книги из ГПНТБ / Бурштар М.С. Основы теории формирования залежей нефти и газа

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АККУМУЛЯЦИИ НЕФТИ И ГАЗА

Аккумуляция нефти и газа представляет собой сложный и дли­ тельный физико-химический процесс, обусловленный совокупностью благоприятных геолого-гидрогеологических условий в земной коре. Она по существу является одним из первых этапов формирования залежей нефти и газа. На этой стадии процесса миграции нефть и газ попадают в ловушку, где устанавливаются определенные соотноше­ ния между флюидами,, заполняющими ее; термодинамические и физи­ ческие условия обусловливают особенности размещения этих флюи­ дов и генетический тип залежи. Однако сам факт образования залежи нефти или газа еще не означает прекращения миграции. На опреде­ ленных стадиях процесса формирования залежей может начаться

ипроцесс их разрушения, рассеяния. Формирование залежей нефти

игаза — процесс многостадийный, носящий непрерывно-прерыви­ стый характер.

Прежде чем переходить к вопросу о формировании залежей нефти и газа, необходимо сформулировать само понятие залежи. Взгляды исследователей по вопросу о содержании и объеме этого термина различны, а в некоторых случаях не отвечают существу вопроса. Многие из них считают, что залежи нефти и газа представляют собой естественное локальное единичное скопление нефти и газа в прони­ цаемых пористых или трещиноватых коллекторах. Но это очень упрощенное определение. Мы понимаем под залежью скопление нефти и газа в различных ловушках, характеризующееся определенными физико-химическими и термодинамическими условиями и соотно­ шением объемов жидкой и газовой фаз. Если залежь по своим запасам пригодна для разработки на современном уровне развития техники, то она относится к категории промышленных; незначи­ тельные скопления нефти и газа относятся к категории нефтегазопроявлений.

Способностью аккумулировать и сохранять скопления нефти и газа, очевидно, будут обладать те ловушки, которые на протяжении всего процесса миграции имеют минимальные величины потенциала всех видов энергии. Каждую ловушку до заполнения ее нефтью или газом следует рассматривать в энергетическом отношении как аномалийный участок на общем региональном фоне снижения потенциалов различного рода энергий (механической, тепловой, химической и др.).

103

Нефть и газ в пласте-коллекторе, характеризующемся совокуп­ ностью эквипотенциальных поверхностей, попадая в ловушку, пере­ ходят в условия минимальных значений энергий. При этом углево­ дороды будут частично или полностью выделяться из водной среды и образовывать скопления, размеры которых определяются интен­ сивностью процессов перемещения (миграции), количеством углево­ дородов, поступающих в ловушки, и эффективным объемом послед­ них. Наибольшей стойкостью будут, очевидно, обладать те залежи нефти и газа, которые на всех этапах формирования обладают доста­ точным запасом термодинамической прочности, т.е. энергетической устойчивостью к воздействию различных внешних факторов.

В отличие от системы пласта-коллектора в целом, характеризу­ ющейся, как правило, различными гидродинамическими условиями, образовавшееся скоплелие углеводородов будет в большинстве слу­ чаев находиться под гидростатическим давлением.

Поскольку ловушка заполняется также и пластовыми водами, эквипотенциальными поверхностями в образовавшейся системе будут служить в случае газовых залежей флюидальные разделы газ — вода, в случае нефтяных — нефть — вода и в случае газонефтяных скоплений — разделы газ — нефть и нефть — вода. Форма и про­ странственное положение этих флюидальных разделов зависят от ряда факторов, среди которых главную роль играют коллекторские свойства пласта, характер гидродинамических условий, физикохимические свойства заполняющих ловушку флюидов.

Процесс формирования залежей нефти и газа тесно связан с диф­ ференциацией углеводородов. Наибольшей миграционной способно­ стью, как известно, обладаютгазообразные углеводороды, при опреде­ ленных давлениях и температурах растворяющиеся в пластовых водах. Выделение газообразных углеводородов в свободную фазу из пласто­ вых вод становится возможным лишь в том случае, когда пластовое давление будет равно или меньше давления насыщения пластовых вод газом. Если же пластовое давление будет больше давления насы­ щения, то газ не сможет выделиться в свободную фазу; более того, в случае уже сформировавшегося газового скопления (залежи) при увеличении пластового давления газ будет растворяться в воде. Таким образом, при пластовом давлении больше давления насыщения весь газ будет находиться в пластовых водах в растворенном состо­ янии.

На первых стадиях миграции седиментационные воды содержат газ преимущественно метанового состава, а по мере усиления гене­ рации углеводородов газ все больше обогащается гомологами метана.

Несмотря на то, что растворение газа в воде, зависящее от пла­ стовых давлений, температуры и степени минерализации вод, будет носить характер непрерывно усиливающегося во времени процесса, на определенных этапах геологического развития в пласте-коллек­ торе может существовать и свободный газ (в виде пузырьков), кото­ рый также будет перемещаться в направлении движения вод в соот-

104

ветствии с градиентами давлений и величиной его плотности, зави­ сящей от индивидуальных плотностей каждого из входящих в состав газа компонентов.

Различный геотектонический режим создает условия для перерас­

пирование) газообразных углеводородов в соответствии с величинами их парциальных давлений и плотностей.

По мере погружения нефтегазоматеринских толщ усиливается процесс регенерации органического вещества. Компонентами движу­ щейся флюидальной системы становятся и жидкие углеводороды, т . е . наступает такой период, когда образуется собственно капельно­ жидкая нефть. Этот период (интервал разреза), который А. Э. Конто-

«растягивается в общем случае на два первых этапа мезокатагенеза»

-(Вассоевич, 1969). Глубины образования жидких углеводородов для различных районов разные и зависят главным образом от катагенетических условий, степени метаморфизма пород и состава органи­

ческого вещества. Н. Б . Вассоевич указывает, что «пока еще недоста­ точно материалов по вопросу о времени (условиях) завершения ГФН . Очевидно, что после окончания главной фазы породы еще далеко не теряют способность генерировать УВ».

Нам кажется, что в данном случае очень трудно установить время не только завершения, но также и начала главной фазы нефтегазооб­ разования. Пока можно лишь говорить о каком-то интервале разреза (причем в разных геологических условиях различном), в котором

Итак, попавшие в пласт жидкие углеводороды первоначально мигрируют в жидкой фазе. При достижении уровня, соответству­ ющего критическим давлениям и температурам газовой фазы, при наличии определенных соотношений объемов жидкой и газовой фаз и увеличении в последней содержания гомологов метана (особенно бутана и пропана) движение углеводородов будет происходить в виде ретроградного газонефтяного раствора. В дальнейшем этот раствор распадется и нефть будет двигаться в водорастворенном состоянии и частично в свободной жидкой фазе.

По мере дальнейшего усиления процесса регенерации органи­ ческого вещества и перехода жидких и газообразных углеводородов из нефтематеринских толщ в пласты-коллекторы, при увеличении температур и пластовых давлений в газе будут растворяться все более тяжелые компоненты нефтей.

Таким образом, в условиях сравнительно небольших пластовых давлений и температур и низком содержании гомологов метана

105

ретроградные газонефтяные растворы, первыми покидающие нефтегазоматеринские толщи, будут отличаться незначительным содержа­ нием самых легких жидких компонентов нефти, которое с течением времени будет возрастать.

растворимые в газе жидкие компоненты, которые при наличии до­ статочных градиентов давления смогут перемещаться дальше уже в жидкой фазе. Если же величины градиентов давления будут недо­ статочны для передвижения нефти в жидкой фазе, то она будет оставаться на месте до тех пор, пока на возрастут градиенты давления или пока нефть вторично не растворится в газе.

Процессы газообразования, таким образом, предшествуют про­ цессам нефтеобразования, сопутствуют им и завершают их. На самых ранних стадиях формирования осадков, т. е. в период раннего

Анализ обширных фактических материалов по различным нефте­

1969), показывают, что специфическое размещение залежей нефти и

1.Время образования преимущественно жидких углеводородов (микронефти и нефти).

2.Время образования преимущественно газообразных углево­ дородов.

3.Растворимость различных углеводородов в седиментогенных (элизионных по Н . Б . Вассоевичу) водах в зависимости от термоба­ рических условий.

4.Особенности геологического развития геотектонических эле­ ментов, с которыми связаны зоны нефтегазонакопления (неравномер­ ность прогибания, накопления и размещения осадков).

5.Источники поступления углеводородов.

6.Время образования и морфологическая выраженность лову­

шек (амплитуда, соотношение углов наклона крыльев ловушек

крегиональному наклону).

7.Направление движения подземных вод.

Поскольку газообразные углеводороды генерируются первыми, то первыми должны формироваться газовые залежи.

Жидкие углеводороды образуются и эмигрируют из нефтепроизводящих толщ главным образом в стадии позднего диагенеза и сред­ него катагенеза, когда из уплотняющихся пород отжимаются еще достаточно большие объемы седиментационных вод. На стадии ката-

106

генеза пород, на глубинах 3,5 км и более и при температурах выше 150° С количество образующихся жидких углеводородов незначи­ тельное, так как рассеянное органическое вещество при достижении этих термобарических условий уже сильно преобразовано и в нем почти нет липидных компонентов, из которых в основном образу­ ются жидкие углеводороды.

Значительная часть углеводородов в газовой фазе образуется в процессе диагенеза и среднего катагенеза, т. е. в период преиму­ щественного образования жидких углеводородов, но в основном на поздней стадии катагенеза, при температурах более 150—160° С.

Термокаталитические нефтегазогенерирующие зоны для разных геологических условий будут различаться по глубинам и мощностям в зависимости от тектонических условий и геотермических режимов.

Зоны генерации углеводородов, за счет которых формировались залежи нефти и газа, можно определить, очевидно, на основе анализа материалов по распространению литолого-стратиграфических ком­ плексов пород и их мощностей, по гидрогеологическим условиям, палеогеографической и палеогеологической обстановкам.

Если тектоника в общем плане и литологический состав пород определяют возможность и пути латеральной миграции отжатых седиментационных (элизионных) вод и вместе с ними компонентов нефти, то время образования и строение локальных ловушек, как частное проявление тектонических движений, определяют в конечном счете возможность формирования залежей различных фазово-гене- тических типов: нефтяных, газонефтяных, газоконденсатных, нефтегазоконденсатных и газовых.

Самыми ранними по времени образования будут, очевидно, ло­ вушки литологически, стратиграфически и тектонически экраниро­ ванные. К ловушкам двух первых типов можно отнести еще ловушки гидродинамические. Если ловушки двух первых типов образуются одновременно с образованием пластов-коллекторов и перекрывающих их толщ или вскоре после этого, то ловушки тектонически экраниро­ ванные образуются в период активных тектонических подвижек в зонах нарушений (разрывов, глубинных и региональных разло­ мов). Ловушки гидродинамического типа могут образоваться в оса­ дочной толще лишь в начальной стадии складкообразовательных

Палеотектонические реконструкции показывают, что структурные ловушки, как правило, сначала формируются в зонах больших градиентов мощностей (краевые части впадин) и постепенно переме­ щаются во времени к центру впадин (прогибов). Однако образование структурной ловушки еще не означает возможности формирования в ней залежи. Для этого необходимо прежде всего наличие гидро­ замка, расположенного либо в крыльевой, либо в периклинальной

107

части структуры по направлению движения углеводородов. Чем больше разница между плотностью воды и нефти, тем легче послед­ ней аккумулироваться в залежи. Чем легче нефть, тем менее жесткие условия предъявляются к ловушкам для улавливания этой нефти. Поскольку нефти во много раз тяжелее газов и разница плотностей нефти и воды небольшая, то к ловушкам для улавливания и удержи­ вания нефти предъявляются относительно более жесткие требования,

плотностью более 0,9 г/см3 углы наклона крыльев структурных лову­ шек, способных улавливать и удерживать такую нефть, должны быть по крайней мере в 10 раз больше углов регионального наклона, или гидравлического уклона, сформировавшегося к настоящему вре­ мени. Без соблюдения этих условий нефтяные залежи на стадиях диагенеза, раннего и среднего катагенеза, когда компоненты нефти обладают большими плотностями, не могли бы сформироваться, так как нефть вымывалась бы из ловушки. Если бы первоначальная нефть имела плотность около 0,8 г/см3 , что возможно при глубинах примерно до 4000 м, то и в этом случае для удержания ее в ловушке необходимо было бы превышение угла наклона крыльев структуры над углом регионального гидравлического уклона не менее чем в 5 раз. Для формирования залежей нефти конденсатного типа с плотностью в пластовых условиях 0,6—0,8 г/см3 , что при глубинах 4—4,5 км наблюдается на Скифско-Туранской плите, достаточны превышения углов наклона в 2,5—5 раз.

Для формирования газовых залежей, поскольку газ во много раз легче воды, достаточно, чтобы угол наклона крыльев ловушки лишь незначительно превышал гидравлический уклон.

ний потенциалов механической, тепловой и других видов энергий вы­ деляется участок, характеризующийся незначительными или очень низкими величинами этих потенциалов и не приуроченный к какойлибо структурной или литологической ловушке, то нефть и газ могут

быть расположенные на фоне моноклиналей и склонов крупных по­ ложительных тектонических элементов первого и ^второго порядка структурные «носы» (выступы), флексуры, террасы и пологие ступени. Если на подобных участках углы падения пласта-коллектора не-

108

сколько больше угла наклона эквипотенциальных поверхностей механической энергии, то могут образоваться залежи особого типа, названные М. Хаббертом гидродинамическими.

Практически возможность образования таких залежей имеет большое значение, так как они могут формироваться гораздо раньше, чем залежи, связанные со стратиграфическими и структурными ловушками. Гидродинамические залежи, являющиеся отражением некоторых особенностей гидродинамической обстановки в пластеколлекторе, существуют до тех пор, пока в нем не повысится потен­ циал механической энергии.

Большое значение для формирования залежей гидродинамиче­ ского типа имеют плотности мигрирующих нефтей и газов.

Таким образом, гидродинамические залежи могут возникать при условии, когда движение вод в пласте-коллекторе станет менее интенсивным и образуются участки с минимальными (нулевыми) значениями потенциала механической энергии.

НЕКОТОРЫЕ КОНЦЕПЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЛЕЖЕЙ

По вопросу формирования залежей нефти и газа имеются различ­ ные высказывания. Каждый из исследователей, занимающихся этим вопросом, рассматривает процесс их формирования на конкретном геологическом материале района, который ему больше знаком, а, исходя из теоретических концепций, которых он придерживается, приходит к определенным выводам, кажущимся ему универсальными.

Однако при рассмотрении существующих представлений об акку­ муляции углеводородов и формировании залежей нефти и газа выяснилось, что многие из них недостаточно полно или просто неправильно отражают эти процессы. Условия формирования и со­ хранности залежей для каждой конкретной геологической обста­ новки различны, причем на протяжении геологического времени они не остаются постоянными. Формирование залежей нефти на древних платформах отличается от формирования залежей на моло­ дых платформах, и тем более в межгорных и предгорных прогибах.

Очень важно также, на каких позициях стоит исследователь: на позициях струйной миграции или же миграции нефти и газа в сво­ бодном или водорастворенном состоянии? Вид миграции определяет условия и специфику формирования различных генетических типов залежей.

Началом формирования залежей является концентрация в ловушке нефти и газа, поступающих из пластовых вод'. Аккумуляция нефти и газа происходит в период времени, когда пластовые воды нахо­ дятся в относительном гидростатическом равновесии. Нефть и газ накапливаются в наиболее приподнятой части ловушки, обладающей наименьшей потенциальной энергией.

Аккумуляция и последущие процессы дифференциации углево­ дородов (углеводородных смесей) многообразны и зависят от раз­ личных факторов.

109

При латеральной миграции нефть и газ движутся из областей высоких потенциальных энергий к зонам с пониженными пласто­ выми энергиями. Накапливаясь в ловушках, они удерживаются в них до тех пор, пока ловушки остаются участками наименьшего значения уровня потенциальной энергии. В случае изменения регио­ нальных наклонов, а вместе с ними и гидродинамического режима нарушается гидростатическое равновесие, в результате чего насту­ пает новый этап в жизни залежи: залежь может разрушаться или, наоборот, расти вследствие увеличения емкости ловушки (увеличе­ ние амплитуды поднятия, растрескивание горных пород, увеличение порового пространства и др.). В связи с этим пластовое давление уменьшается к своду поднятия, что способствует аккумуляции углеводородов.

Значительно сложней происходит процесс формирования страти­ графически, литологически и тектонически экранированных залежей нефти и газа. Поскольку эти ловушки заполнены водой, углево­ дороды нефти и газа могут проникнуть в такую ловушку либо путем всплывания, либо в результате отжатия флюидов из окружающих нефтепроизводящих пород, независимо от движения воды.

Аккумуляция, связанная с вертикальной миграцией (фильтра­ цией по зонам нарушения), резко отличается от аккумуляции лате­ ральной. В этом случае образуются как сводовые, так и тектони­ чески экранированные залежи. В результате фильтрации по нару­

с растворенным газом, нефтяные залежи с газовой шапкой или же газовые залежи с нефтяной оторочкой.

Наличие разрывных нарушений и тектонических трещин в глу­ боко залегающих осадочных породах может способствовать пере­ мещению огромных объемов воды. Однако при нормальном гидро­ статическом давлении фильтрации воды по разрезу в вышележащие пласты может и не быть. Зона разрыва заполнится водой, которая будет компенсировать разницу давлений между верхним и нижним пластами. Проникновение газа и нефти в верхние пласты может произойти путем всплывания. Если всплывание газа приобретает достаточную интенсивность и энергию, то оно может перейти в филь­ трацию (Соколов, 1965).

В. А. Соколов указывает, что масштабы вертикальной миграции газов из глубинных газовых зон (6—8 тыс. м) очень велики и посту­ пающий в расположенную выше зону водород, получающийся в ре­ зультате разложения метана (СН4 ^± 2 Н 2 + С)> может обусловить бла­ годаря гидрогенизации образование очень больших количеств нефти.

Транспортировка нефти и газа подземными водами вверх по трещинам и зонам нарушений происходит при наличии перепадов давлений, превышающих гидростатический перепад.

110

Вертикальная миграция в большинстве случаев имеет периоди­ ческий и кратковременный характер, проявляется во время активных тектонических подвижек.

При вертикальной миграции из глубинных зон осадочной толщи происходит выделение свободного газа, а при заметном снижении температуры — и растворенных жидких углеводородов. При сниже­ нии давления до гидростатического ретроградный газонефтяной рас­ твор распадается на углеводороды жидкой и газовой фаз, которые будут насыщать (оттесняя воду) пласты-коллекторы, нарушая харак­ тер распределения флюидов в разрезе в соответствии с плотностями нефти и газа. Поэтому, если многопластовое месторождение форми­ ровалось в основном в результате вертикальной миграции по раз­ рывным нарушениям, то нефть может находиться в пласте, располо­ женном выше газовой залежи.

Аккумуляция нефти и газа может произойти и в результате перетоков флюидов вниз по разрезу. Это возможно в случае, если энергетический потенциал вышележащего пласта больше, чем ниже­ лежащего. При определенной разности величин гидравлического потенциала движение флюидов будет направлено вниз. В зависи­ мости от пластовых давлений (гидравлического градиента) из газо­ нефтяной смеси могут формироваться залежи различных фазовогенетических типов.

Аккумуляция нефти и газа может происходить не только в ре­ зультате вертикальной миграции (фильтрации) по нарушениям, но и непосредственно из уплотняющихся отложений в процессе диаге­ неза и катагенеза пород. При этом вертикальная проницаемость постепенно уменьшается до нулевых значений.

Перечисленные условия аккумуляции являются основными. Мно­ гообразие этих условий определяется спецификой геологической обстановки. Залежи в течение геологической истории в зависимости от тектонических перестроек и нарушения гидродинамических обстановок могут неоднократно расформировываться, нефть и газ могут перемещаться в другие ловушки с новыми соотношениями жидкой и газовой фаз и, следовательно, образовывать скопления углеводо­ родов новых фазово-генетических типов. Одновременно с этим могут происходить и процессы разрушения, рассеивания углеводородов.

АККУМУЛЯЦИЯ НЕФТИ И ГАЗА ПРИ ПЛАСТОВОЙ МИГРАЦИИ

По поводу дальней пластовой миграции нефти и газа и их акку­ муляции в ловушках имеются высказывания многих исследовате­ лей — геологов, геохимиков, физиков. Рассматривать все представ­ ления по этому вопросу не имеет смысла.

- Первые предположения о дальней пластовой миграции нефти вместе с водой были высказаны Дж . Ричем (1941), который считал,

111