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

3. Поведение и фазовые состояния водно-углеводородных флюидов, образованных при взаимодействии гидротермальных растворов с каустогенными породами.

Опыты показали, что наиболее интенсивно гидротермальные растворы, независимо от их состава, взаимодействуют с горючими сланцами, богхедом, лигнитом, асфальтом и асфальтитом. Менее активное взаимодействие отмечается при использовании керитов и антраксолитов, а также битуминозных сланцев и глин. Во всех случаях вскрытие охлажденных после опытов автоклавов сопровождалось небольшим хлопком, связанным с наличием в них остаточных газов. Газы, по данным газовой хроматографии, представлены в основном метаном с резко подчиненным количеством пропана и этана. Внутренние стенки автоклавов и поверхность выращенных кристаллов после опытов были покрыты жирной на ощупь пленкой светло-желтого цвета. ИК-спектр ее близок к спектру нефти, но в нем присутствуют полосы вблизи 3066, 3086 и 3113 см^-1, необычные для природной нефти. Обломки пород после опытов были полностью или частично разрушены и превращены в глиноподобный материал. В нем в качестве новообразований, независимо от состава и термобарических параметров исходного раствора, присутствуют вязкие и твердые битумы в виде блестящих черных шаровидных выделений (иногда полых) и сгустков неправильной формы, размером от сотых долей до нескольких миллиметров в поперечнике. Реже аналогичные выделения битумов наблюдались на поверхности кварцевых стержней. Характерная диффузная полоса на дифрактограммах в области θ 11-17^o указывает на их аморфное состояние. Битумы полностью растворяются в хлороформе и, с учетом данных дифрактограмм, могут быть отнесены к асфальтам и асфальтитам. В гидротермально обработанных битуминозных глинах и глинистых сланцах, кроме твердых битумов, обнаружен новообразованный пирит.

Кристаллы кварца, выращенные в этих же опытах, были весьма несовершенными (рис. 2а). Участки затравочных стержней, расположенные в нижней (более горячей) зоне автоклава, подверглись частичному растворению. В верхней зоне они обросли весьма дефектным слоем кварца c многочисленные флюидные включения. Включения зарождались на мельчайших частицах разрушенных пород и битумов, выпавших как на поверхности затравочных стержней. Они имеют коническую или трубчатую форму, вытянутую вдоль оптической оси кристалла (рис. 2б, в). Размер включений изменяется от тысячных до десятых долей миллиметра. Кроме того, включения присутствуют в самих затравочных стержнях. Они образовывались за счет заращивания либо игольчатых и трубчатых каналов травления, возникших на месте выхода дислокаций на базисной поверхности затравочных стержней (рис. 2г), либо каверн растворения на поверхности положительной и реже отрицательной тригональной призм. Длина игольчатых и трубчатых включений колеблется от десятых долей до 2-3 миллиметров, а диаметр - от сотых до первых десятых долей миллиметра. Они пересекают затравочные стержни полностью или частично в направлении, близком к оптической оси кварца.

Фазовый состав и соотношения фаз во включениях изменяются в широких пределах. В одних и тех же кристаллах обычно наблюдаются двух-, трехфазные- и многофазные включения, которые, соответственно, могут быть описаны неравенствами: L1>G, L1>G>SB, L1>G>L2>SB и L2>L1≥G>L3≥SB (рис. 2б, в, г). По данным локальной ИК-спектроскопии, фаза L1 является водным раствором (рис. 3а), фаза L2 представлена нефтеподобной жидкостью (рис. 3б), а газовая фаза G включает в основном метан (рис. 3в) и, согласно газовой хроматографии, незначительные количества пропана и этана. Выделения и сгустки фазы SB могут быть отнесены к асфальту и асфальтиту. На это указывает их полное растворение в хлороформе, наблюдаемое под микроскопом во вскрытых крупных включениях. Нередко включения с различными фазами и различными их соотношениями находятся в одних и тех же зонах роста кристаллов кварца. Это доказывает, что ВУФ, образованные при взаимодействии гидротермальных растворов с указанными породами, находились в гетерогенном состоянии.

В водных растворах включений в кварце из всех опытов постоянно присутствуют капли и более крупные выделения нефтеподобных жидкостей светло-желтого цвета и метан в виде одного или нескольких газовых пузырьков. Нередко, помимо капель, нефтеподобные жидкости образуют оторочку на границе водного раствора и газового пузырька. Ее толщина в случае взаимодействия гидротермальных растворов с битуминозными сланцами и глинами измеряется от тысячных и до десятых долей миллиметра. Однако при взаимодействии растворов с горючими сланцами, богхедом и лигнитом нефтеподобная жидкость может занимать до 80 и более процентов объема вакуоли (рис. 4).

В нефтеподобной жидкости практически всегда присутствуют капельки красновато-оранжевой фазы L3 и сферические выделения и сгустки битумов черного цвета. Микротермометрические измерения показывают, что двухфазные включения L1>G в кварце гомогенизируются при температурах, близких к таковым роста кристаллов. В процессе нагревания трехфазных включений из различных опытов с соотношением фаз L1>G>>L2 вначале в интервале 168-324^oС наблюдается растворение капель и оторочки нефтеподобной жидкости на границе газового пузырька и водного раствора с образованием двухфазного водно-газового флюида. Полная гомогенизация включений в жидкую фазу отмечается при температурах 368-375^oС. Однако в большинстве случаев в интервале 308-350^oС включения взрываются, не достигнув гомогенизации.

Особо следует охарактеризовать поведение ВУФ во включениях с соотношением фаз L2>L1≥G>L3>>SB (рис. 4). Такие включения с преобладающей в 3-5 раз нефтеподобной жидкостью над всеми другими фазами, как указывалось выше, часто обнаруживаются в кварце, образованном при взаимодействии гидротермальных растворов с горючими сланцами, богхедом и лигнитом. Включения находятся в наросшем слое кварца на некотором удалении от затравки и являются более поздними по отношению к указанным выше трехфазным включениям. Поэтому можно предположить, что образование нефтеподобной жидкости происходило с некоторым запозданием по отношению к углеводородным газам. При нагревании включений с соотношением фаз L2>L1≥G>L3>>SB в них вначале (до температур 200-220^oС) растворяются жидкие капли L3 в основной нефтеподобной фазе L2 (рис. 5). Затем при 260-280^oС в этой же фазе растворяется газовый пузырек (в основном метан), и флюид переходит в двухфазное состояние с двумя жидкостями - нефтеподобной и водной c соотношением L2>L1. Дальнейшее повышение температуры до 353-360оС приводит к полному растворению водного раствора в нефтеподобной жидкости с образованием гомогенного углеводородного флюида. Доля водного раствора в нем варьирует в широких пределах, достигая максимально 15-20 об. %.

При охлаждении включений в них в обратной последовательности полностью восстанавливаются фазовые состояния, нарушенные при нагревании. Многократное нагревание и охлаждение флюидных включений полностью воспроизводит их поведение и фазовые состояния во всем принятом диапазоне температур и давлений. Это указывает на устойчивость возникающих фаз и относительно быстрое установление во флюидах равновесия. Выделения твердых битумов нередко испытывают перемещения внутри включений, но при этом визуально остаются неизменными.