Влияние растворенного газа на миграцию нефти

Практически во всех нефтяных залежах присутствует газ, в тех или иных количествах растворенный в нефти. Чисто нефтяные залежи, совершенно лишенные растворенного газа, встречаются настолько редко, что должны рассматриваться как аномальные. Природный газ обладает крайне низкой вязкостью и очень высокой плавучестью, не идущими ни в какое сравнение с вязкостью и плавучестью воды и нефти. Изменения объема газа при изменении пластовой температуры и давления также несравнимо больше, чем изменения объема воды и нефти. Сжатый газ обладает огромной потенциальной энергией, легко высвобождающейся при изменении объема газа в соответствии с изменением пластовых условий. Расширение сжатого газа вслед­ствие снижения пластового давления - один из важнейших факторов, спо­собствующих движению нефти из пласта в скважины в процессе разработки залежи. Возникает вопрос, не играет ли газ активную роль в процессе миграции, обусловливающем концентрацию нефти в залежи?

О значении газа для движения нефти по продуктивному пласту говорил еще в 1912 г. Джонсон [23]. Он указал на необычную легкость концентрации газа и полагал, что именно благодаря наличию газа нефть может двигаться сквозь поровое пространство горных пород. Джонсон считал, что нефть образует вокруг газовых пузырьков тонкую пленку и передвигается вместе с ними.

Впоследствии классические эксперименты Тиля [24] и работы Эммонса [25] показали, что в лабораторных условиях присутствие даже небольших количеств газа в нефте-водопесчаной смеси приводит к концентрации газа и нефти в верхней части сосуда, в то время как в случае отсутствия газа никакой концентрации не происходит¹.

Позже исследование движения нефти в присутствии газа проводил Додд [26]. Он обнаружил, что в случае движения воды, содержащей небольшое количество растворенного газа, через водонасыщенные пески, в которых содержится рассеянная нефть, последняя начинает мигрировать вверх по восстанию пласта.

Миллс [27], проводя опыты с газом и рассеянной в водонасыщенном песке нефтью, заключенными в запечатанный стеклянный сосуд, установил, что каждый раз, когда сосуд лопался, в образовавшиеся трещины немедленно начинал бурно выходить газ, а затем и нефть с водой; это продолжалось до тех пор, пока давление внутри и вне сосуда не выравнивалось².

Миллс предположил, что, когда нефть, газ и вода находятся в смеси в одном сосуде, газ, будучи под давлением, начинает диффундировать сквозь нефть и воду. Когда сосуд трескается, газ расширяется и устремляется к месту пониженного давления (трещине), увлекая за собой нефть. Такое же явление должно происходить и в случае образования тектонической трещины в природном резервуаре. Большая часть нефти должна будет уйти через эту трещину вместе с газом; меньшая часть, лишенная газа, останется в пласте вследствие своей высокой вязкости. Миллс указал на то обстоятельство, что многие минералы, обычно встречающиеся в сбросовых зонах в виде жил (кальцит, барит, гипс, включения озокерита), нередко обнаруживаются в нефти, поступающей из скважины. Действительно, эти примеси в нефти очень часто доставляют много хлопот эксплуатационникам.

Логичный вывод из всех этих экспериментов заключается в следующем. Основным результатом снижения давления до величины, близкой к величине давления насыщения, является увеличение объема газо-нефтяной смеси, образование пузырьков и капель, соединяющихся в непрерывную фазу,

¹В экспериментах Тиля нефть разбавлялась на ⅓ ее объема керосином (для понижения вязкости), морской водой, подкисленной 0,5% уксусной кислотой и смешивалась с раздробленным кварцитом, пропущенным через сито. Вся эта смесь помещалась в трубку диаметром 2,54 см и длиной 120 см, изогнутую в виде миниатюрной антиклинальной складки. Затем с обоих концов трубка на 10 см заполнялась дробленым доломитом и концы запечатывались. Образующийся в результате реакции между уксусной кислотой и доломитом углекислый газ начинал двигаться в «присводовую» часть трубки, увлекая за собой нефть. В «своде» трубки уже через 24 часа наблюдалось разделение нефти и газа, еще более четко проявившееся через 48 часов. В таком же опыте, но не сопровождавшемся образованием углекислого газа, концентрации нефти в изогнутой части трубки не происходило.

Различные модификации этого эксперимента описал Эммонс. В некоторых случаях применялся газолин и смесь подогревалась, чтобы создать давление газа; в других случаях делали дополнительные изгибы трубки, имитируя структурные террасы. Кроме того, использовался песок с различным размером зерен для воссоздания различных условий проницаемости. В каждом случае нефть концентрировалась в локальной ловушке, и движение нефти изучалось при различных давлениях. Минимальное количество нефти составляло несколько унций (28,3 г) на кубический дюйм (~16 см³), а минимальный наклон (изгиб трубки) ‑ 0,5-1°.

²Исследуя это случайное открытие, Миллс проделал следующий опыт. Он смешал нефть с жидкостью, вызывающей брожение (смесь воды, яблочного сока, сахара и дрожжей), и тонкозернистым гидрофильным песком. Этой смесью он доверху заполнил несколько пивных бутылок, запечатал их и оставил стоять на три дня. Наблюдалось лишь незначительное гравитационное разделение флюидов. Практически весь образующийся газ растворялся в воде или нефти. Затем в крышках бутылок были проделаны отверстия. Газ начал немедленно выходить через эти отверстия, а нефть – двигаться вверх и отделяться от воды. Через 2 минуты нефть с небольшим количеством воды начала струей бить из каждой бутылки. Аналогичный результат был получен и в том случае, когда бутылки находились в лежачем положении: нефть двигалась в сторону точки выхода газа.

повышение плавучести и подвижности газо-нефтяной смеси и в конечном счете - движение этой смеси в направлении снижения давления. Растворенный в нефти газ обусловливает расширение рассеянных капелек нефти до тех пор, пока они не соединятся и не образуют скопления, достаточно большие, чтобы силы плавучести могли привести их в движение. Такое нефтяное скопление может двигаться сквозь воду или вместе с ней, однако в любом случае присутствие газа значительно облегчает это движение (см. также стр. 553-559: фиг. 13-12 – 13-18).

Если нефть и газ перемещаются независимо от воды, то это движение может как совпадать с направлением потока воды, так и быть направленным против него. На фиг. 12-2 видно, что вода движется от точки А к точке В вследствие разницы их высот. Вода может нести и нефть и газ в коллоидальном, дисперсном или растворенном состоянии. Всплывание нефти и газа слева от точки Н в направлении точки F будет направлено против течения воды, а справа от точки Н в направлении точки В - совпадать с потоком воды. Высокая скорость движения воды может привести к тому, что эффект всплывания станет обратным, однако в большинстве случаев эта скорость, по-видимому, достаточно низка и должна лишь несколько замедлять движение нефти и газа.