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

Так, при глубинах залегания нефте производящей глинистой толщи примерно до 2500 м (на стадии катагенеза), когда из пород отжимается еще достаточно много седиментационной воды и когда генерируется мало газа, эмиграция его, как и нефти, происходит в водном растворе, а на больших глубинах при незначительных объемах отжатых седиментационных вод, генерация газа происходит достаточно активно и газ эмигрирует в однофазном состоянии.

Поскольку основные массы нефти и газа мигрируют в водорастворенном состоянии, длина пути переноса углеводородов соизмерима

ния или на поверхности, т. е. в зонах гидродинамических минимумов. Указанные расстояния могут достигать десятков и сотен километров.

ФАКТОРЫ МИГРАЦИИ

Внастоящее время найдется мало исследователей, которые отри­ цали бы главную роль подземных вод в переносе углеводородов из зон генерации к зонам нефтегазонакопления.

Вкачестве факторов, вызывающих перемещение подземных вод, независимо от степени их значения, в том или ином конкретном районе и обособленно друг от друга рассматривались процессы седиментационного и гравитационного уплотнения осадков, тектони­ ческого их сжатия, цементации, действия капиллярных сил и др.

Подобная универсализация единичных факторов привела к тому, что до настоящего времени нет твердо установленных мнений по этому вопросу.

Каковы же геологические процессы, вызывающие миграцию флю­ идов, каковы факторы, определяющие направление и характер перемещения углеводородов?

По мнению некоторых исследователей (Рамберг, 1955), все геоло­

и могут быть дифференцированы по типам, среди которых наиболее важны следующие.

1. Механический перенос вещества, вызываемый нарушением механического равновесия пластовых систем.

2.Перенос тепла, связанный с нарушением термического равно­ весия в осадочном чехле.

3.Химические процессы (в том числе и диффузия), вызываемые нарушением химического равновесия и направленные к его устано­ влению.

4.Электрические, ядерные и прочие процессы, природа и резуль­ таты действия которых на перемещение вещества в земной коре недостаточно изучены и поэтому здесь не будут рассматриваться.

Перечисленные процессы очень сложны и многообразны по своему действию и результатам и проявляются в тесном взаимодействии друг с другом. Дать обстоятельный анализ их очень трудно и в на-

20

стоящее время вряд ли представится возможным, так как результаты действия каждого из них на миграцию флюидов еще недостаточно изучены. Попытаемся объяснить их и увязать в единую систему

перемещению вещества всегда противодействуют силы сопротивле­ ния, в результате механическая энергия движения, проделав неко­ торую работу, превращается в тепловую и рассеивается. Следова­ тельно, всякое механическое перемещение вещества в течение гео­ логических периодов — в результате тектонических подвижек, петрогенеза и других процессов — связано с перепадом механической энергии, обусловливающим это перемещение и называемым механи­ ческим потенциалом. В результате достигается некоторое механи­ ческое равновесие (относительно стабильного «мертвого уровня»), при котором никаких видимых макроскопических перемещений не происходит. Процессы механического перемещения вещества в зем­ ной коре довольно четко могут быть прослежены на примере изуче­ ния седиментационного и гравитационного уплотнения осадков.

Осадки минерального и биогенного происхождения опускаются на морское дно и образуют сначала рыхлую массу (ил), характери­ зующуюся общей пористостью 80—90% , которая находится в состоя­ нии физико-химического равновесия с окружающей водной средой бассейна. Преобразование осадка в породу происходит в результате трехстадийного процесса — сингенеза, диагенеза и эпигенеза. Син­ генез объединяет процессы, происходящие в самой верхней части осадка в первые этапы его существования.

По мере накопления осадка происходит его уплотнение под дей­ ствием собственного веса и нагрузки, создаваемой перекрывающими этот осадок новыми отложениями, и преобразование в породу — стадия диагенеза. В процессе диагенеза осадок теряет непосред­ ственную связь со средой отложения, а содержащиеся в нем иловые воды приобретают свойства, отличные от свойств морских и прочих вод, в которых происходило накопление осадка. Все физико-хими­ ческие процессы, происходящие в уже сформировавшейся в период диагенеза породе, объединяются понятием эпигенеза, который харак­ теризует процессы преобразования породы вплоть до ее метамор­ физма. Характерной особенностью эпигенеза является циркуляция подземных вод по всей образовавшейся толще пород, тогда как движение иловых вод происходит в небольшом по мощности слое осадка.

Имеющиеся материалы показывают, что седиментационное уплот­ нение и уплотнение осадка под действием гравитационной нагрузки вышележащих отложений являются важнейшими факторами, спо­ собствующими миграции и аккумуляции углеводородов.

До последнего времени господствовало мнение, что передвиже­ ние пластовых вод в проницаемых толщах пород в геологическом аспекте происходило и происходит из областей раскрытого зале­ гания пород (областей питания) к областям разгрузки. Считали, что

21

в областях разгрузки породы-коллекторы залегают гипсометрически ниже, чем в областях питания. Некоторые геологи до сих пор при­ держиваются таких взглядов (Корценштейн, 1962).

а также к зонам поднятий, расположенным внутри седиментацион­ ных бассейнов. Было установлено также, что источником пополне­ ния пластовых вод и создания гидродинамического напора являются воды, отжатые из осадочных пород при уплотнении под действием собственного веса и нагрузок, создаваемых вышележащими отложе­ ниями.

Таким образом, уплотнение пород и отжатие из них седимента­ ционных вод выдвинулось в число наиболее важных факторов мигра­ ции подземных вод. Изучением этих процессов занимались многие

Н . Б . Вассоевич, М. С. Бурштар, Е. И. Стетюха, Ю. В. Мухин, И. И. Нестеров и др.).

Первые исследования по уплотнению осадков были проведены Ф. Кингом (1899), который экспериментально доказал, что в процессе уплотнения осадков и соответственно уменьшения их объема проис­ ходит выжимание значительной части содержащейся в этих осадках седиментационной воды. Выжимание воды происходит как вверх — перпендикулярно к плоскостям напластования, так и вбок — по направлению краевых зон седиментационного бассейна. Результаты исследований Ф. Кинга были использованы М. Манном (1909) в при­ ложении к его гидравлической теории для объяснения характера и источника заполнения коллекторских горизонтов пластовыми водами.

В 1921 г. были опубликованы результаты исследования Дж . Рича. Он считал, что уплотнение осадков и пород может служить важным фактором боковой миграции флюидов и играть большую роль на ста­ дии преобразования осадков в горные породы. Аналогичной точки зрения придерживался и В. Моннет (1922), отмечавший, что акку­ муляция нефти в структурных поднятиях есть результат миграции «е из уплотняющихся пород. Однако в общем правильные предста­ вления Дж . Рича не разделяются нами в той их части, где он отводит уплотнению второстепенную роль и выдвигает на первый план арте­ зианскую циркуляцию.

Наиболее полное развитие теории седиментационного уплотнения принадлежит Дж . Льюису (Lewis, 1924), который считал, что этот фактор является решающим как для первичной, так и для вторичной миграции нефти и газа. Его наблюдения показали, что уплотнение илов и глин, приводящее к образованию сланцев, сопровождается уменьшением первоначального объема исходных осадков и пород не менее чем на 60 %.

22

как важный фактор миграции углеводородов. В результате его наблюдений установлено, что плотность пород во влажном состоя­ нии на глубине около 600 м составляет больше 2,0 г/см3 (против перво­ начальных 1,6 г/см3 ). Увеличение плотности глинистых образований от 1,8 до 2,2 г/см3 приводит к уменьшению их пористости от 53 до

будет.затрудняться вследствие уменьшения пористости и проницае­ мости уплотняющихся глин. В связи с этим давление в глинах будет частично передаваться жидкости песчаных пластов, полностью заключенных в уплотняющихся глинах. Дж . Дикинсон указывает, что в молодых глинистых осадках объем пор, заполненных водой, составляет 60—90%, а плотность около 1,8. Изменение плотности глин с глубиной для третичных отложений Голф-Коста показано на рис. 7 (кривая а) . На этом графике приведены также аналогичные кривые из работ Г. Гедберга и Л. Эзи соответственно для пермских и верхнекаменноугольных пород Мидконтинента. Из анализа этих кривых видно, что закономерная связь между плотностью и глубиной залегания меняется в зависимости от возраста отложений.

Из глинистых отложений, уплотняющихся под действием нагрузки

24

вышележащих пород, выжимается огромное количество жидкости. Но при любом уплотнении не менее значительное количество жидко­ сти остается в этих породах.

Большой интерес представляют экспериментальные исследования, проведенные В. Д. Ломтадзе (1951, 1953, 1954). По его мнению, в течение первой стадии процесса уплотнения осадков (при сравни­ тельно небольших давлениях) происходит резкая отдача воды. Это положение хорошо согласуется с результатами исследований H . М. Страхова (1952), который считает, что наибольшая отдача воды из уплотняющихся глин происходит на глубинах до 250 м. При увеличении давления до 500 кгс/см2 процесс выжимания воды из глин постепенно замедляется и при давлениях больше 500 кгс/см2 приобретает линейный характер. По данным В. Д. Ломтадзе, из 1 м 3 глинистых пород с начальной влажностью 28%, подвергшихся

в глине уменьшилось с 6—7 до 3—4%. А. Б . Ронов (1949), зани­ мавшийся вопросами уплотнения осадочных образований Русской платформы, пришел к выводу, что гравитационному уплотнению подвержены лишь глинистые и алевролитовые отложения. Причем сокращение объема глинистых толщ может достигать 30% и более от их первоначального объема.

Таким образом, в начале 50-х годов скопился достаточно большой материал, освещающий механизм уплотнения осадков вообще и в конкретных геологических условиях. Уплотнению осадков были посвящены работы Н. Б . Вассоевича (1955, 1960), Ю. В. Мухина (1960, 1961 и др.), М. С. Бурштара (1963), Е. И. Стетюхи (1964),

И. И. Нестерова (1965), Дж . Уэллера (1959) и др.

Н. Б . Вассоевич считает, что глинистые породы представляют собой «геологический манометр», позволяющий судить о стадии лито­ генеза, которой они достигли, и о характере распределения мощно­ стей перекрывающих отложений. На основе обработки материалов бурения в Предкавказье Н. Б . Вассоевич установил для процесса уплотнения глин следующие стадии: свободного уплотнения (глу­ бина до 250 м), затрудненного уплотнения (до 600 м), сильно затруд­ ненного уплотнения (до 3250 м) и весьма сильно затрудненного уплотнения (глубина более 3250 м).

Почти одновременно с Н. Б . Вассоевичем сделал попытку устано­ вить теоретическую зависимость между уплотнением осадков и глу­ биной погружения Дж. Уэллер. На основе анализа обширного материала им построены графики зависимости пористости песчаных и глинистых осадков от глубины залегания. Он выделяет несколько стадий процесса уплотнения: вытеснение воды из промежутков между зернами породы; перегруппировка зерен и постепенная более тесная их упаковка; вдавливание глинистых минералов в пустоты между более твердыми минералами и деформация зерен породы до полного исчезновения пористости. Наибольшее уплотнение песчаных образований происходит в результате межзернового растворения.

25

Причем строгой закономерной связи между пористостью и глуби­ ной погружения при уплотнении песчаных отложений не наблю­ дается.

Исследованиями перечисленных выше геологов установлено, что основным фактором уплотнения осадочных образований и отжатия седиментационных вод является геостатическое давление. Однако эмиграция флюидов из пелитовых пород может происходить не только в результате геостатической нагрузки, но и за счет разницы давлений между гидродинамическими максимумами и минимумами, соответ­ ствующими зонам развития больших мощностей и зонам разгрузки (поднятия, выступы, своды и др.).

В период 1960—1963 гг. под руководством М. С. Бурштара была проведена большая работа по изучению уплотнения глинистых отложений мезозойских и палеогеновых отложений Северного Кав­ каза, построены графики уплотнения пород и карты региональной гидродинамической обстановки по предложенной М. С. Бурштаром методике. Для всестороннего анализа гидродинамических обстановок в общем плане эти исследования были значительно расширены за счет привлечения большого материала по другим стратиграфическим комплексам. С целью осуществления более точных расчетов степени уплотнения глинистых пород и объемов отжатых из них седимента­ ционных вод, а также объемов вод, отжатых из песчаных и карбо­ натных пород, были использованы материалы И. И. Нестерова (1965), графики Е. И. Стетюхи (1964). При изучении направления движения отжатых седиментационных вод использовались данные, изложен­ ные в работе Ю. В. Мухина (1965).

Несмотря на очевидность роли уплотнения осадков в движении седиментационных вод находятся и противники теории уплотнения. Так, одни исследователи (Ван Тайл) считают, что уплотнение пород под нагрузкой может вызвать отжатие флюидов из зон с большими давлениями в зоны с меньшими давлениями только в том случае, если поры пород (песков) заполнены сравнительно сжимаемым веще­ ством, таким как воздух или газ, способным уменьшаться в объеме. Но эти возражения нельзя принимать всерьез, так как в природе почти нет таких пористых пород, которые были бы изолированы полностью непроницаемыми породами.

' Другие исследователи утверждают, что уплотнение глинистых осадков завершается в основном в начальную стадию диагенеза. Если бы уплотнение продолжалось и на последующих этапах литификации пород, то остатки ископаемой фауны, встречаемые в гли­ нах, должны были бы деформироваться. Отсюда делается вывод, что нефть выжимается в начале процесса уплотнения. В настоящее время экспериментально доказано, что уплотнение осадков происхо­ дит на стадии не только диагенеза, но и катагенеза, вплоть до вре­ мени превращения глинистых пород в аргиллиты и сланцы.

Установлено, что в уплотняющемся осадке давление воды в по­

26

поскольку гравитационная нагрузка в начальный момент воспри­ нимается в основном жидкой фазой, а по мере уплотнения осадка распространяется на его скелет (Герсеванов, 1933).

Пути оттока воды из уплотняющегося осадка открыты вверх и вниз, но при условии его литологической однородности. В слу­ чае же неоднородности и наличия даже незначительного количества опесчаненных более проницаемых прослоев в осадочном слое дви­ жение вод происходит вдоль проницаемых прослоев, по напласто­ ванию. Этот путь ведет к краевым частям бассейна седиментации, где и осуществляется гидравлическая связь отжимаемых седимента­ ционных вод с водами бассейна седиментации или с подземными во­ дами со свободной поверхностью.

Таким образом, в бассейне седиментации имеются различные направления оттока отжатых вод: из верхних слоев осадка обратно в водоем, из нижних слоев вниз и по напластованию вдоль осадоч­ ного слоя. Во втором случае условия оттока контролируются пере­ падом давления в порах уплотняющегося осадка и подстилающих его проницаемых породах.

Как указывает Ю. В. Мухин (1965), несмотря на уменьшение проницаемости сверху вниз, в нижней части слоя осадка сопротивле­ ние фильтрации вниз будет меньше, чем сопротивление фильтрации вверх, а при наличии подстилающего слоя с хорошей проницаемостью вода из нижней части уплотняющегося осадка будет отжиматься только в этот слой.

Граница между зонами фильтрации вверх и вниз будет прохо­ дить несколько ниже середины слоя осадка. Ее положение опреде­

фильтрации отжимаемых вверх и вниз флюидов от глубины погру­ жения слоя при средней плотности пород 2,25 г/см3 и плотности

27

Из табл. 1 видно, что при погружении глинистого осадка на глубину, не превышающую мощности слоя осадка, отток отжима­ емых флюидов направлен только вверх; на глубине, превышающей мощность осадка в 3 раза, вверх отжимается лишь 60% всех флюи­ дов, а на глубине, равной десятикратной мощности осадка, — 52%. При погружении слоя осадка на глубину, превышающую десяти­ кратную мощность осадков, количество отжимаемых вверх и вниз флюидов приближается к 50% и может считаться одинаковым в обоих направлениях.

В результате уплотнения происходят значительные изменения мощности, пористости и плотности как первоначально накопивше­ гося осадка, так и уже достаточно консолидированной породы. Поскольку глины по сравнению с песками характеризуются боль­

ному или почти полному исчезновению пористости.

Процесс уплотнения осадков может быть разделен на два этапа — седиментационного и гравитационного уплотнения. Первый этап охватывает период накопления осадков и их уплотнения под дей­ ствием собственного веса, а второй — период уплотнения уже сфор­ мированного осадка (диагенез осадка) и образовавшихся затем пород под действием гравитационной нагрузки перекрывающих их отложений.

на этой глубине около 32% и плотность 1,45 г/см3 . Однако в созда­ нии нагрузки на осадок, помимо геостатическог.о давления, экви­

которое создается столбом морской воды высотой 200 м и соответ­ ственно равняется 20,6 кгс/см2 (при средней плотности морской воды 1,03 г/см3 ). Это давление принимается нами в качестве постоянного максимума дополнительной нагрузки на уплотняющийся под дей­ ствием собственного веса осадок на всех этапах геологической исто­ рии, поскольку образование осадочного слоя в морском бассейне происходит главным образом на средних глубинах до 200 м.

Таким образом, осадок на глубине 352,5 м (152,5 + 200 м) от уровня моря приобретает пористость, равную примерно 32%. Последняя будет отвечать только глубине 352,5 м, а в интер­

Уплотнение глинистых отложений и выжимание из них жидкости увеличиваются на ранних стадиях осадконакопления под влиянием возрастания гравитационной нагрузки и в результате нарастания мощности перекрывающих слоев. По мере увеличения уплотнения выжимание жидкости будет затрудняться вследствие уменьшения

28

Максимальная теоретическая плотность глинистых пород, не обладающих пористостью или обладающих минимальной пористо­ стью, должна составить, по Л. Эзи, 2,65 (если принять во внимание плотность составляющих ее минимумов). На приведенной им диа­ грамме (рис. 8) изменения пористости и степени уплотнения с глу­ биной видно, что, например, на глубине 2440 м достигнуто лишь 75% теоретически возможного уплотнения. Дальнейшее уплотнение, при котором пористость упала до 5%, привело бы к дополнительному сокращению объема на 16%.

моря пористость осадка, имевшего первоначальную пористость 80%, в результате уплотнения становится на 45—48% меньше. Промежу­ точные значения средней и максимальной пористости осадка, равные 35 и 77%, соответствуют границе двух стадий уплотнения — обез­ воживания осадка и механической деформации.

Все эти данные имеют большое значение для определения мощно­ стей и пористости исследуемых стратиграфических комплексов, соответствующих моменту завершения этапа седиментационного уплотнения.

Поскольку мощности отложений при уплотнении меняются, то определяются их средневзвешенные по каждому участку значения, а затем по известному процентному содержанию глин в разрезе того или иного стратиграфического комплекса вычисляются значения мощности глин.

В условиях относительно однородного разреза, состоящего из ряда пачек с равным средневзвешенным по мощности процентом

29