Материал: Dobrynin_V.M._Petrofiz._modelirovanie_prirodnyh_gidrodinam._processov

возможность образования аномальных давлений за счет гравита­

ционного уплотнения глин, считает, что аномально высокие пла­

стовые давления могут определять региональные фильтрацион­

ные потоки пластовых вод и быть весьма долговечными.

В. М. Добрынин и В. А. Серебряков (1978 и 1989) эксперимен­

тально определили, что градиент давления поравой воды в гли­

нистых породах Западно-Кубанского прогиба в зонах аномально высоких пластовых давлений равен 10-2 -т I0- 1 М Па/м, направлен

вверх и способствует восходяшей фильтрации пластовых вод че­ рез глинистую покрышку. Значения этого градиента были исполь­

зованы для определения водопроницаемости глинистых покры­

шек и для прогнозирования аномальных давлений.

В. С. Антоненко, В. А. Ванюшин, Л. М. Зорькин, А. В. Петухов (1974), И. А. Чиркин, О. Л. Кузнецов, В. Г. Чахмахчев, Г. В. Рогоц­ кий и Н. И. Белоликов ( 1976-1978) на основе обобщения резуль­

татов геохимических и геофизических исследований на много­ численных месторождениях нефти и газа антиклинального тиnа

пришли к выводу, что в определенных геологических условиях

аномально высокие концентрации углеводородов совпадают с

аномальными значениями концентраций микроэлементов, не­

углеводородных газов, гелия, микрофлоры и физических полей

(упругих волн, теnлового потока, силь1 тяжести, напряженности

электромагнитных полей и др.).

Е. В. Карус, О. Л. Кузнецов, И. А. Чиркин и Н. И. Белоликов в 1977 г. установили эффект кольцевого окаймления антиклиналь­ ньrх поднятий Оренбургского нефтегазоносного района зоной ано­ мально высоких значений nоrлошения энергии сейсмических волн,

жестко связанной с участками интенсивно деформированных по­

род, характеризующимиен аномально высокими фильтрационньr­ ми свойствами и концентрациями углеводородов. Это указывает на интенсивный массаобмен в осадочной толще в результате восходя­ щей и нисходящей фильтраций пластовых вод.

В. М. Добрынин и В. А Серебряков в 1986 г. предложили сnособ

прогнозирования аномально низких пластовых давлений,

основанный на использовании понятия отрицательного тер­

модинамического градиента давления поровых вод. Этот сnособ

был применен для описания механизма существуюшей в

природе нисходяшей фильтрации в разрезах Непско-Ботуобин­ ской антеклизы. В том же году В. М. Добрынин, В. А. Серебряков

и Н. В. Парфененко с помощью термодинамического градиента давления поровых вод объяснили происхождение аномально

низких геотермических градиентов и изменение минерализа­

ции пластовых вод по площади в этом же районе.

11

В. М. Добрынин (1987) обосновал возможность существования

региональной термодинамической покрышки дЛЯ нефти и газа.

Результаты, полученные в различные годы многими иссле­

дователями, по существу, объясняют отдельные фрагменты еди­

ного природного явления, обусловившего многие закономер­

ности, включая изменения давления пластовых флюидов и кон­ центрации углеводородов в коллекторах, интенсификацию зо­

нального минерального массопереноса и другие.

Ранее никто из исследователей не связывал вышеназванные процессы в осадочной толще с физическими явлениями, возни­

кающими в уплотненных слабопроницаемых породах, и в частности,

с периодом глобального изменения климата Земли. Все

перечисленные процессы объединяются в единое целое явлением, возникающим в слабопроницаемых воданасыщенных породах в

результате квазистационарного изменения регионального теплового

поля и поля механических напряжений, т. е. термодинамическим

градиентом давления поровых вод.

ФИЗИЧЕСКОЕОБОСНОВАНИЕ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ГРАДИЕНТА

Предположим, что в какой-то момент геологической истории

в древнем осадочном бассейне установилось гидродинамическое

равновесие, при котором пластовое давление воды в коллекто­

рах и поравое давление в плотных породах р изменяются с глу­

биной h по законам гидростатики:

( l )

Пусть в следующий момент изменились термодинамические

условия залегания породы. Например, изменилось горное дав­

ление в породах а за счет отложения новых осадков, эрозии,

образования толщи многолетнемерзлых пород или тектонических

процессов; температура пород Т- за счет глобальных измене­

ний среднегодовой температуры или погружения осадков. Эти

внешние причины приведут к объемным деформациям пород, ·их парового пространства и к изменению объема жидкости с

12

учетом зависимости ее теплового расширения (или сжатия) от

температуры.

В плотных, низкопроницаемых разностях пород, объем ко­

торых доминирует в разрезах древних осадочных бассейнов, поры и пустоты гидраолически слабо связаны между собой.

Условия гидравлической изоляции пор могут создаваться ненью­

тоновскими свойствами воды и капиллярными силами, возникаю­

щими в тонких субкаnиллярных порах и микротрещинах. Известно,

что эти силы возрастают обратно проnорционально диаметру пор в

каnиллярах или раскрытию микротрещин. Однако nоровое nростран­

ство реальных горных nород всегда состоит из <<набора>> пор и микро­

трещин самых разных размеров. Поэтому по мере увеличения nерепа­

да давления между двумя или несколькими порами движение флюида будет nроходить вначале по системам наиболее круnных пор (тре­

щин), а затем все более и более мелких. При этом будут меняться также nути фильтрующейся жидкости. Таким образом, <<ГИдравличе­

ски изолированные поры>> дЛЯ реальной породы не вnолне оnреде­

ленное nонятие, nоскольку сама <<изоляция пор>> зависит от термоди­

намических условий залегания породы.

Однако здесь возникает вопрос о принципиальной возмож­ ности такой фильтрации. Ведь в основу вывода положена гид­

равлическая изолированность пор, создаваемая неньютоновскими

свойствами воды в тонких капиллярах и капиллярными свойст­

вами при наличии двух или трех флюидов в порах. При насыще­

нии породы однородным флюидом (пластовой водой) капил­

лярными силами можно пренебречь. Неньютоновские свойства

воды nроявляются в том, что вода в тонких капиллярах под влия­

нием физических связей ее молекул с породой приобретает nри

той же вязкости в слоях толшиной I0-6 - IО-7 м сдвиговую

прочность, характеризуемую предельным напряжением сдви­

га "t0• Другими словами, происходит нарушение закона Дарси за счет появления начального градиента давления G0 , который нужно преодолеть для того, чтобы началось движение флюида в тонком капилляре. Этот начальный градиент и является тем фактором, который обеспечивает временную гидравлическую

изоляцию пор, сообщающихся между собой через тонкие

капилляры.

Уравнение Дарси в обычной форме дЛЯ определения скоро­

сти вертикального потока можно записать:

f.!u

13

Из формулы (2) следует, что nри стационарных (равновес­ ных) тепловых условиях и отсутствии внешних гидравлических

сил градиенты давления др 1 дh = g8в и фильтрация флюида от­

сутствуют (vn = 0).

При нарушении теплового равновесия в каждой гидравличе­

ски изолированной поре происходит изменение nарового дав­

ления, которое может привести к nоявлению доnолнительного

градиента давления. Однако движение жидкости между nорами, соединенными между собой в nлотных nородах nреимущест­

венно тонкими каnиллярами, будет возможным только в том случае, если возникший <•nредельный)> градиент давления nревысит начальный, характерный для каnилляра наибольшего

радиуса r; и каnилляра, соединенного с порой:

др/ дh' g811 ± {i(др / дh)тдг nplGo,;} nри l(др 1 дh)тдгnpl > Go, i'

(3)

где (др/ дh)тдг np может быть рассчитан исходя из условий nол­

ной изоляции пор [10]. Подставив значение (3) в уравнение (2),

nолучим:

14

В последних равенствах выражение в скобках дает nредстав­ ление о результирующем (эффективном) значении термодина­

мического градиента давления:

которое можно определить, как будет показано ниже, путем nолевых наблюдений. Начальный градиент G0. ; всегда проти­

водействует приложеиному предельному термодинамическому

градиенту. Знак результирующего термодинамического

градиента (др 1 дh)тдг может изменяться в зависимости от знака

изменения темnературы пород t.Т.

И еще одно замечание. Для оценки среднего значения G0 мо­ жет быть более целесообразно использовать не наибольший диа­

метр пор с начальным градиентом давления, который изменя­

ется очень широко, а наиболее вероятное для данной породы

значение диаметра.

Таким образом, уравнение (4) с учетом введенного обозна­

чения можно переписать:

Такой переход от предельного к эффективному термодина­

мическому градиенту имеет смысл nри исследовании новых

закономерностей фильтрации nодземных вод. При nрактичес­

ком изучении стационарных npoueccoв, таких как nроrнози­

рование аномальных пластовых давлений на небольших глуби­

нах и экранирующих свойств покрышек, среднее значение

начального градиента можно считать в каждом случае величи­

ной постоянной и пользоваться для ее определения уравнени­

ями для nредельного термодинамического градиента. Разница

между <<nредельным>> и истинным градиентами может быть уч­ тена в настроечных константах уравнений nутем сравнения nрогнозируемых и измеренных давлений (там, где это возможно

сделать), либо для установления ее можно воспользоваться

средними градиентами из полевых наблюдений.

Эксnериментальное количественное определение истинной

скорости фильтрации воды в тонких каnиллярах встречает боль-

15