Особенности геологического строения газовых месторождений

Западно-Сибирская нефтегазоносная провинция занимает ведущее место в развитии топливно-энергетической базы России. Одними из высокоперспсктивных районов в отношении скоплений углеводородного сырья являются Уренгойский и Северо-Уренгойский нефтегазоносные районы, а также наряду с ними входят и другие: Бованенковское, Ямбургское, Заполярное, Ямсовейское, Юбилейное, Медвежье и другие газоконденсатные месторождения.

Особенности геологического строения многих месторождений в значительной степени осложняют проводку скважин, а также работу при ликвидации газонефтеводопроявлений.

Некоторые месторождения по своей литолого-минералогической характеристике разделяются на несколько этажей, каждый их которых имеет специфические особенности: например, наличие ряда неустойчивых и сильно поглощающих горизонтов, наличие пород, агрессивно действующих на применяющиеся при проводке промывочные жидкости, или пластов, характеризующихся аномально высокими давлениями, и т.д. Эти особенности геологического разреза месторождений образуют исключительно сложное сочетание условий проводки скважин.

Для успешного проведения работ, предупреждающих возникновение выбросов и фонтанов, необходимо иметь четкое стратиграфическое и литологического расчленение вскрываемого разреза. Это вызывает необходимость совершенствования и широкого применения методов геологического и промыслово-геофизического изучения нефтяных и газовых месторождений.

По промыслово-геофизическим данным, результатам анализа кернового материала и испытаний скважины дается заключение о глубине залегания продуктивных горизонтов, их мощности, коллекторских свойствах породы, физических и химических свойствах нефти, газа и воды.

Формы залегания осадочных горных пород

Характерный признак осадочных горных пород - их слоис­тость.

Данные породы сложены, в основном, из почти параллельных слоев (пластов), отличающихся друг от друга составом, структурой, твердостью и окраской.

Поверхность, ограничивающая пласт снизу, называется подошвой, а сверху - кровлей.

Пласты осадочных пород могут залегать не только горизон­тально, но и в виде складок (рис. 3), образовавшихся в ходе колебательных, тектонических и горообразовательных процессов.

Изгиб пласта, направленный выпуклостью вверх, называется анти­клиналью, а выпуклостью вниз - синклиналью. Соседние антиклиналь и синклиналь в совокупности образуют полную складку.

Рисунок 3 - Складка

В России почти 90 % найденных нефти и газа находятся в ан­тиклиналях, за рубежом - около 70 %. Размеры антиклиналей составляют в среднем: длина 5...10 км, ширина 2...3 км, высота 50...70 м. Однако известны и гигантские анти­клинали. Так, самое крупное в мире нефтяное месторождение Гавар (Саудовская Аравия) имеет размеры в плане 225x25 км и высоту 370 м, а газовое месторождение Уренгой (Россия): 120x30 км при высоте 200 м.

По проницаемости горные породы делятся на:

- проницаемые (коллекторы) и

- непроницаемые (покрышки).

Коллекторы - это лю­бые горные породы, которые могут вмещать в себя и отдавать жидкости и газы, а также пропускать их через себя при наличии перепада давле­ния.

Встречаются следующие типы коллекторов:

1) поровые, состоящие из зернистых материалов (пески, пес­чаники и др.), пустотами в которых являются межзерновые поры;

2) кавернозные, пустоты в которых образованы полостями-кавернами различного происхождения (например, образованными в результате растворения солей проникающими в породу поверхностыми водами);

3) трещиноватые, образованные из непроницаемых опор, но вмещающие в себя жидкости или газ за счет многочисленных микро- и макротрещин (трещиноватые известняки и др.);

4) смешанные (кавернозно-трещиноватые, трещиновато-но­ровые, кавернозно-поровые или кавернозно-трещиновато-поровые).

Наилучшими коллекторскими свойствами обладают поровые коллекторы.

Неплохими способностями вмещать в себя и отдавать жидкости и газы, а также пропускать их через себя могут обладать и другие типы коллекторов.

Так, па некоторых месторождениях Сау­довской Аравии взаимосвязанные системы трещин создают каналы длиной до 30 км. К трещиноватым коллекторам за рубежом приуро­чено более 50 % открытых запасов нефти, а в России - 12 %.

Покрышки - это практически непроницаемые горные поро­ды. Обычно ими бывают породы химического или смешанного происхождения, не нарушенные трещинами. Чаще всего роль покры­шек выполняют глины: смачиваясь водой, они разбухают и закрывают все поры и трещины в породе. Кроме того, покрышками могут быть каменная соль и известняки.

Образование нефтяных и газовых месторождений

Для формирования крупных скоплений нефти и газа необходимо выполнение ряда условий:

- наличие проницаемых горных пород (коллекторов),

- непроницаемых горных пород, ограничивающих перемещение нефти и газа по вертикали (покрышек), а также пласта особой формы, попав в который нефть и газ оказываются как бы в тупике (ловушки).

Миграция нефти и газа - основное условие формирования их скоплений. Миграция происходит в коллекторах вместе с пластовой водой, которая обычно насыщает поровое пространство. При этом нефть и газ либо растворены в воде, либо находятся в свободном состоянии. Миграция происходит из области высоких давлений в область относительно низких вдоль непроницаемых пород - покрышек. Попав в ловушку нефть, газ и вода под действием сил гравитации расслаиваются:

- газ, как самый легкий, уходит вверх,

- вода, как самая тяжелая, - вниз,

- нефть занимает промежуточное положение.

Самые распространенные типы ловушек приведены на рис. 4. Наиболее распространены антиклинальные ловушки (рис. 4 а).

Рисунок 4 – Типы ловушек

Если в антиклинальной складке пласт-коллектор перекрыт водогазонефтенепроницаемой толщей (покрышкой), то в нем возможно формирование нефтегазовой залежи. Тектонические движения часто приводят к разрыву сплошности слоев и вертикальному перемещению мест обрыва относительно друг друга. В результате пласт-коллектор в месте тектонического нарушения может соприкасаться с непроницаемой горной породой, что приводит к образованию тектонически экранированной ловушки (рис. 4 б).

Если по какой-то поверхности коллекторы перекроются более молодыми непроницаемыми отложениями, то образуется стратиграфически экранированная ловушка (рис. 4 в). В природе встречаются случаи, когда линзы проницаемых пород, например, песчаников, окружены непроницаемыми - глинами. В этом случае образуется литологически экранированная ловушка (рис. 4 г). Скопление нефти и газа, сосредоточенное в ловушке в количестве, достаточном для промышленной разработки, называется залежью.

Наиболее часто залежи углеводородов встречаются в ловушках антиклинального типа (рис. 5). В общем случае в верхней части продуктивного пласта располагается свободный газ (газовая шапка), внизу - вода, а между ними нефть. Поверхность, разделяющая нефть и воду или нефть и газ, называется соответственно водонефтяным или газонефтяным контактом. Линия пересечения поверхности контактов с кровлей пласта называется соответственно внешним контуром нефтеносности или газоносности, а с подошвой пласта - внутренним контуром нефтеносности или газоносности. Кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой нефтегазоносного пласта называют его толщиной.

Рисунок 5 - Схема газонефтяной пластовой залежи:

ВКГ - внутренний контур газоносности;

ВНКГ - внешний контур газоносности;

ВКН - внутренний контур нефтеносности;

ВНКН - внешний контур нефтеносности;

Под месторождением нефти и газа понимается совокупность залежей, приуроченных к общему участку земной поверхности. Поня­тия месторождение, и залежь равнозначны, если на одной площади имеется всего одна залежь. Такое месторождение называется однопластовым. В остальных случаях месторождения являются многопластовыми. Например, на нефтяных месторождениях Апшеронского полуострова установлено до 30...40 залежей. Месторождение называют газовым, если оно содержит только газовые залежи, состоящие более, чем на 90 % из метана. К газоконденсатным относят такие газовые месторождения, из газа которых при снижении давления до атмосферного выделяется жидкая фаза - кон­денсат. Если месторождение состоит из нефтяных или газонсфтяных залежей, то оно соответственно называется нефтяным или газонефтя­ным. Более детальную информацию о залежах и месторождениях дают структурные карты и геологические разрезы. Структурная карта представляет собой изображение в горизонталях (изогипсах) рельефа кровли или подошвы продуктивного пласта. Для ее построения залежь рассекают множеством горизонтальных плоскостей и определяют кон­туры линий пересечения этих плоскостей с кровлей или подошвой продуктивного пласта. По характеру расположения изогипс можно су­дить о крутизне залегания пласта: чем они ближе друг к другу, тем положение пласта круче. Геологическим разрезом называют изобра­жение геологического строения данного участка земной коры в вертикальной плоскости. Различают геологические разрезы в виде гео­логического разреза скважины и в виде геологического профиля. Под геологическим разрезом скважины понимают геологическое описание и графическое изображение последовательности напластования пород, пройденных скважиной. Геологическим профилем называют графичес­кое изображение строения месторождения в вертикальной плоскости. Это совокупность геологических разрезов скважин. Наличие структурных карт и геологических разрезов даст бо­лее наглядное представление о строении недр, позволяет более обоснованно и успешно осуществлять бурение скважин, оптимизиро­вать проектные решения по разработке месторождений.

Лекция № 3

Происхождение нефти

Считается, что за время существования нефтяной промыш­ленности человечеством добыто около 85 млрд. т нефти и оставлено в недрах отработанных месторождений еще 80...90 млрд. т. Кроме того, доказанные запасы нефти в настоящее время составляют около 140 млрд. т. Итого около 300 млрд. т. Что за «фабрика» произвела такое количество нефти?

Вопрос о происхождении нефти имеет не только познаватель­ное, но и большое практическое значение. «Только тогда, когда мы будем иметь правильное представление о тех процессах, в результате которых возникла нефть, ...будем знать, каким образом в земной коре образуются ее залежи, мы получим... надежные указания, в каких ме­стах надо искать нефть и как надлежит наиболее целесообразно организовать ее разведку», - справедливо писал в 1932 г. академик И.М. Губкин.

В развитии взглядов на происхождение нефти выделяют 4 этапа:

- донаучный период;

- период научных догадок;

- период формирования научных гипотез, связанный с нача­лом развития нефтяной промышленности;

- современный период.

Ярким примером донаучных представлений о происхождении нефти являются взгляды польского натуралиста XVIII в. каноника К. Клюка. Он считал, что нефть образовалась в раю и является остатком той благодатной жирной почвы, на которой цвели райские сады. Но после грехопадения Бог решил наказать человечество и уменьшил урожайность земли, удалив из нее жирное вещество. Одна часть жира, по мнению каноника, испарилась под влиянием солнечного тепла, а другая опустилась вглубь Земли, где и образовала скопления нефти.

Примером взглядов периода научных догадок является выс­казанная М.В. Ломоносовым мысль о том, что нефть образовалась из каменного угля под воздействием высоких температур. В своей рабо­те «О слоях земных» в середине XVIII в. он писал: «Выгоняется подземным жаром из приуготовляющихся каменных углей оная бу­рая и черная масляная материя и вступает в разные расселины...».

С началом развития нефтяной промышленности вопрос о про­исхождении нефти приобрел важное прикладное значение. Это дало мощный толчок к появлению различных научных гипотез.

В 1866 г. французский химик М. Бертло высказал предполо­жение, что нефть образовалась в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. Другой французский химик Г. Биассон в 1871 г. выступил с идеей о происхождении нефти в резуль­тате взаимодействия воды, углекислого газа и сероводорода с раскаленным железом.

Обе эти реакции действительно приводят к образованию нефтсподобного вещества, а сами гипотезы являются первыми представителями неорганической теории происхождения нефти.

В 1888 г. немецкий химик К. Энглер, нагревая жиры морских животных при давлении 1 МПа до температуры 320...400 °С, получил нефтсподобные продукты. На этом основании он вместе с геологом Г. Гефером выдвинул гипотезу о происхождении нефти из животного жира, т.е. из органического вещества.

В настоящее время сформировались две теории происхожде­ния нефти: органическая и неорганическая.

Сторонники органической теории утверждают, что исходным материалом для образования нефти стало органическое вещество.

В основе современных взглядов на происхождение нефти ле­жат положения, сформированные академиком И.М. Губкиным в 1932 г. в его монографии «Учение о нефти». Ученый считал, что исходным для образования нефти является органическое вещество морских илов, состоящее из растительных и животных организмов. Его накопление на дне морей происходит со скоростью до 150 г на 1 квадратный метр площади в год. Старые слои довольно быстро перекрываются более молодыми, что предохраняет органику от окисления. Первоначаль­ное разложение растительных и животных остатков происходит без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий. Далее пласт, образовавшийся на морском дне, опускается в результате общего про­гибания земной коры, характерного для морских бассейнов. По мере погружения осадочных пород давление и температура в них повыша­ются. Это приводит к преобразованию рассеянной органики в диффузно рассеянную нефть. Наиболее благоприятны для нефтеоб-разования давления 15...45 МПа и температуры 60...150 °С, которые существуют на глубинах 1,5...6 км. Далее, под действием возрастаю­щего давления нефть вытесняется в проницаемые породы, по которым она мигрирует к месту образования залежей.

Таким образом, процесс нефтеобразования делится на три этапа:

1) накопление органического материала и его преобразование в диффузно рассеянную нефть;

2) выжимание рассеянной нефти из нефтематеринских пород в коллекторы;

3) движение нефти по коллекторам и ее накопление в зале­жах.

В последующие годы взгляды И.М. Губкина блестяще подтвер­дились. В 1934 г. в нефти, асфальтах и ископаемых углях были найдены порфирины, входящие в молекулу хлорофилла. В 50-е годы нашего столетия А.И. Горской (в СССР) и Ф. Смитом (в США) были откры­ты нефтяные углеводороды в осадках водоемов различных типов (в озерах, заливах, морях, океанах). Открытие крупнейших нефтяных месторождений в осадочных бассейнах сначала между Волгой и Ура­лом, а затем в Западной Сибири также подтверждает взгляды И.М. Губкина. Наконец, в настоящее время большинство нефтяных место­рождений мира находится в местах сосредоточения осадочных пород, содержащих окаменелые останки животных и растений. Вместе с тем сторонники органического происхождения не­фти бессильны объяснить существование ее гигантских скоплений там, где органического вещества в осадочных породах относительно мало (например, бассейн реки Ориноко). Более того, довольно значи­тельные скопления нефти в Марокко, Венесуэле, США и других странах встречаются в метаморфических и изверженных породах, в которых органического вещества просто не может быть. До недавнего времени бесспорным подтверждением родства нефти и органическо­го мира считались соединения, встречающиеся в обоих из них (например, порфирины). Однако в настоящее время многие из этих соединений получены неорганическим путем. При этом синтезе также получается значительное количество твердых парафинов, часто встречающихся в нефти. Органическая же теория объяснить такую долю парафина в нефтях не может.

Абсолютно не вписываются в органическую теорию происхож­дения нефти находки, сделанные в магматических породах. Так, в древнейших кристаллических породах, вскрытых Кольской сверхглу­бокой скважиной, зафиксировано присутствие родственного нефти битуминозного вещества, а на вьетнамском шельфе открыты крупные нефтяные месторождения (Белый Тигр, Волк, Дракон), где продук­тивными оказались не привычные нефтяникам песчаники и известняки, а глубинный гранитный массив. Похожее, хотя и неболь­шое, месторождение (Оймаша) известно в Казахстане.

Сторонники неорганической теории считают, что нефть об­разовалась из минеральных веществ.

В 1876 г. Д.И. Менделеев выдвинул, так называемую, «кар­бидную» гипотезу происхождения нефти. По мнению ученого, во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рас­секающим земную кору, вглубь проникает вода. Встречая на своем пути карбиды железа, она вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды. Затем последние по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и образуют нефтяные месторождения. Заслугой Д.И. Менделеева является то, что впервые вместо общих рассуждений им была выдвинута стройная гипотеза, объясня­ющая не только химическую, но и геологическую сторону процесса образования нефти из неорганических веществ.

Оппоненты «карбидной» гипотезы утверждают, что существо­вание карбидов железа в недрах Земли не доказано, а кроме того, в условиях высоких давлений и температур горные породы становятся пластичными и поэтому существование трещин, ведущих к ядру Зем­ли, но их мнению, невозможно.

В 1892 г. русский геолог В.Д. Соколов, основываясь на фактах находок битумов в метеоритах, а также на наличии углеводородов в хвостах некоторых комет, предложил «космическую» гипотезу воз­никновения нефтяных углеводородов в коре нашей планеты. По его мнению, углеводороды изначально присутствовали в газопылевом облаке, из которого сформировалась Земля. Впоследствии они стали выделяться из магмы и подниматься в газообразном состоянии по трещинам в верхние слои земной коры, где конденсировались, обра­зуя месторождения нефти. Оппоненты В.Д. Соколова утверждают, что существование в недрах Земли трещин большой протяженности, со­единяющих земное ядро с поверхностью, невозможно. Современными же исследованиями установлено, что и атмосфере планет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна присутствует метан, хотя никакой органи­ки на этих планетах не было и быть не может. Ученые предполагают, что метан образовался в условиях высоких температур из водорода и углекислого газа, широко распространенных в космосе.

В 50-е годы ленинградский геолог-нефтяник И.А. Кудрявцев собрал и обобщил огромный геологический материал по нефтяным месторождениям мира. Прежде всего он на более обширном материа­ле подтвердил наблюдения Д.И. Менделеева о том, что многие месторождения обнаруживаются под зонами глубинных разломов зем­ной коры. Во-вторых, он собрал сведения об отсутствии прямой связи между наличием нефти и количеством органического вещества в по­роде. Таким местом является, в частности, Мархининский вал на севере Сибири, где горные породы на глубину двух километров буквально пропитаны нефтью, а количество углерода, образовавшегося одновре­менно с породой, составляет всего 0,2...0,4 %. На этом основании ученый считал, что нефтеносность Мархининского вала связана не с преобразованием органического вещества, а с наличием глубинного разлома, по которому углеводороды поднимались из недр планеты. Тем же самым можно объяснить присутствие нефти в кимберлитовых трубках, которые представляют собой каналы взрывного разлома зем­ной коры, образовавшиеся в результате прорыва глубинных газов и магмы из недр Земли.

На основании этих и других фактов II.А. Кудрявцев выдви­нул «магматическую» гипотезу образования нефти. По его мнению, на больших глубинах в условиях очень высокой температуры углерод и водород образуют углеводородные радикалы СН. Затем по глубинным разломам они поднимаются вверх, ближе к земной по­верхности. Благодаря уменьшению температуры, в верхних слоях Земли эти радикалы соединяются друг с другом и с водородом, в ре­зультате чего образуются различные нефтяные углеводороды. Основываясь на этой гипотезе, Н.А. Кудрявцев советовал ис­кать нефть не только в верхних слоях, но и значительно глубже. Этот прогноз блестяще подтверждается открытием все более глубоко зале­гающих нефтяных месторождений.

Оппоненты Н.А. Кудрявцева утверждают, что в условиях вы­соких температур углеводородные радикалы существовать не могут. Однако Э.Б. Чекалгок выполнил необходимые расчеты и показал, что на больших глубинах высокое давление полностью подавляет терми­ческую деструкцию углеводородов. Кроме того, здесь происходит не только синтез углеводородов из воды и углекислого газа, но также их полимеризация, циклизация и конденсация в крупные углеводоподобные молекулы. Оптимальные термодинамические условия для син­теза нефти, по мнению ученого, имеют место на глубинах порядка 100...200 км. Прорыв нефтяных углеводородов ближе к поверхности происходит по разломам, возникающим в мантии и земной коре.