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

Аномально высокими пластовыми давлениями обладают районы, приуроченные к подвижным неотектоническим активным зонам.

Впределах древних платформ АВПД обнаруживаются очень редко,

ито они связаны с региональными разломами, грабенами и другими

Также к центру впадины увеличиваются АВПД в Ферганской

характерно, что здесь превышение пластовых давлений над гидро­ статическим, более чем в 2 раза, наблюдается на участках, распо­ ложенных на водораздельных пространствах.

В Луизиане (США) более 50% залежей отличаются аномально высокими пластовыми давлениями.

По данным Г. Дикинсона (1953), в районе Голф-Кост в полосе протяженностью свыше 1200 км и шириной до 80 км пласты, связан­ ные с соляными куполами, часто характеризуются АВПД, величина которых достигает 90% геостатического давления. В ряде газовых залежей пластовые давления на глубинах около 3000 м достигают 700 кгс/см2 .

В Западном Техасе на месторождении Ист-Вессон в песчаных горизонтах пермского возраста на глубине 936 м давление равно 196 кгс/см2 . На месторождении Кхуар в Пакистане на глубине 1724 м установлено давление 354 кгс/см2 , почти равное геостати­ ческому. На месторождении Лакк (Франция) в некоторых газоконденсатных залежах на глубине 350 м встречены давления 630 кгс/см2 .

К. А. Аникиев (1971) приводит очень интересные данные из зарубежных источников о сверхвысоких пластовых давлениях. Макси­ мальная величина сверхвысокого пластового давления — 1310 кгс/см2 была установлена в одной из разведочных скважин Южной Луизианы, вскрывшей газовую залежь на глубине около 7 км.

Таким образом, нефтяные и газовые залежи, а также водоносные горизонты с аномально высокими пластовыми давлениями встречены в различных нефтегазоносных бассейнах платформенных и геосин­ клинальных областей, особенно в альпийских зонах и неотектонически подвижных участках молодых платформ. АВПД приурочены

к различным стратиграфическим комплексам и увеличиваются с глу­ биной.

В предгорных впадинах залежи нефти и газа с АВПД располо­ жены в основном ближе к складчатым областям, а в межгорных — наибольшие аномалии связаны с месторождениями, находящимися ближе к осевой части впадин.

Наиболее высокие пластовые давления приурочены к зонам развития больших мощностей глинистых или соленосных отложе­ ний, являющихся надежными экранами для их сохранения. М. К. Калинко (1964) основной причиной, вызывающей сверхнормальные пластовые давления, считает процессы образования и аккумуляции углеводородов. В качестве доказательства он приводит данные о рас­ пределении приведенных давлений, которые возрастают в основном к центру впадин и превышают давления в областях питания.

Кроме того, он указывает, что для возникновения сверхнор­ мальных пластовых давлений необходима достаточная герметич­ ность горизонтов, содержащих флюиды. Исходя из этого поло­ жения, он приходит к выводу о том, что аномально высокие пласто­ вые давления характерны для молодых впадин, в разрезе которых имеются надежные глинистые толщи, перекрывающие пласты-кол­ лекторы.

К таким районам относится Терско-Кумская впадина, в пределах которой имеется мощная региональная покрышка — майкопская серия, Афгано-Таджикская депрессия и др. районы молодых плат­ форм и геосинклинальных прогибов.

М. К. Калинко считает также миграцию и аккумуляцию причи­ нами возникновения аномально высоких пластовых давлений в обла­ стях, которые в настоящее время испытывают погружение (Примексиканская впадина).

О причинах возникновения аномально высоких пластовых давле­ ний, как указывалось выше, имеется очень много мнений. Поста­ раемся их кратко охарактеризовать.

Давление в пластах может изменяться в результате изменения геостатического давления, определяемого нагрузкой вышележащей толщи пород, и, следовательно, зависит от объемного веса этих пород. В разных районах величина геостатического давления изме­ няется в зависимости от состава пород толщи, перекрывающей пласт, глубины залегания пласта и других факторов. В процессе осадконакопления и диагенеза пород погружающийся слой глины испытывает все возрастающую нагрузку покрывающих отложений. В результате увеличивается внутриноровое давление, постепенно приближающееся к геостатическому.

Этот механизм формирования аномально высоких пластовых давлений в глинистых толщах рассмотрен М. Хаббертом и В. Руби (1959). Они отмечают, что в поцессе уплотнения внутрипоровое давление в пласте глины должно быть выше, чем вне его, так как в противном случае вода не будет отжиматься из глин. Аномально высокие пластовые давления будут сохраняться до тех пор, пока

194

увеличение геостатической нагрузки будет обеспечиваться соответ­ ствующими объемами отжатой воды.

Очень интересны высказывания В. С. Мелик-Пашаева по поводу механизма передачи горного давления нефтяным и газовым залежам. Он считает, что пластичные породы, покрывающие трещиноватые коллекторы, могут под влиянием геостатического давления вдавли­ ваться в трещины и повышать в них давление жидкости или газа. Таким путем, по мнению В. С. Мелик-Пашаева, образовались повы­ шенные давления в верхнемеловых известняках месторождений Терско-Сунженской области. В качестве других примеров он при­ водит залежь газа в гипсоносной толще фарса (миоцен) месторожде­ ния Сарджак в Иране, где пластовое давление при глубине 1780 м достигло 400 кгс/см2 .

Некоторые исследователи (Тхостов, 1960; Прозорович, 1962) счи­ тают, что причиной возникновения АВПД являются тектонические напряжения.

В этом случае уплотнение пород, снижение их пористости и про­ ницаемости происходит под действием как вертикальных нагрузок, так и бокового сжатия. В отличие от геостатического давления (гравитационного уплотнения) эти силы действуют в отдельные пе­ риоды и с различной интенсивностью. В основном проявление текто­ нических сил характерно для мобильных зон, отличающихся интен­ сивной складчатостью, т. е. для межгорных впадин и передовых прогибов. Иногда отмечается и на древних платформах, в зонах проявления неотектогенеза.

Если возникновение АВПД связано с восходящими движениями отдельных блоков или структур с «запечатанными» залежами и раз­ мывом при этом вышележащих пород, то границы распространения АВПД будут находиться в пределах этих тектонических элементов. Пластовое давление в таких залежах сохранится несмотря на то, что амплитуда подъема может быть значительной. Интенсивность складчатых деформаций и повышение степени литификации осадков будут способствовать резкому нарастанию пластовых давлений, кото­ рые могут значительно превысить геостатическое давление.

В. С. Мелик-Пашаев приводит ряд примеров аномально высоких пластовых давлений и указывает, что причиной АВПД является рост складок и значительные вертикальные перемещения отдельных частей их после формирования залежей, в результате чего унаследуются повышенные давления, наличие тектонических трещин, свя­ зывающих данный пласт с нижезалегающими газоносными пластами, и большая высота газовой залежи.

Некоторые исследователи (Калинко, 1960; Дурмишьян, 1961) считают, что деятельность грязевых вулканов является результатом проявления аномально высоких пластовых давлений, связанных с тектоническими подвижками, особенно активными в зонах погру­ жения альпийских складчатых сооружений.

Большое значение в последнее время, как одному из факторов повышения пластовых давлений, придается образованию Цемента

в нефтегазоносных пластах. Цементация пор может происходить в результате выпадения солей из пересыщенных водных растворов. Однако в пределах самих залежей этот процесс невозможен, так как содержащиеся в них пластовые воды не в состоянии выделить необходимое для образования цемента количество солей. Этот про­ цесс обычно происходит в коллекторах за контурами залежей.

Важную роль в изменении структуры порового пространства с глубиной играют процессы растворения минеральных зерен на контактах в результате больших гравитационных нагрузок. Рас­ творенное вещество заполняет поры и закупоривает их. Цементация пор вторичными минеральными образованиями происходит за счет «внутренних» ресурсов, без привноса материала извне. Но цемента­ ция пор может происходить и при участии материала, поступающего в пласт из других источников или выпадающего из раствора при изменении физико-химических условий. Цементация пор и умень­ шение проницаемости пород вследствие эпигенетических изменений могут привести к изоляции пластового резервуара водонапорной системы и, следовательно, к увеличению пластового давления.

М. Чэни (1949) высказал предположение, что аномально высокс е давление в замкнутых пластах может возникнуть в результате деполимеризации (деградации) высокомолекулярных углеводородов. Деградация последних до простейших (метана) сопровождается уве­ личением объема и повышением пластового давления.

Очевидно, подобные процессы наиболее активно могут протекать в более молодых прогибах, интенсивно погружающихся на протя­ жении всей истории их формирования и на современном этапе. В этом случае превышение пластовых давлений над гидростатиче­ ским будет увеличиваться к осевой части впадин и будет зависеть от деградации тяжелых углеводородов и степени проницаемости покрышек.

Все перечисленные (и не перечисленные здесь) взгляды на при­ чины возникновения аномально высоких пластовых давлений бази­ руются прежде всего на положении о изолированности залежей с АВПД и отсутствии связи между ними и гидродинамическими системами. Однако некоторые исследователи (Воробьев, 1950; Хабберт, Руби, 1959 и др.) считают, что залежи с АВПД вовсе не должны быть изолированными, наоборот, они связаны с артезианскими напорами с поверхности.

Б . С. Воробьев пытается доказать, что прямой зависимости между пластовым давлением и глубиной залегания пласта не суще­ ствует. Для подтверждения своих взглядов он приводит данные по залежам нефти Кировабадского района, в которых установлено превышение пластового давления над гидростатическим в 1,2— 1,9 раза. Это превышение Б . С. Воробьев относит за счет артезиан­ ского напора.

Взгляды Б . С. Воробьева совершенно не вяжутся с действитель­ ностью. Он связывает повышение пластовых давлений с гипсометри­ ческим положением естественных выходов пласта на дневную поверх-

196

ность, в то время как напоры в нефтегазоносных комплексах со­ здаются главным образом за счет седиментационных (элизионных) вод. Если мы говорим о сверхнормальных (аномальных) пластовых давлениях, то это уже в своей основе содержит предположение о на­ личии достаточной герметизации пластов, содержащих флюиды. Более того, следует допустить, что аномально высокие пластовые давления формируются в течение длительных отрезков времени за счет вертикальных подтоков флюидов из глубоких горизонтов месторождений, либо за счет других энергетических источников, возникающих внутри месторождений (деформации резервуаров, депо­ лимеризации углеводородов и др.).

Интересные исследования причин образования АВПД провел Г. А. Бабалян. В результате он пришел к выводу, что причиной возникновения аномально высоких пластовых давлений является экранирование' залежи нарушениями, глинистыми пластами, пре­ пятствующими оттоку жидкости, вследствие чего нагрузка выше­ лежащих пород целиком передается ей. Аномально высокие пла­ стовые давления возможны также в случаях, когда в результате экранирования залежи отток жидкости уменьшается, а уплотнение пород все еще продолжается, когда отток жидкости из залежи незна­ чителен вследствие малой проницаемости пород или большой вязко­ сти жидкости, заключенной в норовом пространстве, или когда прирост давления на жидкость в поровом пространстве не компен­ сируется оттоком жидкости из залежи.

Взгляды Г. А. Бабаляна не лишены интереса и, безусловно, отражают определенные процессы, связанные с уплотнением пород, экранированием залежей разрывными нарушениями, глинистыми пластами и т. п., но базируются на результатах односторонних лабораторных исследований, оторванных от многообразных при­ родных условий, геологической и термодинамической обстановки.

Аномально высокие пластовые давления очень детально рассма­ тривались А. Леворсеном, но, как указывает Б . А. Тхостов (1966), этот исследователь не всегда точен в определениях пластового давле­ ния. Он считает, что забойное, гидростатическое и давление в затрубном пространстве можно принимать эквивалентными термину «пла­ стовое давление». Это неверно. Но в данном случае нас интересует другое. А. Леворсен в своей работе (1970) приводит очень интерес­ ные данные по так называемым недостаточным пластовым давле­ ниям, считая их «ископаемыми». Он указывает, что эти давления первоначально могли соответствовать гидростатическим, но, погру­

мально низких начальных пластовых давлений приводится место­ рождение Амарилло в Техасе (США). На этом месторождении на­

было соответствовать указанной глубине.

197

Такие же залежи с аномально пониженными давлениями по сравнению с гидростатическими встречаются на Северном Кавказе (некоторые залежи поднадвигового крыла Малгобек-Вознесенского месторождения).

По всей вероятности, эти пониженные давления связаны с тем, что залежи отделены от общей гидродинамической системы и харак­ теризуются в основном гравитационным режимом.

Нет надобности приводить бесчисленное количество гипотез, взглядов на природу аномально высоких пластовых давлений. Про­ тиворечивость их возникла вследствие одностороннего подхода ис­ следователей к этому вопросу. Каждый рассматривал АВПД на материалах одного или нескольких месторождений или районов и на основе анализа сравнительно незначительного материала, харак­ теризующего данную конкретную геологическую обстановку, делал выводы и распространял их на все случаи формирования АВПД.

Различные факторы, порождающие аномально высокие пласто­ вые давления., весьма неравнозначны как по форме, так и по масшта­

вод приобретает очень большие значения. Таким образом, геостати­ ческое давление является постоянной и основной составляющей частью в процессе формирования аномально высоких пластовых давлений. На фоне геостатического давления и в связи с ним в нед­ рах и залежах развиваются и другие процессы, которые способствуют возникновению и сохранению аномально высоких пластовых давле­ ний в течение длительного времени.

Однако некоторые исследователи совершенно отрицают роль геостатического давления, гравитационного уплотнения и других факторов в образовании аномально высоких пластовых давлений. Так, К. А. Аникиев ошибочно утверждает (1964, 1971), что увели­ чение геостатической нагрузки под залежами с аномально высоким пластовым давлением давно закончилось, что гравитационное уплот­ нение глинистых пород происходит в недрах повсюду, а аномальные давления встречаются редко и поэтому между ними нет связи, что АВПД не может превышать величину геостатического давления и что в случае участия геостатического давления в формировании аномально высоких пластовых давлений наблюдалось бы закономер­ ное изменение пластового давления с глубиной.

с относительно повышенным и пониженным давлением не является обязательным. В большинстве этих зон наблюдается закономерное увеличение пластовых давлений с глубиной. Если же такой законо­ мерности не отмечается, то это зависит прежде всего от изолирующих свойств пород и от других факторов.

Превышение аномально высоких пластовых давлений над геоста­ тическим — явление редкое. Причем оно обусловливается не геоста-

198

тическим давлением, а возникает за счет других факторов, в част­

уплотнение мощных глинистых толщ происходит в течение длитель­ ного времени и продолжается очень долго после формирования залежей, т. е. формирование залежей может происходить и проис­ ходит в процессе гравитационного уплотнения, поэтому последнее безусловно принимает участие в формировании аномально высоких пластовых давлений.

Вполне можно согласиться с выводами К. А. Аникиева по поводу формирования месторождений с аномально высоким пластовым да­ влением и с выводом о том, что АВПД может многократно возникать, изменяться и исчезать в уже сформированной залежи. В то же время нельзя согласиться с его представлениями о причинах возникнове­ ния АВПД. Он пишет (Аникиев, 1971), «что АВПД возникаетв локаль­ ных структурах в процессе затрудненной вертикальной миграции флюидов сквозь мощные флюидоупорные толщи-покрышки под воз­ действием процессов неотектогенеза и что сверхвысокие пластовые давления отражают неотектоническую энергию глубинных недр». Такое воздействие осуществляется в виде притока в залежи новых порций газа и конденсата, а также неравномерного «сжатия замк­ нуто-упругих нефтяных и водяных залежей». Эти процессы являются производными от других процессов и источников энергии, в том числе и неотектогенеза.

Большинство исследователей, в том числе и автор настоящей работы, рассматривают образование АВПД с позиций гравитацион­ ного уплотнения пород. Они считают, что АВПД образуется в ре­ зультате отжатия в песчаные или трещиноватые коллекторы норо­ вых вод из глинистых отложений под водействием геостатического давления вышележащих толщ при затрудненном оттоке флюидов в коллекторы и из них.

Базируясь на исследованиях М. Хабберта и В. Руби (1959), Ю. В. Мухина (1965), Б . А. Тхостова (1960, 1966), М. Пауэрса (1967), можно представить закономерную связь между уплотнением пород

иобразованием аномально высоких пластовых давлений.

Вглинистых породах содержится свободная вода, энергетически не связанная с минеральной поверхностью, и связанная (адсорби­

рованная) вода, образующаяся в результате адсорбции молекул воды поверхностью минеральных частиц. При уплотнении глинистых пород сначала отжимается свободная вода, а затем при увеличении давления и температуры — связанная.

Если глинистая порода, насыщенная свободной водой, подвер­ гается механическому сжатию, то нагрузка воспринимается сначала в основном заключенной в порах водой. Поскольку вода медленно

199

всю нагрузку. В какой-то момент наступает равновесие между плотностью породы и действующей на нее нагрузкой. В процессе уплотнения глин давление заключенной в них свободной воды будет приближаться к геостатическому. В этом случае напор в кол­ лекторах создается отжимаемыми из глин седиментационными водами.

На глубинах, приближающихся к 3000 м, в глинах остается главным образом связанная (адсорбированная) вода, удерживаемая на поверхности минеральных частиц силами притяжения, обусло­ вленными водородной связью между кислородными атомами гли­ нистых частиц и гидроксильными группами молекул воды (Затенацкая, 1963). Отжатие такой воды требует громадных нагрузок, по­ этому связанная вода десорбируется на глубинах свыше 3000 м, когда процесс отжатия свободной воды в основном уже закончился.

Связанная вода имеет повышенную плотность (1,4 г/см3 ), что обусловлено ориентированным и уплотненным расположением дипольных молекул воды на поверхности твердых минеральных частиц. Поэтому при десорбции из глин эта вода должна увеличиться в объеме на 40% (обычная вода занимает объем на 40% больше, чем связанная вода).

Сжимаемость воды в коллекторах на глубинах свыше 3000 м чрезвычайно мала, поэтому, как указывает М. Пауэре (1967), если даже незначительное количество связанной воды десорбируется и переходит в водонасыщенные коллекторы, в них резко увеличи­ вается давление.

Таким образом, выделение в коллекторы свободной и связанной воды (в результате ее десорбции) приводит к образованию в них пластового давления, значительно превышающего условное гидро­ статическое.

часто наблюдаются пластовые давления, значительно превышающие условные гидростатические.

Благоприятные условия возникновения АВПД в прогибах и впадинах молодых платформ связаны с осадочными комплексами, в которых уплотнение и отток седиментационных вод начались относительно поздно и не закончились до настоящего времени. Следовательно, создаваемый уплотнением уровень пластовой энер­ гии еще достаточно высок.

Покажем это на примере хадумского горизонта (нижний майкоп) Центрального и Восточного Предкавказья. В табл. 3 приведены начальные пластовые давления и другие параметры, характери­ зующие этот горизонт на некоторых площадях, находящихся в разных тектонических зонах. Из табл. 3 видно, что отношение начального пластового давления к условному гидростатическому

200

АВПД образуются в процессе выделения в коллекторы из глин определенных объемов воды, которые зависят от мощности, глубины залегания и, как следствие, уплотненности глин. Причем, чем больший объем воды выделится, тем больше должно быть пластовое давление по сравнению с условным гидростатическим. В хадумский горизонт элизионные воды поступают в основном из вышележащих мощных майкопских глин. Объем поступающей воды и, следова­ тельно, величина пластового давления зависят от мощности глин и степени их уплотнения.

На южном борту Терско-Каспийского прогиба выходящие на поверхность на наивысших гипсометрических отметках майкопские отложения почти целиком представлены глинами, и, следовательно, инфильтрация в майкопский комплекс невозможна. Поэтому можно утверждать, что в майкопском комплексе Центрального и Восточ­ ного Предкавказья (в данном случае в хадумском горизонте) суще­ ствует водонапорная система с областью питания в наиболее погру­ женных участках Терско-Каспийского и Чернолесского прогибов и с областью разгрузки в пределах вала Карпинского, т. е. водона­ порная система элизионного типа.

На рис. 62 приведен график зависимости между отношением Рнач. пл/Русл.гидр (коэффициентом аномальности) хадумского гори­ зонта и произведением мощности M и показателя уплотнения С вышележащих глин, построенный по данным табл. 3. Произведе­ ние МхС может характеризовать гидродинамическую обстановку осадочного комплекса, в котором существует водонапорная система элизионного типа (Бурштар, Назаров, 1972).

Рис. 62 и табл. 3 свидетельствуют о том, что АВПД в хадумском горизонте начинают проявляться с глубины примерно 2300 м, когда показатель уплотнения С вышележащих майкопских глин достигает

202