Роль электроповерхностных явлений в механизмах вторичной миграции нефти

В. А. Королев, М. А. Некрасова, СЛ.Полищук (МГУ)

«Геология нефти и газа», 1997. - № 6 – с. 28-32

Выяснение природы и механизмов вторичной миграции нефти - одна из приоритетных фундаментальных проблем в области нефтегазовой геологии. Ее решение позволяет вплотную приблизиться к познанию генезиса углеводородов, условий их формирования и эволюции продуктивных залежей [3].

К настоящему времени выделен ряд факторов, контролирующих механизмы вторичной миграции нефти. Среди них главная роль отводится плавучести нефти, капиллярному давлению и гидродинамическому фактору. Наряду с этим были высказаны и другие предположения, например о существенной роли диффузионно-осмотического [1,2] и электрокинетического [1] факторов в механизмах вторичной миграции нефти. Однако последний изучен явно недостаточно. В связи с этим в настоящей работе анализируется роль электроповерхностных явлений, в частности электроосмоса поровых флюидов, в механизмах вторичной миграции нефти.

Возможность электроосмотического передвижения нефти в различных дисперсных породах (песчаноалевритах и глинах) доказана экспериментально в ряде работ (Probstein R.F., Hicks R.E., 1993; Shapiro A.P., Probstein R.F., 1993; Королев В.А., Некрасова М.А., 1996; [1]). При этом установлено, что в поле постоянного электрического тока нефть передвигается к катоду (отрицательному полюсу), увлекаемая вследствие вязкого трения водным раствором электролита. Опытами К.П.Тихомоловой [4] на модельных капиллярно-пористых системах доказана возможность электроосмотического вытеснения нефти фронтом водного раствора электролита, а также электроосмотическое передвижение предельных углеводородов в водных эмульсиях через пористые мембраны.

Эти лабораторные эксперименты доказывают, что электроосмотический механизм миграции нефти возможен и в природных условиях при наличии электрического поля. Возникновение естественных электрических полей в водо-насыщенных коллекторах нефти происходит вследствие наведенных электромагнитных полей, а также при появлении фильтрационного (потенциала течения, или протекания) и седиментацион-ного потенциалов (эффект Дорна, или потенциал оседания). Значение потенциала течения AUT оценивается уравнением Гельмгольца-Смолуховского:

ΔUT = ζεΔ Р/4 πη κ, (1)

где ζ - электрокинетический потенциал;

ε - диэлектрическая проницаемость поровой жидкости;

ΔР - гидравлическое давление жидкости (напор);

η - вязкость поровой жидкости;

κ - электропроводность поровой жидкости.

Как известно, естественный фильтрационный потенциал ΔUT (а следовательно, и связанное с ним электрическое поле) формируется в основном за счет фильтрации воды в тонкопористых породах (глинистых и алевритовых), в которых значительная часть порового пространства занята более или менее развитым двойным электрическим слоем (ДЭС). При движении неполярных жидкостей, как это следует из уравнения (1), в дисперсных породах могут возникать электрические поля с напряженностью Е в сотни и тысячи киловольт, т.е. на 8-10 порядков превышающие значения Е, обычные для водных сред.

Кроме того, в ряде работ, в частности [1], указываются и другие возможные природные причины возникновения электрических полей в земной коре. Среди них могут быть землетрясения, различные проявления геомагнетизма, магнитострикционные процессы и др. Сейчас уже не вызывает сомнения факт наличия в земной коре электрических полей различных интенсивности и направленности. Очевидно, такие поля (палеоэлектрические) могли образовываться и существовать и в предшествующие геологические эпохи, т.е. в периоды зарождения нефтяных скоплений. Влияя на последние, они способствовали коалесценции капельно-жидкой нефти и ее вторичной миграции в нефтяные резервуары с участием электроосмотического механизма.

Вторичная миграция нефти под действием электрического поля осуществляется в капельно-жидкой форме как в водонасыщенных породах-коллекторах, так и в глинистых породах, где напорная фильтрация, как известно, практически отсутствует. При этом водонасы-щенная порода, содержащая капли нефти в порах, рассматривается по меньшей мере как трехфазная система с двумя межфазными границами раздела: минерал - вода и вода - нефть (рис. 1). В соответствии с этим в породе на каждой из межфазных границ формируется свой ДЭС. Структура этих ДЭС различна, поскольку нефть является неполярной жидкостью с низкой удельной электропроводностью (около 0,3 · 10-18-2 · 10-10 Ом-1 · см-1).

Структура ДЭС на границе минерал - вода (ДЭСм-в) в большинстве пород достаточно хорошо изучена (Злочевская Р.И., Королев В.А., 1988). Главный же вопрос при анализе роли электроповерхностных явлений в механизмах вторичной миграции нефти - строение ДЭС на межфазной границе вода - нефть (ДЭСВ-Н). Проведенные исследования свидетельствуют о его весьма сложном строении, зависящем от состава как неполярной жидкости - нефти, так и водного раствора электролита [4]. Поскольку обе жидкости, участвующие в электроосмосе, представляют собой подвижные фазы, большое значение при решении задач их миграции приобретают заряды ДЭС, находящиеся в ближайших к границе молекулярных слоях, т.е. в адсорбционной части ДЭС. ДЭСВ-Н на границе водного раствора с неполярными углеводородами образуется вследствие перехода части ионов разного знака через границу раздела фаз вода - неполярная жидкость в неэквивалентных количествах или путем специфической адсорбции ионов преимущественно одного знака (Davies J.T., Rideal E.K., 1961; [4, 5]). При этом условием образования ДЭСВ-Н путем перехода ионов через границу раздела фаз является некоторая диссоциация растворенного вещества в неводной фазе. В этом случае одна обкладка ДЭСВ-Н может находиться в воде, другая - в нефти.

Если же диэлектрическая проницаемость нефти очень мала (обычно для нефти она составляет 2,0-2,5), то граница раздела является "непроницаемой" для любого иона и обе обкладки ДЭСВ-Н располагаются в водной фазе. Такое строение ДЭС характерно, например, для систем с предельными углеводородами или инертными газами. Возникающие между этими фазами разности потенциалов называют соответственно потенциалом распределения и адсорбционным потенциалом [4]. Влияние состава водного раствора электролита на электроосмос в системе вода - нефть весьма существенно. Это иллюстрируется зависимостью скорости электроосмоса (электроосмотического переноса Рэо) водных растворов электролитов разного состава от вида и концентрации электролита в поровом растворе каолинитовой глины, насыщенной нефтью, для Салымского месторождения (Западная Сибирь) в отношении 1:1 (рис. 2). При одинаковых условиях различные ионы по-разному влияют на развитие ДЭС на границах минерал - вода и вода - нефть в породе вследствие различий в сорбционной и структурирующей способностях этих ионов.


В зависимости от состава ионов водного раствора электролита по-разному осуществляется формирование ДЭСВ-Н за счет процессов адсорбции на межфазной границе, а следовательно, сам ДЭСВ-Н может приобретать как положительный, так и отрицательный знак зарядов. Это будет сказываться на направлении миграционного электроосмотического потока вдоль межфазной границы вода - нефть, результирующая которого, таким образом, в общем случае может иметь как катодное, так и анодное направление. В соответствии с этим направление потока нефти, увлекаемой водой при электроосмосе за счет вязкого трения, совпадает с направлением потока воды. В результате суммарный электроосмотический поток qсум будет складываться из потока воды вдоль межфазной границы минерал - вода qм-в и потока вдоль межфазной границы вода-нефть qв-н:

|qсум| = |qм-в|+|qв-н| (2)

При этом результирующее направление электроосмотического потока воды qсум будет зависеть от соотношения абсолютных значений, а также знаков (направления) потоков qм-в и qв-н Для водных растворов из большинства силикатных горных пород qм-в>0 (т.е. имеет катодное направление), поскольку qм-в<0. Если при этом qв-н также больше нуля (в случае, когда ζв-н<0), то катодное направление будет иметь и суммарный поток. Если же qв-н<0 (в случае, когда ζв-н>0), то суммарный поток будет характеризоваться катодным направлением только при условии, когда qм-в> qв-н. Следовательно, в общем случае поток qсум может иметь и катодное, и анодное направление. Очевидно, если qм-в - qв-н = 0, суммарный электроосмотический поток в системе отсутствует. В соответствии с этим возможные варианты строения ДЭС на границах вода - нефть и минерал - вода показаны на рис. 3.

Проведенные лабораторные эксперименты с нефтью Салымского месторождения (Западная Сибирь) показали (см. рис. 2), что qcyм для этой нефти имеет катодное направление, т.е. одинаковое с направлением потока qм-в. Это может свидетельствовать либо о том, что ДЭСВ-Н имеет такой же знак потенциалов qв-н и qв-н, как и на границе минерал - вода, либо о том, что ДЭСВ-Н имеет противоположный величине ДЭСм-в знак потенциалов qв-н и qв-н , однако абсолютные их значения (а следовательно, и вклад в электроосмос) в этом случае намного меньше по сравнению с таковыми для границы раздела минерал -вода. Вследствие этого qм-в> qв-н.

Следует также отметить, что в процессе электроосмоса в катодной зоне в породе формируется щелочная среда (рН = 12-14), а в анодной - кислая (рН = 3-4). В средней части межэлектродного пространства образца породы остается среда, близкая по рН к нейтральной. Различие в кислотности среды оказывает определенное влияние на взаимодействие нефти с водой в катодной и анодной зонах породы. Оно может влиять и

на характер адсорбционных процессов на межфазной границе вода -нефть в этих зонах, а также на состояние граничных слоев воды.

Таким образом, ДЭС существенно влияет на миграционные процессы в тонкопористых породах. В работе В.И.Иванникова [2], посвященной анализу, диффузионно-осмотического механизма вторичной миграции нефти, дается неправильная трактовка распределения ДЭС в порах-ячейках водонасыщен-ных коллекторов нефти и газа. В частности, он отмечает, что "внутри ячейки (в центральной части) преобладает некоторый избыток отрицательно заряженных ионов (анионов)". И далее: "При внедрении в ячейку 1 капли нефти в соседнюю ячейку 2 вытесняется вода, содержащая преимущественно анионы. В результате в ячейке 2 возрастает общий заряд (концентрация) анионов" [2, с.20]. Автор здесь глубоко заблуждается. В центральной части ячейки-поры (т.е. за пределами ДЭС, в области свободного раствора) не может образоваться избыток анионов. В свободном растворе заряд (концентрация) анионов строго эквивалентен заряду катионов. Следовательно, движение капли нефти не может приводить к "вытеснению анионов" в соседние ячейки-поры, а вследствие этого не может возникать и "временное разделение зарядов электролита", приводящее к движению пленочной воды и переносу ею капли нефти из ячейки 1 в ячейку 2, как это описывает В.И.Иванников.

Диффузионно-осмотический перенос нефти в порах коллекторов возможен лишь вследствие наличия градиента концентрации электролита вдоль поверхностей раздела минерал - вода и вода - нефть. Именно направление этого градиента обусловливает направление миграционного фронта (а не наоборот!), как пишет В.И.Иванников [2]) осмотической воды и увлекаемой ею вследствие вязкого трения нефти из области меньшей концентрации электролита в область большей концентрации (нормальный осмос). В этом случае концентрация электролитов в порах породы повышена перед нефтяным фронтом. Однако вследствие особенностей строения ДЭС и изменения его конфигурации вдоль поверхности раздела в пористых породах возможен и аномальный осмос, который осуществляется в противоположном направлении, т.е. совпадает с направлением нормальной диффузии солей.

Наконец, электроповерхностные явления оказывают определенное влияние не только в процессе передвижения, но и в процессе аккумуляции углеводородов в земной коре. Рассмотренный механизм вторичной миграции нефти с участием сил электроосмоса и электроповерхностных явлений наиболее интенсивно происходит в тонкопористых дисперсных водонасыщенных породах, т.е. там, где параметры ДЭС, развитых на противоположных стенках пор, соизмеримы с параметрами порового пространства. В крупнообъемных же порах, диаметр которых намного больше толщины ДЭС, электроосмотический перенос незначителен или совсем отсутствует.

Именно поэтому в зонах дисперсных пород с повышенной трещиноватостью или высокой пористостью, обусловленной наличием в породе крупных пор, и происходит аккумуляция нефти. Такие зоны являются своеобразными "областями разгрузки" для движущейся под действием электоосмотических сил капельной или пленочной нефти. Как только такой движущийся поток встречает на своем пути "зоны разгрузки" (где роль ДЭС незначительна), интенсивность электроосмоса резко падает, нефть перестает двигаться, а вновь поступающие ее порции вследствие коалесценции создают условия для начала ее аккумуляции и формирования залежи. Одновременно с этим начинают проявляться фактор плавучести, действие капиллярных барьеров и другие известные факторы вторичной миграции.

Литература

  1. Большаков Ю.Я. Теория капиллярности нефтегазонакопления. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1995-
  2. Иванииков В.И. Возможный механизм миграции и аккумуляции нефти и газа в породах коллекторах и ловушках // Геология нефти и газа. - 1995. - № 6. - С. 19-22.
  3. Приоритетные направления научных исследований в области геологических, геохимических, геофизических и горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России / Под ред. В.А.Жарикова. - М.: ИПКОН РАН, 1996.
  4. Тихомолова К.П. Электроосмос. - Л.: Химия, 1989.
  5. Danielly J.F., Pankhurst K.G.R., Riddiford A.S. Recent Prog, in Surface Sci. -N.Y.; L.: Academic Press. - 1964. - Vol.l. - P.94-158.

Тематические разделы: