Проблемы несовершенства геологических моделей и оптимизации разработки месторождений УВ и подземных хранилищ газа

УДК 553.9 А.И. Никонов

ИПНГ РАН, Ассоциация «Нефтегазэксперт», Москва

ПРОБЛЕМЫ НЕСОВЕРШЕНСТВА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ОПТИМИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УВ И ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА

Большинство нефтегазовых месторождений, а также подземных хранилищ газа (ПХГ) расположены в антиклинальных локальных структурах платформенных территорий.

Рассматриваемые поднятия, расположенные в пределах платформ, таких как Восточно-Европейская, Западно-Сибирская и др., являются структурами, образования которых традиционно связывается со структурами облекания выступов фундамента осадочным чехлом на фоне эпейрогенических (региональных) движений (Ронов, 1949; Косыгин, 1964). Они имеют пликативный характер залегания слоев, при котором образование пологих складок в породах осадочного чехла происходит без разрыва их сплошности. Углы наклона их крыльев, изменяется от 407 до 1о реже 2о-3о. В связи, с чем образование в таких структурах зон разломов считается мало вероятным. Это в значительной мере предопределяет и пассивный характер локальных геодинамических процессов при их формировании.

Проведенные автором палеотектонические построения в пределах структур различных платформенных территорий показали, что движения отдельных локальных блоков, на которые разбит фундамент в пределах поднятий проявляютя в их разнонаправленных вертикальных движениях. По данным работ разных исследователей (Бирина, 1951; Ильина, Фрухта, 1967, 1970; Тюленина и др., 1995), занимавшихся изучением локальных структур, Русской плиты, в породах девона и карбона, представленных песчаниками, известняками, доломитами с прослоями глин, выявлены повышенные содержания таких редких элементов как ванадий и уран, отмечаются гидротермальные эпигенитические изменения пород, связанные с заполнением трещим кальцитом в ассоциации с гипсом и целистином, кремнием, флюоритом, а также дисульфидов железа в виде мелких кристалов и глобул как в массе породы, так и по трещинам. Данный характер замещений и заполнения трещин свидетельствует о вертикальном характере внедрения (миграции) флюидов в породы чехла и о его связи с глубинными тектономагматическими процессами.

На основе имеющихся данных о геолого-минералогических особенностях пород, исследованных в пределах локальных структур, можно сказать определенно, что периоды активизации геодинамических процессов, как правило, сопровождаются гидротермально-метасоматическим их преобразованием (Давиденко, Никонов, Сворень, 2002). Выделение таких периодов при формирование локальных структур позволят объяснить образование разупрочненных горизонтальных и вертикальных зон в породах, определяющих характер вертикальной миграции флюида, «столбов вторичной карбонатизации» (Иванкин, Назарова, 2001) с образованием дайковых тел

песчаникоподобных кварцевых метасомотитов среди глинистых толщ в терригенных породах, развитие вторичной минерализации

На основе проведенных детальных работ

Проведенный анализ аэрокосмической, геологической и геофизической (ГИС) информации (Кузьмин, Никонов, 2001), позволил выявить в разрезе горизонтальные и вертикальные зоны повышенной трещиноватости. Горизонтальные зоны выражены в разрезе телами с изменяющейся толщиной, границы которых, часто секут границы литологических разностей пород. Вертикальные зоны - соответствуют в плане разноранговым линеаментам диагонального и ортогонального направления, контролирующих структуры в плане и отражают блоковый характер ее строения.

Таким образом, процесс миграции флюидов, связанный с разнонаправленными движениями блоков фундамента, приводит к перераспределению давлений в локальных участках структуры и как следствие в гидродинамических системах. Все это, с одной стороны, приводит к образованию коллекторов трещинного, трещино-порового и трещиннокавернозного типов в терригенных и карбонатных разностях пород, а с другой их кальматации вторичными минералами, создавая ослабленные зоны в разрезе, которые могут быть и покрышками.

Учитывая эти особенности в строении пород разреза, необходимо подчеркнуть, что, несмотря на унаследованный, в общем, характер структурных планов, основным фактором проявления вертикальной и горизонтальной его неоднородности являются процессы локальной палеогеодинамики (Никонов, Юрова, 2005). По этому, одним из недостатков существующих технологий эксплуатации и разработки ПХГ и месторождений является необходимость в отказе от представлений об «абсолютной» герметичности пород, разделяемых на покрышки и коллектора.

На примере угольных месторождений, расположенных в платформенных территориях, помимо традиционных методов разведки, применяется метод картирования структурных особенностей залегания горных пород в шахтах и штольнях, на основе визуального метода исследования. Он позволяет наблюдать

естественное залегание горных пород и типы их деформирования, где зоны разломов (повышенной трещиноватости) сдвигового и отрывного типа видны не вооруженным глазом. К сожалению, при создании геологических моделей нефтегазовых объектов с использованием методов бурения, сейсмических и геофизических методов исследования скважин (ГИС) и т.п. данный опыт мало используется.

Современные методы 3-0 сейсморазведки, также в большинстве случаев не позволяют выделять в разрезе локальных структур малоамплитудные сдвиговые зоны (до 5-10 м), а тем более вертикальные разломы отрывного типа. Последние, в отличие от сдвиговых характеризуются зоной повышенной трещиноватости, разделяющие блоки исходной породы. Их унаследованный характер проявления в перекрывающих породах осадочного чехла может иметь два механизма. Первый связан с периодами проявления активных вертикальных движений блоков фундамента. Второй, при возникновении в зоне разлома параметрически индуцированных тектонических деформаций геологической среды под действием приложенных к ней региональных напряжений. Данный тип современных аномальных деформаций земной поверхности в зонах разломов и их механизм возникновения разработан Кузьминым Ю.О. (1996, 2002). Таким образом, данные зоны разломов могут проявляться на земной поверхности в косвенных и прямых признаках (индикаторах), дешифрируемых на аэрокосмических снимках и проявляющихся в виде линеаментных системно ориентированных структур (Кравцов, Никонов, 1996). В дальнейшем будет показано, что именно такие зоны наиболее характерны для локальных платформенных поднятий и именно они могут отвечать за высокий этаж нефтегазоносности, расформирование-переформирование залежей УВ.

Еще одним аргументом в пользу существования зон повышенной трещиноватости (разломов) в пределах локальных структур является анализ геолого-геофизических данных при построении геологических и гидродинамических моделей месторождений УВ и ПХГ. Для большинства месторождений отмечаются такие многочисленные факты, как резкое различие в значениях отметок водонефтяного и газоводяного контактов в пределах контура залежи, отсутствие гидродинамической связи между скважинами, наличие локальных участков вертикальной связи с вышележащими пластами, неравномерное распределение пластового давления в пределах залежи, резкая смена литолого-фациальных условий, а также наличие горизонтальных областей аномальной проницаемости в пределах одной литологической разности пород. Очевидно, что данные факты связанны с образованием зон, прежде всего, структурной неоднородности - разломов, безкорневых разломов, флексур, зон повышенной трещиноватости, дислокаций и т.п. Все выше перечисленные факторы, относящиеся к малоамплитудным локальным платформенным поднятиям позволяют пересмотреть взгляды на построение пликативных моделей в пользу разломно-блоковых, отражающих их генетическую связь с локальными геодинамическими процессами.

Выявление структурных и минералогических особенностей всего комплекса пород месторождения позволяет уже на стадии проектирования

учесть их анизотрапию свойств, прогнозировать тип коллектора, а также их изменение при техногенном воздействии на породы коллектора в процессе разработки месторождения и циклических нагрузках (закачка - отбор газа) при эксплуатации ПХГ. Это позволит внести в процесс разработки месторождения элементы управления параметрами пластовых систем и их состоянием с целью рационального извлечения УВ и применения методов нефтегазоотдачи для различных частей месторождения, а также осуществлять контроль за экологопромышленной безопасностью нефтегазовых объектов и экологическим состоянием недр (Кузьмин, Никонов, 2001). Недоучет этих особенностей может в короткое время (от 1 года до 5 лет) изменить проектные параметры петрофизических и физико-механических свойств пород. На большинстве месторождений Западной Сибири отмечаются такие процессы как прорыв воды в продуктивную часть месторождения и образование защемленных ею продуктивных частей залежи (целиков), межпластовые перетоки и разрушение покрышек, а также образование техногенных газовых шапок и т.п. Из опыта также известно, что на многих газоконденсатных месторождениях (Оренбургское, Карачгонакское, Астраханское) уже на начальной стадии их разработки (1,5-2 года) трудно объяснимым является факт обводнения скважин, расположенных в их центральной части.

Расчеты показывают, что превышение пластового давления на 5-10 Мпа при различных технологических процессах разработки месторождения, соответствуют относительной деформации пород 10-5-10-4 (Жуков, Кузьмин, Полудин, 2002). Это, как правило, приводит к гидроразрыву трещиноватых пород, которые в процессе формирования структуры были подвержены разупрочнению и последующей кольматации вторичными минералами.

Возникновение напряжений в геологической среде не всегда приводят к образованию деформаций. Поэтому образование тектонических структур (деформации) как имеющих разрыв сплошности пород, так и пликативного типа определяются только наличием происходящих в среде движений. Таким образом, одной из важных задач исследований формирования месторождений УВ, их разработки и прогноза изменения физико-химических свойств пород разреза в целом является создание методов и моделей качественно и количественно описывающих генезис движений возникающих в геологической среде.

К настоящему времени проведен большой объем работ по физическому моделированию процессов формирования тектонических структур. Они связаны с изучением полей напряжений и деформаций, формирующихся под действием геодинамических процессов. Разработкой теоретических основ и практических решений в данной области науки занимались такие отечественные ученые как Гзовский М.В., Шерман С.И., Григорьев А.С., Осокина Д.Н., Михайлова А.В., Николоаевский В.Н., Бондаренко П.М. и многие др.

Учитывая специфику объектов исследования, автором были привлечены к рассмотрению платформенные структуры, типа валов и локальных поднятий,

генезис которых связан с вертикальными движениями блоков кристаллического основания.

Эксперименты, выполненные на прозрачных оптически активных и непрозрачных эквивалентных материалах, позволяют наблюдать поля напряжений, а также процессы образования деформаций. Необходимо отметить, что вследствие деформации оптически активных аморфных материалов (метод фотоупругости) наблюдается изменение их двойного лучепреломления в зависимости от величины напряжений. Данный метод обеспечивает достаточное соблюдение условий подобия для упругой области деформаций. Поэтому в данных моделях можно наблюдать только распределение полей напряжений без образования отрывных и сколовых трещин.

На рис. 1 приведен случай распределения нормальных (а! и а3) и касательных (ттах) напряжений в многослойных разноплотностных моделях, характеризующих образование антиклинальных структур за счет вертикального движения штампа различной формы (Бондаренко, Зубков, 2002). Утолщенные траектории нормальных напряжений, возникающие на подошве вышележащих слоев, приурочены к зонам максимального растяжения и расположены над центральными частями поднятия. При вдавливании штампа вверх затухание величин нормальных вертикальных (а!) напряжений происходит от точки приложения нагрузки к кровле слоя, а горизонтальных (а3) - от центральной оси поднятия к крыльям структуры. Особенностью самого нижнего слоя, расположенного над штампом, является образование также вторичных зон повышенного растяжения в его кровле.

Рис. 1. Многослойная разноплотностная оптико-поляризационная модель

Вверху - распределение значений касательных напряжений; внизу - траектории нормальных и касательных напряжений. По оси У - содержание желантина в слое, имитирующим отложения: Т - тюменской свиты; Аб - абалаковской свиты; Б - баженовской свиты. (По

данным Зубкова, Бондаренко, 1999)

Известно, что образование трещин отрыва субвертикальной ориентации в зонах наибольшего растяжения может произойти только тогда, когда нормальные напряжения превысят прочность пород на разрыв. В этом случае распределение трещиноватости будет определятся следующими закономерностями:

- Образование зон повышенной трещиноватости отрывного типа

субвертикальной ориентировки приурочено к центральной части поднятия;

- Субвертикальные трещины отрыва могут образовываться, как в отдельных слоях, так и пересекать весь осадочный чехол;

- В разноплотностных слоях, в зависимости от формы штампа

наблюдается не совпадение местоположения отрывных трещин в разных горизонтах;

- Сквозной или несквозной характер развития субвертикальной

трещиноватости зависит от скорости формирования поднятия, его амплитуды, а также прочностных свойств пород чехла.

Примерно такой же характер развития вертикальной трещиноватости выявлен по комплексу данных структурного дешифрирования и геологогеофизическим исследованиям на Щелковском и Касимовском поднятиях (рис. 2). Существование этих зон, также подтверждается установленными процессами миграции метана вплоть до поверхности земли из ПХГ (Кузьмин, Никонов, 2001).

Рис. 2. Зоны горизонтальной и вертикальной трещиноватости, выделенные в разрезе Щелковской структуры по комплексу аэрокосмических и геологогеофизических иследований в отложениях горизонтов:

1 - касимовского; 2 - верейского; 3 - турнейско-яснополянского; 4 - семилукско-петинско-воронежского; 5 - данково-лебедянского; 6- живетского; 7, 8, 9, 10 - литологические

границы стратиграфических горизонтов.

Формирование зон горизонтальной трещиноватости с позиции автора определяется несколько иным механизмом. Из теории известно, что проницаемость пород, созданных трещинами отрыва на много больше, чем созданных сколовыми трещинами. В тоже время максимальные касательные напряжения могут образовать зоны сдвиговых деформаций, которые при преодоление прочности пород на сдвиг могут создать сколовые трещины. На рисунке 2 видно, что эти зоны приурочены к границам разноплотностных слоев в сводовой части поднятия. В отличие от нормальных напряжений они не способны образовывать трещины отрыва. Образование же горизонтальных трещин отрыва может произойти только за счет проникновения в сколовые трещины флюидов, обладающих расклинивающим действием. Только в этом случае могут образоваться зоны горизонтальной проницаемости. Под влиянием процесса гидроразрыва сколовые трещины преобразуются в отрывные, формируя горизонтальные зоны отрывных трещин, с которыми часто связаны водоносные и нефтегазовые горизонты осадочного чехла.

На примере тектоноседиментационного моделирования непрозрачных материалов можно наблюдать особенности формирования различных типов структурных нарушений в породах разреза под действием воздымающихся

блоков фундамента. Морфология и плотность пород различных слоев в этих экспериментах моделировалась на основе интерпретации сейсмических данных (сейсмовременной разрез). Вмонтированные в основания камеры подвижные блоки позволяли моделировать вертикальные движения блоков фундамента (Бондаренко, Зубков 1999). Выполненные эксперименты показали, что ориентация образующихся трещин отрыва является субвертикальной в присводовой части поднятия, а по мере удаления от купола к его крыльям постепенно приобретает наклоный характер. Важным результатом модельных экспериментов по изучению роста поднятий является факт образование над его купольной частью зон просадок или разупрочнения, которые часто отмечаются на сейсмовременных профилях. Подобные просадки на земной поверхности установлены на Самотлорское, Федоровское, Уренгойское и многих других месторождениях Западной Сибири в сводах которых образованы озера или заболоченные понижения. Аналогичная картина наблюдается и на исследуемых Щелковском и Касимовском поднятиях, являющихся ПХГ. Таким образом, характер развития напряжений в оптико-поляризационных моделях и образование зон трещиноватости на тектоноседементационных моделях находит подтверждение на многих нефтегазовых структурах и структурах, используемых для ПХГ.

Приведенные выше факты и лабораторные исследования показывают, что горизонтальные зоны открытой трещиноватости свидетельствуют о связи постседиментационных геодинамических процессов, активизация которых на разных этапах формирования структуры, даже при небольших амплитудах, может приводить к образованию коллекторов. Это подтверждается также результатами моделирования, о которых говорилось выше. Вертикальные же зоны, образующиеся за счет трещин отрыва и малоамплитудных смещений в породах осадочного чехла. Вместе с горизонтальными они формируют разломно-блоковую структуру геологической среды как в плане, так и в объеме. Подобные структуры выявлены на востоке Нижневартовского свода и в пределах Северного мегавала Пур-Тазовского района. В ней авторы статьи повествуют о результатах выявления неизвестного ранее факта аномальной тектонической нарушенности надсеноманских отложений имеющих полигональное строение (Гогоненков, Эльманович, Луцкина, 2002).

Подводя итоги, можно сказать, что данные представления о роли геодинамических процессов, влияющих на характер и структуру локальных платформенных поднятий, а также породы осадочного чехла будут оказывать влияние на оптимизацию системы разработки и методы повышения нефтегазоотдачи месторождений и режимы эксплуатации ПХГ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бондаренко П.М., Зубков М.Ю. Прогноз зон вторичной трещиноватости на основе данных сейсморазведки и тектонофизического моделирования // Геология нефти и газа. -1999. - №11-12. - С. 31-40.

2. Готих Р.П., Писоцкий Б.И., Малинина С.С. и др. Парагенезис аномальных геофизических и геохимических полей и углеводородных скоплений в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции (на примере Татарского свода). - Геология нефти и газа (материалы межрегионального совещания). - 2004. - С. 20-27.

3. Гогоненков Н.Г., Эльманович С.С., Луцкина М.В. Полигональная система разрывов надсеноманской толщи в Западной Сибири // Геофизика. 2002. - № 2. - С. 5-10.

4. Давиденко Н.М., Никонов А.И., Сворень И.М. Поисково-оценочное значение флюидных включений в прожилково-вкрапленных минералах нефтегазовых месторождений /Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности. Сб. науч. тр. - М.: Наука, 2002 - Вып.2.-С.184-192.

5. Жуков В.С., Кузьмин Ю.О., Полудин Г.А. Оценка процессов проседания земной поверхности при разработке газовых месторождений (на примере Северо-Ставропольского). // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2002. - № 7. - С. 54-60.

6. Иванкин П.Ф., Назарова Н.И. Глубинная флюидизация земной коры и ее роль в петрорудогенезе, соле- и нефтеобразовании. - М.: ЦНИГРИ, 2001. 206 с.

7. Кравцов В.В., Никонов А.И. Системно-иерархическая структура полей

напряжений и ее отражение на аэрокосмических снимках на примере Самотлорского месторождения (Черногорская площадь). - Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений - №8-9. - 1996, С. 18-21.

8. Кузьмин Ю.О., Никонов А.И. Эколого-геодинамическая опасность подземных хранилищ газа. - «Информационное обеспечение рационального природопользования», М.: Изд-во «Единство», 2001.- С.163-171.

9. Кузьмин Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов. // Геологическое изучение и использование недр, выпуск 4. - М.: Геоинформмарк. 1996. С.43-53.

10. Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр, индуцированная

разработкой месторождений нефти и газа // Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности. Вып.2.- М.: ГЕОС, 2002, С. 418-427.

11. Никонов А.И., Юрова М.П. Роль геодинамических процессов при разработке

нефтегазовых месторождений и подземных хранилищ газа. - Современная геодинамика недр и эколого-промышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса. Материалы международной конференции - М.: ЗАО «Техинвест», 2005. - С.125-130.

12. Шахновский И.М. Происхождение месторождений рудных и горючих полезных ископаемых. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2005. - 64 с.

© А.И. Никонов, 2006