СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ВЫСОКОДЕБИТНЫХ ОБЪЕКТОВ РАПОГАЗОНОСНЫХ СТРУКТУР С АНОМАЛЬНО ВЫСОКИМ ПЛАСТОВЫМ ДАВЛЕНИЕМ ФЛЮИДОВ, ФОНТАНООПАСНЫХ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
METHOD FOR DETECTING HIGH-RATE OBJECTS OF BRINE- AND GAS-BEARING STRUCTURES WITH ABNORMALLY HIGH FORMATION PRESSURE OF FLUIDS FOUNTAIN-HAZARDOUS FOR DRILLING WELLS

Изобретение относится к области геологии, а именно к прогнозу распределения и локализации рапогазоносных структур с аномально высокими давлениями флюидов (АВПД) в геологическом разрезе осадочного чехла платформ и областей их сочленения с краевыми прогибами.
Одной из серьезных проблем, возникающих при бурении глубоких геологоразведочных скважин на нефть и газ в осадочном чехле платформ являются фонтанные притоки рапы с АВПД [М.Л. Белонин, В.И. Славин, Д.В. Чилингар. Аномально высокие пластовые давления. Происхождение, прогноз, проблемы освоения залежей углеводородов. Под ред. д.г.-м.н. Н.С. Окновой. - СПб.: Недра, 2005. - 324 с]. При вскрытии забоем рапонасыщенных пластов - коллекторов с АВПД скважины нередко переливают с дебитами в первые тысячи кубометров в сутки. В глубоких скважинах, вскрывших рапопроявляющий пласт с АВПД, после крепления обсадных колонн крайне часто фиксируется явление смятия обсадных колонн. В частности, на юге Сибирской платформы бурением на глубинах 1,2-2,2 км установлено наличие в геологическом разрезе галогенно-карбонатной толщи рапогазонасыщенных пластов-коллекторов трещинного и каверново-трещинного типа с АВПД, пластовые давления которых по величине в 2,3-2,6 раза превышают гидростатические. Расчетное значение давления флюидной системы (рапа, рапа с газом), фонтанирующей при вскрытии забоем скважины, практически равняется геостатическому давлению. Также практически равняется геостатическому давлению расчетное значение давления смятия обсадных колонн. А в случае высокодебитного фонтанирования рапы дальнейшее бурение скважин с газом резко осложнено или становится невозможным.
3
В скважинах с притоками из рапогазонасыщенных пластов-коллекторов галогенно-карбонатной толщи с АВПД обычно все объекты с рапопроявлениями подразделяют на две большие группы с единым, аномально высоким давлением флюида (рапы, рапы с газом). В первую группу относят рапопрояляющие скважины с небольшим дебитом фонтанирования в первые кубометры и до десятков кубометров рапы в сутки. Вторая группа объединяет высокодебитные фонтанирующие объекты, дебиты которых превышают первые сотни кубометров в сутки, и в отдельных случаях достигают 25000-30000 м/сут. При небольшом дебите перелива в первые кубометры в сутки удается пробурить скважину и спустить обсадную колонну для перекрытия интервала рапогазопроявления, однако осуществить качественный цементаж заколонного пространства, изолировать интервал рапопроявления с АВПД зачастую не удается. Фонтанирующий с большим дебитом рапы объект - это серьезная проблема для дальнейшего строительства скважины. Обычно внезапное вскрытие забоем высокодебитного объекта приводит к значительным незапланированным затратам и в конечном итоге потере скважины.
Таким образом, проблему прогноза зон рапогазопроявлений в осадочном чехле платформенных областей можно условно разбить на две составляющие части:
- выявление геологического контура (области) возможных рапогазопроявлений с АВПД, осложняющих процесс бурения и крепления глубоких скважин;
- прогноз локализованных в разрезе галогенно-карбонатной толщи фонтаноопасных высокодебитных зон аномально-гидропроводного коллектора «жильного» типа с АВПД, внезапное вскрытие которого забоем скважины приводит к аварийной ситуации, и к потере, к ликвидации скважины.
Известен способ выявления рапоносных структур (Патент SU 1287083 А1, 30. 01. 1987). Данный способ описывает возможность прогнозирования рапоносных структур в геологическом разрезе по превышению значений угла наклона («крутизны») крыльев над величиной критического угла течения солей на данной глубине. Однако этот способ разработан для прогноза в условиях соляно-купольных структур и диапиров молодых платформ. На древней Сибирской платформе соляно-купольных структур сейсморазведочными работами и глубоким бурением не выявлено.
Известен способ выявления зон рапопроявлений (Кушниров И.В. и др., А.С. SU №1317383 А1 от 15.06.1987, бюлл. №22) в геологическом разрезе, представленном соленосными отложениями, методами полевой геофизики, например сейсморазведки, суть которого состоит в выявлении антиклинальных поднятий со смещенными структурными планами по над- и подсолевым отложениям и в установлении наиболее приподнятых (присводовых) участков этих поднятий по кровле подсолевых отложений, с которыми и отождествляют зоны рапопроявлений в соленосных отложениях.
Наиболее близким является способ выявления зон рапопроявлений (Свинцицкий С.Б и др., А/С 2012905 С1 от 24.05.1991), который принят нами за прототип, в котором прогнозирование потенциальной зоны рапогазоносных структур с АВПД, включает проведение полевых геофизических исследований - сейсморазведочных работ методом общей глубинной точки (МОГТ), бурение скважины, проведение геофизических исследований в открытом стволе, составление структурных планов над- и подсолевых отложений, выявление антиклинальных поднятий со смещенными структурными планами по над- и подсолевым отложениям, в установлении наиболее приподнятых (присводовых) участков этих поднятий по кровле подсолевых отложений, бурение скважины в контуре свода антиклинального поднятия вне замка свода на участке, где мощность соленосных отложений составляет не менее одной трети ее максимальной величины, после чего выделяют межсолевые рапонасыщенные пласты по ГИС и отождествляют зону рапопроявления с областью пространственного развития межсолевых рапонасыщенных пластов в контуре свода антиклинального поднятия, ограниченную последней замкнутой изогипсой кровли подсолевых отложений.
Данный способ имеет недостаток, связанный с тем, что не может быть в полной мере применен в условиях осадочного чехла тех платформ, где в подсолевых отложениях наблюдается моноклинальное залегание, а солевая (галогенно-карбонатная) толща смята в линейной дисгармоничной складчатости. Такая «бескорневая» линейная складчатость описана в работах [Казанцева Т.Т., Камалетдинов М.А., Казанцев Ю.В. Шарьяжно-надвиговая тектоника литосферы. - М., Наука, 1991. - 255 с; В.И. Сизых, А.И. Сизых. Шарьяжно-надвиговая тектоника. - Иркутск: Иркут. Ун-т, 2005. - 196], и ее формирование генетически связывают с шарьяжно-надвиговой активностью краевых платформенных областей Северо-Американской, Русской и Сибирской платформ, например Предкарпатского и Предуральского прогибов Русской платформы, юго-востока (Предбайкальский и Предпатомский прогибы) и северо-востока (Предверхоянский прогиб) Сибирской платформы. Как и в прототипе, под "зоной рапопроявления" в заявляемом способе подразумевается «находящееся в соленосных отложениях скопление высокоминерализованных высоконапорных рассолов (рапы) или рапы с газом, приуроченное к межсолевому литологически обособленному пласту-коллектору порово-трещинного типа. Рапа или рапа с газом в разуплотненной, трещиноватой, карбонатной породе содержится в условиях аномально высоких пластовых давлений (АВПД), что обуславливает ее способность самоизливаться (фонтанировать) через устье скважины. Рапонасыщенный пласт плотных трещиноватых карбонатов всегда заключается между флюидоупорами - пластами каменной соли, ангидритов, представляющих собой литологический барьер проницаемости (барьер давления). В разрезе соленосных отложений может быть несколько гидродинамически изолированных рапонасыщенных пластов, в пределах площадного развития каждого из них, в свою очередь, возможно наличие нескольких "зон рапопроявлений"». Однако основной, определяющий признак прототипа «при вскрытии рапонасыщенного пласта скважиной рапопроявление может наблюдаться лишь в случае попадания скважины в контур свода антиклинального поднятия» по подсолевым отложениям, в геологических условиях галогенно-карбонатной толщи юга Сибирской платформы «не работает» и не может использоваться для прогноза рапогазоносных структур с АВПД флюидов.
Доказано, что геодинамические напряжения в земной коре, которые вызывают пластические деформации реологически наиболее слабой галогенной части разреза в осадочном чехле, так называемая «соляная тектоника», имеют разный генезис в прототипе (соляно-купольные структуры молодых платформ), и в условиях шарьяжно-надвиговых структур Сибирской платформы. В первом случае (прототип) это вертикальные напряжения и субвертикальные блоковые движения кристаллического фундамента, которые приводят к формированию соляно-купольных структур и диапиров, во втором случае (настоящая Заявка) - это горизонтальные напряжения со стороны горноскладчатого обрамления Сибирской платформы, которые инициировали послойные субгоризонтальные смещения в наиболее «слабой» галогенно-карбонатной части разреза осадочного чехла [С.М. Замараев, Краевые структуры южной части Сибирской платформы. М., 1967, 250 с; Сметанин А.В. Опыт динамической интерпретации гравитационных аномалий. Иркутск, 2000.- 85 с; Сизых В.И. Шарьяжно-надвиговая тектоника окраин древних платформ. Новосибирск. Изд-во СО РАН. Филиал «Гео». 2001. - 154 с].
В условиях шарьяжно-надвиговой активности в осадочном чехле наблюдается формирование характерных линейных антиклиналей «аллохтонного» типа, выделенных в работах М.А. Камалетдинова, Ю.В. и Т.Т. Казанцевых, И.С. Вахромеева [Камалетдинов М.А., Казанцев Ю.В., Казанцева Т.Т. Происхождение складчатости. М., Наука, 1981, 135 с.; Вахромеев И.С. Геолого-структурные позиции рудных месторождений в надвиговых зонах континентальной земной коры // БНЦ УрО РАН. Уфа. 1992. - 124 с]. Для таких «аллохтонных» антиклиналей интенсивно выражен один сместитель надвига, который выявляют в пологом крыле со стороны действующих на осадочную толщу горизонтальных геодинамических напряжений. В области межпластовых срывов активная наложенная трещиноватость формируется по двум независимым механизмам:
- механическое расслаивание и растрескивание [Разломообразование в литосфере / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков и др. Новосибирск, Наука, 1991 (Зоны сдвига), 262 с.; 1992 (Зоны растяжения), 240 с.; 1994 (Зоны сжатия), 263 с] межсолевых карбонатных прослоев (при котором формируются субгоризонтальные системы фильтрующих трещин), и
- природный гидравлический разрыв пласта-коллектора за счет роста пластового давления флюидов по субгоризонтальным зонам, совпадающим с направлением горизонтальной составляющей напряжений в массиве горных пород [Мигурский А.В., Старосельцев B.C. Механизм насоса в миграции флюидов. Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. Нефтегазоносные бассейны как саморазвивающиеся нелинейные системы. // Материалы III междунар. конф. - М. - 1999. - с. 164-167; Мигурский А.В., Старосельцев B.C. Зоны разломов - естественные насосы природных флюидов // Отечественная геология. 2000. №1. с. 56-59].
Движение надвиговых пластин аллохтона по плоскости межпластового срыва (детачмента) происходит с формированием осложняющих сдвиговых разломных зон, которые разбивают пластины аллохтона на отдельные блоки, скорость движения и суммарное расстояние сдвижения которых различны [Гайдук В.В., Прокопьев А.В. Методы изучения складчато-надвиговых поясов. - Новосибирск: Наука, 1999. - 160 с.]. Результирующее сочетание разрывов (парагенезис) формирует в межсолевых карбонатных пластах аллохтона зоны межпластового срыва и веерные наклонно-восходящие зоны тектонической трещиноватости, так называемые чешуйчатого веера (фиг. 2). В таких зонах, типичных для внутреннего строения надвинутого крыла (аллохтона), формируется «наложенное» пустотное пространство вторичной проницаемой трещиноватости, вмещающей и фильтрующей флюиды (рапу, газ). В гидродинамически изолированных солями рапогазонасыщенных межсолевых трещинных карбонатных пластах-коллекторах в разрезе галогенно-карбонатной толщи кембрия формируется аномально высокое пластовое давление флюида. Таким образом, по описанному механизму в результате поэтапного обновления шарьяжно-надвиговых дислокаций в межсолевых карбонатных пластах-коллекторах формируется «наложенная» фильтрационная структура трещинного коллектора, в том числе транзитного коллектора «жильного» типа и АВПД флюидной системы, залежей рапы и газа.
Задачей заявленного способа является разработка эффективного алгоритма прогноза рапогазоносных структур с АВПД и локальных высокодебитных интервалов в геологическом разрезе осадочного чехла в условиях шарьяжно-надвиговой линейной соляной складчатости. Решение этой задачи рассмотрено на примере юга Сибирской платформы и состоит последовательно из двух этапов. На первом этапе выявляют надвиговую геологическую структуру - пластину надвига (аллохтон), в контурах которой прогнозируется возможное рапопроявление с АВПД либо рапогазопроявление с АВПД. На втором этапе в галогенно-карбонатной толще в контурах выявленной структуры на уровне отдельных межсолевых карбонатных пластов уточняют пространственное положение закономерно раположенных зон аномально-гидропроводного транзитного коллектора жильного типа - зоны межпластового срыва и веерные наклонно-восходящие зоны тектонической трещиноватости (так называемые чешуйчатые веера), для которых характерны акустическая анизотропия, и с которыми идентифицируют наиболее фонтаноопасные зоны с высокими значениями дебита фонтанного перелива рапы либо фонтанирования рапы с газом.
Техническим результатом является технологическая надежность разведки бурением и разработки кустовым бурением залежи нефти и газа в нижезалегающих подсолевых природных резервуарах.
Задача решается предлагаемым способом выявления рапогазоносных структур с аномально высоким давлением флюидов с локализацией в геологическом разрезе высокодебитных объектов, фонтаноопасных для бурения скважин, включающим проведение полевых сейсморазведочных работ методом общей глубинной точки, бурение скважины, проведение геофизических исследований скважины в открытом стволе, отличающимся тем, что дополнительно в скважине проводят вертикальное сейсмопрофилирование, и по данным сейсморазведочных работ методом общей глубинной точки в галогенно-карбонатной толще осадочного чехла выявляют область шарьяжно-надвиговых дислокаций с картированием фронтальной части сорванной надвиговой пластины, ограниченной по фронту аллохтонной линейной антиклиналью, уточняют внутреннее строение пакета сорванных и перемещенных пластин аллохтона в надвинутом крыле, при этом всю толщу межсолевых карбонатных пропластков аллохтона в контуре надвинутой пластины отождествляют с потенциально опасной зоной вероятного рапопроявления и аномально высокого пластового давления, и затем в пределах контура надвинутой пластины в разрезе по комплексу данных геофизических исследований скважин и вертикального сейсмопрофилирования выявляют фонтаноопасные для бурения скважин участки развития аномально-гидропроводного коллектора жильного типа как зоны анизотропии акустических свойств в межсолевых карбонатных пластах, которые отождествляют с зонами локализации высокодебитных обьектов.
ПРИМЕР
(на основе геологических и технических данных по одному из нефтегазоконденсатных месторождений юга Сибирской платформы)
Рассмотрим данные сейсморазведочных работ на примере профиля МОГТ кратностью 48, совмещенные с результатами бурения глубоких скважин, вскрывших забоем зону аномально-гидропроводного транзитного трещинного коллектора жильного типа с АВПД флюидной системы, представленные на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 отражены контуры надвиговой пластины - аллохтона, ограниченной по фронту линейной антиклиналью (1) с мощностью сорванного пакета галогенно-карбонатных осадочных пород кембрия около 1200 м; распространение в плане (2) выявленного субгоризонтального вторичного флюидонасыщенного коллектора трещинного типа с АВПД в зонах межпластовых срывов; скважины глубокого бурения (3), вскрывшие в толще аллохтона дуплексного строения рапопроявляющие зоны с АВПД флюидов; ограничение выявленной надвиговой пластины субвертикальными зонами разломов, сдвигов (4), и стрелкой - направление перемещения (5) аллохтонной пластины. На фиг. 2 приведен сейсмогеологический разрез через надвиговую пластину по линии перемещения надвиговой пластины, на котором в условных обозначениях отражены 1 - галогенно-карбонатная толща аллохтона, представленная чередование пластов солей и карбонатов, смятых в складки; 2 - субгоризонтальные зоны межпластовых срывов, отождествляемые с рапонасыщенными зонами вторичной трещиноватости карбонатного коллектора и АВПД флюида (рапы); 3 - скважина глубокого бурения; 4 - объекты: а) соляная тектоника - чешуйчатая складчатость, линейные складки срыва в надвиговой пластине - аллохтоне; б) зоны межпластового срыва; 5 - интервалы АВПД, фактически вскрытые глубокой скважиной; 6 - главная поверхность срыва надвиговой пластины - детачмент.
3
3
В контуре выявленной надвиговой пластины - аллохтона (см. фиг. 2) по данным метода определения глубинной точки (МОГТ) установлены и протрассированы в плане (2) интервалы субгоризонтальных зон дробления, отождествляемые с флюидонасыщенными (рапа, газ) зонами с АВПД. После этого скважинами глубокого бурения 1 и 3 в выявленном ранее интервале глубин вскрыты рапонасыщенные зоны с АВПД трещинных коллекторов. Скважина №1 пробурена на утяжеленном растворе, однако после крепления обсадной колонной зафиксировано смятие колонны в указанном интервале. Скважина №3 была пробурена первым стволом и на глубине 2060 м вскрыла рапопроявляющую зону дебитом перелива 1850 м/сут, Кан 2,35. Начато бурение скважины вторым стволом с отходом от вертикали 350 м, однако в процессе бурения на этой же глубине по вертикали второй ствол также вскрыл рапопроявляющую зону с дебитом перелива 450 м/сут, и с тем же (2,35) коэффициентом аномальности. Данные бурения этих скважин подтвердили наличие рапонасыщенных коллекторов с АВПД в ранее выявленных контурах аллохтона и локализацию высокодебитных рапопроявляющих зон с АВПД в субгоризонтальных зонах межпластовых срывов с ярко выраженной анизотропией волнового поля в межсолевых карбонатных пластах, отождествляемых с областью развития рапогазонасыщенного аномально-гидропроводного транзитного коллектора жильного типа.