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

штабе 1 : 20 000. Результаты исследования показали, что наиболь­ шая плотность трещин приурочена к погруженным участкам крыльев складок; своды их оказались лишенными трещиновато­ сти. Такие же условия распределения максимумов трещиновато­ сти наблюдаются и в Скалистых горах (США), где наибольшая густота трещин отмечена на крутых крыльях складок; там же раз­ мещены наиболее продуктивные скважины [261].

При исследованиях [169] было также отмечено, что своды поднятий как в платформенных, так и в складчатых областях во

Рис. 10. Карта распрост­ ранения участков с мак­ симальной трещиновато­ стью на Осинском подня­ тии по В. Н. Калачевой

(99].

1 — участки с наибольшей густотой трещин в доломи­ тах ангарской свиты; 2 — участки наибольшей густоты трещин в породах верхнего кембрия; 3 — страдоизогипсы по кровле нижнеангарской

подсвиты.

всех случаях оказываются менее деформированными. Осложне­ ние трещиноватости сводов (возникновение новых трещин), оче­ видно, происходит лишь в условиях наложения трещин скола на «старые» трещины. Такие условия, видимо, возникают при нак­ лоне осевой плоскости и изгибании ее плана, а также под дейст­ вием последующего нагнетания пластичных масс горных пород (узкий гребень свода).

Указанные особенности распределения напряжений и густот трещин, разумеется, нуждаются в дальнейших исследованиях. Од­ нако отмеченные закономерности на современной стадии исследо­ ваний целесообразно учитывать при прогнозировании трещинных коллекторов нефти и газа.

Для исследования тектонической трещиноватости, ее генезиса и механизма образования существенное значение имеет привлече­ ние современных методов математической статистики, являю­ щейся связующим звеном между геологическими наблюдениями и аппаратом теории вероятностей. Опыт таких исследований, при которых широко используются современные принципы анализа деформаций, входящих в компетенцию тектонофизики, представ­

30

ляет собой теоретический и практический интерес [117]. При этих исследованиях показан опыт применения математической стати­ стики в установлении закономерностей развития тектонической трещиноватости по локальным структурам. Исследование распре­ деления различных систем трещин (от более ранних к более поздним) дало возможность реконструировать этапы формирова­ ния как складок в целом, так и отдельных их элементов. Дока­ зано, что подавляющее большинство трещин в горной породе воз­ никает в процессе формирования структурных элементов при тек­ тонических процессах. Появление соответствующих систем трещин отвечает определенным этапам роста структур, что дает возмож­ ность по данным распределения разновозрастных систем трещин на рассматриваемых поднятиях восстанавливать и этапы их раз­ вития.

Сводные диаграммы, построенные с целью проверки предполо­ жения о наличии систем трещин, не связанных с ориентировкой плоскости наслоения и сохраняющих свое направление незави­ симо от изменения элементов залегания слоя, не позволили разли­ чить обособленные скопления трещин. Таким образом, в рассмат­ риваемых случаях отрицается наличие таких систем. Однако на­ цело исключить их наличие пока не представляется возможным, поскольку специфические черты условий формирования различных структур могли обусловить появление трещин с ориентировкой, независимой от плоскости наслоения.

Отклонением от отмеченных выше закономерностей в распре­ делении ориентировок систем трещин являются известные при­ меры поведения ориентировок систем трещин, секущих слои раз­ личного литологического состава. Обычно подобные отклонения наблюдаются в основном на поднятиях в складчатых областях. Объяснение этим фактам, возможно, заключается в том, что от­ клонение ориентировок трещин от их закономерного положения во введенной системе координат связано с вторичным их харак­ тером. Пластические деформации, развивавшиеся здесь в горных породах, по всей вероятности, происходили после образования трещин с первоначальной ориентировкой. Подобные отклонения ориентировок трещин могут быть также вызваны смещением бло­ ков горных пород по ранее возникшим трещинам.

На локальных структурах может быть развито до 14 систем трещин, возникавших в определенной последовательности. Ориен­ тировки этих систем тесно связаны с направлением плоскости на­ слоения. На азимутальных сетках при соответствующих построе­ ниях положение указанных трещин по отношению к слою опре­ делить нетрудно.

При постоянной ориентировке главных нормальных напряжений и постоянном соотношении их величин, как известно, образуются две системы трещин скола и одна система трещин отрыва. Однако на локальных структурах или, точнее, внутри этих структур про­ исходит, очевидно, неравномерное и сложное распределение на-

31

пряжений. В этих условиях имеет место смена напряженного сос­ тояния горной породы, что фиксируется последовательностью об­ разования трещин. Установлено, что ранние поля напряжений проявляются по всей площади структуры, а последующие развива­ ются избирательно, по отдельным ее сегментам (участкам). Непо­ средственной причиной возникновения трещин, видимо, является рост структур. В процессе роста структур деформации вызывают последовательное перераспределение напряжений внутри струк­ тур, что соответственно сопровождается появлением различных систем трещин.

Анализ карт распределения последовательно возникавших сис­ тем трещин по площади отдельных структур позволил заключить, что неравномерность распределения систем трещин определяется неравномерным влиянием как условий формирования структурных элементов, так и свойствами литологического состава горных по­ род. Сравнительные данные о густоте трещин в песчаниках и из­ вестняках показали, что песчаники с порово-контактным типом цемента более прочны (прочность кластических зерен), чем изве­ стняки. Меньшей прочностью (сравнительно с известняками) об­ ладают песчаники с глинистым цементом базального типа.

Проведенные исследования свидетельствуют, что характер из­ менения формы поднятий на различных этапах их роста может быть реставрирован по данным о тектонической трещиноватости. Так, большая густота трещин будет указывать на более интенсив­ ный рост рассматриваемого участка (и рассматриваемого проме­ жутка времени), что, естественно, отражается и на форме подня­ тия.

Установленная взаимосвязь развития тектонической трещино­ ватости с историей роста локальных поднятий позволяет рассмат­ ривать трещиноватость как один из показателей последователь­ ности формирования структур. Отмечено, что ориентировка тре­ щин отрыва не меняется в слоях различного литологического со­ става, изменяют свою ориентировку лишь трещины скола в соот­ ветствии с изменением углов скола, величина которых зависит от прочности горной породы.

Системы тектонических трещин появляются в определенной последовательности. Первыми образуются трещины, перпендику­ лярные к слою. Более поздними образованиями являются наклон­ ные трещины. В целом можно заключить, что подавляющее боль­ шинство тектонических трещин возникает в процессе складкообра­ зования на различных его этапах.

Выше было упомянуто, что исследователями отмечаются дан­ ные об унаследованное™ простираний трещин от более древних отложений в более молодые. Так, в работе [149] о трещиновато­ сти в дочетвертичных отложениях Латвийской ССР сообщается, что она развита во всех указанных породах вне зависимости от их литологического состава; ориентировки трещин здесь тесно связгны с локальными тектоническими структурами и их отдельными

32

элементами. Трещины составляют определенные системы; они обычно сопровождаются трещинами другой системы, располагаю­ щимися под прямым углом по отношению к первой системе. При изменении первой' системы изменяется соответственно и простира­ ние сопряженной системы, что, очевидно, свидетельствует об одно­ временности их образования. Такие сопря­ женные системы трещин СЗ и СВ простира­ ний широко развиты, например, в девонских отложениях Польско-Литовской впадины.

Несмотря на длительный последевонский перерыв эти системы трещин наследуются пермскими и триасовыми отложениями.

Указанная закономерность в унаследо­ вании простираний тектонических трещин позволяет данные, полученные на неболь­ ших глубинах, экстраполировать на боль­ шие глубины. Такие выводы были сделаны по результатам работ в эксплуатационных шахтах угольных месторождений Кузбасса [141]. Эти представления разделяет также С. А. Комар [120], указывающий, что изме­ рения ориентировок трещин, произведенные на дневной поверхности в обнажениях, по­ зволяют довольно уверенно судить об их ориентировках на глубине, данные о кото­ рых находят с помощью Пакера-печати. О возможности экстраполяции данных о гу­ стоте трещин с обнажений на глубину сви­ детельствуют результаты инженерно-геоло­ гических изысканий [206 и др.], которые также указывают на генетическое родство макро- и микротрещин и переход первых во вторые.

К закономерностям развития тектониче­ ской трещиноватости по локальным струк­ турам следует отнести особенности разме­ щения максимумов интенсивности трещино­ ватости по различным элементам последних,

о чем выше уже было сказано. В этой связи весьма интересными оказались результаты исследований трещиноватости на локальных структурах Канско-Тасеевсксй впадины [46], где изучался керн из лизов верхоленской свиты среднего-верхнего кембрия и верхней части нижнекембрийских отложений. По этим стратиграфическим горизонтам была установлена приуроченность максимумов трещи­ новатости горных пород к периклиналям и крыльям поднятий (рис. Ч ), а также совпадение планов трещиноватости по указанным го­ ризонтам. Общий фон трещиноватости рассматриваемых пород не

превышал 5—10 1/м, тогда как в зоне максимумов значения густот трещиноватости возрастали до 50—70 1/м.

Подобные данные установлены при изучении тектонической трещиноватости карбонатных пород разреза девона в Саратов­ ском Поволжье [17]. Было отмечено, что наиболее интенсивное ее развитие приурочено к крутым крыльям поднятий и периклиналям. По результатам этих исследований была установлена также связь между периодичностью образования трещин и тектонически­ ми движениями, что свидетельствует о многофазности формирова-

трещиноватости к склонам локальных поднятий и к антиклиналь­ ным перегибам структурных террас, а также к прогибам и разде­ ляющим их уступам указывается и при изучении тектонической трещиноватости пород верейско-башкирской толщи и турнейского яруса Татарии [241]. С приведенными выше данными вполне сог­ ласуются результаты изучения нефтяных залежей ПрасковейскоАчикулакской зоны поднятий в Краснодарском крае [245]. Здесь зоны максимальной трещиноватости приурочены к юго-восточным периклиналям; этим зонам обычно отвечает и положение конту­ ров нефтяных залежей.

Зависимость между углами падения трещин и условиями за­ легания горных пород для Ермекеевской площади в Башкирии иллюстрируется рис. 12. Независимо от условий залегания пород тектонические трещины здесь в основном перпендикулярны к на­ пластованию. 80% всех значений величин углов наклона трещин в известняках татарского яруса и свит А, В, С и D конхиферового подъяруса находятся в интервале 70—90°.

По этому же району указанная зависимость изучалась и для песчаников татарского яруса и свит В и D конхиферового подъя­ руса (рис. 13). Кривая распределения углов наклона трещин отно­ сительно слоистости в песчаниках построена более чем по 3000 из­

34

мерений. Сравнение кривых для известняков и песчаников показа­ ло их относительную сопоставимость. На кривой для песчаников преобладающие значения углов наклона трещин оказались не­ сколько меньшими; 80% всех измерений здесь попали в интервал

60—80°.

Рис. 14. Зависимость углов наклона трещин по элементам струк­ тур (5000 измерений) [68].

] — своды структур; 2 — восточные крылья структур; 3 — западные крылья структур.

Сопоставление указанной кривой распределения углов наклона трещин относительно слоистости пород с таковой по восточному борту Предуральской депрессии (рис. 14) показывает их тожде­ ство.

РОЛЬ ЛИТОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА В РАЗВИТИИ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Литолого-петрографические особенности горных пород имеют исключительно большое значение при установлении закономерно­ стей развития трещиноватости. Они оказывают существенное влияние на формирование ряда параметров трещиноватости (гус­ тота трещин, их раскрытость и др.).

В комплексе с другими видами исследований литолого-петро- графическое изучение горных пород позволяет выяснить роль кавернозности, карстовых явлений и стилолитизации в образовании емкости различных типов трещинных коллекторов, способствует установлению генетических связей между макро- и микротрещи­ нами и дает возможность получить представление об условиях фильтрации и миграции нефти и газа в подобных коллекторах.

3* 35

Диапазон вопросов, касающихся трещинных коллекторов, ис­ следуемых при помощи литолого-петрографических данных, доста­ точно широк. При этих исследованиях ведется разработка класси­ фикаций генераций микротрещин как общего принципиального значения,- так и регионального характера применительно к рас­ сматриваемому региону (району), производится выделение эффек­ тивных микротрещин для целей определения фильтрационных свойств (трещинной проницаемости) рассматриваемых трещино­ ватых горных пород, изучается роль вторичных, постседиментационных процессов в формировании трещинных коллекторов и в комплексе с другими методами устанавливается положение го­ ризонтов с трещинными коллекторами как по разрезу, так и по площади изучаемой территории.

В качестве примера подобных исследований можно привести данные по Припятской впадине. В этом районе изучались трещи­ новатые породы соленосной толщи верхнего девона. В разрезе нижней соленосной толщи, вскрытой скважиной, различаются пачки известняков и доломитов, достигающие мощности 18 м. На общем фоне относительно невысокой трещинной проницаемости соленосных пород залегающие среди них карбонатные породы об­ ладают сравнительно большой трещинной проницаемостью, что. разумеется, привлекает к ним внимание (рис. 15). По разрезу скважины выделяются 9 горизонтов с повышенной трещинной про­ ницаемостью.

Аналогичной характеристикой обладает также разрез верхне­ девонских отложений в Ельской скв. Р-17, где вскрыты более верхние горизонты рассматриваемого разреза (толщи межсолевая и верхняя соленосная). Отличием их является появление поровых коллекторов (песчаники) в низах верхней соленосной толщи. В рассматриваемом разрезе выделяется до 8 горизонтов трещин­ ных коллекторов (рис. 16).

Важно отметить, что литолого-петрографические исследования

с другими методами и, в частности, в тесной взаимосвязи с текто­ ническим фактором, так как эти факторы обычно взаимно обус­ ловлены.

Литолого-петрографические характеристики трещиноватых горных пород целесообразно рассматривать по соответствующим литологическим типам осадочных пород разреза, что позволяет различить для них общие черты сходства и отличия. Карбонатные породы являются, как известно, наиболее распространенными трещиноватыми породами-коллекторами, с ними связаны крупней­ шие залежи нефти и газа. Из них наиболее распространены изве­ стняки и доломиты. В общем случае к часто встречающимся ти­ пам известняков относятся тонко- и мелкозернистые разности их,

36

чистые (с отсутствием каких-лиоо примесей терригенного мате­ риала) либо с незначительным содержанием песчано-алевритовых и песчаных обломочных частиц.

Нередко в известняках присутст­ вует глинистый материал, оказы­ вающий существенное влияние на степень их твердости. Так, напри­ мер, изучение степени влияния глинистого вещества на механи­ ческие свойства карбонатных по­ род верхнего мела месторожде­ ния Малгобек-Вознесенка пока­ зало, что увеличение содержания его в породе уменьшает твердость известняков. При повышенном со­ держании глинистого вещества твердость известняков составляет 100—140 (уменьшается коэффи­ циент пластичности), а при пони­ жении его содержания твер­

отсутствием или незначительным содержанием терригенной приме­ си и с отсутствием заметных при­ знаков доломитизации, сульфатизации и перекристаллизации об­ ладают незначительной межзер­ новой пористостью (2—5%). Од­ нако в них часто различаются вторичные пустоты (каверны, кар­ стовые и стилолитовые полости), обычно развивающиеся по систе­ мам трещин. Указанные вторич­ ные пустоты достигают в диамет­ ре 2—5 мм; в отдельных случаях

Рие. 15. Характеристика параметров тре­ щиноватости соленосной толщи верхнего девона по разрезу Первомайской скв. Р-1 в.Припятской впадине по 3. Н. Ипа­ товой [239].

мит; 6 — ангидрит; 7 — каменная соль; 8 — уча- ■ сткк разреза с высокой трещинной проницае­ мостью; 9 — участки разреза с относительно повышенной трещинной проницаемостью; 10 — трещинная проницаемость; //—густота трещин.

37

размеры каверн и особенно карстовых пустот могут достигать и больших величин. Учитывая генетические связи вторичных пустот в известняках с системами трещин в них, поиски вторичных пустот обычно ведут с учетом закономерностей развития систем трещино­ ватости.

В указанных известняках встречается несколько генераций микротрещин. Наиболее ранними из них являются минеральные

Рис. 16. Характеристика параметров трещиновато­ сти верхнедевонских от­ ложений по разрезу Ельской скв. Р-17 в Припятекой впадине по

3. Н. Ипатовой [[239].

38

несппрующим органическим веществом; позднейшие (по времени возникновения) трещины представлены битумными (заполненные нефтью) и открытыми (наиболее поздние) трещинами. Возникно­ вение в трещиноватых известняках нескольких генераций микро­ трещин можно объяснить последовательным чередованием раз­ личных полей напряжений, вызванных тектоническими деформа­ циями; в этих условиях более ранние трещины, как правило, «за­

равнозернистые. К последним относятся и доломиты с форменны­ ми образованиями, обладающие сгустковой, комковатой, сгустко- во-комковатой и инкрустационной структурами. В доломитах, осо­ бенно в неравнозернистых их разностях, часто развиты вторичные пустоты (каверны, карстовые пустоты и Др.), размеры которых нередко большие, чем в известняках. Межзерновая пористость доломитов сравнительно с известняками более высокая (5—10%); по своему генезису межзерновые поры доломитов могут быть как первичными, так и вторичными. Так же как и в известняках, в до­ ломитах выделяется несколько генераций микротрещин, количе­ ство которых контролируется числом этапов тектонических дефор­ маций (последовательностью полей напряжения) и палеогидрогеологических режимов. Относительный возраст генераций микро­ трещин устанавливается по их взаимопересеченности. Позднейшие типы трещин рассекают более ранние микротрещины или выделя­ ются внутри последних (открытые трещины внутри минеральных или трещин, заполненных нелюминесцирующим органическим веществом).

В мергелях закономерности развития трещиноватости изучены недостаточно. Однако, судя по известным данным, в них преобла­ дают в основном две генерации микротрещин — минеральные и открытые; последние часто содержат люминесцирующий желтый битум (нефть). Еще менее изучена трещиноватость в ангидрито­ доломитовых породах и ангидритах. В этих горных породах на­ блюдаются минеральные, битумные и открытые трещины, распо­ лагающиеся преимущественно по слоистости пород.

Трещиноватость в терригенных породах по существу характе­ ризуется теми же генерациями микротрещин, что и в карбонатных породах. Последовательность и количество типов микротрещин в терригенных породах, естественно, контролируются как геологи­ ческими условиями (этапы тектонических деформаций), так и прочностью пород (минеральный состав зерен и цемента). Так, например, в вендских песчаниках Иркутского амфитеатра разли­ чаются только открытые трещины, тогда как в девонских песчано-. алевритовых породах Минусинской впадины распространены пре­ имущественно минеральные и открытые микротрещины. Установ­

39