Dobrynin_V.M._Petrofiz._modelirovanie_prirodnyh_gidrodinam._processov

MINISTRY OF GENERAL AND PROFESSIONAI, EDUCATION

OF ТНЕ RUSSIAN FEDERATION

GUBКIN STATE ACADEMY

OF OIL AND GAS

V. М. Dobrynin

PETROPHISICAL MODELLING OF NATURAL HYDRODYNAMIC PROCESSES WITHIN SEDIMENTARY BASINS

Moscow

Oil and Gas

1997

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАдЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА им. И. М. ГУБКИНА

В. М. Добрынин

ПЕТРОФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРИРОДНЫХГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

В ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНАХ

Москва Нефть и газ

1997

УДК 522.5

Добрынин В. М. Петрофизическое моделирование природных гидродинамических

процессов в осадочиых бассейнах. - М.: Нефть и газ, 1997. - 34 с. (Сер. Академичес1<ие

чтения. Вью. 10).

Доклад состоялся 21 ноября 1996 г. Поспящен оnиса11ию глобальной взаимо­

снязи длИ111Юnериодt1ЫХ (в масштабе геологического иремен и) теnловых npouec- coв IJ атмосфере Земли с термауnругими nроuессами n литосфере, в результате

которой nроисходит nерерасnределение механических наnряжений в осадочных nородах с глубиной и uозникает термодинамический градиент давления nоровых nородявление, оnределяющее широкомасштабные флюидодиttамическис ueccы IJ nористых слоях земной коры.

На nримерах круnных регионов nоказано, что термодинамический градие11т nоровых nород влияет на многие фундаментальные геологические npoueccы.

Полученные закономерности имеют nрактическое значение для nовышения эффсi<ТИIJIIОСТИ nоиска nолезных искоnаемых.

Редакционная коллеrия:

А. И. Владимиров И. Н. Стрижов

И. Г. Фукс

Г. М. Сорокин

Редактор серии С. Н. БОБРОВ

© Государственная академия нефти и газа им. И. М. Губкина, 1997

Моделирование в геологической науке как способ отображе­ ния Земли или ее участков в определенном масштабе не явля­

ется чем-то новым. Издавна геологи использовали геологические

карты, разрезы, тектонические схемы, а гидрогеологи - модели

гидродинамических систем различного типа для установления

закономерностей в размещении полезных ископаемых. В послед­

ние годы получили развитие геодинамические модели, объяс­

няющие важнейшие глобальные преобразования в земной коре (гипотезы о тектонике плит и т. д.).

В основе всех этих видов геологического моделирования лежит бесценный опыт, накопленный человечеством при изу­

чении самых различных геологических структур по результа­

там картирования, бурения скважин, геофизического изуче­ ния больших территорий. Этот опыт широко используется при

пропюзировании размещения полезных ископаемых и в пер­

вую очередь при региональном прогнозировании нефтегазо­

носности территорий.

Однако сегодня в связи с усложнением поиска нефти и газа

(большие глубины, мелкие залежи сложного строения, неструк­ турные ловушки и т. п.) снизилась эффективность поисков и резко увеличились стоимость и финансовый риск геологоразве­ дочных работ.

В этой связи большую актуальность во всем мире приоб­ рела проблема методов зонального и локального прогнози­ рования нефтегазоносности территорий с использованием

всей имеющейся геолого-геофизической информации, всех

последних достижений науки о Земле и достижений в вы­ числительной технике. Речь идет о физическом моделирова­ нии в определенном масштабе времени процессов взаимо­ действия горных пород, слагающих осадочные бассейны, с физическими полями Земли*.

Горные породы в этом случае рассматриваются не только

как природные агрегаты минералов постоянного состава, но и

• В настоящем докладе использоваliЫ результаты совместной работы автора с О. Л. Кузнецовым: Термоупругие процессы в породах осадочных бассейнов.

ВНИИГсосистсм, 1993.- 168 с.

5

как гетерогенные, многокомпонентные и многофазные термо­

динамические системы. С этих позиций термодинамическое со­

стояние природных систем в режиме реального времени опре­

деляется тремя фундаментальными характеристиками р, V и Т

(давление, объем и температура).

При изучении изменений в этих же системах в масштабе гео­

логического времени добавляется еще четвертая характеристика - время, с учетом которой термодинамические параметры по­

род приобретают периодический или осциллирующий характер (погружение или воздымание пород в различные геологические эпохи, изменение климата Земли и т. д.). Это - время, исчис­

ляемое десятками тысяч и миллионами лет.

Все процессы, связанные с деятельностью человека при раз­

работке полезных ископаемых, необходимо рассматривать в мас­

штабе исторического времени, обусловленном накопленным опытом (десятки и сотни лет).

На рис. 1 представлена таблица, поясняющая соотношение

задач, видов и целей петрафизического моделирования при изу­

чении осадочных бассейнов.

В настоящем докладе мы остановимся лишь на моделирова­

нии геофлюидальных процессов в осадочных породах. Важней­

шей задачей этого вида моделирования является не только ис­

пользование всей накопленной геолого-геофизической инфор­

мации, но также всех прогрессивных геологических теорий и

гипотез и особенно физических закономерностей, которые мож­

но описать численно.

В геологической науке существуют определенные стереоти­ пы, которые сформировались в результате изучения земной коры и продолжительного изучения Земли в связи с добычей полез­

ных ископаемых.

Например, представление о том, что тепловые потоки в верх­ ней части земной коры связаны исключительно с внуrренней

ее теплотой и радиоактивностью осадочной оболочки. Никто и

никогда не предполагал, что тепловой режим осадочной толщи в ряде случаев может зависеть от закономерностей длиннопе­

риодных глобальных тепловых процессов в атмосфере Земли (по­

холодание и потепление климата).

Или, например, представление о том, что региональные гео­ флюидальные процессы в верхней части оболочки происходят главным образом в породах, обладающих повышенной прони­

цаемостью, пористостью или трещиноватостью. Никто не счи­

тал, что огромную роль в формировании региональных геофлюи­

дальных процессов играют изменения термодинамических ус-

6

ловий в толще плотных низкопроницаемых пород, из которых

главным образом и сложен геологический бассейн.

Большинство исследователей считают, что в геологической истории Земли, в ее осадочной оболочке превалирует восходящая

миграция флюидов вследствие уплотнения осадочных пород и вли­

яния <<Огромных>> пластовых давлений в кристаллическом фунда­

менте. Никто не предполагал, что на обширных территориях оса­ дочных бассейнов платформенного типа, с которыми связаны большие перспективы нефтегазоносности в течение той же геоло­

гической истории, восходящие потоки флюидов периодически

могут сменяться региональными нисходящими потоками.

В настоящее время накоплен опыт по моделированию про­

цессов уплотнения осадочных пород [4], процессов формиро­

вания свойств пород-экранов для нефти и газа [5], процессов

образования аномально высоких пластовых давлений [6], а так­

же ряда других, очень важных геофлюидальных процессов в оса­ дочной оболочке Земли.

В работе [ 1О] показано, что медленно меняющиеся на по­

верхности Земли квазистационарные тепловые поля оказывают

влияние на температуру пород и поравое давление на больших

глубинах. Возникающий при этом дополнительный принуди­

тельный конвективный перенос теплоты вертикально фильт­

рующейся пластовой водой создает условия для изменения гео­

термического градиента.

Скорость распространения тепловой волны от поверхности на глубину довольно низка и определяется эффективной тем­

пературапроводностью разреза.

Исключительно важна связь тепловых и фильтрационных

процессов в осадочной оболочке земной коры.

Аналитическое рассмотрение термодинамического равнове­

сия насыщенного минерализованной водой низкопроницаемо­

го пласта, содержащего гидравлически изолированные поры, показывает, что при изменении механического напряжения в скелете, а также температуры породы возникает дополнитель­

ный вертикальный градиент давления поровых вод - термоди­

намический градиент давления (ТДГ) . Этот градиент давления является одним из важнейших факторов, влияющих на восхо­ дящую и нисходящую фильтрации поровых вод. Правомерно

предложить следующую схему для объяснения механизма цир­

куляции вод в подземной гидросфере.

В тектонически активных зонах земной коры под действием

избыточных статических и динамических механических усилий

возникают волны напряжений, создаются тектонические нару-

8

шения и усиливается теnловой nоток. Эти факторы ведут к уве­ личению nарового давления и сnособствуют формированию вос­

ходящей фильтрации nластовых вод no вертикальным, субверти­

кальным и субгоризонтальным трещинам. Другими словами, об­

разуется nоложительный термодинамический градиент давления nоровых вод. Восходящая фильтрация ведет к созданию аномаль­ но высоких давлений, активизации массоnереноса минеральных веществ, формирует минеральный состав nластовых вод, влияет

на многие геологические nроцессы в земной коре [ 10].

В nлатформенный nериод развития осадочной оболочки роль

механических наnряжений в образовании градиентов давления nоровых вод относительно невелика. Долговременные (в тече­

ние миллионов лет) изменения среднегодовой темnературы nоверхности Земли, в частности устойчивые nохолодания, nри­

водят к nонижению темnературы, которое расnространяется на

большие глубины. Вследствие этого в nородах неравномерно снижается значение nоровых давлений и образуется отрицатель­

ный термодинамический градиент, который в свою очередь яв­ ляется nричиной возникновения нисходящей фильтрации nла­

стовых флюидов, вторичного изменения минерального состава вод, сглаживания (уменьшения) геотермических градиентов,

образования аномально низких nластовых давлений и других

геологических nроцессов.

_ОСАдОЧНЫХ БАССЕЙНАХ

1

91 НИСХОДЯЩАЯ МИГРАЦИЯ

УГЛЕВОДОРОДОВ

Рис. 2. Геологические проuессы, в которых важную роль играет явление

термодинамического градиента (ТДГ) давления поровых вод (сокращения на рисунке: АНПД - аномально низкое пластовое давление;

АВПД - аномально высокое пластовое давление)

9

Отрицательные (и положительные) термодинамические гра­

диенты являются силами, увеличивающими также латеральную

миграцию флюидов в породах, характеризующихся высокой ла­ теральной пьезопроводностью. Их действие на латеральную ми­ грацию может быть объяснено проявлением паскаленых сил.

Восходящая или нисходящая фильтрация сопровождается изме­

нением химического состава вод, выщелачиванием, метасаматозом,

атермодинамические границы одновременно должны играть роль

игеохимических барьеров, и геохимических границ.

Таким образом, термодинамический градиент давления, интенсифицирующий широкомасштабный тепломассоперенос

в земной коре, оказывает влияние на многообразные геологи­

ческие процессы. Далеко не полный перечень этих процессов

представлен на рис. 2 и в работе [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Пластовое давление (давление нефти, воды, газа или их смеси в пластах-коллекторах) является важнейшим парамет­

ром, характеризующим энергию нефтеносных, газоносных и

водоносных пластов. Давление флюида в порах пород-неколлек­

торов многие исследователи называют пор о вы м.

Наибольшее число работ, в которых речь идет о градиентах

давления или градиентах пьезометрического напора, посвяшено

изучению закономерностей изменения пластового давления в

коллекторах и относится к гидрогеологии. Значительно меньше

изучены градиенты давления поровых вод в породах-неколлек­

торах. Это объясняется тем, что в отличие от пластовых поровые давления не поддаются прямым измерениям. Сведения о них

косвенные, они получаются путем изучения физических свойств главным образом глинистых пластов геофизическими методами, по шламу или в результате наблюдений за буримостью пород. Между тем, именно градиенты давления поровых вод в породах­

неколлекторах влияют на характер изменения пластового дав­

ления в большинстве осадочных бассейнов с эксфильтрацион­

ной водонапорной системой, что используется, в частности,

для прогнозирования аномальных пластовых давлений [6].

Ряд исследователей (В. Иллинг, 1938 г., Г. Дикинсон, 1953 г.,

А. Г. Дурмишьян, 1973 г. и др.) рассматривают происхождение

аномально высоких пластовых давлений в гидродинамически замк­

нутых коллекторах как результат уплотнения вмешаюwих слабо­

проницаемых глинистых толщ. А. Е. Гуревич (1969), указывая на

10