Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 1, стр. 36-42

В настоящее время многие нефтегазовые месторождения малых (до 2.0 км) и средних (до 4.0 км) глубин уже отработаны или в значительной мере истощены. В то же время спрос на жидкие и газовые углеводороды (УВ) продолжает неуклонно расти. Такая тенденция сложилась практически во всех нефте- и газодобывающих странах мира, включая Россию. Поэтому многие нефтегазовые организации уже теперь перешли к поиску, разведке и промышленному освоению сверхглубинных (5.0–10.0 км) нефтегазовых месторождений. Трудность изучения и освоения подобных месторождений состоит не только в том, что они находятся на больших глубинах, недоступных для непосредственных наблюдений, но и в сложном составе и поведении самих флюидов, представляющих собой смеси различных УВ, водных растворов и их паров с самыми различными объемными соотношениями. Именно эти компоненты были положены нами в основу экспериментов, которые, согласно нашим представлениям, могут оказать существенную помощь в установлении, происходит ли и, если “да”, то в каких конкретных условиях превращение гетерогенных многофазных водно-углеводородных (т.е. нефтегазовых) флюидов малых и средних глубин, в гомогенную водно-углеводородную жидкость, близкую по фазовому составу и состоянию глубинной природной нефти.

Открытие в последние десятилетия в Мексике, Китае и других странах крупных газоконденсатных месторождений на глубинах 8.8–11.5 км [1–3] способствовало (и продолжает способствовать) оживленной дискуссии о максимально возможных глубинах (или, другими словами, температурной устойчивости) нахождения нефти в Земных недрах. Причем особенно важным здесь является установление условий для гетерогенного и гомогенного состояний глубинных водно-углеводородных систем.

Мы попытались получить однозначные данные о фазовом состоянии глубинных водно-углеводородных флюидов экспериментально, применив, в том числе, ранее разработанный авторами этой статьи новый подход [4–7]. Суть его состоит в проведении опытов по выращиванию кристаллов кварца с захваченными водно-углеводородными включениями, полученными одновременно с осуществлением взаимодействия битуминозных или углеродистых пород, а также сырой нефти с гидротермальными растворами [4, 7]. Кварц был выбран для захвата включений благодаря высокой механической прочности и химической стойкости – свойствам, которые необходимы как для предотвращения растрескивания кристаллов при формировании флюидных включений, так и при последующих термометрических исследованиях. Кроме того, выращивание кварца проводят в автоклавах простой конструкции, используя надежный гидротермальный метод температурного градиента в широком диапазоне температур 240–700°С и давлений 7–150 МПа [4]. В качестве растворителей в опытах использовали водные растворы бикарбоната натрия (7 мас. % NaHCO₃) и карбоната натрия (5 мас. % Na₂CO₃), растворимость кварца в которых высока [8].

После завершения опытов для изучения флюидных и твердых включений из выращенного кварца готовили полированные пластинки толщиной 0.5–2.0 мм. Поведение, фазовый состав и состояния включений изучали in situ при их нагревании и охлаждении в измерительном микротермометрическом комплексе, созданном на основе микротермокамеры THMSG-600 фирмы “Linkam” (Англия), микроскопа “Amplival” (Германия), снабженного дополнительным источником УФ-света, набором длиннофокусных объективов, видеокамерой и управляющим компьютером [9, 10]. Комплекс позволяет в режиме реального времени наблюдать за поведением и фазовыми состояниями флюидов во включениях в интервале температур от –196 до +600°С, записывать видеофильмы с непрерывным автоматическим фиксированием температуры и скорости ее повышения и понижения. Реально термометрические измерения прекращали при температурах 405–410°С, поскольку при более высоких температурах флюидные включения теряли герметичность за счет растрескивания, вплоть до полного разрушения со взрывом.

Жидкие и газовые углеводороды во флюидных включениях идентифицировали по фундаментальным полосам поглощения ИК-спектров в диапазоне 6000–2600 см^–1, записанным с помощью ИК-микроскопа “Continuum” и однолучевого FT-IR спектрометра “Nicolet, Nexus” с минимальным размером апертуры 5 мкм (разрешение 4 см^–1). Распределение углеводородов во включениях контролировали с помощью микроспектрофотометра марки QDI 302 фирмы “CRAIC” на базе микроскопа “LEICA” DM 2500 P, а также микроскопа “ZEISS” AXIO Imager, (Германия), снабженного дополнительным источником ультрафиолетового (УФ) света.

В общей сложности для решения поставленных в статье вопросов, касающихся изучения фазового состава и фазовых состояний водно-углеводородных флюидов в земных недрах, было осуществлено более 50 опытов, продолжительностью от нескольких до 40 дней. В результате были выращены кристаллы кварца клиновидной формы (Приложение рис. 1), содержащие водно-углеводородные включения размерами от десятых долей до 1 мм различной морфологии: трубчатой, игольчатой, овальной и неправильной формы. Включения, сформированные в наросшем слое непосредственно во время роста кристаллов, полностью отражают фазовое состояние среды кристаллизации. Механизм и условия образования включений приводили к формированию флюидных включений с различными соотношениями водной (L1), газовой (G) и жидких углеводородных (L2) и (L3) фаз [7] (рис. 1, Приложение рис. 2–7 ). Часто в оторочке и капле жидких углеводородов наблюдаются выделения твердых битумов (SB) сферической или неправильной формы. Во всех флюидных включениях в кварце, даже из опытов, содержащих в исходных растворах не более 1–2 сотых доли объемных процентов нефти под ультрафиолетовым освещением обнаруживалось присутствие углеводородов (Приложение рис. 3, 4). Для изучения и сопоставления были выбраны включения трех разных типов: существенно водные с объемными соотношениями фаз L1 > G, L1 > G > L2, L1 > G > L2 $ \gg $ SB; существенно газовые с G > L1 > L2, G > L1 > L2 $ \gg $ SB и существенно углеводородные с L2 > G, L2 > G > L1, L2 > G > L1 > L3. Поведение и фазовое состояние водно-углеводородных флюидов во включениях трех разных типов были изучены in situ при нагревании и охлаждении 25–410–25°С. Подобные микротермометрические исследования позволяли ответить на вопрос, какие изменения происходят с фазовым составом и фазовым состоянием водно-углеводородных флюидов при погружении (т.е. повышении температуры) и воздымании (т.е. понижении температуры) вмещающих пород.

Рис. 1.

Синтетические флюидные водно-углеводородные включения в кварце: существенно водные с объемными соотношениями фаз L1 > G (а), L1 > G > L2 (б), L1 > G > L2 $ \gg $ SB (в, г); существенно газовые с G > L1 > L2 (д), и существенно углеводородные с L2 > G > L1 (е, з), L2 > G > L1 > L3 (ж), L2 > G (и).

Рис. 2.

Микротермограммы существенно водных углеводородных включений с объемными соотношениями фаз L1 > G (а), L1 > G > L2 (б), L1 > G > L2 $ \gg $ SB (в).

Рис. 3.

Микротермограмма существенно газового углеводородного включения с объемным соотношением фаз G > L1 > L2.

Рис. 4.

Микротермограмма существенно углеводородного включения с объемным соотношением фаз L2 > L1 > G.

Рассмотрим результаты микротермометрического изучения существенно водных включений. Во включениях с объемным соотношением фаз L1 > G (рис. 2 а) гомогенизация флюида происходит при температуре 350°С за счет постепенного уменьшения газовой фазы (G) до полного ее растворения в водном растворе (L1). Включение на вид двухфазное, однако при УФ-свете на границе водного раствора и газовой фазы наблюдается оторочка жидких углеводородов, не видимая под обычным и поляризованным светом, но проявляющаяся по характерному флуоресцентному свечению под ультрафиолетовым светом как фаза жидких углеводородов (Приложение рис. 3, 4).

В случае объемного соотношения фаз L1 > > G $ \gg $ L2, водно-углеводородные флюиды находятся в трехфазном состоянии до температуры 220–250°С. При повышении температуры фаза жидких углеводородов растворяется в водном растворе, и флюиды переходят в двухфазное (L1 > G) состояние (рис. 2 б). Полная гомогенизация включений происходит при температуре 380–390°С. Следует отметить, что существенно водно-углеводородные включения, объемная доля углеводородной фазы в которых более 10 об. %, или приблизительно равна доле газовой фазы (L1 > G ≥ L2), претерпевают полную или частичную разгерметизацию, не достигая гомогенизации. Устойчивое существование двухфазных флюидов (L1 > L2) без свободной газовой фазы удалось проследить до температур 385–405°С, выше которых происходила разгерметизация включений (Приложение рис. 8 ).

В тех случаях, когда в существенно водных включениях присутствует фаза твердых битумов с объемным соотношением фаз L1 > G $ \gg $ L2 > SB, вначале при повышении температуры до 280–300°С происходит полное растворение оторочки жидких углеводородов в газе с образованием двухфазного (L1 ≥ G) флюида, а затем при 390–400°С исчезает газовая фаза с переходом флюида в гомогенное жидкое состояние (рис. 2 в). Сферические выделения твердых битумов SB, находившиеся в оторочке L2, при этом никаких изменений не претерпевают.

В редких случаях в кристаллах кварца образуются преимущественно газовые углеводородные включения с соотношением фаз G > L1 > L2 и G > L1 > L2 $ \gg $ SB. Они являются вторичными и формировались за счет приращения объема существенно жидких включений при возникновении в стенках вакуолей слепых трещин во время нагревания–охлаждения исследуемых образцов (рис. 1 д). На микротермограммах таких включений вначале также наблюдается растворение фазы жидких углеводородов в газе с образованием двухфазного флюида (G > L1) при относительно более высокой температуре (300–320°С) по сравнению с предыдущим случаем. Дальнейшее повышение температуры до 360–400°С приводит к полному исчезновению водной фазы (L1) с образованием гомогенного газового флюида (рис. 3).

В существенно углеводородных включениях с объемным соотношением фаз L2 > L1 > G при 260–280°С в фазе жидких углеводородов вначале исчезает газовая фаза и флюид становится двухфазным углеводородно-водным (L2 > L1). Далее при повышении температуры до 350–360°С наблюдается полное растворение водной фазы L1 в фазе L2 с образованием гомогенного углеводородного флюида (рис. 4). Во включении состава L2 > L1 > G > L3 ≥ SB вначале (до 200°С) наблюдается растворение капель углеводородной фазы L3, затем газа (G) и водной фазы (L1) в основном объеме жидких углеводородов L2 (Приложение рис. 17 ).

В целом водно-углеводородные включения в других кристаллах кварца, выращенных в близких ТР-условиях, при нагревании и охлаждении ведут себя в общих чертах аналогично (Приложение рис. 8–18 ). Температуры исчезновения и появления фазы жидких (L2) и газовых (G) углеводородов при гомогенизации и гетерогенизации флюидов отличаются, как правило, в пределах от 10 до 50°С. Это связано с различным заполнением автоклавов и неодинаковой долей нефтяных углеводородов в исходных растворах. Фаза твердых углеводородов (SB) во включениях практически не изменяется во время микротермометрии. Повторные нагревания и охлаждения включений неоднократно воспроизводят их поведение, фазовый состав и состояния, что свидетельствует об обратимости изучаемых процессов.

Таким образом, эксперименты по изучению формирования жидких и газовых углеводородов при взаимодействии битуминозных пород и сырой нефти с гидротермальными растворами позволили однозначно определить гетерогенное состояние водно-углеводородных флюидов на малых, средних и больших глубинах земных толщ. Это особенно отчетливо видно на микротермограммах, полученных при одновременной съемке флюидных включений с захваченными жидкими и газовыми углеводородами. В то же время эксперименты показывают, что при температурах порядка 380–400°С и содержании нефти до 10 и более об. % подобные включения достигают гомогенного состояния. Однако в природных условиях еще ни в одном нефтегазовом бассейне мира такие температуры и соответствующие им гомогенные состояния водно-углеводородных флюидов установлены не были. Полученные экспериментальные данные подтверждают, что при сохранении температурной устойчивости нефти (450–550°С) в природе могут быть обнаружены условия, отвечающие гомогенному и даже надкритическому состоянию флюидов. Это должно способствовать развитию теории происхождения жидких и газовых углеводородов, а также успешному поиску и разведке глубинной нефти.