Условия залегания нефти и газа в земной коре. Породы-коллекторы. Литологические типы пород-покрышек. Ловушки нефти и газа, их классификация.

Условия залегания. Нефть и газ встречаются в горных породах, где для их накопления и сохранения имеются благоприятные условия. Главные из них: хорошо выраженные коллекторские свойства, зависящие от многих факторов, и изолированность коллектора от поверхности. Геологические тела, состоящие из минеральных зерен или их обломков, называются горными породами. В соответствии с условиями образования выделяются три типа горных пород: осадочные, магматические и метаморфические.

Осадочные горные породы образуются в поверхностной части земной коры в результате разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород (песчаник, глина), выпадения осадков из водных растворов (каменная соль, гипс) и жизнедеятельности организмов и растений (коралловые известняки, уголь).

Верхний слой земной коры - осадочный - сложен осадочными породами. Накапливающиеся в понижениях рельефа или на дне водных бассейнов рыхлые осадки в результате физико-химических процессов, происходящих в течение сотен тысяч лет, видоизменяются и становятся горными породами. Процесс превращения осадков в горные породы получил название диагенеза (от греческого “диагенезис” - перерождение). Породы, образованные таким путем, называются осадочными.

Осадочные горные породы образуются в результате разрушения на поверхности Земли. ранее сформировавшихся горных пород и последующего накопления и преобразования продуктов этого разрушения.

В нефтегазовой геологии осадочные породы изучаются как основные объекты, с которыми генетически связаны нефть и газ. Все осадочные горные породы подразделяются на обломочные, глинистые, хемогенные, органические и смешанные.

Таким образом, в одних случаях горные породы имеют в основном слоистое строение, в других - кристаллическое, причем слоистое строение свойственно большинству осадочных пород, а кристаллическое - изверженным, метаморфическим и некоторым хемогенным. Их строением, главным образом, предопределяется распределение и содержание нефти, газа и воды в горных породах. Чтобы жидкости и газ могли накапливаться в породе, она должна прежде всего обладать определенной емкостью и проницаемостью. В зависимости от строения и происхождения пород их коллекторские и петрофизические характеристики могут изменяться в широких пределах.

Породы-коллекторы

Основные свойства пород-коллекторов, а именно способность вмещать и отдавать содержащиеся в них жидкие и газообразные флюиды, определяются структурой их пустотного пространства. Породы-коллекторы обладают сложным строением пустотного пространства. В них встречаются поры и каверны разной формы и размера (от микро до мегапустот), трещины различной ориентировки, раскрытости и протяженности. Нередко различные типы пустот присутствуют совместно. Все это предопределяет существенные трудности при изучении структуры пустот долевого участия отдельных их типов в емкости и проницаемости пород.

Осадочные породы, лишенные пустот, монолитные и содержащие поры, каверны и трещины, характеризуются различными упругими свойствами. На основании знаний закономерностей распространения УЗВ в породах их можно подразделить на коллекторы с различным типом пустотного пространства и экраны.

В зависимости от процентного соотношения между порами и трещинами среди обломочных пород выделяются четыре разновидности, подгруппы.

Первая подгруппа пород с поровым типом пустотного пространства характеризуется обратной линейной зависимостью между скоростью упругих волн и пористостью. Величина открытой пористости этих коллекторов составляет не менее 5-6%, а скорости распространения продольных волн, как в перпендикулярном, так и в параллельном ему направлениях соизмеримы и изменяются от 3500 м/с для низкопористых образований до 1000 м/с для высокопористых.

Вторая подгруппа пород с трещинным типом пустотного пространства обладает низкой пористостью, не превышающей 2-3%. Скорости УЗВ в них по двум взаимоперпендикулярным направлениям либо соизмеримы - в случае развития в породах трещин различной ориентировки, либо резко различны - при наличии трещин какой-либо определенной ориентировки, горизонтальной или вертикальной. Величина скорости у трещинных обломочных пород-коллекторов варьирует в широких пределах от 1000 до 4000 м/с, даже в пределах одного образца. Наименьшие значения скорости УЗВ присущи породам с наибольшим числом или же с наибольшей раскрытостью трещин.

Третья подгруппа пород с трещинно-поровым и порово-трещинным типами пустотного пространства характеризуется неоднозначным влиянием на скорость упругих волн пор и интенсивности развития трещин. Для них не наблюдается какой-либо связи между пористостью и скоростью УЗВ. По своим упругим свойствам они в зависимости от преобладания того или иного типа пустот ближе или к пористым, или к трещинным разностям пород-коллекторов. Величина открытой пористости этих пород колеблется от 3 до 6-7%, соответственно изменяется и скорость продольных волн - от 3500 до 1500 м/с.

Четвертая подгруппа обломочных пород отличается ничтожной пористостью (до 3%, основой которой являются мельчайшие поры (менее 0,06 мкм) при полном отсутствии полых трещин. Подобные породы обладают наибольшей скоростью распространения продольных волн (более 3500-4000 м/с), как в перпендикулярном, так и в параллельном напластованию направлениях. Колебание величины нижнего предела скорости УЗВ для этой группы пород объясняется различным минеральным составом цементирующего материала. Комплексное изучение петрофизических свойств этих образований позволяет отнести их к породам-экранам низкого качества.

Литологические типы пород-покрышек

Сохранение скоплений нефти и газа в породах-коллекторах невозможно, если они не будут перекрыты непроницаемыми для флюидов породами (покрышками). Роль пород-нефтегазоводоупоров выполняют глины, соли, гипсы, ангидриты и некоторые разности карбонатных пород.

Породы-покрышки различаются по характеру распространения, мощности, наличию или отсутствию нарушений сплошности, однородности сложения, плотности, проницаемости, минеральному составу.

Различают региональные, субрегиональные, зональные и локальные покрышки. Региональные покрышки имеют широкое площадное распространение, характеризуются литологической выдержанностью и, как правило, значительной мощностью. Зональные покрышки выдержаны в пределах отдельной зоны поднятий (по площади распространения они уступают региональным). Реже встречаются локальные покрышки (в пределах месторождения), которые обуславливают сохранность отдельных залежей.

Наличие трещиноватости в породах-флюидоупорах снижает их экранирующие свойства. Важную роль в экранирующих свойствах покрышек играет степень их однородности: присутствие прослоев песчаников и алевролитов ухудшает их качество.

Наиболее широко распространены глинистые покрышки. Глины характеризуются пластичностью, зависящей от степени дисперсности слагающих их минеральных частиц, химического состава. Надежным экраном является каменная соль, которая благодаря своей пластичности деформируется без нарушения сплошности. Ангидриты значительно более хрупки, чем соли, и не являются такими надежными экранами.

Вместе с тем абсолютно непроницаемых для нефти и газа покрышек в природе не существует. Савченко В.П. на основе экспериментальных работ установил, что глинистая покрышка удерживает только такую залежь, избыточное давление в которой меньше перепада давлений, обуславливающего начало фильтрации флюидов сквозь эту покрышку. Чем больше мощность покрышки, тем выше ее изолирующие качества и способность удерживать высокоамплитудные залежи нефти.

Ловушки нефти и газа и их классификация

Существует несколько классификаций пород-коллекторов, которые базируются на структуре и морфологии порового пространства, текстурах и составе пород авторы (М.К.Калинко и А.А.Ханин), генетические классификации, учитывающие генезис, время формирования, структуру порового пространства, классификации, использующие отдельные коллекторские параметры, условия аккумуляции, фильтрации, литологический состав пород.

Нами рассматриваемая классификация базируется прежде всего на литологическом составе пород, структуре порового пространства и морфологии (виде) порового пространства. высшим элементом классификационной иерархии приняты группы коллекторов, которые выделяются по литологическому составу, в соответствии с существующими представлениями - группы обломочных, карбонатных, глинистых пород и в самостоятельную группу выделены редко встречающиеся коллекторы - магматические, матоморфические, кора их выветривания, а также кремнистые и сульфатные. Основанием для их объединения в одну группу является их примерно одинаковая (незначительная) роль в формировании промышленных скоплений нефти и газа, а также обычно невысокие коллекторские свойства. В каждой группе коллекторов выделено по 3 их типа: поровый, трещинный, смешанный.

К поровому типу отнесены породы-коллекторы, в которых мелкие поры (мельче 1 мм) более или менее изометричной формы соединены между собой проводящими (поровыми каналами. Диапазон изменения пористости - от единиц до 40-50%. Общей особенностью коллекторов порового типа является понижение коллекторских свойств с глубиной, за счет уплотнения пород.

Трещинный тип породы коллектора характеризуется тем, что фильтрующее поровое пространство в нем представлено открытыми (зияющими) трещинами. Эти коллектора обладают низкой трещинной пористостью до 2,5 - 3%.

К смешанному или сложному типу породы-коллектора отнесен такой, в котором сочетаются различные виды порового пространства (два или более). В этой связи при характеристике коллекторов всегда требуется уточнение вида порового пространства, при этом ведущий вид пор помещается в конце определения. Каверновый коллектор как самостоятельный тип не выделяется, т.к. каверны могут возникать там, где имеются трещины, именно за счет миграции вод, которая приводит к растворению наиболее подвижных компонентов породы и выносит продукты реакции и образуются каверны. Коллекторские свойства пород-коллекторов смешанного типа варьируют в широком диапазоне.

Группа обломочных пород-коллекторов представлена песчаниками, алевролитами и промежуточными разностями пород, а также пески, алевриты, гравелиты. Значительное уплотнение обломочных пород, особенно кварцевых, приводит к существенному снижению пластичности и повышению хрупкости. Это создает предпосылки к образованию трещин и в случае разрядки тектонических напряжений может привести к возникновению трещинной пористости в пластах песчаников и алевролитов.

Поровый тип коллектора имеет очень широкое распространение и характерен для песчаных и алевритовых пород, залегающих на небольших и средних глубинах.

Трещинный тип коллектора выделяется прежде всего тем, что его емкость определяется трещинной пористостью, а путями миграции флюидов являются зияющие трещины. Трещины имеют различную природу. Различают трещины тектонические, литогенетические и трещины естественного гидроразрыва. Раскрытость трещин очень малая - доли миллиметров - первые миллиметры, при этом смещения пород вдоль трещин практически не наблюдается. В зависимости от природы трещин их ориентировка, плотность, густота и раскрытость могут быть различными.

Тектонические трещины группируются в системы, общностью которых является ориентировка в пространстве, возраст и иногда раскрытость. В каждом геологическом теле может быть одна или несколько систем трещин. Чаще всего они разновозрастны. Трещины нередко ветвятся, в результате чего возрастают плотность и густота трещиноватости.

Ориентировка трещин определяется также литологическим составом пород. Для песчаников характерна трещиноватость перпендикулярная наслоению, для аргиллитов - параллельна наслоению и для мергелей - диагональная или косая. Густота трещин нередко лимитируется мощностью пластов, при этом чем меньше мощность при прочих равных условиях, тем больше густота.

Литогенетические трещины отличаются ориентировкой, параллельной наслоению. Они наблюдаются при тонком переслаивании терригенных пород-песчаников, алевролитов, аргиллитов.

Трещины естественного гидроразрыва характеризуются неравномерностью распределения, ограниченными размерами, нередко затухают на протяжении нескольких сантиметров.

Трещинная пористость обычно невелика. Они оцениваются в доли и первые единицы процентов, поэтому со временем может быть “залечена” за счет минеральных новообразований или механических напряжений. Вследствие этого трещинный коллектор перестает существовать.

Смешанный тип коллектора в обломочных породах характеризуется совместным присутствием межзерновых и трещинных пор. Он может возникнуть в породах, некогда испытавших стресс. Смешанный тип коллектора сформирован межзерновой и трещинной пористостью.

Группа карбонатных пород-коллекторов представлена известняками, доломитами. Поровое пространство здесь весьма разнообразно по морфологии и размеру. Характерной особенностью карбонатных пород является более высокий темп их уплотнения по сравнению с доломитами.

Поровый тип коллектора может иметь межзерновый, межформенный и внутриформенный виды порового пространства. Межзерновая пористость слагается из пор между отдельными кристаллами кальцита или доломита. Такой коллектор обычно не выделяется высокими коллекторскими свойствами и характерен для хемогенных карбонатных пород.

Межформенный вид пустотного пространства представляет собой пустоты между раковинами или их обломками в биогенных известняках.

Внутриформенные поры - это камеры внутри скелетов (раковин) отмерших организмов. Характерен для фораминиферовых, коралловых и других биоморфных разностей известняков.

Трещинный тип коллектора очень характерен для карбонатных пород. Образованию трещин благоприятствует высокий темп уплотнения карбонатных пород, повышение их хрупкости с глубиной. Для существования трещинного коллектора необходимо, чтобы трещины оставались открытыми (зияющими). Трещинный тип коллектора обладает небольшой емкостью, но при значительном размере ловушки в нем могут сконцентрироваться значительные количества УВ. Определяющим фактором возникновения коллекторов этого типа служит степень хрупкости породы, ее способность к растрескиванию.

Смешанный тип коллектора может иметь межзерновый, трещинный и каверновый виды порового пространства. Трещиноватость по отношению к кавернозности, а иногда и по отношению к межзерновой пористости является более ранней. Этот тип коллектора может (особенно при наличии каверн) обладать высокой емкостью и проницаемостью, а следовательно представляет большой нефтепоисковый интерес.

Группа глинистых пород-коллекторов у нас в стране известна относительно недавно. Дело в том, что глинистые породы не образуют традиционных поровых коллекторов, они достаточно пластичны и, следовательно, не дают открытых трещин. Возникновение трещиноватости здесь обуславливается хрупкостью пород, которая создается за счет либо значительного погружения либо стресса. Глинистые породы-коллекторы встречаются на средних глубинах, но значительное развитие они получают на больших глубинах.

Группа магматических, метаморфических, кремнистых, сульфатных пород и поры выветривания. Породы этой группы редко встречаются как коллекторы нефти и газа, хотя в ряде случаев они обладают достаточно высокими емкостями.

Поровый тип коллектора характерен для пор выветривания магматических и метаморфических пород. На небольших глубинах пористость может достигать 20-25%, но с увеличением глубины существенно понижается.

Трещинный тип коллектора образуют магматические, метаморфические породы (граниты, андезиты, сланцы). Поскольку эти породы уже по своей природе хрупкие, малопластичные, то они могут растрескиваться и на малых и на больших глубинах при соответствующей тектонической обстановке.

Смешанный тип коллектора в рассматриваемой группе развит незначительно и встречается среди кремнистых пород и вулканических туфов.

Билет № 12