РОЛЬ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИФФУЗИИ В ОБРАЗОВАНИИ ОРЕОЛОВ РАССЕЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЗАЛЕЖЕЙ УГЛЕВОДОРОДОВ

Д.М. Новосельцева, И.П. Мясникова, Г.П. Якобсон

В кн. «Исследования в области органической гидрогеохимии нефтегазоносных бассейнов». М. Наука. 1982. с. 53-57

Использование ВРОВ в качестве показателей нефтегазоносности локальных структур основывается на положении о наличии вокруг залежей УВ зоны повышенных аномалийных концентраций ВРОВ, мигрирующих из залежей в окружающие их пластовые воды. Изучение ореолов рассеяния ОВ, механизма их формирования, количественных закономерностей, связанных с ними, является одной из важных задач органической гидрогеохимии.

Если для газовой составляющей пластовых вод вопросы формирования ореолов рассеяния и количественной оценки различных параметров этого процесса рассматривались многими исследователями, то для ВРОВ эти вопросы изучены недостаточно. Региональные исследования ВРОВ в различных НГБ, проводившиеся в последние годы, позволили дать в отдельных случаях эмпирическую оценку величины ореолов рассеяния компонентов ВРОВ. Ряд теоретических и практических аспектов проблемы ореолов рассеяния ОВ в пластовых водах рассмотрен в работе А.С. Зингера и др. [74]. Авторам представлялось интересным количественно оценить, хотя и с рядом неизбежных допущений, возможную роль молекулярной диффузии в образовании ореолов рассеяния вокруг залежей УВ, так как именно диффузионным процессам принадлежит, по-видимому, существенная роль в распределении в пластовых водах ОВ, поступающих в них из залежей. При рассмотрении диффузии используется обычно феноменологическая теория, основанная на законах Фика.

В нашем случае целесообразно ограничиться рассмотрением процесса молекулярной диффузии ОВ в неподвижной водной фазе водонасыщенных горных пород под влиянием градиента концентраций растворенных в данной фазе ОВ. Для этого случая диффузионный поток отдельного компонента растворенного вещества зависит от коэффициента концентрацион­ной диффузии (£) этого компонента в водной фазе пористых горных пород, определяемого эмпирически, и от градиента его концентрации.

Там, где пластовая вода контактирует с залежью УВ, образуется и постоянно существует пограничный слой жидкости, в котором концентрация ОВ наибольшая. Эта концентрация определяется содержанием соответствующего компонента в залежи и закономерностями его распределения между водной и углеводородной фазами в данных термодинамических условиях, т.е. растворимостью в данных фазах. Геологически длительное существование таких пограничных слоев вызывает геологически длительную миграцию органических веществ в направлении снижения их концен­траций. В любой точке водной фазы концентрация растворенного вещества будет непрерывно изменяться вследствие его диффузионного переноса.

Поскольку пластовые системы нефтегазоносных бассейнов характеризуются значительной протяженностью по простиранию и относительно небольшой мощностью, они могут рассматриваться как не ограниченные в плане пластообразные тела. В этом случае процесс диффузии, ведущий к образованию пластового ореола рассеяния, можно описать, ограничиваясь решением одномерной задачи. Тогда уравнение скорости диффузии приводится к виду

,    (1)

где х - линейная координата в направлении диффузии. Этим же уравнением описывается скорость диффузии в любом направлении от залежи при использовании соответствующих значений коэффициента диффузии.

Уравнение (1) может быть решено лишь для тех случаев, когда известны конкретные краевые условия процесса. Начальные и граничные условия процесса для решения нашей задачи могут быть записаны следующим образом: при х = 0 и всех t С = CS, С - концентрация компонента в пограничном с залежью слое, сохраняющаяся в течение заданного времени; С =- С0 при х < 0 и t = 0, С0 — исходная концентрация компонента в диффузионной среде, т.е. фоновая; t — время.

Тогда решение уравнения (1) имеет вид

                                (2)

Здесь в правой части символом обозначен интеграл Гаусса. Числовые значения его табулированы и приведены в работах по теории диффузионных процессов. Уравнение (2) может быть использовано для решения разнообразных задач, связанных с диффузией.

В природных условиях процессы диффузии происходят не в свободном водном растворе, а в водонасыщенной пористой среде. Кинетические особенности диффузии солей в пористых средах вообще и в пористых горных породах с естественной влажностью изучались многими исследователями. Установлено, что диффузия в пористых средах описывается законом Фика. Молекулярная диффузия происходит главным образом через водную фазу этих сред и медленнее, чем в свободных растворах. Непроводящий скелет и извилистость диффузионных путей, а также пограничные слои с пониженной диффузионной проницаемостью уменьшают скорость диффузии. Существенным препятствием для расчетов диффузионных процессов в нефтегазоносных бассейнах является сложность установления коэффициентов диффузии водорастворенных ОВ в условиях, близких к пластовым, т.е. в пористой среде, заполненной минерализованной водой, при различных значениях пористости и минерализации в различных термодинамических условиях. Для отдельных органических соединений известны в лучшем случае лишь коэффициенты диффузии их в чистой воде при нормальных условиях.

Относительно полнее разработан вопрос о влиянии различных факторов, действующих в пластовых условиях, на коэффициенты диффузии неорганических солей. Установленные для них закономерности в известной степени должны проявляться и в случае органических веществ. С учетом имею­щихся данных и использованием аналогий были приняты значения коэффициентов диффузии для интересующих нас веществ. Известно, что для ОВ сравнительно невысокого молекулярного веса (до 100) коэффициент диффузии их в воде n•10-5, где n изменяется от 0,5 до 2,5. В пределах гомологических рядов D несколько уменьшается с ростом молекулярного веса, однако его порядок не изменяется.

Коэффициент диффузии зависит от температуры, однако установлено, что температурный коэффициент в жидких фазах, несмотря на экспонен­циальный характер зависимости D от температуры, невелик. При увеличении температуры на 100° С D в водных растворах может увеличиться самое большое в 2—4 раза, что не изменяет порядка его величины.

Рост давления вызывает снижение коэффициента диффузии, но снижение это для жидкостей незначительно: при увеличении давления на 100 атм. величина n(D = n•10-5) изменяется в среднем на сотые и десятые доли еди­ницы.

Уменьшает коэффициент диффузии и присутствие других веществ в диффузионной среде. Однако количественная сторона этого явления недостаточно изучена. Для большинства изученных, в основном неорганических, соединений коэффициенты диффузии в водонасыщенных песчаниках и трещиноватых известняках на порядок ниже, чем в свободных растворах, и составляют n ·10-6, где n изменяется от 0,5 до 2,5.

Исходя из вышеизложенного, авторы провели ориентировочные расчеты протяженности диффузионной зоны, образующей пластовый ореол рассеяния, для отдельных компонентов (бензол, толуол, фенолы) ВРОВ в условиях застойности пластовых вод.            ,

Коэффициенты диффузии принимались равными  (1 - 1,5)•10-6 (что по-видимому, завышено). При определении граничных условий, т.е. CS - концентрации вещества в погра­ничном с залежью слое (на водонефтяном контакте) и фоновой его концен­трации С0 (а эти концентрации для каждого случая определяются вcем комплексом геолого-геохимических условий - пластовой температурой, характером

вмещающих отложений, составом залежей и вод и т.д.), авторы использовали данные, полученные при изучении пластовых вод южных районов Урало-Поволжья, а также результаты изучения водных вытяжек из нефтей этих районов.

Так, для бензола принималось: CS = 0,25—3 мг/л, С0 (фоновая) = 0, D= 1,5•10-6; для толуола: CS = 0,3-1,5 мг/л, С0 = 0, D - 1•10-6; для фенолов: CS = 1,5-3 мг/л, С0 = 0,5 мг/л, D = 1•10-6.

Расчеты по уравнению (2) для этих граничных условий и различных отрезков времени дают серии кривых, отражающих изменение концентрации данного вещества в водоносном пласте при удалении от залежи, и позволяют определить протяженность диффузионной зоны, образующейся за данный отрезок времени.

В таблице приведены расчетные данные, иллюстрирующие зависимость протяженности диффузионной зоны или ореола рассеяния от граничных условий, коэффициента диффузии и времени, в течение которого протекал процесс диффузии.

На рисунке представлены серии расчетных кривых, отражающих распределение концентрации фенолов и бензола в ореоле рассеяния залежи, сфор­мировавшееся за определенное время. Для расчетов здесь приняты гранич­ные условия, характерные для нефтяных месторождений Оренбургской области. На этом же рисунке показано изменение концентрации фенолов и бензола с удалением от залежи, установленное на Покровском и Бобров­ском месторождениях Оренбургской области. Характер изменения кон­центраций и протяженность ореола рассеяния, наблюдаемые в природных условиях, близки к расчетным. Это свидетельствует о том, что эти ореолы могут сформироваться за счет процессов молекулярной диффузии в течение геологического времени. Хотя несомненно, что на размер и форму ореола и на распределение концентраций ОВ в его пределах оказывает влияние целый ряд факторов, диффузионным процессам принадлежит здесь весьма существенная роль.

Литература.

Зингер А.С, Жутовт А.К., Кудинова А.С. Ореолы рассеяния нефтяных и газовых залежей. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1973.