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

в Башкирии на Ермекеевской нефтеносной площади [62], При сопоставлении участковых роз трещиноватости с диаграммой-ро­ зой граничных скоростей упругих волн видно, что те и другие об­ ладают одинаковыми максимумами, простирающимися в одном и том же диагональном направлении. Эти данные свидетельствуют прежде всего о том, что анизотропия рассматриваемых горных пород относительно их упругих свойств обусловлена трещинова­ тостью и что скорости распространения упругих колебаний макси­ мальны в направлении наиболее интенсивного развития трещин и минимальны в перпендикулярном направлении.

Существенное значение имеет рассмотрение факторов, влияю­ щих на раскрытие трещин. Изменение объема трещин, происходя­ щее вследствие изменения горного давления, впервые было изуче­ но Ю. П. Желтовым [93]. При помощи решения соответствующей задачи теории упругости им была оценена величина изменения объема трещин. Заметим, что в пластовых условиях наличие в горных породах трещин с относительно плоскими и параллель­ ными друг другу стенками возможно лишь при шероховатости стенок. Шероховатость последних в свою очередь обусловливает наличие множества точечных контактов между стенками трещин. Действие горного давления от одного блока трещиноватой горной породы к другому и передается через эти контакты. Развивающие­ ся при этом усилия, естественно, вызывают переформирование на­ пряжений в межконтактных областях трещин, что соответственно обусловливает изменение объема трещинной пористости.

При исследованиях фильтрации в трещиноватых горных поро­ дах особое внимание уделяется рассмотрению механизма извлече­ ния нефти из блоков (матрицы). Наиболее признанной точкой зрения является модель трещинного коллектора с двойной порис­ тостью. В этой модели (системы трещин и блоки) извлечение неф­ ти из блоков происходит в условиях гидрофильное™ горной поро­ ды, так как здесь имеют место процессы капиллярной пропитки. Большое внимание при этом придается противоточной капилляр­ ной пропитке (извлечение нефти из блоков в тот период, когда они окружены водой).

В целом фильтрация двухфазной жидкости в трещиновато-по­ ристой среде рассматривается как двухэтапный процесс — филь­ трация двухфазной жидкости в трещинах и капиллярная пропит­ ка блоков.

Условия фильтрации в настоящее время учитываются при раз­ работке залежей нефти, связанных с трещиновато-пористыми сре­ дами. Практически это выражается в том, что в целях увеличения темпов отбора нефти применяют.метод циклического заводнения пласта. В тот период, когда отбор нефти из скважин не произво­ дится, происходит противоточная капиллярная пропитка, и нефть поступает из блоков в трещины. Здесь следует иметь в виду, что капиллярная пропитка пористой среды представляет собой про­ цесс совместного насыщения порового пространства двумя фазами

92

(нефть, вода), при котором одна из них вытесняет другую (нефть) без какого-либо воздействия внешнего градиента давления.

Как известно, циклическое заводнение трещинных коллекторов широко применяется на месторождении Спраберри. Эффектив­ ность этого метода воздействия (импульсный) на пласт сказыва­ ется в том, что при циклическом заводнении в трещинных коллек­ торах происходит переток нефти из менее проницаемых пор бло­ ков в более проницаемые обводненные трещины и переток воды из обводненных трещин в менее проницаемые поры блоков. О по­ добных результатах сообщается и в работе [232].

Таким образом, двухфазную фильтрацию можно подразделить

вают решающее влияние на формирование в них структуры порового и трещинного пространства. Особенно велика их роль в фор­ мировании карбонатных пород-коллекторов нефти и газа. Постсе­ диментационные процессы, развивающиеся в осадках — горных породах, по условиям своего развития целиком связаны с геологи­ ческой историей рассматриваемого района. Это процессы уплотне­ ния осадков, а затем и пород, процессы их перекристаллизации, доломитизации, кальцитизации, сульфатизации, окремнения, стилолитизации, трещиноватости и выщелачивания.

Постседиментационные преобразования, происходящие в гор­ ных породах (и прежде всего в карбонатных породах), могут на­ цело изменить их первичный состав. Изменяются структурно-тек­ стурные особенности пород, появляются аутигенные новообразова­ ния.

Будучи тесно связано с историей геологического развития рас­ сматриваемого района, влияние постседиментационных факторов на ранних этапах литогенеза часто приводит к «залечиванию» первоначально имевшихся в осадках — горных породах различно­ го рода пустот как первичного, так и вторичного происхождения. На последующих этапах литогенеза происходит переформирова­ ние пустот (заполненных на предыдущих этапах минеральными веществами) и образование новых открытых полостей. В конеч­ ном итоге осадочные горные породы в зависимости от интенсивно­ сти их постседиментационных преобразований характеризуются совокупностью пустот (межзерновые поры, трещины, пустоты вы­ щелачивания) как «залеченных» (выполненных минеральными об­ разованиями), так и открытых (по которым осуществляется акку­ муляция и фильтрация флюидов).

93

Постседиментационные преобразования горных пород обычно обусловлены изменениями термодинамических условий, связанны­ ми с погружением горных пород на глубину (или с их воздыманием), а также их тектоническими деформациями. Фактор време­ ни непосредственно не сказывается на преобразовании горной по­ роды; его влияние, как известно, находится в зависимости от ин­ тенсивности воздействия других факторов, и в частности от изме­ нения давления и температуры. Температура и давление являются наиболее существенными факторами постседиментационных пре­ образований осадков — горных пород. С повышением температуры происходит активизация химических процессов в водных раство­ рах, с возрастанием давления — появление новых структурных и текстурных особенностей (уплотнение зерен, возникновение слож­ ных контактов между ними и др.).

Давление оказывает также большое влияние на процессы раст­ воримости горных пород, и прежде всего карбонатных. Раствори­ мость минералов согласно [127] повышается в том случае, если минеральный скелет испытывает большее давление, чем содержа­ щиеся в трещинах и порах водные растворы. Интенсивность влия­ ния этого фактора увеличивается в связи с анизотропностью по­ род, что сказывается на неравномерности распределения в них давления. Некоторые исследователи [185] полагают, что развитие карстовых процессов ниже базиса эрозии следует объяснять преж­ де всего влиянием давления на растворимость горных пород. Большое значение давлению придается в эпигенетических измене­ ниях горных пород, слагающих глубокие горизонты в земной коре.

Подземные воды, так же как и близкие к ним по химическому составу поровые растворы, являются средой, в которой происхо­ дят минералообразование и обмен ионами между горной породой и раствором. Эти воды служат растворяющей, фильтрующей и диффузионной средой при массопереносе.

Необходимо отметить, что растворимость тех или иных мине­ ральных веществ меняется в зависимости от степени и характера минерализации вод. Так, например, при наличии в воде в свобод­ ном виде углекислоты (С02) растворимость известняков и доло­ митов повышается во много раз. Обычное содержание в подзем­ ных водах свободной углекислоты колеблется от 15 до 40 мг/л, повышаясь до 150 мг/л в более агрессивных водах. Растворяющее

кальция и магния в растворимые бикарбонаты. Вместе с тем со­ держание в воде С 02 не влияет на растворимость гипсов и ангид­ ритов. Однако присутствие в ней хлористого натрия повышает их растворимость почти в 4 раза.

Известняки и доломиты в строительной технике, как известно, относятся к категории пород, обладающих большой механической прочностью, высоким сцеплением карбонатных зерен и малыми компрессионными свойствами (сжимаемостью). Но эти породы

94

в определенных условиях (трещиноватость) разрушаются за счет растворения и выщелачивания. Известно, что вследствие трещино­ ватости гипсов, обусловившей их выщелачивание, была сильно повреждена плотина Виллоу-Лейк в США.

Роль растворения пород по отношению к их пористости двоя­ кая. В случае растворения и непосредственно следующего за ним процесса переотложения растворенных веществ (отложения из на­ сыщенных растворов) происходит уменьшение их пористости. Если же процесс растворения находится в постоянном развитии, а переотложение растворенных веществ слабо выражено, происхо­

рование коллекторских свойств горных пород, вызваны диагенетическими и эпигенетическими процессами. Первые из них обуслов­ ливают превращение осадка в твердую породу (процессы уплот­ нения, обезвоживание осадков, цементация, перекристаллизация, диагенетическая доломитизация, сульфатизация, окремнение); важную роль в этих процессах играет также биологический фак­ тор (бактерии). Эпигенетические процессы сводятся к последую­ щему уплотнению горных пород, процессам взаимодействия цир­ кулирующих в них растворов с твердой их фазой (метасоматоз), раскристаллизации (аморфных минералов) и перекристаллиза­ ции, эпигенетической сульфатизации, доломитизации, кальцитизации, окремнению, выщелачиванию. По своей природе все эти про­ цессы физико-химические; роль биологического фактора в них ограничена.

Критерием для распознавания стадий изменения карбонатных горных пород часто служит размер зерен карбоната. Так, принято считать [234], что на стадии седиментации образуется коллоидно-

генетическим образованиям относятся мелкие (до 0,05 мм), обыч­ но рассеянные зерна аутигенных минералов, к эпигенетическим —

правильную форму зерен и часто образуют каемки обрастания и нарастания.

На стадии эпигенеза выделяются два этапа — ранний и позд­ ний. Первый из них протекает при давлениях, не превышающих 1000 атм и при температурах до 100° С [153]. На этом этапе эпи­ генеза происходит образование аутигенных минералов, растворе­ ние неустойчивых минералов и замещение их более устойчивыми

95

в данных условиях. Поздний этап эпигенеза осуществляется при давлении 1000—2000 атм и температуре 100—200О|С. Границу между этапами эпигенеза для терригенных обломочных пород условно проводят по появлению структур растворения и внедре­ ния под давлением [124]. В карбонатных породах в позднем эпи­ генезе происходит увеличение поверхности соприкосновения зерен и форменных образований, а также усложнение контактов между ними (конформные, инкорпорационные и микростилолитовые структуры). Пористость пород в позднем эпигенезе заметно сни­ жается (до 2—5%).

Факторами, обусловливающими коллекторские свойства терри­ генных обломочных горных пород, будут также являться характер эродированного материала и расстояние, на которое он перенесен, способы переноса, степень сортировки и окатанности, условия его осаждения в седиментационной зоне бассейна и др.

Особую роль в формировании пород-коллекторов играют гли­ нистые минералы, присутствующие, как правило, во всех осадоч­ ных породах. Обычно даже незначительное количество глинистой примеси образует на поверхности минеральных зерен тонкие обо­ лочки. Последние оказывают соответствующее влияние на физико­ химические параметры нефтяного пласта-коллектора (капилляр­ ные эффекты, смачиваемость, адсорбция, поверхностное натяже­ ние на поверхностях раздела).

Упомянутые выше постседиментационные процессы далеко не однозначно влияют на формирование коллекторских свойств гор­ ных пород (то ухудшая, то улучшая их). Это обстоятельство, раз­ умеется, осложняет как выделение в разрезе пород-коллекторов, так и установление закономерностей их развития.

Известно, что горные породы уплотняются на различных ста­ диях литогенеза в результате геостатической нагрузки, и степень их уплотнения (и в частности, карбонатных пород) находится

дований. Опыт подобных исследований для обломочных пород [213], при которых была получена количественная оценка интен­ сивности уплотненности в зависимости от стадий литогенеза, воз­ можно, применим как для карбонатных пород, содержащих значи­ тельную песчано-алевритовую примесь, так и для таковых с пре­ обладанием форменных образований.

в которых сравнительно широко была развита первичная диагенетическая пористость.

96

Диагенетическая перекристаллизация известняков со значи­ тельным содержанием органических остатков часто сопровожда­ ется процессами диагенетической доломитизации. В этих случаях в доломитизированных участках известняков при неплотной упа­ ковке возникающих ромбоэдров доломита образуются поры диагенетической доломитизации. В случае интенсивной доломити­ зации, захватывающей всю известковистую массу, эти поры рас­ пределяются в породе довольно равномерно.

Примеси, содержащиеся в горных породах, оказывают различ­ ное влияние на перекристаллизацию основного их минерального компонента. Так, небольшая примесь карбонатов, при растворе­ нии подщелачивающих пластовую водную среду, благоприятству­ ет перекристаллизации кремнистых пород. Затрудняет перекри­ сталлизацию или понижает растворимость карбонатного компо­ нента горных пород содержание в них гипса. Присутствие

вциркулирующих водах сульфата кальция понижает раствори­ мость кальцийсодержащих карбонатов. Примеси, не влияющие на растворимость основного компонента, обычно встречаются в водах

вгрубодисперсном состоянии.

Эпигенетическая доломитизация в отличие от диагенетической происходит неравномерно; она обусловливает пятнистое, иногда полосчатое распределение в породах новообразованного доломита, развивающегося преимущественно по трещинам, кавернам, стилолитам и межзерновым порам. Образование пустот эпигенети­ ческой доломитизации в целом, видимо, обязано неплотной упа­ ковке возникших ромбоэдров доломита.

Процессы сульфатизации (замещение карбонатов гипсом или ангидритом), как правило, отрицательно сказываются на форми­ ровании коллекторских свойств горных пород. Однако на позд­ нейших этапах эпигенеза слабо минерализованные воды, цирку­ лирующие по возникшим тектоническим трещинам, выщелачива­ ют гипс (ангидрит) сульфатизированных пород, чем и обусловли­ вают образование в них вторичных пор новой генерации.

Процессы кальцитизации и окварцевания обычно завершаются заполнением кальцитом и кремнеземом трещин и других пустот з горной породе на всех этапах литогенеза. Эти процессы, широко развитые в горных породах, в общем случае отрицательно влияют на характер их пористости.

Процесс выщелачивания, представляющий собой избиратель­ ное растворение и вынос каких-либо относительно более легко растворимых минералов с образованием на их месте пустот вы­ щелачивания, пожалуй, является одним из важнейших постседиментационных факторов в образовании вторичной пористости. Развитию вторичных пустот выщелачивания во многом способст­ вует тектоническая трещиноватость; каверны и другие пустоты часто располагаются по трещинам в виде полостей расширения последних. В карбонатных породах вторичная пористость (порис-

тость выщелачивания) наряду с межзерновой является второй составляющей в общей емкости пласта-коллектора.

Согласно представлениям А. В. Копелиовича [124] растворе­ ние и регенерация — процессы электролитические, протекающие лишь в водных растворах. Присутствие в горных породах даже незначительных количеств жидких битумов — нефти или прекра­ щает или значительно замедляет процессы растворения, кристал­ лизации и переноса вещества.

Известно, что основным агентом выщелачивания горных пород является углекислота. Насыщенные углекислотой воды ведут себя крайне агрессивно по отношению к карбонатным и силикатным породам. Формирование вторичной емкости в карбонатных поро­ дах (и в песчаниках с карбонатным цементом)происходит за счет их реакций с углекислыми водами. Почти во всех нефтеносных бассейнах возникновение емкости в продуктивных карбонатных толщах было генетически связано с агрессивными растворами, ми­ грировавшими по трещинам. Образование вторичной емкости в карбонатных породах некоторые исследователи [148, 227] свя­ зывают с древними поверхностями размыва (под воздействием древних инфильтрационных вод), наличие которых не всегда уда­ ется доказать. Современные данные о более позднем происхожде­ нии заполненных нефтью трещин и связанных с ними межзерно­ вых пор (сравнительно с минеральными трещинами) в карбонат­ ных породах свидетельствуют о том, что образование в них вто­ ричных пустот, вероятно, было связано с воздействием глубин­ ных растворов (реакции горных пород с глубинной углекисло­ той). Согласно [128] сформированная в карбонатных породах указанным путем емкость заполняется углеводородами, благодаря чему происходит торможение катагенетичееких реакций.

Невозможность полного учета природных факторов при моде­ лировании процессов выщелачивания горной породы, и в частно­ сти карбонатной, является основной причиной условности пред­ лагаемых эмпирических и теоретических формул для расчета интенсивности процессов выщелачивания и растворения горной породы. В качестве примера можно указать на данные лаборатор­ но-экспериментальных исследований и расчетные формулы, со­ гласно которым насыщение подземных вод растворимыми солями происходит относительно быстро и на относительно коротком пути фильтрации, а вынос солей расширяет трещины (в гипсе на не­ сколько сантиметров в год). Меж тем в природной обстановке на­ блюдается далеко не полное насыщение подземных вод, и в гор­ ных породах чрезвычайно медленно идет процесс расширения трещин.

Необходимо отметить, что даже в относительно водоупорных горных породах (покрышки) имеет место диффузионное выщела­ чивание, при котором происходит процесс осмотической фильтра­ ции (капиллярный осмос) и вынос растворимых солей при филь­

98

трации воды по микротрещинам. Диффузионное выщелачивание широко распространено в глинистых породах.

Известно, что минералы горных пород вступают в активные реакции с водой и особенно с водными растворами. При этом происходит не только растворение и гидролиз минералов, но и обменные реакции между ними и солевыми растворами. Поверх­ ность минеральных зерен в результате взаимодействия с раство­ рами нередко заметно изменяет свой химический состав и физико­ химические свойства. Изменения эти происходят неравномерно, что объясняется особенностями строения элементарных кристалли­ ческих решеток минералов, обусловливающих их анизотропию.

Выше было указано, что наличие нефти в горной породе часто замедляет процессы растворения. Однако некоторые исследова­ тели [172] полагают, что присутствие нефти по-разному воздейст­ вует на вмещающие ее горные породы. В одних случаях нефть (и ее производные) преобразует известняки в доломиты-анкериты и способствует концентрации в них сульфидов меди, цинка и свинца, в других — заметно задерживает процессы аутигенного минералообразования в породах.

О воздействии нефти на вмещающие ее горные породы гово­ рится в работе Л. М. Бириной [29]. Ею по данным изучения кар­ бонатных пород разреза карбона Волго-Уральской области выде­ ляется новый тип трещин — «трещины нефтеразрыва». Это тре­ щины, которые появились в результате динамического воздействия нефтяных флюидов на вмещающие их горные породы, т. е. одно­ временно с формированием залежей нефти. В размещении по­ следующих заполнителей этих трещин по разрезу, согласно Л. М. Бириной, наблюдается своеобразная этажность, изначаль­ ным звеном которой является нефтеносный терригенный комплекс. Так, по ее данным ниже нефтеносного терригенного комплекса карбона (яснополянский и верейский горизонты) трещины в кар­ бонатных толщах выполнены в основном нефтью и кальцитом, а выше — кальцитом, ангидритом и реже халцедоном. Исходя из этого, Л. М. Бирина допускает, что практический интерес как коллектор может представлять нижняя карбонатная толща; верх­ няя, в породах которой поры и трещины «залечены» минерализа­ цией, неблагоприятна для поисков газонефтяных залежей. Допу­ скается и второе предположение — о проникновении в породы мине­ ральных веществ совместно с нефтью и дифференциации их в об­ щем потоке при заполнении пластов-коллекторов.

Л. М. Бирина предполагает также, что большая пористость насыщенных нефтью участков (по сравнению с окружающей сре­ дой) обусловлена не первичными особенностями их строения, а выщелачиванием здесь породы под воздействием нефтяных флюи­ дов и сопутствующих им веществ. Иначе говоря, сама пористость возникла в результате пропитывания породы нефтью. Нефть, по­ падая в горную породу, как бы разъедает последнюю по пути своего движения; этот процесс предлагается именовать «нефтя­

вивающиеся в процессе изменения уже сложившейся литифицированной горной породы.

Условия формирования первичной пористости растворимых горных пород различны; они тесно связаны с их происхождением. Так, у хемогенных известняков, первичных доломитов, сульфатных пород и каменной соли первичная пористость мала. У органоген­ ных и органогенно-обломочных известняков она значительно более высокая, но сохранение этой первичной пористости зависит от степени ее «залечивания» на поздних этапах диагенеза. Первичная пористость диагенетических доломитов в условиях малоконцентри­ рованных растворов относительно удовлетворительная. В тех слу­ чаях, когда доломитизация происходила в условиях резко пересы­ щенных растворов (процессы растворения твердой фазы подавля­ лись кристаллизацией доломита), пористость оказывается весьма малой.

Напомним, что для развития вторичной пористости существен­ ное значение имеет первичная пористость. В целом это находит свое выражение в наложении процессов развития вторичной по­ ристости на ту или иную первичную основу. Так, например, вто­ ричная пористость органогенных известняков, как правило, будет больше, чем у хемогенных, и т. д. В общем случае развитие эпиге­ нетической пористости наиболее интенсивно протекает в тех сло­ ях, первичная пористость которых была более высокой.

Карбонатные породы характеризуются крайней неоднородно­ стью структуры порового пространства и отсутствием видимой за­ кономерности ее изменения. В этом, естественно, и основное отли­ чие известняков и доломитов от терригенных пород. Известняки обладают высокой химической активностью и физической ани­ зотропией. Именно по этой причине они сравнительно легче под­ вергаются складчатым деформациям, и в них редко развиваются макротрещины.

Итак, в карбонатных породах различается первичная и вторич­ ная пористость. Первая сохраняется редко, вторая пользуется широким развитием. Первичная пористость свойственна тем кар­ бонатным породам, в которых частицы — кристаллические зерна испытали только диагенетическую перекристаллизацию. Такие по­ роды по структуре порового пространства напоминают песчаники. Отличие их от последних заключается в том, что карбонатные по­ роды с первичной пористостью обладают кристаллической струк­ турой, т. е. сложены более однородными по размерам кристалли­ ческими зернами карбонатов и их агрегатами, тогда как песча­ ники состоят из обломочных частиц различного минерального со­ става, формы и размеров.

Пористость и проницаемость карбонатных пород, сложенных в основном форменными элементами (обломочные, органогенные, сгустково-комковатые и другие разности), в значительной мере контролируются цементацией и размерами форменных частиц. В этой связи, например, оолитовые известняки весьма сходны со

101