» » Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

06.08.2016

Значительно реже, по сравнению с песчаными и карбонатными коллекторами, промышленные скопления или нефтепроявления выявлены в глинистых, кремнистых, вулканогенных, метаморфических, магматических и интрузивных породах. Все они в определенных условиях могут быть коллекторами. Однако, поиски и разведка скоплений углеводородов в этих нетрадиционных коллекторах требуют нетрадиционных подходов и поэтому они до сих пор не являются самостоятельными объектами для постановки поисково-разведочных работ.
Действительно, в глинистых породах скопления углеводородов встречаются не часто. Длительное время глинистые породы было принято считать хорошими покрышками для скоплений углеводородов и поэтому основные усилия ученых были направлены на изучение их экранирующих свойств. Однако в глинистых породах, вернее в трещинных коллекторах глинистых пород, открыто достаточно много скоплений углеводородов, в том числе и крупных, таких как газовое месторождение Оркатт в Калифорнии (свита Монтерей) и Биг Сэнди в Аппалачах (свита огайо), нефтяные скопления известны в отложениях свиты Чио-Гара в Курдистане и др.
В нашей стране глинистые породы как коллекторы нефти и газа привлекли пристальное внимание после того, как в Западной Сибири были открыты промышленные запасы нефти в баженовской свите, в частности на Салымском месторождении. Исследованием состава и емкостных свойств баженовской свиты, а также выяснением причин их возникновения занимались многие ученые. Наиболее полная сводка и обобщение этих материалов приведена в монографии С.И. Филиной, М.В. Коржа и М.С. Зонн «Палеогеография и нефтегазоносность баженовской свиты Западной Сибири» (1984). В ней говорится, что открытая пористость матрицы глинистых породы, в частности в пределах Салымского месторождения, очень низка и составляет от десятых долей процента до 2 %, максимум до 3 %, причем размеры пор составляют порядка 10в-2 мкм. Основная часть порового пространства представлена каналами с сечением не более 8*10в-3 мкм. При таком сечении проницаемость пород составляет порядка 10в-5 мкм". Эти данные свидетельствуют, что основная масса глинистых пород баженовской свиты (матрица) не обладают емкостью, способной отдавать значительные объемы нефти. Поэтому основными емкостными способностями здесь обладают только трещины. По данным В.М. Добрынина для Салымского месторождения коэффициент трещиноватости изменяется в широких пределах от 0 до 12 % при среднем значении 7 %. Эти данные свидетельствуют о значительной изменчивости и неоднородности коллекторов, причем коэффициент трещиноватости ниже 2 % характеризует непродуктивные участки месторождения. Анализ имеющихся материалов по фильтра -ционно-емкостным характеристикам пород баженовской свиты позволил С.И. Филиной с соавторами составить схему строения баженовской свиты с ориентировочным положением локальных зон распространения коллекторов (рис. 8.12).
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

В пределах Салымского месторождения зоны повышенной трещиноватости локальны, разобщены и встречаются спорадически. Вертикальные размеры трещинных зон оцениваются метрами, в то время как их протяженность в плане составляет десятки километров. Таким образом, для прогнозирования промышленной нефтеносности баженовской свиты необходимо решить комплекс вопросов возникновения коллекторов в этой толще, а также разработать критерии поисков их развития и распространения. Для решения этих вопросов авторы использовали практически все имеющиеся данные по геолого - геохимическим исследованиям. По данным O.K. Баженовой, Ф.Г. Гурари, А.Э. Конторовича, И.И. Нестерова, И.Д. Поляковой и многих других исследователей толща баженовской свиты аномально обогащена органическим веществом. Среднее его содержание здесь составляет 10,2 %. Наиболее высокие значения Cорг до 17,7 % отмечаются в Мансийской синеклизе, западной части Сургутского свода, территории Нижневартовского свода и других территориях. В целом, обогащенность баженовской свиты органическим веществом в 2-15 раз выше ее фациальных аналогов. Породы обладают пониженной плотностью (2,23-2,4 г/см3), по сравнению с ниже- и вышележащими толщами. По данным Т.Т. Клубовой, в седиментогенезе в породе происходило образование микроблоков, покрытых пленкой органического вещества. Колломорфный кремнезем, обволакивая агрегаты глинистых минералов, создал на их поверхности и так называемые кремнеорганические «рубашки», состоящие из органического вещества и кремнезема. Процессы трансформации глинистых минералов и выделения связанной воды привели к образованию мелких послойных трещин. В течение геологического времени баженовская толща погрузилась на глубины, на которых в породах в результате уплотнения и связанного с этим роста внутреннего давления возникли трещины вдоль поверхности «рубашек». Кроме этого большая часть коллекторов Салымского месторождения характеризуется аномально высокими пластовыми давлениями, причем в ряде скважин, расположенных в присводовой части структуры, оно близко к геостатическому. Возникновение АВПД в баженовской свите в условиях ее изоляции от других глинистых толщ происходит потому, что в баженовской толще, обогащенной органическим веществом сапропелевого типа, преобразование сконцентрированного органического вещества сопровождалось интенсивной генерацией жидких углеводородов. Учитывая, что переход части битумоидов в жидкую нефтяную фазу ведет к уменьшению плотности OB и, соответственно, к увеличению объема, избыточное давление снижает нагрузку на скелет породы, что также приводит к образованию трещин. Эти процессы в толще баженовской свиты протекали неравномерно и зависели от интенсивности процессов преобразования минеральных и органических компонентов, концентрации ОБ, температурных условий и тектонического фактора, что и привело к локальному распространению зон пустотности в глинистой толще. Подобным образом, вероятно, могли формироваться коллекторы в майкопской глинистой толще Ставрополья (Журавское месторождение и др.), а также других регионов.
Несмотря на то, что в глинистых породах обнаружено достаточно много месторождений, только в баженовской свите их около тридцати, все эти открытия происходят, как правило, попутно при поисках нефти в более глубоких горизонтах. Такое положение связано с целым рядом причин, в том числе потому, что до сих пор не разработан комплекс исследований, который позволил бы целенаправленно проводить поисково-разведочные работы на нефть и газ в баженовской свите, а также других регионах, где прогнозируется наличие коллекторов в глинистых отложениях.
Этот пробел был восполнен Г.Я. Шиловым, который, изучая строение баженовской свиты, разработал комплекс работ, выполнение которых должно способствовать эффективным поискам нетрадиционных коллекторов.
Известно, что в большинстве случаев промышленные притоки из коллекторов баженовской свиты получены только на тех участках, где отсутствуют песчаные породы-коллекторы в выше и ниже залегающих битуминозных аргиллитах. Кроме этого, установлено, что ловушки в баженовской свите расположены, как правило, вдоль крупных тектонических нарушений, которые как бы связывают участки повышенной трещиноватости. В качестве модели продуктивного коллектора автор взял пачку переслаивания тонкослоистых высокобитуминизированных аргиллитов и прослоев алевролитов, микротрещиноватость которых гидродинамически связывает между собой аргиллиты и алевролитовые прослои, образуя единый коллектор. Обобщив накопленные материалы по формированию скоплений углеводородов в баженовской свите и историю их открытия, автор разработал комплекс практических и прикладных исследований, необходимых для выявления скоплений углеводородов в подобных коллекторах (рис. 8.13).
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

Из рис. 8.13 следует, что проведение предлагаемых исследований состоит в целом из трех этапов:
1. Определение наиболее перспективных участков Баженовской свиты, обладающих хорошими коллекторскими свойствами и максимальной продуктивностью.
2. Детальное изучение геолого-геохимических характеристик выявленных участков, в том числе с помощью сейсмики, кернового материала, промыслово-геофизических исследований скважин, результатов опробования, а также моделирования различных процессов.
3. Выявление скоплений углеводородов, оценка их пространственных параметров, в том числе построение трехмерной геологической модели, а также оценка ресурсов.
Другими «нетрадиционными» коллекторами являются кремнистые толщи биогенного происхождения. В этих породах образование коллекторов происходит иным путем. Уже на первых этапах осадкообразования и в начале диагенеза из раковинок кремнеобразующих организмов формируется «ажурная» органогенная структура. Впоследствие аморфные формы кремнезема переходят в кристаллические формы. Этот процесс сопровождается появлением глобулярной микроструктуры. В результате формируется межглобулярный тип коллектора (рис. 8.14).
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

В случае повышенного содержания органического вещества и благоприятных условий, каталитические способности поверхностно-активного кремнезема способствуют развитию процессов генерации углеводородов в самой толще коллектора, пористость которого в ряде случаев достигает 40 %.
Учитывая, что каталитические свойства кремнезема достаточно высоки, образование углеводородов возникает уже на достаточно ранних стадиях преобразования органического вещества. Поэтому нефти в биогенно-кремнистых толщах являются нефтями раннего созревания. При дальнейшем усилении процессов катагенеза происходит переход кремнезема в другие минеральныe формы, сначала в халцедон, а затем в кварц, причем этот процесс сопровождается обезвоживанием. В результате развивается сеть связанных друг с другом трещин, способствующих формированию резервуара пластового или массивного типа с коллектором трещинного типа (рис. 8.15).
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

Такие коллекторы, содержащие промышленные скопления углеводородов, обнаружены в различных регионах мира, например, на шельфе Калифорнии в формации Монтерей миоценового возраста (месторождение Санта Мария и Пойнт Аргуэльо), на Сахалине в пиленгской свите миоценового возраста (нефтяное месторождение Окружное) и др.
Подобным образом образуются резервуары в кремнисто-глинистокарбонатных отложениях, обогащенных органическим веществом, так называемых доманикоидных толщах.
А теперь перейдем к коллекторам в породах метаморфического и магматического происхождения. Нефтепроявления и промышленные скопления в этих породах известны во многих странах мира, в частности нефть обнаружена в Мексике, Японии и других странах, где она приурочена к вулканитам, к вторично измененным пористым лавам и туфам. Коллекторы в этих районах образовались в результате выхода газа из лавовых материалов или процессов выщелачивания. Нефть здесь всегда вторична по отношению к вмещающим породам. Имеются скопления нефти в вулканических породах в Западном Азербайджане (месторождение Мурадханлы), в вулканогенных породах эоценового возраста в Восточной Грузии, в метаморфизованных породах фундамента в Алжире, в измененных серпентинитах на Кубе.
В Шаимском районе Западной Сибири притоки нефти получены из коры выветривания гранитно-метаморфических пород, залегающих в ядрах мезозойских поднятий. В Южном Мангышлаке нефть приурочена к зоне вторично измененных гранитов на месторождении Оймаша и т.д.
Этот список можно продолжить, но во всех случаях нефть была получена либо из сильно измененных метаморфизованных пород, либо из самых верхов фундамента, затронутых вторичными процессами. Поэтому почти до конца XX века считалось, что породы фундамента являются монолитом и в них отсутствуют коллекторы, способные аккумулировать углеводороды, В связи с этим, многочисленные нефтепроявления и локальные скопления нефти и кристаллическом фундаменте в различных регионах мира рассматривались как исключительное явление и практически не привлекали внимание исследователей, за исключением, пожалуй, сторонников абиогенного происхождения нефти.
Только открытие нефтяных скоплений из гранитоидов интрузивов в шельфовой зоне Вьетнама, в частности нефтяного месторождения Белый Тигр, заставило геологов-нефтяников коренным образом пересмотреть свое отношение к породам фундамента и направить свои усилия на изучение механизмов образования в них зон пустотности.
Поэтому ниже мы очень кратко рассмотрим основные факторы формирования коллекторов в гранитоидах интрузивов.
Некоторые механизмы образования зон пустотности в породах фундамента

Как мы уже говорили, до открытия месторождения Белый Тигр в гранитоидах интрузивов геологи-нефтяники полагали, что кристаллические породы не могут быть коллекторами.
В то же время, специалисты, работающие в области рудной геологии, постоянно изучали магматические породы и причины возникновения в них зон пустотности, так как к ним приурочены многие рудные месторождения. Одним из наиболее известных ученых в этой области был М.А, Осипов, который в течение десятков лет изучал и моделировал особенности образования и распространения зон пустотности в гранитоидах интрузивов и околоинтрузивном пространстве.
Известно, что рудные месторождения, связанные с гранитоидами интрузивов, в подавляющем большинстве образуются за счет отложений минералов из протекающих по зонам повышенной проницаемости гидротермальных, то есть водных растворов. Поэтому практически весь комплекс исследований, выполненных М.А. Осиповым и другими исследователями, может быть распространен и на углеводородные флюиды. В образовании зон пустотности в гранитоидах интрузивов принимают участие многие факторы и процессы, важнейшим из которых является состав магмы, внедрившейся в осадочный чехол, размер внедрившегося расплава, тектонические движения, сопровождающие этот процесс и т.д. В формировании пустот можно выделить два периода. Первый период - это период остывания расплава и его кристаллизация до температуры вмещающей породы и второй, когда процессы образования пустотности происходят уже в твердом остывшем теле интрузива. В первый период, если он проходит в относительно спокойной тектонической обстановке, происходят автономные процессы развития интрузива и внутри его возникают как изометрические полости типа каверн, так и трещинные. Во втором периоде развития интрузивов, так же как и вмещающих их пород, распространение и характер пустотности зависят от влияния внешних региональных и локальных факторов (тектоника, метаморфизм, гидротермальная обстановка и др.). В этот период образуются в основном трещинные пустоты. На первом этапе магматические расплавы и образовавшиеся из них породы при своем охлаждении, а также при фазовых изменениях, сопровождающих этот процесс, испытывают обязательное и достаточно интенсивное уменьшение объема: термическое сокращение и контракционную усадку. Температура гранитоидного расплава, еще сохраняющего свою мобильность в относительно верхних горизонтах земной коры, близка к 900 °C. После остывания гранитоидного тела до 200-100 °С, согласно законам термодинамики, его объем уменьшается на 8-9 %, при этом какая-то часть этой усадки приходится на уменьшение внешних размеров гранитоидного тела, а остальная на создание контракционной пустотности внутри него. М.А. Осипов оценивает эту пустотность от 2-3 % от общего объема гранитоидного тела и до 8 %. В результате исследований гранитоидов площади Оймаша, проведенные В.И. Попковым с соавторами, было установлено, что сокращение внутреннего объема гранитоидной породы в процессе ее остывания составляет около 8,4 %, что вполне сопоставимо с расчетами М.А. Осипова. Эти выводы основываются на том, что при внедрении магмы в верхнюю часть земной коры расплав вступает в контакт с холодными вмещающими породами. Приграничная часть гранитоидного тела («зона закалки») остывает очень быстро и создает жесткую раму, препятствующую уменьшению внешних размеров гранитоидного тела. Между тем во внутренних его частях продолжается застывание расплава и превращение его в породу, что сопровождается дальнейшим уменьшением объема и в связи с этим образованием каверн, трещин и других пустот. Учитывая, что остывание интрузивов и превращение его в породу протекает не одномоментно, процесс образования зон разуплотнения вещества постепенно смещается на большие, и большие глубины и постепенно затухает. В соответствии с этим, максимальное распространение зон пустотности, образующихся в первый период формирования интрузива, характерно для его верхней части. Значительно более сложный и многообразный механизм образования зон пустотности наблюдается уже после его формирования как твердого остывшего тела. Существенным моментом в образовании пустотности в гранитоидах является и состав магмы, в том числе степень ее насыщения летучими компонентами, главным образом водой, щелочами и фтором.
Кратко рассмотрим некоторые процессы, происходящие во время застывания гранитоидных расплавов и, затем, в теле застывшего интрузива.
Автометосамотоз. Во время застывания гранитоидных расплавов и превращения его в породу происходит серитизация полевых шпатов и некоторое перераспределение алюмосиликатного вещества. Такие процессы, по мнению О.А. Шнипа, вероятно не создают значимого пустотного пространства, но приводят к некоторому «разрыхлению» породы, подготавливая ее к воздействию более поздних процессов.
Контракционная усадка. Об этих процессах мы уже говорили. Здесь же только добавим, что в некоторых случаях контракционная усадка может привести к образованию каверн, раковин и полостей размером до нескольких метров, что легко объясняет факты поглощения глинистого раствора и провалы инструмента, иногда наблюдающиеся при разбуривании фундамента.
Тектонические процессы. Тектонические подвижки легко раскалывают хрупкие породы гранитоидов. Причем в случаях возникновения крутопадающих разломов интрузивные тела могут рассекаться целиком с образованием разобщенных частей со значительными их смещениями по вертикали и горизонтали. Следует отметить, что тектонические движения, формирующие глубинные разломы, как правило, повторяются неоднократно, образуются как бы параллельные ветви разломов. Поэтому в хрупких породах возникают открытые трещины, к которым относятся так называемые «трещины оперения». И хотя такие трещины распространяются относительно недалеко от оси разлома, они играют большую роль в проницаемости пород для флюидных фаз. Примеры оперяющих трещин показаны на рис. 8.16.
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

В целом, тектонические процессы создают не только разломы и системы трещин, но и зоны катаклаза и мелонитизации. В керне зоны трещиноватости выражаются в том, что, он превращен в щебенку с величиной обломков 3-10 см. Зоны катаклаза и мелонитизации представлены раздробленными и перетертыми породами с величиной обломков 0,1-3 мм. Мощность таких зон не велика и измеряется сантиметрами или первыми десятками сантиметров. Часто они образуются вдоль крупных трещин, по которым происходили тектонические подвижки.
Гидротермальные процессы. Горячие флюиды циркулируют в породах фундамента по пустотам, образовавшимся в результате тектонических процессов и контракционной усадки. Эти флюиды являются также коллекторобразующим фактором. Прежде всего, они в соответствующих условиях растворяют некоторые минералы и образуют каверны. Горячие флюиды могут пропитывать матрицу породы, реагируя с полевыми шпатами, слюдами, амфиболами и др., в результате чего монолитные зерна первичных минералов замещаются рыхлыми агрегатами слюдистого, хлоритового, цеолитового состава, обладающими некоторой пустотностью.
Впервые в нашей стране на необычные свойства цеолитов обратил внимание А.Н. Дмитриевский. По представлению А.Н. Дмитриевского цеолиты являются пористыми алюмосиликатами, каркас которых пронизан параллельными трубчатыми пустотами, благодаря которым доля свободного объема составляет около 34 %. Обычно этот объем заполнен водой, а при повышении температуры происходит замещение пустот газами. Процесс цеолитизации сопровождается формированием зон разуплотнения вдоль тектонических нарушений. На некоторые процессы, происходящие в породах залежи месторождения Белый Тигр, связанные с распространением цеолитов, мы уже говорили ранее. Здесь же добавим, что на глубине 4551-4552 м в керне скв. 813 месторождения Белый Тигр обнаружен кварцевый монцодиорит с сажистыми примазками по стенкам трещин. По мнению О.А. Шнипа этот феномен объясняется тем, что на этой глубине пластовая температура составляет около 150 °C. Учитывая, что цеолиты проявляют каталитические свойства в различных процессах превращения углеводородов (крекинг, изомеризация), вполне возможно, что здесь происходит некоторая деструкция нефти. При этом газообразные углеводороды выделяются и рассеиваются по трещинам, а также поглощаются цеолитами, обладающими свойствами молекулярного сита, а нефть обогащается тяжелыми компонентами и теряет свою мобильность. Завершая рассказ о гидротермальных процессах, добавим, что минералы гидротермального происхождения могут частично или полностью заполнить пустоты и трещины в породе, ухудшая ее коллекторские свойства.
Тектоно-кессонный эффект. Само название этого процесса говорит о том, что какое-либо тело, находящееся в условиях повышенных давлений, достаточно быстро попадает в область относительно низких давлений. Точно так же происходит с гранитоидами, когда они, например, образовались на глубине 5000 м и затем, благодаря достаточно интенсивным восходящим движениям попадают на дневную поверхность. Смена условий приводит к образованию многочисленных трещин в породе.
Гипергенные процессы. После выхода гранитоидов на дневную поверхность под влиянием атмосферных агентов образуются коры выветривания, обладающие относительно высокой пористостью и проницаемостью. В некоторых участках коры выветривания могут быть частично размыты и в этом случае участки их распространения определяются особенностями палеорельефа. Как правило, переход от коры выветривания к коренным породам постепенный и каким-либо экраном они не разделены. В качестве примера снова приведем шельфовую зону Вьетнама, где кора выветривания на месторождениях Белый Тигр, Дракон и др. обладает хорошими коллекторскими свойствами с «пустотностью», достигающей 15 % и проницаемостью, измеряемой сотнями миллидарси.
Таким образом, коллекторы нефти и газа в кристаллических породах обладают сложной структурой порового пространства и наличием двух сред, матрицы породы и системы трещинно-порового пространства. Модель такого вида пустотности была разработана Уорреном и Рутом в 1963 г. (рис. 8.17).
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

По данным В.В. Поспелова двухфазная фильтрация в таком коллекторе сопровождается постоянным обменом фазами между матрицей и основными каналами фильтрации, что в значительной степени определяет нефтеотдачу пласта. Следует отметить, что приведенные механизмы образования зон пустотности в гранитоидах интрузивов полностью подтверждаются фактическими материалами изучения месторождения Белый Тигр и др. Так, например, по данным исследований керна в фундаменте некоторых скважин месторождения Белый Тигр были встречены породы, которые можно охарактеризовать, как образования «зоны закалки».
Отчетливо наблюдается ухудшение коллекторских свойств по глубине интрузива. Наибольшей пустотностью до 9,6 % обладают породы, залегающие в присводовой части структуры на глубинах 3050-3200 м. Ниже, до глубины 4500 м, коллекторские свойства интрузивов вполне удовлетворительны, а еще ниже преобладают монолитные непродуктивные породы. Максимальная глубина проходки фундамента на месторождении Белый Тигр составляет 2000 м при глубине скважины более 5000 м. Однако промышленные скопления нефти в Белом Тигре встречаются на глубинах не более 4,5 км. По данным О.А. Шнипа, если в верхних частях интрузива нефть заполняет пустоты и трещины (рис. 8.18), то на глубине порядка 4,4 км и чуть более в керне присутствуют только черные сажистые примазки на стенках трещин, а также сгустки асфальтоподобного вещества (рис. 8.19).
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла

Нижняя граница залежи нефти на месторождении Белый Тигр не установлена, а водонефтяной контакт нигде не вскрыт. Отсутствуют признаки воды и в скважинах, в которых в процессе эксплуатации залежей фиксируется резкое падение дебитов.
Учитывая, что ниже 4,5 км притоки нефти и нефтепроявления отсутствуют, а также нет каких-либо водопроявлений, можно сделать вывод о том, что эта залежь не имеет водонефтяного контакта, а положение ее нижней границы связано с ухудшением коллекторских свойств гранитоидов с глубиной, что установлено геофизическими исследованиями скважин.
А теперь давайте посмотрим другие уникальные фотографии керна магматических пород, поднятых из нефтяной залежи месторождения Дайхунг (рис. 8.20).
Таким образом, концентрация усилий ученых на изучении основных механизмов возникновения зон пустотности в магматических породах позволяет выделить фундамент как принципиально новый объект поисково-разведочных работ, весьма перспективный для прироста нефтяных ресурсов.
Нетрадиционные коллекторы в разрезе осадочного чехла