Визуализация in-situ поведения и фазовых состояний водно-углеводородных флюидов при повышенных и высоких температурах и давлениях

1. Геологические и геолого-минералогические свидетельства существования в земных недрах водно-углеводородных флюидов.

Имеются многочисленные геологические и минералого-геохимические свидетельства существования в земных недрах водно-углеводородных флюидов (ВУФ). Большинством исследователей под ними понимаются существенно жидкие или существенно газовые водно-углеводородные среды (системы) с частично или полностью растворенными в них жидкими, коллоидными, твердыми дисперсными и газообразными фазами. В зависимости от этого ВУФ могут быть как гетерогенными многофазными, так и гомогенными однофазными. При определенных термобарических параметрах и соотношениях фаз они могут находиться в сверхкритическом состоянии.

Одной из важнейших сторон деятельности ВУФ является их связь с образованием и миграцией жидких и газообразных углеводородов, концентрированием твердых битумов, переносом и отложением некоторых рудных компонентов (U, V, Ni, Ti, Hg, Sb и др.). Появление подобных флюидов в земных недрах связывается с различными причинами, которые широко обсуждаются при решении проблем происхождения жидких и газовых углеводородов и твердых битумов. Не вдаваясь в эти, безусловно, важные, но в значительной мере дискуссионные вопросы, укажем только на некоторые общепризнанные факты, которые имеют прямое отношение к теме данной работы. В частности, многочисленные геологические и минералого-геохимические исследования указывают на возникновение ВУФ при взаимодействии горячих и перегретых водных растворов с нефтематеринскими породами на стадии катагенеза осадочных пород, содержащих РОВ и захороненную поровую воду (Успенский, 1970; Вассоевич и др., 1986). Возникновение ВУФ отмечается также при непосредственном взаимодействии гидротермальных растворов с нефтью и продуктами ее изменения (Черевко, 1999). Гидрофобные при обычных температурах и давлениях, нефть и продукты ее разложения при повышенных (150-250^оС) и высоких (350-400^оС) температурах и д.н.п. и выше начинают активно взаимодействовать с водными растворами, образуя ВУФ иногда с рудоносными компонентами. Подобные флюиды имеют глубинное происхождение и могут находиться, как полагают некоторые исследователи, в надкритическом состоянии (Price, 1976, 1981; Флоровская и др. 1986; Жузе, 1986). Формирование их может протекать также под влиянием локального прогрева вмещающих осадочных пород внедрившимися магматическими телами с привносом дополнительных летучих и рудных компонентов (Флоровская и др., 1964; Ермаков, 1972; Летников и др., 1991).

Неопровержимым доказательством существования в земных недрах ВУФ является непосредственное обнаружение их во многих областях современной вулканической и термальной деятельности, в зонах спрединга на дне океанов и в других тектонически активных участках Земли (Симонейт, 1995, Баженова и Леин, 2002; Пиковский и др. 1987). В составе таких флюидов, температура которых нередко достигает и превышает 400^оС, отмечаются нефть и газообразные УВ, присутствуют CO2, H2S, N2, H2 и обнаруживаются в повышенных концентрациях многие рудные компоненты. Высокотемпературные водные растворы в этом случае "обеспечивают протекание единого непрерывного процесса - созревания ОВ, обособления образовавшихся продуктов и их миграции" (Рокосова и др., 2001). Нефти, возникшие в таких условиях, получили название гидротермальных (Simoneit, 1990). Они содержат, как правило, все фракции сырых нефтей, но отличаются от них пониженной долей бензиновой фракции, повышенным содержанием полициклических ароматических углеводородов и N-S-O-соединений, а также присутствием алкенов и некоторых биомаркеров (изопреноидов и др.).

И, наконец, существование и активная деятельность ВУФ в земных недрах доказывается нередким присутствием макро- и микровыделений твердых битумов, жидких и газообразных углеводородов в минеральных ассоциациях самых разнообразных по типам и условиям формирования рудных и жильных месторождений - от высокотемпературных редкометальных пегматитов до низкотемпературных ртутно-сурьмянных и безрудных кварцевых, кальцитовых, флюоритовых и т.п. гидротермальных образований. При этом в отдельных минералах нередко наблюдаются сингенетичные флюидные включения с аналогичными углеводородами и твердыми битумами, непосредственно указывающими на участие их в процессах минералообразования (Ермаков, 1972; Touray and Barlier, 1975; Калюжный, 1978; Возняк и др., 1978; Рёддер, 1987; и мн. др.). Во многих случаях подобные месторождения приурочены к окраинным зонам НГБ или находятся непосредственно в их пределах (Балицкий, 1966; Безруков, 1997; Бескровный, 1967; Флоровская и др., 1971; Клубов, 1983; Озерова, 1986; Мелков и Сергеева, 1990; Черевко, 1999; и др.).

Таким образом, даже кратко упомянутые геологические и минералого-геохимические данные свидетельствуют о существовании в земных недрах ВУФ и их активном участии в формировании и транспортировке жидких и газообразных углеводородов, твердых битумов и целого ряда рудных и жильных полезных ископаемых.

Вместе с тем, многие характеристики самих ВУФ, особенно имеющие отношение к их поведению и фазовым состояниям при повышенных и высоких температурах и давлениях, до сих пор изучены недостаточно. Это связано, прежде всего, с недоступностью непосредственных наблюдений за ними в земных недрах при высоких термобарических параметрах и на больших глубинах. Очевидно, что решающая роль здесь должна принадлежать специальным экспериментальным исследованиям. Поэтому не случайно в последние 2-3 десятилетия заметно увеличилось число экспериментальных работ по моделированию процессов образования нефтеподобных и газовых углеводородов в процессе пиролиза и особенно аквапиролиза органического вещества каустогенных пород. В этих работах убедительно показано, что под воздействием повышенных и высоких (250-370^оС) температур и давлений, близких к д.н.п. и выше, происходит преобразование битумоидов и керогена в нефтеподобную жидкость, газовые углеводороды, в основном метан, и твердые битумы (Lewan et al, 1979; Winters et al, 1983; Egliton et al, 1986; Конторович и др., 1998; Рокосова и др., 2001; Rokosov et al, 1992); Бушнев, 2007; Меленевский и др., 2009; и др.). Ряд предложений, следующих из этих работ, уже нашли использование при разработке нефтяных месторождений и особенно при добыче тяжелых нефтей (Киямова, 2007). Вместе с тем, методы, применяемые при этих исследованиях, не позволяют непосредственно прослеживать в непрерывном режиме изменения термобарических параметров, поведение и фазовые состояния самих ВУФ, участвующих в этих процессах.

Меньшее число экспериментальных работ посвящено изучению взаимодействия гидротермальных растворов с сырой нефтью, отдельными ее фракциями и индивидуальными углеводородами (Price, 1979, 1981; Eganhouse, Calder, 1976; Жузе, 1986; и др.). В этих работах определялась, в основном, растворимость УВ друг в друге, в воде и водных растворах при обычных, повышенных и высоких температурах и давлениях с целью выяснения форм миграции углеводородов в земных недрах.

Значительно полнее и на более высоком физико-химическом уровне исследованы "сухие" (безводные) нефтегазовые системы, нашедшие широкое использование при оценке запасов и разработке нефтяных и газовых месторождений (Степанова, 1983; Баталин и др., 1992; Брусиловский, 2002; Баталин и Вафина, 2005; и др.). Однако из этих работ не ясно, в какой мере водные растворы - постоянные спутники нефтегазовых залежей, оказывают влияние на поведение и фазовые состояния нефтегазовых систем.