Антиклинальная теория
Антиклинальная теория. Классификация ловушек. Структурные ловушки, связанные с образованием складок, сбросов, трещин.
Глава 6 Пластовые ловушки: общие сведения и структурные ловушки
Пропуск стр. 213-218
Цитированная литература
Заключение
В заключение следует еще раз подчеркнуть следующие наиболее существенные особенности пластовых флюидов:
1. Химические и физические свойства каждого из присутствующих пластовых флюидов ‑ воды, нефти и газа ‑ широко варьируют.
2. Химические и физические свойства флюидов, а также их относительное содержание в пласте оказывают существенное влияние на миграцию и аккумуляцию в залежи нефти и газа, а выявление этих характеристик имеет большое значение для эффективной эксплуатации нефтяных и газовых залежей.
3. При эксплуатации залежей обычно стремятся получить наиболее важные данные, касающиеся пластовых флюидов. Для вод нефтяных месторождений эти данные включают водонасыщенность, дебит, концентрацию растворенных солей и химический состав; для нефти – нефтенасыщенность пласта, суточный дебит на единицу падения пластового давления, химический состав, плотность и вязкость; для природного газа - объем, дебит на единицу падения пластового давления, содержание конденсата, присутствие примесей и содержание серы.
1. Gran done P., Cook А.В., Collecting and Examining Subsurface Samples of Petroleum, Tech. Paper 629, U.S. Bur. Mines, 67 p., 1941.
2. Pyle H.C, Sherborne J.E., Core Analysis, Tech. Publ. 1024, Petrol. Technol., 1939; Trans. Am. Inst. Min. Met. Engrs., 132, pp. 33-61, 1939.
Pollard T.A., Reichertz P.P., Core-Analysis Practices - Basic Methods and New Developments, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 36, pp. 230-252, 1952.
3. Lidd1e R.A., The Van Oil Field, Van Zandt County, Texas, Bull. 3601, Univ. of Texas, 82 p., 1936.
4. Cupps С.Q., Lipstate Ph.H., Jr., Fry J., Variance in Characteristics of the Oil in the Weber Sandstone Reservoir, Rangely Field, Colorado, RI 4761, U.S. Bur. Mines, 68 p., 1951.
Espach R.H., Fry J., Variable Characteristics of the Oil in the Tensleep Sandstone Reservoir, Elk Basin Field, Wyoming and Montana, RI 4768, U.S. Bur. Mines, 24 p., 1951.
5 Case L.С. et al., Selected Annotated Bibliography on Oil-Field Waters, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 26, pp. 865-881, 1942.
6 Wasson Th.,Wasson I.B., Cabin Creek Field, West Virginia, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 11, pp. 705-719, 1927.
7 Reger D.B., The Copley Oil Pool of West Virginia, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 11, pp. 581-599, 1927.
8. Davis R. E., Stephenson E. A., Synclinal Oil Fields in Southern West Virginia, Structure of Typical Am. Oil Fields, Am. Assoc. Petrol. Geol., Tulsa, Okla., 2, pp. 571-576, 1929. 9 Crawford J.C, Waters of Producing Fields in the Rocky Mountain Region, Tech. Pub. 2383, Trans. Am. Inst. Min. Met. Engrs., 179, pp. 264-285, 1949. 10 Case L. C, The Contrast in Initial and Present Application of the Term'Connate, Water, Journ. Petrol. Technol., 8, № 4, p. 12, 1956.
11. Fettke Ch.R., Core Studies of the Second Sand of the Venango Group from Oil City, Pa., Trans. Am. Inst. Min. Met. Engrs., pp. 219-230, 1927. (Фетке был первым, кто еще в 1926 г. отметил, что нефтеносные песчаники первоначально не были насыщены нефтью, но содержали значительное количество воды.)
12. Вruсе W.A., Welge H.L, The Restored-state Method for Determination of Oil in Place and Connate Water, in Production Practice and Technology, Am. Petrol. Inst., pp. 166-174, 1947.
13. Trask P.D., Compaction of Sediments, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 15, pp. 271-276, 1931.
14. Rail С.G., Taliaferro D.В., A Method for Determining Simultaneously the Oil and Water Saturations of Oil Sands, RI 4004, U.S. Bur. Mines, 16 p., 1946. Сaran J.G., Core Analysis - an Aid to Profitable Completions, Mines Magazine, pp. 19-24, 1947.
15. Pollard T.A., Reichertz P. P., op. cit. (note 2). (Рассмотрено несколько методов определения водонасыщенности пород-коллекторов.)
Первым из главных элементов нефтегазового природного резервуара, как уже упоминалось, является порода-коллектор, вторым - наличие сообщающихся пор, способных в совокупности вмещать и удерживать скопления углеводородов. Третий элемент ‑ нефть, вода и газ, находящиеся в движении, либо способные перемещаться, - заполняет сообщающиеся поры. Четвертый элемент - это ловушка, т.е. место, попадая в которое нефть и газ прекращают дальнейшее перемещение.
Поскольку нефть и газ легче воды, а коллекторы обычно имеют региональный уклон, хотя часто и слабый, нефть и газ движутся в воде как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, пока не встретят на своем пути непроницаемые или слабопроницаемые породы. Непроницаемый слой, перекрывающий коллектор, называется покрышкой (roof rock)¹. Покрышка, имеющая вогнутость выпуклой стороной вверх, препятствует миграции нефти и газа по вертикали и горизонтали и тем самым способствует образованию залежей. Такой внешний барьер является структурной ловушкой. Латеральное уменьшение проницаемости пласта в связи с фациальным замещением его или нарушения последовательности напластования и другие стратиграфические изменения в соотношении с породой-покрышкой образуют внутренний барьер, или стратиграфическую ловушку2.
Структурная ловушка представляет собой результат преобразования формы коллектора; стратиграфическая же ловушка возникает благодаря изменениям свойств самой породы. При разнице гидравлических напоров, обусловливающей нисходящий поток воды, который препятствует направленной вверх миграции углеводородов, образуются гидродинамические барьеры (fluid barriers). Повышенные градиенты гидродинамического потенциала обычно возникают там, где сокращается сечение потока, что происходит, например, при уменьшении мощности проводящей толщи пород или ухудшении ее проницаемости.
[Обращает на себя внимание условность применяемой для ловушек терминологии и особенно неточность определений некоторых понятий.
Структура по-древнегречески означает строение. То или иное строение, т.е. структуру, имеют все ловушки, все горные породы. Американцы под «структурой» в геологии нефти и газа стали понимать тектоническую структуру. Вошло в обиход,
1Используется также термин «кепрок» (cap rock), но он больше подходит для обозначения пород кровли соляных штоков.
²А. Леворсен и другие американские авторы обычно шире понимают термины, связанные со словом «стратиграфия»и производными от него («стратиграфический» и др.), чем мы. В понятие «стратиграфия» они включают также и элементы понятия о литологии. То же самое можно сказать и в отношении стратиграфических ловушек А. Леворсена они охватывают как собственно стратиграфические, так и лито логические ловушки (по распространенной у советских геологов-нефтяников классификации). Читатель должен учитывать это, поскольку терминология ловушек, данная в книге, оставлена при переводе почти везде без изменений.- Прим. ред.
сначала в США, а затем, к сожалению, и у нас, называть «структурой» отдельную складку или вообще изгиб слоев. Против этого в свое время безуспешно возражал акад. А.Н. Заварицкий.
Правильнее, конечно, говорить о структурно-тектонических или дислокационных ловушках. Такое название уже само по себе является основным элементом генетического определения данного типа ловушек.
Критерии, которые положены в данной главе в основу разграничения структурных и стратиграфических ловушек (о стратиграфических ловушках см. подстрочное примечание на стр. 219), также нельзя признать удачными (по крайней мере в той формулировке, которая приведена выше и которая принадлежит, по-видимому, редактору 2-го, посмертного издания книги А. Леворсена). Форма коллектора (резервуара), а следовательно, и его непрерывность изменяются в ловушках обоих типов: в одних благодаря изгибу слоев, в других - их размыву или выклиниванию, первичному (фациальному) или вторичному (например, в результате сброса).
Логически более строгой является классификация ловушек именно как ловушек, т.е. по тому фактору, который обусловливает их способность остановить движение флюидов и обеспечить накопление нефти и газа. В одних случаях причиной возникновения ловушек является выклинивание коллектора (резервуара). Это ловушки выклинивания, полузамкнутые или замкнутые (если выклинивание во все стороны). В другом случае коллектор (резервуар) не выклинивается и причиной образования ловушки является гидродинамика. Это незамкнутые (или гидравлические) ловушки. Такое деление ловушек впервые было предложено в «Спутнике полевого геолога-нефтяника» (II, Гостоптехиздат, 1954).]
Природные резервуары бесконечно разнообразны. Практически каждая седиментационная поверхность в той или иной степени претерпевала деформацию, большинство же из них подвергались деформации неоднократно. Латеральные изменения свойств пород являются скорее правилом, чем исключением, и направление движения пластовых флюидов, несомненно, не оставалось постоянным в течение геологического времени, поскольку оно реагировало на беспрерывные изменения гидравлического напора. [У автора говорится об изменении потенциометрического уровня (potentiometric surface). В нашей литературе обычно пользуются другими терминами, относящимися к близким, но не тождественным понятиям: эквипотенциальные поверхности, пьезометрические уровни; нередко просто говорят о гидродинамических напорах.] Относительная роль каждого из этих факторов в формировании любой конкретной залежи может быть выяснена только после полного разбуривания месторождения и его эксплуатации в течение ряда лет.
Задача геолога-нефтяника в том и состоит, чтобы попытаться до открытия залежи наметить места наиболее благоприятных сочетаний перечисленных факторов. Сведения, которыми он располагает, обычно весьма отрывочны: геофизические данные часто ненадежны; разрезы скважин, которые могли бы пролить свет на строение недр, отсутствуют или широко разбросаны; давление флюидов не известно, а обнажения невелики или слишком удалены одно от другого. Эту скудную информацию приходится как-то комбинировать и экстраполировать на большие расстояния и глубины. Из всех основных элементов природного резервуара до начала бурения легче всего поддается определению наличие ловушек, связанных со структурными особенностями залегания коллекторов. Структурно-геологические исследования могут осуществляться различными методами: геологическим картированием, мелким колонковым бурением, подземным картированием и геофизической съемкой. Поскольку большинство природных резервуаров обнаруживают хотя бы незначительную деформированность, наиболее ценные сведения, подтверждающие предшествующее прогнозирование, дает структурное картирование; оно становится основой прогнозирования в тех случаях, когда ловушки контролируются деформациями отложений, содержащих коллекторы. Однако определение типа резервуара (коллектора), включая такие параметры, как особенности его распространения, пористость и проницаемость, гораздо труднее. Эти свойства нельзя исчерпывающе охарактеризовать без соответствующих данных, которые можно получить только при исследовании разрезов буровых скважин, а также при изучении каротажных диаграмм, бурового шлама, керна, при построении профильных разрезов и структурных карт, отражающих распространение пород-коллекторов, их соотношения с другими породами, несогласия в напластовании. Чтобы собрать данные, которые можно положить в основу прогнозирования местоположения участков, наиболее благоприятных с точки зрения нефтегазонакопления, требуется построение различных карт, в том числе обзорной геологической карты района, структурных карт, карт распространения песчаников, карт мощностей (изопахит), карт подземных срезов и палеогеологических карт, карт продуктивности и равных потенциалов продуктивности, карт литофа-ций и других. Все они более подробно рассматриваются в разделе, посвященном глубинному картированию (стр. 539-564).
Наиболее распространенный случай возникновения ловушки для нефти и газа в погребенной проницаемой толще связан с образованием антиклинальной складки. Ловушка, приуроченная к антиклинальной складке, легче всего поддается картированию и часто может быть выявлена прямо на поверхности. Тесная связь нефтяных и газовых залежей с антиклинальными складками была подмечена еще на ранних этапах развития нефтяной геологии, что и привело к возникновению представлений, длительное время известных под названием антиклинальной теории распределения скоплений нефти и газа. Геологи повсюду вели поиски антиклиналей и куполов для постановки на них разведочного бурения, почти полностью игнорируя при этом различные другие виды ловушек. Антиклинальная теория занимала в свое время очень важное место в практике нефтепоисковых работ, поэтому небезынтересно дать здесь краткий обзор истории ее развития и постепенного преобразования позднее в теорию ловушек.
Хотя различные нафтиды были известны человечеству еще во времена появления первой письменности, только после того, как они приобрели экономическое значение, люди стали всерьез задумываться над тем, почему, как и где нефть и газ аккумулируются в залежи. Начало современной нефтедобывающей промышленности [в США] было положено в 1859 году, когда Дрейк открыл нефть в западной Пенсильвании, хотя задолго до этого нефть добывали из шахт и колодцев во многих районах земного шара. Дрейк показал, что бурение скважин с целью добычи нефти может иметь успех, а количество полученной им нефти, хотя и небольшое по сравнению с тем, что мы добываем в настоящее время, убедило мир в том, что бурение скважин представляет собой наиболее эффективный способ добычи нефти. С этого времени и впредь разведчиков нефти стал волновать один главный вопрос: где ставить бурение? Поиски ответа на этот вопрос постоянно стимулируются непрерывным повышением спроса на нефтепродукты и до настоящего времени составляют суть геологии нефти и газа.
Попытки выяснения условий, контролирующих формирование залежей, нефти и газа, породили множество различных теорий, позволяющих предсказывать, где могут быть развиты такие условия и где, следовательно, можно ожидать открытия залежей. Дольше всех привлекала к себе самое серьезное внимание антиклинальная теория [1]. Развитие этой теории как одного из аспектов геологической мысли само по себе представляет интерес, но в рамках данной работы мы можем лишь вкратце коснуться этого вопроса. Она зародилась еще до открытия Дрейка, и, с годами видоизменившись и обогатившись, по существу столь же верна сегодня, как и на заре своего существования.
Одно из наиболее ранних упоминании о связи скоплений нефти с антиклинальными складками относится к временам, предшествовавшим открытию Дрейка, когда нефтяные источники близ Гаспе, в устье реки Святого Лаврентия, восточная Канада, были обследованы сэром Уильямом Логаном в 1842 г., а затем в 1844 г. описаны им как приуроченные к антиклиналям [2]. Интерес к этому вопросу сильно возрос в связи с открытием Дрейка, и спустя короткое время несколько геологов независимо друг от друга пришли к одинаковому выводу: нефть нужно искать в антиклиналях.
Одним из многих исследователей, изучавших условия накопления нефти и газа, был Уайт, сотрудник Второй геологической службы Пенсильвании. В 1883 г. он отказался от прежней должности и посвятил себя коммерческой деятельности в области нефтедобычи. Прежде всего перед ним встал вопрос, можно ли предсказать наличие или отсутствие в районе газа, основываясь на сведениях о геологической структуре. Он подметил, что газовые скважины в западной Пенсильвании располагаются близ антиклиналей, из чего сделал вывод, что между положением газовой залежи и [тектонической] структурой должна существовать какая-то связь. Его формулировка антиклинальной теории, опубликованная в 1885 г. [3] и затрагивавшаяся в более поздних работах [4, 5], и ныне не утратила значения, которое приобрела в свое время.
Впоследствии Мак-Кой и Кейт отметили важное значение скоплений углеводородов в неструктурных ловушках, т.е. в ловушках, не связанных с антиклинальными складками. В 1934 г. вместо термина «антиклинальная теория» они предложили новый - «структурная теория», подчеркнув, что последний «достаточно широк», чтобы охватить залегание нефти на крыльях антиклиналей, в виде линз и в синклиналях, равно как и в антиклиналях, куполах и структурных выступах¹. Структурная теория сводилась авторами к следующему: «...Промышленные скопления нефти и газа ассоциируются со структурными нарушениями в пористых осадочных породах, причем наиболее важными в этом отношении являются антиклинали и купола» [6].
Хотя от самого термина «антиклинальная теория», возможно, следует ныне и отказаться, основной принцип, на котором она базируется и который заключается в том, что нефть и газ скапливаются в наиболее приподнятой части резервуара, как и прежде, сохраняет свою силу. Единственное отличие состоит в том, что теперь, кроме антиклиналей, мы признаем большое количество других структурных форм, которые образуют вогнутую ограничивающую поверхность коллектора.
В 1934 г. Мак-Коллоф впервые ввел в употребление термин «ловушка» («trap»), который был применен для обозначения природных резервуаров нефти и газа, отличающихся большим разнообразием условий изоляции залежей: образование асфальтовой пробки, линзовидная форма коллектора, локальные изменения пористости пород, срезание и трансгрессивное перекрытие коллектора непроницаемыми отложениями, особенно на гомоклинальных участках, а также формирование складок и дизъюнктивных нарушений [7]. Укоренившееся признание того факта, что структурные деформации ‑ лишь один из нескольких путей формирования ловушек и что большое число залежей может быть приурочено к ловушкам иной природы, еще более усиливало желание заменить термин «антиклинальная теория» каким-либо более широким. В настоящее время обычно используется термин «теория ловушек», причем «ловушкой» вне зависимости от ее вида и происхождения называется объем пород любой геометрической формы, способный улавливать и накапливать нефть.
Большое значение водо-нефтяного контакта в ограничении ловушки заставило пересмотреть сложившееся в прошлом представление о том, что зеркало подземных вод, подпирающих залежь, всегда либо горизонтально, либо почти горизонтально. Установлено, что в некоторых районах, где наблюдаются градиенты давлений пластовых вод, водонефтяной контакт имеет отчетливый наклон. Последний
¹И.М. Губкин еще в 1932 г. в своей работе «Учение о нефти» писал о структурной теории: «Теория гравитационного распределения воды, нефти и газа в зависимости от удельного веса носит название антиклинальной или вообще структурной теории» (стр. 264). В подстрочном примечании к этому И. М. Губкин отметил: «Это название не вполне правильно, ибо отображает лишь частный, хотя и распространенный случай гравитационной теории...». - Прим. ред.
влияет на положение залежи относительно границ ловушки; залежь может смещаться на то или иное расстояние в направлении движения воды вплоть до полного вымывания нефти из ловушки. Основные представления о воздействии движущейся воды на вещества меньшей плотности изложены в классической статье Хьюберта, описывающей физическую сторону этого явления [8]. Влияние наклонного зеркала подземных вод на положение залежи было рассмотрено Расселом [9] и на еще большем количестве примеров продемонстрировано Хьюбертом [10]. Независимо от других это явление исследовал Хилл (G.A. Hill, неопубликованная рукопись, 1961), который пришел к такому же, что и Хьюберт, выводу, а именно, что ловушка для нефти и газа в породе-коллекторе отвечает положению минимума потенциальной энергии пластовых жидкостей и это положение определяется разницей гидравлических напоров в поперечном сечении ловушки.