книги из ГПНТБ / Смехов Е.М. Теоретические и методические основы поисков трещинных коллекторов нефти и газа

| Крнтрщщй SEfse^niinp-. I

E. м Г С М Е Х О В ~----- ~~-----'

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОИСКОВ

ТРЕЩ ИННЫ Х

КОЛЛЕКТОРОВ

НЕФТИ И ГАЗА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ЛЕНИНГРАД • 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблема трещинных коллекторов нефти и газа в последние годы приобрела большое научное и практическое значение. Важ­ ность этой проблемы обусловливается ростом удельного веса ме­ сторождений, связанных с трещинными коллекторами как в нашей стране, так и за рубежом. Число таких месторождений будет не­ изменно возрастать, так как в разведку и разработку все больше вовлекаются залежи нефти и газа, связанные с карбонатными по­ родами, которым особенно свойственны те или иные типы трещин­ ных коллекторов.

В рассматриваемой проблеме одной из важных задач, имею­ щих большое практическое значение, являются методы выделения и прогнозирования трещинных коллекторов. Исследования в этом направлении показали, что разработка критериев по поискам и разведке залежей нефти и газа, связанных с трещинными коллек­ торами, возможна лишь при знании закономерностей развития тектонической трещиноватости горных пород.

Некоторые результаты геологических визуальных исследований, касающиеся распределения трещиноватости горных пород и ее влияния на коллекторские свойства последних, получили в настоя­ щее время однозначное решение. Эти работы по существу уже вышли за рамки «чисто» геологических исследований. Благодаря широкому, комплексному привлечению данных подземной гидро­ динамики и промысловой геофизики, а также применению основ математической статистики геологические исследования приблизи­ лись к решению ряда задач, имеющих непосредственное практи­ ческое значение.

Так, в результате исследования фильтрации в анизотропном трещинном коллекторе выяснено, что в формуле Дарси роль коэф­ фициента проницаемости выполняет тензор с компонентами — па­ раметрами трещиноватости, определяемыми непосредственными геологическими наблюдениями.

Исследования соотношения между капиллярными каналами коллектора и субкапиллярными пустотами показали, что присут­ ствие «связанной» воды в коллекторе обусловлено не силами мо­ лекулярного притяжения, а наличием капиллярных сил и «тупи­ ковых» пор. Полученные данные, разумеется, позволяют более

3

Глава I

ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

представления. Многими исследователями уже давно установлено, что между тектоникой и трещиноватостью горных пород наблю­ даются определенные связи. Известны данные, свидетельствующие о том, что широко развитая на дневной поверхности овражная гидросеть в своих ориентировках тесно связана с направлением трещин. Наблюдения показывают, что многочисленные карсто­ вые образования простираются по тем же направлениям, что и трещины, и часто развиваются непосредственно по ним.

Согласно некоторым исследователям [257 и др.] трещины представляют собой линейные элементы, повсеместно и широко^ распространенные в горных породах. Эти исследователи разли­ чают два типа трещин: эндогенные (первичные, диагеиетические, иетектонические) и экзогенные (вторичные, тектонические).

Первые из них — эндогенные — характеризуются как трещины, распространенные в складчатых областях и на платформах; они ориентированы перпендикулярно к слоистости, густота их зависит от мощности пород и их литологического состава. В этих трещи­ нах часто выделяются две системы с простираниями ССВ 10° и ЗСЗ 280°; трещины эти вертикальны относительно плоскости на­ пластования и не переходят из серии пластов в другую серию. В делом, судя по указанной характеристике «эндогенных» трещин, рассматриваемых как первичные или диагеиетические (нетектони­ ческие трещины), это категория тектонических трещин со всеми присущими им свойствами; возможно, это трещины региональные.

В последующем, кроме того, были выделены планетарные тре­ щины, ориентировки которых связаны не с локальными тектониче­ скими деформациями, а с планетарными явлениями [258]. Такие трещины вертикальны, они образуют системы геометрически пра­ вильных блоков. К наиболее крупным планетарным трещинам отнесены глубинные разломы, они часто уходят в мантию Земли.

5

Выраженные в рельефе направления подобных трещин ранее было предложено называть линеаментами (М. Хоббс, 1911 г.). Впоследствии (Р. Зондер, 1938 г.) этим трещинам противопоста­ влялась трещиноватость, связанная с локальными структурами. Согласно этим представлениям линеаментная трещиноватость за­ нимает промежуточное положение между глубинными разломами и широко повсеместно распространенной общей трещиноватостью горных пород.

Первичные планетарные трещины, как указывает С. С. Шульц, по мере роста локальных структур теряют правильную геометри­ ческую сетку. Идеи о планетарных сетках трещин развиваются также и другими исследователями. Так, согласно представлениям Г. Л. Поспелова [201], среди трещин в горных породах различа­ ются два типа: трещины, зависящие в своей ориентировке и меха­ низме образования от местных процессов складчатости; трещины, не зависящие от складчатости и элементов залегания пласта.

Второй тип трещин, по мнению Г. Л. Поспелова, обладает глобальными особенностями, заключающимися в том, что эти тре­ щины образуют «решетчатый» тип структуры земной коры. Им различаются малые решетки трещин, устанавливаемые на обна­ жениях. и крупные решетки, составленные из перекрещиваю­ щихся зон трещиноватости, протягивающихся на большие рас­ стояния и далеко отстоящих друг от друга. Такие трещинные структуры составляют фон, на котором развиваются дизъюнктив­ ные дислокации различных масштабов. Решетчатыми трещинными структурами пронизаны все осадочные толщи, более молодые толщи наследуют их от более древних отложений. Из указанных представлений следует, что относительный возраст трещиноватости сравнительно с дизъюнктивными дислокациями более древний.

позднее трещиноватости. Трещиноватость по его данным является «первым эффектом самой ранней дислокации горной породы», в этой связи им отрицается соскладчатое происхождение трещино­ ватости. По его мнению, складчатость нарушает типичное верти­ кальное положение трещин.

Некоторые исследователи указывают, что зачаточные явления трещиноватости отмечаются в осадках-породах на различных ста­ диях литогенеза и часто возникают при процессах вторичных пре­ образований горной породы, связанных с растворением вещества и кристаллизацией минеральных новообразований.

А1ногие исследователи приходят к выводу, что трещины в древ­ них породах как по степени густоты, так и по своим ориентиров­ кам относительно сторон света отражаются в более молодых от­ ложениях, даже в условиях их несогласного залегания.

В свете познания происхождения трещиноватости горных пород существенное значение имеет вопрос обактивности неотектони­

6

ческих движений, их унаследованное™ и современном их проявле­ нии. Особенно наглядно это прослеживается по данным о разви­ тии региональных трещин. Системы региональных трещин не только охватывают толщу коренных пород, но и переходят в пере­ крывающие их антропогенные отложения, сохраняя те же азимуты простирания. Подобные примеры известны для района Ланьджоу, где система трещин в протерозойских породах соответствует тако­ вой в перекрывающих ее лессах [182]. Аналогичные данные изве­ стны и для Прибалтики (Латвия), где в аллювиальных и морен­ ных отложениях установлена система региональных трещин, уна­ следованная от коренных пород.

Примечательной чертой в развитии региональной трещинова­ тости служит закономерность в ориентировке ее основных систем. Наглядным примером указанному является Русская платформа, где на огромных пространствах, от Урала до Балтийского щита, преобладают две основные системы региональных трещин: ортого­ нальная — ряды почти широтных и почти меридиональных тре­ щин и диагональная — ряды трещин северо-западного и северовосточного направлений. Преобладающими по количеству тре­

О закономерных связях ориентировки трещин с направлением слоистости горных пород можно судить по данным исследования трещиноватости в известняках, доломитах и сланцах рудного ме­ сторождения Курган. Здесь установлено [177], что трещины воз­ никли в процессе складчатости (соскладчатые) и при последую­ щих тектонических деформациях. Противоположного мнения при­ держивается А. X. Сикандер [216], изучавший трещиноватость нижнепалеозойских пород на западном побережьи зал. Св. Лав­ рентия в Канаде. Он заключает, что между трещиноватостью и геометрией локальных складок, а также складчатыми деформа­ циями отсутствует какая-либо генетическая связь. Предполага­ ется, что трещины образовались в более позднее время.

Некоторые исследователи [217 и др.] считают, что существую­ щие два типа трещин — диагенетические и тектонические — с те­ чением времени сливаются. Полагают, что вторичные изменения, происходящие в горных породах, могут приводить к образованию трещиноватости при отсутствии какого-либо влияния тектониче­ ского фактора. Аналогичные мысли высказаны в работе [29], где ведущее значение при формировании залежей нефти в трещинных коллекторах придается так называемым трещинам «нефтеразрыва». Высказывается предположение, что нефть, проникая в кар­ бонатную породу, активно «разрывает» ее, создавая трещины.

Таким образом, из приведенных данных видно, что сущест­ вуют три взаимно исключающие друг друга гипотезы о происхож­ дении трещиноватости: доскладчатая, соскладчатая и послесклад­

7

чатая. Из них наиболее распространенной гипотезой генезиса тре­ щиноватости признается соскладчатая.

Всвязи с той ролью, какую трещины приобретают при форми­ ровании коллекторских свойств горной породы, важно определить понятие «трещиноватость». Среди геологов существуют самые разноречивые представления об этом термине. Некоторые исследо­ ватели под трещиноватостью горной породы понимают всю широ­ кую гамму разрывных деформаций в земной коре, включая круп­ ные (разломы, надвиги) и малые (сбросы, взбросы) разрывы со смещением слоев друг относительно друга. Другие исследователи под трещиноватостью понимают не только указанные виды дефор­ маций слоев, но и мелкую трещиноватость горной породы (микро­ трещиноватость) без видимого смещения слоев. В геологической литературе можно встретить указания, что к трещиноватости отно­ сится также кливаж.

Из указанного можно заключить, что термин «трещинова­ тость» у многих исследователей обнимает разрывные деформа­ ции в породах земной коры самого различного масштаба и про­ исхождения.

Внашу задачу не входит рассмотрение всех существующих видов разрывных деформаций. Укажем лишь, что роль разломов, надвигов, сбросов и взбросов в формировании коллекторов нефти

игаза ограничена, так как эти виды деформаций горной породы не могут существенно влиять на структуру пласта-коллектора и тем более на его пористость и проницаемость.

Ниже излагаются современные представления о трещиновато­ сти горных пород в свете определения ее роли в формировании коллекторских свойств последних.

Известно, что трещины широко и повсеместно развиты во всех литологических разностях горных пород, в том числе в метамор­ фических и изверженных. По своему происхождению трещины подразделяются на тектонические и нетектонические. Первые со­ ставляют подавляющее большинство; их тектоническое происхож­ дение доказывается объединением трещин в системы, образующие более или менее правильные геометрические сетки, и тесной связью трещин с характером деформаций, происходящих внутри развивающихся структур. Они подразделяются на трещины от­ рыва, связанные с максимальными растягивающими напряже­ ниями, и трещины скола, вызванные максимальными касатель­ ными напряжениями. Кливаж, очевидно, следует рассматривать как разновидность тектонической трещиноватости. Условия его об­ разования недостаточно ясны.

Нетектонические (первичные) трещины характеризуются поли­ гональными сетками, невыдержанностью направлений на весьма коротких расстояниях, частым выклиниванием и заполнением ве­ щественным материалом вмещающей или перекрывающей породы.

Происхождение иетектонических трещин в основном обусловлено * процессами позднего диагенеза и эпигенеза осадков в процессе их

8

уплотнения, потери ими воды и уменьшения объема горной породы. Трещины, наблюдаемые невооруженным глазом в горных по­ родах в обнажениях на дневной поверхности, в горных выработ­ ках и в керне из буровых скважин, принято именовать макротре­

щинами.

Визуальными наблюдениями установлено, что макротрещины избирательно развиваются по микротрещинам; раскрытость кото­ рых на глубине измеряется единицами и десятками микрон, редко превышая 50 мкм; верхний предел их раскрытое™ при исследова­ ниях под микроскопом условно принято считать равным 100 мкм. Роль таких трещин в миграции нефти еще в свое время отметил К. Крейчн-Граф [137], указывавший, что «путями миграции лю­ бых флюидов являются мелкие и даже совсем ничтожные тре­ щины, с которыми могут и не быть связаны перемещения слоев

По поводу раскрытия трещин высказывались следующие сооб­ ражения. Как известно, Земля как в геологическом прошлом, так и в настоящее время подвергается различным тектоническим дви­ жениям, носящим периодический характер. Вызываемые этими движениями деформации способствуют периодическому открыва­ нию и закрыванию ранее образованных трещин. Предполагают, что трещины, видимо, никогда нацело не закрывались.

Н. А. Кудрявцев [142] справедливо указывал, что «зияние тре­ щины — лишь частный случай и распространяется, надо полагать, лишь на отдельные участки трещины, гораздо чаще трещины в по­ родах бывают тонкими, едва заметными, что (как можно наблю­ дать в шлифах) не мешает им проводить нефть».

По морфологическим признакам (по протяженности и взаимо­ отношению со слоистостью) тектонические трещины подразделя­ ются на трещины первого и второго порядков: первые рассекают группу слоев различного литологического состава, вторые обычно ограничены одним пластом или несколькими слоями однородного литологического состава.

Эти типы трещин, свойственные всем горным породам в любых геологических условиях, платформенных или складчатых, следует именовать трещиноватостью. Разломы, сдвиги, сбросы и взбросы — это категории разрывных дислокаций, за которыми целесообразно сохранить их подлинные наименования, вполне отвечающие их содержанию.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРЕЩИН И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Классификации трещин могут быть различными (по текстур­ ным или генетическим особенностям и др.), но они не исключают друг друга. Они рассматривают трещиноватость с различных то­ чек зрения и дополняют друг друга.

9