книги из ГПНТБ / Тхостов Б.А. Начальные пластовые давления в нефтяных и газовых месторождениях

Под областью разгрузки какого-либо водоносного комплекса пород понимают территорию относительно пониженного залега­ ния пород этого комплекса, в пределах которой происходит сток вод на дневную поверхность непосредственно из водоносных гори­ зонтов или из трещин и тектонических нарушений, соединяющих

эти горизонты с дневной поверхностью.

Следовательно, область разгрузки вод характеризуется, с од­ ной стороны, пониженным залеганием водоносных пород, с дру­

гой — непременной связью этих пород с дневной поверхностью непосредственно в обнажениях или через тектонические наруше­

ния и трещины.

Более низкое, чем в области питания, гипсометрическое поло­ жение пласта и сообщение с дневной поверхностью должны обу­ словливать соответственно более низкий пьезометрический уро­ вень жидкости в области разгрузки и наличие перепада давления в любой точке между областью питания и областью разгрузки.

При наличии такой гидродинамической связи поверхность, образованная пьезометрическими уровнями, будет наклонена к области разгрузки.

Основным условием, определяющим понятие области раз­ грузки, является сообщение водоносных пластов с поверхностью, обеспечивающее сток жидкости, по количеству отвечающий пере­ паду давления у выхода воды на поверхность.

Если допустить наличие прямой гидродинамической связи между областями питания и разгрузки, то происхождение и ве­ личину пластовых давлений в месторождениях нефти и газа, приуроченных к девонским и каменноугольным отложениям, следует связывать с напором вод, определяемым гипсометриче­ ским положением пород в области питания. Иначе говоря, все нефтяные и газовые месторождения Русской платформы должны были бы иметь прямую гидродинамическую связь с упомянутыми выше областями питания, принадлежа к единому гидродина­ мическому резервуару в пределах структур первого порядка.

Факты, в том числе и те, которые приводит в своей работе В. А. Кротова, говорят о том, что в действительности такая про­ стая схема гидродинамической связи между областями питания и разгрузки вод маловероятна.

Для передачи давления на значительное расстояние необхо­ димо, чтобы пласт или комплекс пластов обладали соответствую­ щими геолого-физическими свойствами, т. е. фациальным по­ стоянством, пористостью и главным образом более или менее постоянной проницаемостью.

Рассмотрим с этой точки зрения каменноугольные и девонские

отложения Русской платформы, к которым приурочена основная масса нефтяных и газовых месторождений. К нижней части де­ вона относят так называемую бавлиискую свиту. Она сравнительно сильно метаморфизована, нефтяных или газовых залежей в ней не обнаружено, поэтому мы внимания уделять ей не будем.

29

На породах бавлинской свиты пли местами непосредственно на кристаллическом фундаменте залегают отложения средне- и верхнедевонского возраста, с которыми связаны большая часть запасов нефти Русской платформы. Весь разрез девона грубо

расчленяется на две части: терригенную, содержащую крупней­

шие залежи нефти в ряде месторождений (Ромашкипо, Туймазы, Бавлы и т. д.), и карбонатную, также содержащую промышлен­ ные скопления нефти. К терригенной части относятся отложения живетского яруса и нижняя часть франского яруса, а именно

пашпйские и кыновскпе слои.

Отложения пижнеживетского подъяруса имеют ограниченное распространение и развиты в некоторых районах Башкирии,

другие геофизические свойства. Залегают трансгрессивно па раз­ личных горизонтах бавлинской толщи, а в большей части райо­

нов непосредственно на фундаменте. Представлены пижнеживетские отложения песчаниками, алевролитами, глинами и глини­ стыми известняками. Более широкое распространение имеют верхнеживетские отложения, трансгрессивно залегающие на различных

горизонтах пижнеживетского подъяруса или породах фун­ дамента. Однако и они в отдельных районах отсутствуют.

Мощности верхнеживетских отложений также изменяются

внесколько десятков раз. Максимальные мощности наблюдаются

врайонах Саратовской области, северо-восточной части Куйбы­ шевской области и в некоторых районах Башкирской АССР. Минимальные мощности, около 15—20 м, отмечены в Западной

части Самарской Луки и в платформенных районах Башкирии.

Литологически верхнеживетский подъярус представлен ком­

плексом песчаников и алевролитов, мергелей и прослоев извест­ няков. Фациальное разнообразие разреза и литологическое непостоянство слоев по простиранию, обусловливающее изменчи­

вость геолого-физических свойств, характерны и для верхнежи-

ветского подъяруса.

Вышележащие пашийские слои также подвержены значитель­ ным изменениям в мощности, имеющей наибольшие значения в Саратовской области. Литологически выражены чередованием

песчаников, алевролитов и глин, причем количественное соотно­ шение песчаников, глин и алевролитов, связанных взаимными пе­ реходами, не одинаково в разных районах.

В некоторых разрезах преобладают песчаники, в других алевролиты. Соответственно этому изменяются пористость и

проницаемость. Над пашпйскими слоями лежат кыновские слои,

представленные в основном органогенными известняками, иногда битуминозными, или доломитами, часто железистыми и выше чередованием глин и алевролитов, местами с прослоями песчаников.

Мощность кыиовских слоев также изменяется и, составляя обычно около 20—30 ,w, достигает 60—70 м.

30

Выше залегает карбонатный комплекс разреза, охватываю­ щий почти весь верхний девон, а именно большую часть франского и фаменский ярусы. Мощность карбонатной части девонских отложений весьма значительна и составляет в среднем до 500 м на положительных структурах первого порядка и более 600 м во впадинах.

Большим изменениям и по мощности, и по коллекторским свойствам подвержены отложения каменноугольной системы.

Основные запасы нефти в каменноугольных отложениях связаны с нижним отделом, а именно с турне и главным образом визейским

ярусом.

Отложения турне представлены известняками с редкими про­ слоями известковистых глин. Мощность турне изменяется от 30—

40 до 100—110 м в районах Заволжья.

Выше, на турнейские известняки согласно, а местами с неболь­ шими размывами (эти размывы хорошо установлены, например,

в месторождении Арчеда) ложится терригенная толща угленос­

Бугурусланском месторождениях до 360 м при мощности песча­ ников 115 ж в Мухановском месторождении Куйбышевской обла­ сти. Терригенная толща нижнего карбона и ее песчаные отложе­ ния имеют небольшие мощности в северных и северо-восточных районах Башкирской АССР, северной части Оренбургской области и в северо-восточной, западной и юго-западной частях

Куйбышевской области [27].

Мощность песчаников зависит от общей мощности терригенного

комплекса. Зоны максимальных мощностей пересекают ВолгоУральскую нефтеносную область в нескольких направлениях. Верхняя часть нижнекаменноугольных отложений, а также сред­ ний и верхний карбон представлены карбонатными отложениями с подчиненными им терригенными осадками в низах среднего от­ дела каменноугольных отложений (верейский, каширский п

частично подольский горизонты московского яруса).

Мощность карбонатного комплекса карбона весьма значи­

тельна и достигает 700 м и более.

Карбонатные породы карбона в смысле нефтегазоносности, как

икарбонатные отложения девона, изучены недостаточно, однако

как в тех, так и в других в ряде районов Русской платформы (Куй­ бышевская, Сталинградская области и др.) выявлены нефтеносные

игазоносные пласты.

Над каменноугольными отложениями залегает гипсоангидри­

товая толща пермских отложений, которые во многих местах на Русской платформе служат водоупорным горизонтом.

Из изложенного видно, что мощности девонского комплекса пород и каменноугольных отложений, а также фациальный харак­ тер их подвержены весьма сильным изменениям. Это особенно

31

касается продуктивных частей разреза, выраженных терригенными

осадками, в частности живетского и пашийского ярусов девона и сталиногорского и тульского горизонтов карбона. Мощность от­

дельных пластов в этих горизонтах изменяется не только в пре­ делах всей Русской платформы или структур первого порядка, но и в пределах одного и того же месторождения.

Весьма изменчивы и коллекторские свойства пластов. Прони­ цаемость, достигающая местами 3—5 дарси, доходит на небольших расстояниях до нуля, т. е. песчаники полностью замещаются гли­

нами.

Предполагать при таких условиях активную циркуляцию вод или широкую гидродинамическую связь по пластам на боль­

ших расстояниях было бы неправильно. Маловероятна горизон­ тальная (по простиранию) циркуляция вод или активная

гидродинамическая связь с выходами пород (областью питания)

через толщи массивных известняков. Еще менее вероятна верти­ кальная связь между всеми водоносными горизонтами структур первого порядка. Имеющиеся непроницаемые водоупорные толщи достаточно гарантируют это.

Если допустить активную гидродинамическую связь между пластами по вертикали в пределах всего разреза структур первого порядка, то пластовое давление, при одинаковом удельном весе воды, во всех случаях должно изменяться по линейному за­ кону — прямо пропорционально глубине, т. е. пластовое давле­ ние в нижнем пласте должно быть во столько раз больше, чем в верхнем, во сколько раз глубина залегания нижнего пласта больше глубины верхнего.

Возьмем пример из работы В. А. Кротовой [13]. В табл. 57 и 58 приводятся гидростатические уровни вод водоносных горизон­ тов девонских и каменноугольных отложений. Причем следует отметить, что пластовые давления, пересчитанные для месторожде­ ний, по этим уровням почти всегда оказываются больше начальных значений пластового давления в нефтяных залежах, приурочен­ ных к тем же горизонтам, замеренных глубинными манометрами.

С нашей точки зрения это явление может быть объяснено тем, что воды в пьезометрических скважинах содержали, очевидно, какое-то количество газа, а удельный вес их указан для дегазиро­ ванной воды.

Возьмем в качестве примера несколько месторождений иа раз­ личных структурах первого порядка.

Месторождение Байтуган, расположенное па южном погруже­ нии Татарского свода. Пьезометрическая скв. 24; горизонт угле­ носный; интервал опробования 1218—1230 м\ глубина залегания статического уровня воды 100 м; удельный вес воды 1,17 г/см\

Начальное пластовое давление в кровле интервала опробова­ ния для этого горизонта будет по приведенным данным^равно

(1280-100) • 1,17/10 = 130,8 та.

32

Для той же скважины по девонскому пласту Дп интервал опро­

бования 2060—2149 м, глубина залегания статического уровня воды 160 м, удельный вес воды 1,17.

Начальное пластовое давление для этого пласта будет равно

(2060 - 160) • 1,17/10 = 222,3.

Глубина залегания пласта Дп примерно в 1,6 раза больше,

чем глубина залегания угленосного горизонта; следовательно, при

наличии прямой гидродинамической связи между ними давление в нижнем пласте должно было бы составить 1,6 • 130,8 = 209 ата.

На самом деле давление составило 222,3 ата. Соответственно отличаются и статические уровни: для девона абсолютная отметка

статического уровня составляет 153 м, для угленосного горизонта

213 м. Следовательно, в данном случае рассматриваемые продук­ тивные пласты каменноугольного и девонского возрастов принад­ лежат различным гидродинамическим системам.

Возьмем месторождение Яблоновый овраг, приуроченное к Жи­ гулевско-Пугачевскому своду.

Данные по месторождению: горизонт угленосный; скв. 5; глу­

бина интервала опробования 1005 м', глубина залегания статиче­ ского уровня 65 м; альтитуда статического уровня воды в сква­ жине -|- 7 м; удельный вес воды 1,165; альтитуда устья сква­ жины +72 м; альтитуда интервала опробования 933 м; начальное пластовое давление иа отметке —933 м, пересчитанное по этим

данным, будет равно

940 • 1,165/10 = 109,5 ата.

Девонский горизонт ДП1; скв. 36; интервал опробования 1456—

1458 м\ альтитуда устья скважины 51,3 м; глубина залегания статического уровня воды 45,8 м\ альтитуда интервала опробова­ ния 1456 — 51,3 — 1404,7 м; (интервал опробования приводится к уровню моря, так как берутся разные скважины); удельный вес

воды 1,17. Начальное пластовое давление в этом случае на отметке

(1404,7 м) интервала опробования девонского пласта будет равно

(1456-45,8) 1,17/10 = 165 ата.

Давление в нижнем — девонском — горизонте такое, каким оно должно быть при наличии гидродинамической связи между

горизонтами, т. е. больше, чем в верхнем, на вес столба воды, равный по высоте разности отметок пластов, т. е.

109,5 + (1404,7 — 933) • 1,17/10 = 165 ата.

Из этого примера, следовательно, можно заключить, что в дан­

ном случае закономерность изменения давлений с глубиной подтверждает принадлежность двух пластов различного возраста одной и той же гидродинамической системе.

Возьмем другой пример. Допустим, что существует широкая активная гидродинамическая связь между областью питания

проводящим путем, «отыскала» па протяжении тысяч километров

данную конкретную залежь, чтобы создать в ней давление.

Фациальная изменчивость, большие колебания проницае­ мости и то обстоятельство, что большинство продуктивных пластов

или свит имеют ограниченное распространение, выклиниваются,

не достигая дневной поверхности, также исключают питание нефтеносных пластов и свит и создание в лих давлений путем инфильтрации вод на выходах пород. Правда, В. А. Кротова считает, что движение вод комбинированное, т. е. если, например,

данный пласт выклинивается где-то, не достигая области питания, то он соединяется дальше системой трещин, сообщающих этот пласт с дневной поверхностью или другими проницаемыми пла­ стами, имеющими выход па дневную поверхность.

Трудно, однако, представить, чтобы атмосферная вода двига­ лась по трещинам и разрывам, «отыскивая» пласты, заключающие

нефтяные и газовые залежи. Естественнее допустить, что если и есть такое движение, то оно будет осуществляться в направлении наименьших сопротивлений движению, т. е. пониженных давле­ ний.

Почему же все-таки, если не существует в общем случае активной гидродинамической связи между нефтяными место­ рождениями и областью питания их в том понимании, как это изложено выше, начальные пластовые давления в условиях Русскбй платформы почти всегда соответствуют условному гидро­ статическому давлению или незначительно отличаются от него.

Образование пластовых давлений тесно связано с геотекто­ ническим развитием и историей осадконакопления крупных регио­ нов.

Как с этой точки зрения характеризуется Русская платформа?

Начиная со среднедевонского, а во многих местах и с додевонского

времени Русская платформа являлась областью интенсивного осадконакопления, сопровождавшегося образованием крупных региональных структур первого порядка.

при постоянстве структурного плана пространственного разме­ щения областей впадин и поднятий». «В геотектоническом раз­ витии фундамента Русской платформы ведущая роль принад­ лежала волнообразно-колебательным движениям, развивавшимся

этапами (циклами) с перерывами постепенности. При этом каждый

новый этап первого порядка (каледонский, герцппский, альпий­ ский) развивался на основе предыдущего, в начальной фазе при­ нимая до некоторой степени структурные соотношения преды­ дущего этапа, но на более высокой фазе одновременно приобре­ тая уже новые качественные особенности».

«Каждый новый этап тектогенеза приво­ дил также и к п е р е р а с и р е д е л е и п ю п р о -

странственного размещения областей от­ носительно максимального прогибания и к изменению их общих простираний» [4,

стр. 57, 58].

В соответствии с непрерывным перераспределением в пределах платформы областей максимального прогибания, отвечающих максимальному накоплению осадков, и поднятий осадочных толщ изменялись и гидродинамические условия. Происходило

постоянное перераспределение давлений, вызванное нарушением равновесного состояния жидкостей и газов.

в пределах крупных поднятий первого порядка происходит сток вод из областей повышенного залегания в области пониженного залегания пластов под влиянием силы тяжести.

Основной ошибкой такого взгляда на формирование гидро­

что никакого значения при этом не придавалось горному давлению.

Тот факт, что повсеместно на Русской платформе накопилась мощная толща осадочных образований палеозоя и мезозоя, свиде­

тельствует о том, что в геологической истории ее преобладающим видом движения было опускание, прогибание. Одновременно

с прогибанием и увеличением мощностей осадков возрастал вес их — росло горное или геостатическое давление. В результате происходило непрерывное уплотнение осадков, особенно терри­ генных, уменьшение порового пространства их и выдавливание воды. Горное давление непрерывно росло до того момента, когда море освободило платформу, т. е. прекратилось накопление осад­ ков. Причем, чем больше глинистых фракций в породе, тем большее влияние оказывало горное давление.

Акад. И. М. Губкин писал [9] по этому поводу: «В свежеотло­ женном иле воды больше, чем в песках и, кроме того, уплотнение оказывает большее действие на глины, чем на пески...». «Вслед­ ствие этого выжимаемая при уплотнении жидкость будет дви­ гаться от пунктов наибольшего уплотнения к пунктам наимень­ шего уплотнения», т. е. в направлении наименьшего сопротивле­ ния движению. С увеличением глубины растет и темпера­ тура.

>И5

Рост температуры, сопровождаясь расширением жидкости, также вызывает перемещение ее. Способствует передвижению вод и цементация поровых пространств и, как следствие этого, уменьшение объема пор, занятых водой.

Все эти факторы максимального значения достигают во впади­ нах и прогибах, которые наряду с огромной мощностью осадков характеризуются также высокой температурой и минерализацией вод. Под влиянием этих сил, главным образом горного давления, вода по путям наименьшего сопротивления ее движению пере­ мещалась вверх.

Такими путями могли служить как сам пласт, так и трещины и нарушения, образующиеся при тектонических процессах. Вода могла, например, двигаться сначала по пласту, затем по тре­ щине, пересекающей этот пласт, затем снова по пласту, до тех пор, пока не восстановится равновесное состояние между горным и гидростатическим давлением в результате перемещения воды

от погруженных зон к повышенным. Если бы выжимаемая вода

не имела истока на поверхность, то под воздействием геостати-

ческого давления резко увеличилась бы ее упругая энергия и

в залежах отмечались давления, значительно превышающие гидро­

статические.

Отсутствие на Русской платформе нефтяных или газовых месторождений, в которых начальные пластовые давления превы­ шали значения условного гидростатического давления хотя бы на 20%, и соответствие пластового давления в большинстве место­ рождений гидростатическому, указывает, что вода, выжимаемая

из пластов при уплотнении их горным давлением, всегда дости­ гает поверхности или близко поверхности. Следовательно, до достижения стабильного состояния горного давления, постоян­ ной плотности осадка и (как следствие этого) равновесия гидро­ динамической системы областью питания служила впадина,

областью разгрузки — дневная поверхность или ненасыщенные

водой пористые образования, куда под влиянием горного давле­ ния могла выжиматься вода. После же стабилизации гидродина­

мической системы областью питания ее или залежи, находящейся в ней, служит зона наивысших гипсометрических отметок системы.

Воды древних бассейнов, в которых откладывались осадки, перетекали под влиянием непрерывно изменявшегося горного давления по путям наименьшего сопротивления, будь то пласты, трещины или тектонические нарушения вверх к дневной поверх­ ности.

При этом с изменением тектонического строения Русской платформы и ростом мощности осадочного покрова ее непрерывно изменялось и распределение давлений.

В соответствии с изменением тектонического плана платформы

менялось местоположение областей питания и разгрузки, а также

характер гидродинамических систем.

Из изложенного можно сделать следующие выводы.

37

I. He существует активной гидродинамической связи ио пла­ стам между «областью питания», за которые принимают крупные положительные геоморфологические зоны выходов древних по­ род па поверхность (Балтийский щит, Урал и Приуралье, Воро­ нежский свод и т. д.), и погребенными структурами, расположенными в пределах Русской платформы. В от­ дельных случаях (см. выше) продуктивные пласты или свиты различного возраста в пределах структур первого порядка могут принадлежать одной п той же гидродинамической системе, со­ общаясь друг с другом за контуром, где могут выклиниваться разделяющие их глины, или по трещинам и тектоническим на­ рушениям .

2. Принятое в геологии определение области питания (см. выше) не отвечает смыслу этого понятия. Областью питания

газо-водопефтяного пласта или комплекса пластов данной кон­ кретной структуры следует считать зону наиболее высокого по­ ложения пьезометрического уровня жидкости, насыщающей пласт или комплекс пластов, которая обычно соответствует наиболее высокому залеганию их и имеет гидродинамическую связь с дан­

кретной залежи может быть создана искусственно, например, путем нагнетания воды в пласт. «Линия» нагнетания в этом слу­ чае будет служить областью питания.

3. В условиях платформы образование гидродинамических систем есть результат совокупного действия горного давления и гео­ лого-тектонического развития. А пластовое давление является следствием гидродинамической связи области питания данной

гидродинамической системы с месторождением.

Днепровско-Донецкая впадина и окраины Донбасса

Днепровско-Донецкая впадина, как и ряд других крупных

отрицательных тектонических элементов (Прикаспийская, Сара­ товско-Рязанская и другие впадины, является составной частью Русской платформы и занимает ее юго-западную окраину. Учиты­ вая некоторые особенности тектонического строения, а также значительную площадь впадины, целесообразно рассмотреть ее отдельно.

месторождениям, охватывающим 14 нефтяных и газовых зале­ жей, в том числе 7 месторождений (8 залежей) относится к палео­ зою и 5 месторождений (6 залежей) — к мезозою — юрским и

триасовым отложениям.

:;я