строение нефтегазоносных тол

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лекция 4

Состав и строение нефтегазоносных толщ. Нефтегазоносные комплексы - коллекторы и покрышки

Залежи – скопления нефти и газа

Залежь всегда представляет собой нефть или газ (или то и другое одновременно), находящиеся в пористой и проницаемой массе горных пород, называемой коллектором. Эти породыколлекторы, как правило, деформированы и ограничены непроницаемыми породами (именуемыми покрышкой) таким образом, что возникает ловушка, в которой и аккумулируются названные флюиды.

Чтобы не происходила их утечка, контакт пористых породколлекторов и непроницаемой покрышки должен быть изогнут и обращен выпуклой стороной вверх. Такой благоприятный для аккумуляции нефти и газа участок структуры (container) называют ловушкой (trap), а часть ловушки, содержащую нефть и газ – резервуаром (reservoir). Резервуары могут быть образованы разными породами, иметь различную форму, размеры и происхождение.

По И.О.Броду и Н.А.Ероменко, наоборот, ловушка является частью резервуара. Последний же представляет собой вместилище для флюидов, образованное породой-коллектором, ограниченной слабопроницаемыми пород.

Коллекторы – породные комплексы, вмещающие нефть и газ

Лучше различать коллекторы и ловушки (как резервуары), в которых могут скапливаться или уже скопились нефть и (или) газ.

Любой отдельно взятый резервуар неповторим в деталях, однако могут быть подмечены и общие черты сходства, характеризующих особенности резервуаров:

1. Порода-коллектор – вмещающий материал, характеризуется составом и структурой, непре-рывностью или прерывностью его распространения в плане. Границы распространения коллек-тора могут совпадать в плане с контурами нефтяной залежи …; в других случаях порода-кол-лектор, хотя и развита на обширной площади, может быть природным резервуаром только на отдельных благоприятных участках.

2. Поровое, или пустотное, пространство – коллекторское пространство обычно выражается в количественном отношении посредством дроби или в виде процентной величины от общего объема породы (например, 0,23 или 23%) и называется её пористостью. Под эффективным поровым пространством

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

подразумевается та часть породы-колектора, которая доступна для миграции и аккумуляции нефти и обеспечивает сохранность последней. Степень свободы перемещения флюидов через соединяющиеся между собой поры породы называется её проницаемостью. Пористость и проницаемость – свойства породы, зависящие от наличия в ней порового пространства, определяют способность коллектора удерживать и отдавать нефть.

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3.Содержание флюидов (нефть, вода, газ) в эффективном поровом пространстве коллектора. Флюиды могут находиться в состоянии статического или динамического равновесия, … , которые могли быть вызваны эрозией, осадконакоплением, деформацией пород, или в связи какими-то другими факторами, изменяющими давление, температуру,

плотность, объем и химические свойства флюидов. Эти изменения заставляют флюиды перемещаться … .

4.Ловушка, обусловливающая удержание нефти и газа в залежи. Ловушка – форма, которую принимает та или иная часть коллектора, благодаря чему создаются условия для формирования залежи УВ.

Любая порода, которая содержит сообщающиеся поры, может стать коллектором. Боль-шинство резервуаров приурочено к неметаморфизованным осадочным породам, в основном к песчаникам, известнякам и доломитам. Глинистые породы, сланцы и изверженные породы становятся коллекторами только в исключительных геологических условиях.

Классификация коллекторов нефти и газа, предназначенная для практического использования, должна быть максимально простой и обобщенной; породы-коллекторы подразделяются на три группы:

обломочные (кластические);

хемогенные и биохемогенные (осажденные);

смещанного происхождения.

Среди обломочных пород наиболее распространенными коллекторами УВ являются конгломераты, гравелиты, песчаники (аркозы, граувакки), алевролиты – около половины всех известных пород-коллекторов. Большая часть обломочных коллекторов имеет кремнистый состав, но известно также много карбонатных обломочных пород – оолитовые карбонаты и ракушняки, слабо сцементированные или перекристаллизованные. Глинистые коллекторы имеют подчиненное значение.

Терригенные коллекторы нефти и газа

Терригенные коллекторы - основной их тип, с ними связаны 58% запасов нефти и 77% запасов газа. В их составе преобладают песчаные и алевритовые частицы, в подчиненном количестве - глинистые фракции. Бывают и чисто песчаные коллекторы, сцементированные и несцементированные (песок - песчаник). Разная пористость связана с разной укладкой зерен в терригенной породе. Теоретическая пористость (при идеальной шарообразной форме зерен и равном их диаметре) может составлять 25,8; 36,7 и 47,6% (максимум!). Реальная пористость существенно меньше из-за разных размеров частиц, присутствия цемента. Максимальная пористость – у хорошо окатанного отсортированного несцементированного песка.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Обычная величина пористости промышленных коллекторов 10-20%, минимальная - около 5%.

На больших глубинах (свыше 4-5 км) отмечается значительное повышение пористости даже в глинистых коллекторах. Оно обусловлено действием высоких давлений и температур: 1) развитие трещиноватости, 2) частичное растворение зерен цемента. Такая пористость называется вторичной, с ней связываются значительные перспективы, т.к. распространяется она на большие глубины, чем первичная пористость – до 5-7 км.

Проницаемость песчанистых коллекторов составляет от десятых и сотых долей до первых единиц дарси (редко). Поэтому измеряется она обычно в миллидарси: 1 мд = 10-3 дарси. Для пород-коллекторов учитывается раздельно проницаемость для нефти, газа и воды, обладающих различными фильтрационными свойствами. Максимально возможные глубины формирования залежей углеводородов – до 9-10 км. Такое ограничение связано в первую очередь с глубинами возможного распространения пористости и проницаемости пород (из-за возрастающего давления). Причем, на таких максимальных глубинах можно рассчитывать лишь на обнаружение газовых залежей. Для нефти возможные глубины ее залегания ограничиваются геотермическими градиентом - предельными температурами ее синтеза.

Карбонатные коллекторы нефти и газа

Карбонатные коллекторы содержат 42% разведанных запасов нефти и 23% запасов газа. Они представлены рядом пород: известняки – доломитистые известняки – доломиты. В них пустотное пространство относится к каверновому и трещинному типу, поэтому причинами формирования пористости являются вторичные процессы: 1) выщелачивание, 2) перекристаллизация, 3) доломитизация известняков, 4) тектонические нагрузки.

Пористость карбонатных пород ниже чем у терригенных (у промышленных коллекторов - до 3% и менее), но проницаемость, при прочих равных условиях, может быть и выше. Среди карбонатных пород, ракушечники близки по коллекторским свойствам песчаникам.

Хемогенные породы-коллекторы – это осадочные образования, сложенные в основном хемогенными и биохемогенными осадками. Они состоят из минерального вещества, выпавшего из раствора на месте их формирования и не подвергшегося переносу, подобно обломочным зернам, хотя материал, из которого состоят эти зерна, может тоже первоначально отлагаться в виде хемогенного осадка и уже после этого в результате переработки преобразовываться в

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

обломочные частицы. Наиболее распространены хемогенные коллекторы – известняки и доломиты.

Хемогенные карбонатные коллекторы обычно представлены кристаллическими известняками и доломитами, но иногда они могут состоять из мергеля и мела.

Кристаллическая структура – мелко-, средне-, крупнокристаллическая.

С увеличением содержания в карбонатах кремнистых компонентов образуются песчанистые, кремнистые или глинистые известняки и доломиты.

Карбонатное вещество … почти полностью представлено кальцитом (CaCO3) и доломитом [CaMg(CO3)2], а в отдельных породах

– только одним из этих минералов.

Биохемогенные карбонаты наряду с обычным химически осажденным материалом содержат значительные количества органических остатков. Особенно активно биохимическое карбонатообразование происходило в местах формирования органогенных рифов (биогермов, биостромов), роль которых как коллекторов УВ все время возрастает.

Главными биохимическими агентами карбонатообразования являются водоросли, бактерии, фораминиферы, кораллы, мшанки, брахиоподы, моллюски. Наиболее важные породообразующие организмы – водоросли; по мнению ряда геологов, их следует рассматривать вообще как самый главный агент выделения и отложения извести.

Карбонатное вещество, выделяемое живыми организмами, представлено в основном CaCO3.

К группе пород-коллекторов смешанного происхождения относятся изверженные и метаморфические породы, а также различные их ассоциации. Они интересны в геологическом отношении, но довольно редко имеют значение как промышленные коллекторы нефти и газа. В тех случаях, когда из изверженных или метаморфических пород получают промышленные притоки УВ, природный резервуар располагается вверх по восстанию от трансгрессивно перекрывающих или подстилающих его осадочных образований, из которых, как предполагаются, мигрируют в него УВ. Путями миграции УВ служат, очевидно, поверхности напластования или несогласия, а местами их скоплений (резервуарами) - трещины и зоны трещиноватости в хрупких породах фундамента.

Осадочные породы-коллекторы могут быть подразделены на образования морского и неморского (континентального) происхождения. Между этими классами наблюдается большое количество переходных и смешанных разностей.

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Генезис коллекторов обычно распознается по следующим критериям:

1.Содержание окаменелостей морского и неморского происхождения.

2.Наличие хорошо развитых идиоморфных кристаллов полевых шпатов (морские).

3.Нарастание вторичного полевого шпата вокруг обломочных зерен полевых шпатов (морские).

4.Наличие агрегатов, состоящих из зерен полевых шпатов и кварца, сцементированных

вторичным полевым шпатом (морские).

5.Широкое распространение по площади «покровных» песков с одинаковой слоистостью

(морские).

6.Мощные толщи переслаивания неотсортированных обломочных пород, лишенных

органических остатков и образующих линзы (неморские).

7.Тиллиты, крупнозернистые песчаные породы и эрратические образования (неморские,

возможно ледниковые отложения, подводнооползневые – морские подводные оползни).

8.Пласты угля, толщи, содержащие обломки костей и линзовидные песчаные породы

(неморские).

9.Заполняющие желоба шнурковые песчаные породы (неморские).

Порода-коллектор – природный материал, в котором находятся нефть и газ; это преимущественно песчаники, известняки и доломиты. Они наиболее благоприятны для накопления УВ; содержат наиболее крупные залежи нефти и газа.

Важным критерием в оценке нефтегазоносности является не только коллектор, как часть резервуара, но и объём, характер и изменчивость осадков, распространенных в данном районе.

Предполагается, что если имеется большой объём осадков, то в нем обязательно найдется место потенциальной толще-коллектору. Коллекторами служат столь разнообразные осадочные породы, что вряд ли какой-либо седиментационный бассейн не содержал хотя бы несколько типов пород-коллекторов.

Коллектор – основным физическим свойством его является пористость, т.е. породы должны содержать поры или пустоты таких размеров и характера, которые бы обеспечили концентрацию УВ в ЗАЛЕЖЬ. Однако наличия одной пористости еще недостаточно; поры должны быть сообщающимися, чтобы обеспечить фильтрацию флюидов сквозь породу, другими словами должны быть созданы условия для миграции (перетоков) нефти и газа в коллекторе. Таким

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

образом, порода должна быть проницаемой, т.е. обладать проницаемостью.

//Пемза не является хорошим коллектором, хотя большая часть её занимают поры (коэффициент пустотного пространства высокий!), но эти поры не сообщаются между собой и пористотсь поэтому не эффективна//.

Пористые и слабо проницаемые породы переслаиваются между собой, выклиниваются, литологически замещаются, образуя сложную картину внутреннего геологического строения залежи. В зависимости от литологии широко изменяются и коллекторские свойства. В целом, практически любой продуктивный горизонт может рассматриваться как резко изменчивая физическая анизотропная система. Изучение ее неоднородностей имеет важное практическое значение, так как учитывается при подсчете запасов нефти и газа, при определении норм отбора нефти, при проектировании методов воздействия на пласт. Обычная величина пористости промышленных коллекторов - 10-20%, минимальная (для продуктивных терригенных горизонтов) - до 5%. Пористость промышленных карбонатных коллекторов может быть и ниже - до 3%.

Количественной характеристикой фильтрационных свойств коллектора является коэффициент проницаемости kпр, величину которого рассчитывают в соответствии с линейным законом фильтрации Дарси (D). В соответствии с этим законом, kпр является константой пропорциональности - характеристикой пористой среды, величина которой в идеальном случае не зависит от типа фильтруемой жидкости. В классическом варианте (линейные размеры выражены в сантиметрах, абсолютная вязкость - в сантипуазах) величина проницаемости оценивается в миллидарси (1 дарси = 1000 миллидарси). Проницаемость песчаных коллекторов может иногда составлять до 2-3 дарси, проницаемость песчаников, алевролитов, карбонатных пород обычно составляет десятки и сотни миллидарси (μD).

В публикациях последних лет принято выражение физических величин в системе СИ (линейные размеры - в метрах, вязкость - в Па·с), в этом случае kпр имеет размерность площади (м2).

1 дарси = 1,02 х 10-12 м2 ≈ 1 мкм2 0,1 – 0,5 мкм2 = 100 – 500 μD

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Пористость (А):

Общая = Vпор / Vпороды (х 100%);

открытая = Vсообщающихся пор / V породы (х100%) – для песчаных коллекторов

примерно равна общей пористости;

эффективная (нефтенасыщенная) = Vпор с нефтью и газом / Vпороды (х100%)

Проницаемость (Б):

Отражает способность породы пропускать через себя флюиды –

К проницаемости (kпр ).

1 D – проницаемость, при которой через 1 см2 при давлении = 1 атм на расстоянии 1 см

проходит 1 см3 флюида с вязкостью 1 сантипуаз.

А и Б строго не связаны, но для однотипных пород корреляция между ними линейная и

прямая.

А= f , (1/ρ); ρ = f ,, (Н); А = f ,,, (1/Н), где ρ – плотность флюида,

Н– глубина.

Реальные значения проницаемости одной и той же породы, определяемые по фильтрации разных флюидов (нефть, газ, вода), различаются между собой. Кроме зависимости от фазы, эффективная проницаемость зависит также от пластовой температуры и давления: вязкость флюида повышается с возрастанием температуры, но понижается с увеличением давления. Поэтому в промысловых условиях проницаемость определяют по кривым восстановления давления (при неустановившемся режиме), а также по геофизическим данным.

Свойства коллекторов нефти и газа – пористость, проницаемость, структура порового пространства, остаточная водонасыщенность, физико-химические свойства поверхности пустот

идругое. При погружении пород на всё большие глубины пористость в целом убывает, хотя и неравномерно; в разной степени уменьшаются

иразличные виды пористости. Цементация породы также снижает её пористость.Емкостные свойства породы-коллектора, слагающей природный резервуар, определяется важным параметром –

эффективной ёмкостью ( q ) по формуле: q = Кп х Нэф , де Кп – средняя пористость породы в пределах исследуемой части пласта,

Нэф – средняя эффективная толщина пласта.

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Поиски и разведка залежей на больших глубинах (свыше 4 км), где давление в породе превышает 100 МПа, показали особый феномен изменения емкостных и фильтрационных свойств пород. Коллекторскими свойствами в зоне высоких давлений могут обладать и глинистые горизонты. Обычная для терригенных пород межзерновая пористость на таких глубинах уменьшается, но развивается трещиноватость, причем, тем больше, чем больше глинистость пласта. Такая пористость называется вторичной, и с ней связывают перспективы глубоких горизонтов в нефтегазоносных областях с запасами углеводородов, отработанных на глубинах до 2-3 км. Вместе с тем, керн поднятый с больших глубин - извлеченный из равновесных пластовых условий – на поверхности оказывается в состоянии разгрузки внутренних напряжений. Измеряемые в лабораторных условиях параметры пористости и проницаемости оказываются завышенными. Для их объективной оценки необходимо использовать понижающие поправочные коэффициенты. Так, для глубины 4000 м их величина составляет, для пористости: 0,98 – для песчанистых и 0,93 - для глинистых пластов; для проницаемости - 0,84 и 0,64, соответственно.

Нетрадиционные (экзотические) коллекторы углеводородов.

Нетрадиционные коллекторы УВ. Биогенно-кремнистые породы (силициты) по диатомитам. Кремнисто-глинистые породы - бажениты (породы баженовской свиты мезозоя в разрезе Западной Сибири). Тонкоплитчатые, микролинзовидные породы с органическим веществом. Пористость 5-10%, проницаемость 2,5-5 миллидарси. Генезис этих пород вероятно вторичный. Вулканогенно-осадочные породы - туфы, туффиты, туфо-песчаники, близкие по коллекторским свойствам к терригенным породам. Резервуары в изверженных и метаморфических породах: известны залежи в пирокластических толщах (США), в серпентинитах (США), в гранито-гнейсах (Венесуэла). Пористость, природа пустотного пространства в таких коллекторах сложная - кавернозно-трещиноватая. Породы метеоритных кратеров - тагамиты (с частицами стекла) и зювиты (брекчии), образующие кольцевое обрамление импактной зоны катаклазитов.

Классификации коллекторов нефти газа

Коллекторы широко различаются между собой по размерам отдельных пор и взаимному их расположению. Эти различия называются первичными, если контролируются:

1)обстановкой осадконакопления,

2)степенью однородности размера частиц,

3)природой слагающего породу материала.

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Различия именуются вторичными, когда они обусловливаются процессами, воздействовавшими на осадок после его отложения; к ним относятся:

1)образование трещин и раздробление,

2)растворение,

3)переотложение и цементация,

4)уплотнение под влиянием возрастающей нагрузки перекрывающих отложений.

Каждая пора в коллекторе – микроскопическая лабораториямодель резервуара с заключенной в нем залежью УВ, где протекают многие физические процессы и химические реакции.

Условия, контролирующие проницаемость, в значительной мере отличаются от тех, которые определяют пористость. Геологические факторы, влияющие на проницаемость

коллекторов: * температура

*гидравлический градиент * форма зерен и упаковка

Карбонатные коллекторы больше, чем песчаные, характеризуются вторичной пористостью; трудно провести различие между первичной и вторичной пористостью, хотя некоторые карбонаты бесспорно обладают первичной пористостью, представленной, как:

1/. Поры внутри и между раковинами, ядрами ископаемых, их обломками, остатками фораминифер, водорослей, поры в ракушняке. 2/. Поры между карбонатными кристаллами и по плоскостям спайности внутри них – межкристаллическая пористость.

3/. Поры, связанные с оолитами и оолитовыми известняками.

4/. Поры вдоль поверхностей напластования, образующиеся в результате изменения условий седиментации, отложения глинистого и алевритового материала, т.д.

5/. Трещины усыхания и уплотнения, возникающие в процессе седиментации.

Химическое осаждение цементирующих материалов в порах обломочных пород в течение диагенеза и катагенеза представляет собой фактор вторичного изменения их пористости и проницаемости. Наиболее распространенными цементирующими материалами в обломочных породах-коллекторах являются, в порядке убывания распространенности: кварц – кальцит – доломит – сидерит – опалхалцедон – ангидрит – пирит. Часто в составе цемента одной породы может присутствовать сразу несколько минералов.

Нефтегазовый природный резервуар (главные элементы):

10