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

лено, что часто наблюдаемая раскрытость открытых микротрещин в песчаниках составляет 10—20 мкм, трещинная проницаемость их 30—40 мд, а трещинная пористость — 0,04%.

Широко известно, что каменная соль рассматривается как вполне надежная покрышка над нефтяными и газовыми залежа­ ми. Это заключение обосновывается тем, что каменная соль лише­ на трещиноватости. Для каменной соли значительной мощности эти представления относительно справедливы, хотя каменная соль, как все горные породы, в той или иной степени трещиновата. Густота трещин в мощных толщах каменной соли, как правило, невелика. Иначе обстоит дело с маломощными слоями каменной

ние минеральные (заполненные глинисто-карбонатным или глини­ сто-ангидритовым веществом), битумные и открытые микротре­ щины.

Заслуживают внимания указания на то, что повсюду, где под солью имеются залежи нефти и газа, соль всегда содержит их обильные признаки. Свидетельством газопроницаемости солей (от

впадины и девона Белоруссии, показывающие, что масштабы миг­ рации углеводородов через соль могут быть значительными. Путем миграции является густая сеть трещин, пересекающих кристаллы соли в различных направлениях [9]. Согласно этим исследова­ ниям первичные-трещины в кристаллах каменной соли возникают в результате быстрого роста кристаллов, а вторичные — за счет горного давления и тектонической напряженности. В последнем случае пластические свойства соли вовсе не противоречат ее спо­ собности в хрупком состоянии дробиться за счет трещин и плоско­ стей спайности на множество блоков. В литературе известны ука­ зания о том, что пластические свойства каменной соли не лишают ее свойств в хрупком состоянии растрескиваться, причем возра­ стание интенсивности трещиноватости у нее происходит с глуби­ ной залегания.

Указанные данные, а также сведения о газопроницаемости ка­

прежде всего густоты трещин, трещинной пористости и трещинной проницаемости. Выше было указано, что подавляющее большин­ ство трещин возникает в результате тектонических деформаций. Однако в горных породах различают также трещины нетектони­ ческого происхождения, которые соответственно своему генезису могут быть названы литогенетическими. Последние в отличие от

40

тектонических трещин обычно ветвящиеся, с неровными извилис­ тыми стенками, протяженность их невелика, они часто затухают в пределах отдельных слоев. Эти трещины обычно проходят меж­ ду зернами, форменными образованиями, огибая их. Литогенети­ ческие трещины часто заполнены глинистым, глинисто-органиче­ ским веществом, метаморфизованным битумом, кальцитом, доло­ митом, гипсом, ангидритом, целестином, флюоритом и другими минералами. Выполнение литогенетических трещин может быть и смешанного минерального состава. Среди указанных трещин от­ мечаются и свободные от минерального заполнения трещины.

Тектонические трещины обладают значительной протяженно­ стью; они группируются в выдержанные по разрезу и площади системы. Эти трещины рассекают зерна и форменные образова­ ния, проходят внутри литогенетических трещин и стилолитов или, пересекают их. Тектонические трещины располагаются перпенди­ кулярно, под углом или параллельно напластованию. Указанные трещины полностью или частично выполнены минеральным веще­ ством, нефтью, тем и другим совместно. В трещинах со смешан­ ным битумно-минеральным заполнением расположение битума (нефти) и минерального вещества обычно пятнистое, мозаичное или зональное.

По составу заполняющего вещества и характеру взаимопересечения тектонических трещин среди них выделяется несколько ге­ нераций. В общем случае наиболее ранними по времени образова­ ния являются микротрещины, заполненные глинистым, глинисто­ органическим или органическим метаморфизованным (нелюминесцирующим) веществом. К относительно более поздним генерациям относятся трещины, частично или полностью выполненные мине­ ральным веществом либо минеральным веществом и битумом. Часто наблюдаемые случаи пигментации битумом минералов, за­ полнителей трещин и различных других пустот в горных породах свидетельствуют о миграции битума вместе с пластовыми водами.

•К последующей по времени образования генерации относятся тре­

Многочисленными данными по ряду районов показано, что ко­ личество открытых и битумных трещин превышает число неэф­ фективных трещин (табл 4).

Известно, что микротрещины имеют также большое значение в распределении оруденения. Признается, что минеральное запол­ нение трещин в дорудную стадию никак не препятствовало после­ дующему поступлению в породы растворов, поскольку по трещи­ нам, ранее заполненным минеральными образованиями, позднее развивались новые открытые трещины. В сказанном выше можно видеть аналогию с образованием нефтяных залежей и ролью тре­ щин в их формировании.

41

В общем случае приведенная последовательность генераций трещин повсеместно сохраняется, но число их не является посто­ янным и зависит от конкретных тектонических и палеогидрогеологических условий рассматриваемого района.

Литолого-петрографическое изучение трещиноватости горных пород большое значение приобретает при определении коллектор­ ских свойств трещиноватых пород. Результаты этих исследований в настоящее время широко известны. Приведем некоторые их при­ меры в связи с проблемой раскрытия трещин на глубине и их гус­ тотой. Ширина эффективных, т. е. открытых, трещин (поздние ге­ нерации), как показали многочисленные наблюдения, в общем случае варьирует от 10 до 20 мкм. Трещинная пористость трещино­ ватых горных пород, как правило, очень низкая. На примере мно­ гочисленных данных по разрезу карбонатных пород нижнего кембрия Сибирской платформы можно видеть, что трещинная по­ ристость их составляет сотые доли процента; трещинная прони­ цаемость доломитов, слагающих нефтяной пласт венда, вскрытый Мархинской скважиной [147], составляет 6 мд (средневзвешен­ ное значение), а объемная плотность трещин — 47 1/м (средне­ взвешенное значение). Отмечено возрастание интенсивности тре­ щиноватости как мелкозернистых, так и комковатых доломитов и особенно последних с глубиной залегания (табл. 5).

Таблица 5

Густота трещин в доломитах, 1/м. Мархинская скв. Р-1, по С. Ш. Леви [147]

42

О характере зависимости между густотой трещин и мощностью вмещающего их слоя свидетельствуют данные по тонкослоистым терригенным породам разреза третичных отложений Восточных Карпат [89]. Из рассмотрения графика этой зависимости для ряда стратиграфических подразделений (рис. 17) видно, что с воз­ растанием мощности слоя до 10 см происходит резкое уменьшение густоты трещин. При увеличении мощности от 10 до 30—40 см уменьшение густоты трещин замедляется и в последующем, с 40—

А

Рис. 17. Густота трещин в песчаниках по различным стратигра­ фическим горизонтам в зависимости от мощности слоя '[89].

1 — менилитовая серия; 2 — быстрицкая свита; 3 — манявская свита.

50 см и более, густота трещин от мощности слоя практически уже не зависит. В рассматриваемом случае отмечается обратно про­ порциональная зависимость между густотой трещин и мощностью слоя. Эта зависимость не линейная, и поэтому скорость изменения густоты при увеличении мощности слоя различна.

Из сказанного выше можно заключить, что при определении густоты трещиноватости в тонкослоистых породах необходимо учитывать мощность слоя. Однако для толстослоистых пород, мощности слоев которых превышают 0,5 м (и более), уменьше­ нием густоты трещин с возрастанием мощности слоев можно пре­ небречь, и сопоставление степени трещиноватости пород представ­ ляется возможным производить для слоев с различной мощностью.

Укажем также, что некоторые исследователи отмечают возрас­ тание интенсивности трещин в верхней части пласта-коллектора. Так, в карбонатных породах Среднего Поволжья [11] увеличение густоты трещиноватости фиксируется в кровле коллектора и чаще в зоне непосредственных контактов с глинами.

Однако глинистые породы в ряде случаев из-за литологической неоднородности сами по себе могут оказаться интенсивно трещи­

43

новатыми. Примером этому может служить разрез по Шебелинскому газовому месторождению. Глины и аргиллиты в нем зани­ мают значительный объем. Общая пористость их 8—12%. Глинис­ тые породы оказались интенсивно трещиноватыми. По этой при­ чине, а также вследствие литологической их разнородности они не могут служить надежным газоупором, что, по-видимому, и об­

условило большой этаж газоносности на рассматриваемом место­ рождении.

Некоторые исследователи отмечают, что глины не всегда явля­ ются экраном и не служат препятствием для сообщаемости песча­ ных продуктивных горизонтов. Так, согласно [226] продуктивные алевролиты и песчаники в разрезе картамышской свиты на Шебе-

породах наблюдается максимальная густота трещин с преоблада­ ющими вертикальными ориентировками. Трещиноватость рассмат­ риваемых глин обусловила газонасыщенность не только всего раз­

тивные пласты в нем оказываются гидродинамически связанными друг с другом, составляя в целом одну общую залежь с общей единой подошвой. Типичной особенностью залежей нефти в карбо­ натных коллекторах Куйбышевского Поволжья является их отно­ сительная изоляция вторичным кальцитбм и битумом от пласто­ вых вод. Причина указанного усматривается в развитии на кон­ такте вода—нефть микробиологических (выделение вторичного кальцитового цемента), а также окислительных (образование на контакте смол и асфальтенов) процессов.

Для сравнительных целей по оценке влияния литологического фактора на формирование емкости коллектора приведем данные некоторых результатов литолого-петрографических исследований [151], произведенных по керну карбонатной формации Медисон (визе — турне) на нефтяном месторождении Бивер Лодж в штате Северная Дакота (США). По промысловым данным здесь было установлено, что скважины обладают высокими дебитами и замет­ но влияют друг на друга, что свидетельствует о высокой прони­ цаемости коллектора. Однако по данным лабораторных анализов керна продуктивные известняки рассматриваемой формации ха­ рактеризуются небольшой пористостью и ничтожной газопрони­ цаемостью. Выделение продуктивных интервалов в разрезе сква­

44

жин здесь производилось по показаниям механического каротажа, микрозондирования и радиометрии. Петрографические исследова­ ния образцов керна показали наличие в карбонатных породах трех типов пор: поры-каналы неправильной формы, крупные меж­

образуют на месторождении в совокупности три зоны, хорошо выделяемые по всем скважинам. Вследствие широкого развития трещиноватости указанные зоны гидравлически взаимосвязаны, составляя единую залежь нефти. Строение продуктивной части разреза (рис. 18) характеризуется неравномерным распределе­ нием пористости, отсутствием закономерности в изменении мощ­ ностей пористых зон, а также уменьшением пористости в доломитизированных разностях известняков.

Остановлено, что пористость известняков контролируется коли­ чеством присутствующего в них обломочного материала, размером преобладающих обломочных частиц н содержанием доломита. На

дованиях было отмечено, что интенсивность трещиноватости воз­ растает в тонко-мелкозернистых плотных известняках, тогда как в грубозернистых, более пористых их разностях густота трещин обычно незначительна. Так, например, более трещиноватыми ока­ зались образцы известняков с размерами зерен менее 0,2 мм, ме­

свидетельствуют и данные по карбонатным отложениям нижнего баррема в Горном Дагестане [219]. Здесь известняки и алевроли­ ты с очень мелкими порами обладают удовлетворительной пори­ стостью и содержат Значительные количества нефти и газа. Их извлечению из мелкихшор способствуют трещины.

Были отмечены генетические связи между макро- и микротре­ щинами рассматриваемых пород, что может с л у ж и т ь рабочей ги­ потезой при прогнозах интенсивности трещиноватости на глубину по данным наблюдений на поверхности. Кроме того, было "уста­ новлено, что на коробчатых складках Известнякового Дагестана основные максимумы трещиноватости приурочены к периклинальным участкам складок и к перегибам пластов

личные по составу и степени развития. Отмечается минералогиче­ ское сходство вещества, заполняющего трещины в породах как в тех, так и в других стратиграфических толщах. По участкам сгу­ щения минерализованных трещин представляется возможность по керну определять зоны тектонической трещиноватости, а по типу эпигенетической минерализации судить об ее относительном воз-

45

расте. Как известно, трещины являются главнейшим фактором проницаемости массивных пород для минерализованных раство­ ров. В этой связи изучение распределения трещин в горных поро­ дах — один из основных методов установления закономерностей размещения многих полезных ископаемых. Относительно более значительную (по сравнению с открытыми трещинами) мощность (иногда до 2—5 см) в так называемых закрытых трещинах, вы­ полненных минеральными образованиями, следует объяснять кри­ сталлизацией выпадающих из ра­ мм-% створов минералов, в процессе ко­ торой растущие кристаллы посте­ пенно раздвигали стенки трещин.

Особенность развития трещин в геологических телах — их мно­ гочисленность. Отсюда и получи­ ла распространение методика изучения трещиноватости стати­ стической обработкой измере­ ний трещин, применяемой при ли- толого-петрографических иссле­ дованиях.

Литологическая неоднород­ ность карбонатных пород часто обусловливает неравномерное распределение в них участков с максимальной трещиноватостью. В частности, оно установлено по

ряду месторождений Предуральской депрессии (Карлинское, Кинзебулатовское, Воскресенское). Здесь карбонатные породы-кол­ лекторы в разрезе перми и верхнего карбона в одинаковых струк­ турных условиях в разных скважинах то оказываются продуктив­ ными, то, наоборот, не дают притока нефти [79]. Такое пятнистое распределение нефтенасыщенности известняков и доломитов яв­ ляется следствием своеобразного, неоднородного, их строения.

Литолого-петрографическое изучение тектонической трещино­ ватости терригенных пород-коллекторов палеогена нефтяных мес­ торождений Предкарпатского прогиба (Долина, Битков) показа­ ло, что густота трещин в глинистых породах значительно выше, чем в песчано-алевритовых, трещинная проницаемость пород не превышает 25 мд, трещинная пористость их не выше 0,1—0,2%.

Учитывая большие мощности слоев вмещающих пород в разре­ зе, емкостью трещин, даже при этих значениях трещинной порис­ тости, нельзя пренебрегать. Подсчет показал, что 10% извлекае­ мых из этих пород запасов содержится в микротрещинах. С уве­ личением глубины залегания раскрытие трещин в породах разреза уменьшается до определенного предела, ниже которого оно почти не меняется [31 ].

47

При выделении в разрезе трещинных коллекторов важное зна­ чение придается также перерывам в осадконакоплении; они часто разделяют крупные интервалы в разрезах осадочных образований. Так, например, в разрезе верхнемеловых отложений Северного Кавказа различается несколько таких интервалов, сложенных рег­ рессивно-трансгрессивными сериями. Эти серии разделены между собой перерывами в осадконакоплении. Карбонатные трещинова­ тые породы в кровле каждой серии, согласно данным А. В. Соло­ вьева и др. [228], интенсивно выщелочены и перекристаллизованы, что обусловило формирование в них вторичной пористости.

Известно, что многие карбонатные коллекторы в США обычно несогласно перекрыты вышележащими формациями, играющими роль кэпрока. Известно также, что асмарийские известняки в Ира­ не своей пористостью обязаны преимущественно процессам эро­ зии, предшествовавшим отложению осадков Фарса.

Установлено, что известняки с первичной пористостью слабо развиты; они содержат редкие промышленные залежи, так как такие известняки уплотнены и слабо пористы. Известняки же со вторичной пористостью широко распространены. Пористость таких известняков развита преимущественно под поверхностью эрозии; она самым тесным образом связана с трещиноватостью известня­ ков. Нефтяные залежи в подобных коллекторах залегают на мно­

тивные горизонты формации Элленбург (нижний ордовик) в За­ падном Техасе (США) на месторождении Бернхарт, где они пред­ ставлены крупнозернистыми доломитами. Эти доломиты были размыты перед трансгрессией пенсильванского времени. Эрозией здесь было смыто до 60 м формации Элленбург, одновременно эрозионные процессы способствовали формированию в доломитах верхов сохранившейся от эрозии толщи формации Элленбург вто­ ричной пористости. О перерыве между пенсильванскими и элленбургскими слоями свидетельствует «детритовая» зона, которая выделяется между ними. О мощности этой зоны и глубине ее за­ легания в разрезе скважин по месторождению Бернхарт [260] можно судить по приведенным ниже данным:

О вторичном характере пористости ордовикских доломитов формации Элленбург в пермском бассейне США сообщается и

48

в работе [243]. Возникновение этой вторичной пористости цели­ ком связывается с поверхностью несогласия, ниже которой разви­ ты процессы растворения, выщелачивания и трещиноватости кар­ бонатных пород.

Другим наглядным примером приуроченности крупных зале­ жей нефти к горизонтам трещиноватых карбонатных пород, зале­ гающих под поверхностью несогласия, может служить Припятский прогиб. В разрезах карбонатных толщ здесь часто наблюда­ ются своеобразные поверхности наслоения, фиксирующие внутриформационные локальные перерывы в осадконакоплении. Такие текстуры известны во многих разрезах карбонатных пород различ­ ного возраста, начиная от древнего докембрия и до неогена вклю­ чительно.

Эти поверхности обычно характеризуются зонами размыва и выщелачивания подстилающих пород. Согласно данным [36] по­

ных подземных водоносных горизонтов объясняют отсутствие сле­ дов карста на поверхности указанных перерывов.

В некоторых случаях нефтеносность карбонатных пород связы­ вается с завершающими стадиями крупных циклов седиментации. Так, например, по данным [244] в разрезе карбона Куйбышевско­ го Поволжья известны залежи нефти в известняках различных горизонтов, представляющих собой верхние части седиментационных циклов. Известняки обычно представлены органогенно-обло­ мочными, неравномерно перекристаллизованными доломитизированными трещиноватыми разностями.

РАЗВИТИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНАХ ДИЗЪЮНКТИВНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ

В литературе распространены различные представления о свя­ зях между трещиноватостью горных пород и различными формами дизъюнктивных дислокаций всех рангов (сбросы, взбросы, надви­ ги, разломы). Согласно представлениям многих исследователей в зонах развития дизъюнктивных дислокаций возникают достаточ­ но широкие области интенсивной трещиноватости, способствую­ щие образованию здесь трещинных коллекторов. Эти взгляды аргументируются фактическими данными о раздробленности гор­ ных пород у разрывов и наличием нефтегазопроявлений в породах у контактов разрывов.

Согласно современным представлениям [26, 27, 52, 53] разли­ чия между тектоническими трещинами и дизъюнктивными нару­ шениями являются не качественными, а количественными. Про­ цесс образования последних весьма сходен с возникновением тек­