К оглавлению

Диффузия углеводородных газов через каменную соль

П. Л. АНТОНОВ, Г. А. ГЛАДЫШЕВА, В. П. КОЗЛОВ

Вопрос о том, могут ли газы диффундировать через галогенные отложения и, в частности, через каменную соль, до сих пор оставался экспериментально мало изученным.

А.А. Черепенникову [3] впервые удалось получить некоторые опытные данные по изучению газопроницаемости солей. Он установил, что в естественном залегании различные соли Соликамского месторождения обладают технической газопроницаемостью (Коэффициент газопроницаемости дается А.А. Черепенниковым в миллилитрах газа, проникающего за 1 мин. на глубину 1 см через образец с поперечным сечением 1 см².) от тысячных до сотых долей. По его данным особенно велика газопроницаемость галогенных толщ, которые содержат повышенное количество глинистых прослоев. Однако каменная соль до сих пор рассматривается как надежный изолятор, предохраняющий от рассеивания в природных условиях газонефтяные залежи. Это представление подкреплялось лишь тем, что в идеальной кристаллической решетке NaCl расстояние между соседними узлами составляет 2,8*10^-8 см, тогда как даже для наиболее легких углеводородов диаметр молекул превосходит эту величину и достигает для метана 4*10^-8см, для этана 4,7*10^-8 см.

Поскольку решение этого вопроса имеет большое значение, например в деле оценки перспектив нефтегазоносности отдельных осадочных комплексов в областях с развитыми отложениями солей, во ВНИГНИ были проведены экспериментальные исследования проницаемых свойств соли. Исследовались четыре образца каменной соли различного возраста, с различных глубин и из различных по тектоническому строению областей. Два образца (№ 1 и № 2) были взяты из отложений нижнепермского возраста, вскрытых скв. К-11 на глубине 243,3- 252,6 м и скв. К-12 на глубине 385-395 м на куполе Увгар (Урало-Эмбенская солянокупольная область). Оба указанных образца представляли собой чистую, почти белую, бесцветную каменную соль зернисто-кристаллического строения. Образец № 3 извлечен из скв. 3р с глубины 2173 м в Исачках (Днепровско-Донецкая впадина), Эта соль девонского возраста серого цвета обладает значительной хрупкостью и пронизана большим количеством тончайших трещин, образующих мозаику блоков от едва видимых простым глазом до 2-3 мм. Образец № 4 представлен также солью девонского возраста. Он был поднят с глубины 2430 м из опорной Белорусской скважины. Соль эта светло-желтого цвета и имеет мелкозернистое строение.

Исследование образцов каменной соли на диффузионную проницаемость для метана и этана было выполнено по методу регистрации прохождений. Применение этого метода связано с измерением количеств углеводородных или иных газов, проникающих в течение определенных промежутков времени из источника через исследуемый слой.

Теоретически количество газа Q, проходящее через образец, вначале должно нарастать нестационарно, а затем линейно в зависимости от времени t. Количественно эта зависимость дана на рис. 1 и определяется формулой

где С₀ - концентрация газа в источнике; r и l - радиус и высота цилиндрического образца; D и b -коэффициент диффузии и газовая емкость исследуемой породы; n - числа натурального ряда.

Вычисление параметров диффузии D и b производится по формулам

 и

где t₁ и Q₁ - отрезки, отсекаемые продолжением прямолинейной части кривой на осях координат.

В результате опытов с описанными образцами каменной соли получены кривые зависимости Q от t, подобные изображенным на рис. 1, 2, 3, 4. Ниже приводятся результаты вычислений параметров диффузии.

Максимальное значение диффузии оказалось для образца № 3, обладающего вследствие трещиноватости меньшей механической прочностью; минимальное - для образцов № 1, 2 и 4, представленных плотными разностями соли.

Существует ли зависимость параметров диффузии от возраста соли, еще неясно, но остается несомненным, что газовая емкость b для различных образцов соли изменяется существенно. Так, для метана значение этого параметра возрастает в 8 раз и тем самым свидетельствует о значительной газопоглотительной способности соли, еще не обнаруженной для метана по данным П.Л. Антонова [2] ни у одной породы в состоянии естественной влажности. Кроме того, эта изменчивость b, по-видимому, указывает и на влияние различных текстурно-структурных особенностей испытуемого образца. Высказанное предположение убедительно подтверждается и изменением в данном случае коэффициента диффузии D почти в 2 раза.

Полученные экспериментальные данные о параметрах диффузии позволяют дать приблизительную оценку величины диффузионного потока А углеводородных газов через толщу отложений каменной соли.

Исходной для расчета диффузионного потока является формула

,

где- градиент концентрации в диффузионной среде. Для наиболее простого случая стационарного потока можно принять равным 10^-3 ,что соответствует изменению давления в 1 ат на каждые 10 м погружения.

Вычисление углеводородного потока для галогенной толщи с параметрами диффузии такими, как, например, у образца № 3, дает.

1.Поток метана из чисто метановой залежи равен 88,5*10⁶ м³/км² в 1 млн. лет;

2.Поток этана из чисто этановой залежи равен 175*10⁶ м³/км² в 1 млн. лет.

Таким же путем можно рассчитать величину диффузионного потока из залежи, содержащей смеси углеводородов.

Выполненные расчеты показывают, что масштабы такой миграции углеводородов могут быть весьма значительными. Путями миграции в данном случае является густая сеть макро- и микротрещин, пересекающих кристаллы соли в разнообразных направлениях. Подобная трещиноватость каменной соли в природных условиях является обычной и весьма распространенной, и вследствие этого ее действительная структура представляет собой мозаично-блоковый агрегат, существенно отличный от идеального строения кристалла NaCl. Согласно исследованиям Смекаля первичные трещины в кристаллах каменной соли возникают в результате поглощения примесей и быстрого роста кристаллов, а вторичные - за счет горного давления и тектонической напряженности. Как указывает Р. Болк [4], трещиноватость в соляных массивах, начиная с глубины 200-250 м, значительно возрастает. Приведенные данные позволяют утверждать, что пластические свойства соли, проявляющиеся при очень высоких давлениях, обычно возникающих при крупных тектонических напряжениях, вовсе не противоречат ее способности в хрупком состоянии дробиться за счет трещин и плоскостей спайности на бесчисленные блоки, придающие ей мозаичную структуру. Представление о трещиноватости каменной соли, а также других галогенных образований может хорошо увязываться и с тем фактом, что почти всюду, где только под ними имеются залежи нефти и газа, они всегда содержат обильные их признаки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адам Н.К. Физика и химия поверхностей. Гостехиздат, 1947.

2. Антонов П.Л. Тр. НИИГГР, вып. 2, 1954.

3. Черепенников А.А. Сб. «К 75-летию академика А.А. Скочинского». Гостоптехиздат, 1949.

4. Balk R. Bull. Am. ass. Petr. geol., v. 33, No 11, 1949.

ВНИГНИ

Таблица

№ образца	Метан			Этан
	D, см^2/сек	b	b D, см^2/сек	D, см^2/сек	b	b D, см^2/сек
1	2,38*10^-7	6,13*10^-1	1,46*10^-7	1,35*10^-6	4,1*10^-1	5,55*10^-7
2	3,34*10^-7	8,2*10^-1	1,92*10^-7
3	2,8 *10^-6	1,0*10^-1	2,8*10^-7
4	6*10^-7	2,5*10^-1	1,5*10^-7

Рис. 1.

Рис. 2. Метан. Образец 2.

Рис. 3. Метан. Образец 3

Рис. 4. Этан. Образец 3.