации УВ, при подъеме территории УВ «вытягиваются» в свободную фазу. И чем интенсивнее менялись частота и амплитуда движений, тем дальше зашли процессы онтогенеза нефти и газа. Уже наличие залежей свободного газа указывает на то, что эти системы в течение своего геологического развития неоднократно находились в состоянии перенасыщения. Вместе с тем следует подчеркнуть, что перенасыщенные водонапорные системы мы фиксируем крайне редко. Последнее обусловлено не их отсутствием, а неустойчивостью таких систем. То, что залежи своими корнями уходят и водонапорные системы, подтверждается законом геохимического тождества природных газов водонапорных систем: геохимическому типу водорастворенных газов соответствует аналогичный тип газов газовых залежей.
В результате положительных эпейрогенических движений, роста горных сооружений и локальных структур пластовое давление может значительно снизиться и вызвать интенсивное выделение растворенных газов и свободную фазу. Неоген-четвертичное время характеризуется общим усилением тектонической жизни Земли. На это же время приходится почти повсеместное снижение уровня Мирового океана регионального базису стока подземных вод осадочной оболочки. Все ли привело к резкому изменению термодинамических условий водонапорных систем и выделению значительных объемов газа из пластовых вод.
В предельно гаэонасыщенных водах выделение газа и свободную фазу происходит по всей толще водонасыщеиного коллектора, и нужно воздействие определенных сил, чтобы рассеянные по порам коллектора пузырьки газа мигрировали под водоупорную кровлю и образовали бы достаточно крупную гомогенную массу, способную к самостоятельной струйной миграции. Всплыванию пузырьков газа по поровому пространству коллектора препятствуют силы сцеплении и поверхностного натяжения, последнее особенно значительно при переменном сечении пор, что фактически и наблюдается. Ранее предполагалось, что для преодоления сил сцепления и поверхностного натяжения достаточно гидродинамических сил. Однако существующих гидростатических перепадов вследствие их исчезающе малых значений и узком сечение пор явно недостаточно. По-видимому, основной механизм гомогенизации УВ — тектонические движения. При тектонических подвижках отдельные поры и микротрещины будут то расшириться, то сжиматься, что приводит к проталкиванию нефти и газа.
Под влиянием сил всплывания это проталкивание направлено вверх, в результате пузырьки газа накапливаются под покрышкой. При образовании крупного пузыря газа может начаться струйная миграция до ближайшей ловушки.
Интенсивность тектонических движений исключительно высока: осадочные пласты находятся в постоянном движении, «встряхнваются» в результате проявления эндогенных и экзогенных процессов. Под влиянием силы тяготения Луны и Солнца земная кора ежедневно то поднимается, то опускается на какую-то величину в зависимости от расстояния до экватора. Грандиозность приливных явлении можно сравнить с современными тектоническими движениями. Благодаря полусуточному и суточному изменению раскрытости трещин, пор и микротрещин и перераспределению пластового давления возникают периодические колебания дебитов родников и статического уровня в колодцах и скважинах. В геологическом прошлом приливные явления имели большее значение, так как приливы по амплитуде превышали современные ввиду более близкого расположения Луны и Земли. Не меньшее влияние оказывают океаны и моря: гигантские волны во время штормов буквально сотрясают осадочные слои. Сила ударов такова, что штормы, а Бискайском заливе отмечаются сейсмическими станциями в Москве. Еще больший эффект образуется от разрядки эндогенных напряжений — землетрясений, числи которых достигает 100 тыс. в год, а иногда и более.