Геология и методика поисков и разведки месторождений нефти и газа Курс лекций Раздел Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет

Литология природных резервуаров Резервуар (фр. reservoir - вместилище, лат. reservo - сберегаю) - это природное геологическое тело, внутри которого возможна циркуляция флюида. Резервуар состоит из нефтегазопроводящей породы – коллектора и непроницаемых пород- флюидоупоров. Пластовый природный резервуар 2

Классификация природных резервуаров нефти и газа По условиям залегания: Пластовые; Массивные; Литологически ограниченные; 3

Пластовые резервуары представлены породами- коллекторами, значительно распространенными по площади (сотни и тысячи квадратных километров), характеризующимися небольшой мощностью (от долей метров до десятков метров). Они могут быть сложены как карбонатными, так и терригенными образованиями; часто содержат отдельные линзовидные прослойки непроницаемых пород в толще основного горизонта, что делает их неоднородными по строению, как в вертикальном направлении, так и в горизонтальном. 4

Массивные природные резервуары представляют собой мощную (несколько сот метров) толщу пластов-коллекторов (поровых, кавернозных, трещиноватых), различного (неоднородные) или одинакового (однородные) литологического состава. В толще пластов- коллекторов могут быть непроницаемые прослои, однако все пласты проницаемых пород сообщаются, образуя единую гидродинамическую систему (единый природный резервуар). Над толщей пород-коллекторов залегает мощная толща непроницаемых пород-покрышек. 5

6

Литологически ограниченные природные резервуары практически со всех сторон окружены непроницаемыми породами Примером такого природного резервуара может служить линза песков в толще глинистых пород. Литологически ограниченные резервуары, по определению Н. А. Еременко, представляют собой «... Природные резервуары всех видов, в которых насыщающие их газообразные и жидкие углеводороды окружены со всех сторон практически непроницаемыми породами». Подобные резервуары образуются благодаря изменениям литологического состава пород и наличию проницаемых зон среди непроницаемых. 7

Природные резервуары - понятийная категория, которая определяет естественные природные системы и позволяет разрабатывать геологические модели для изучения влияния строения осадочных толщ на распределение в них залежей нефти и газа в ловушках различных генетических и морфологических типов. Анализ условий формирования природного резервуара, их классификация и типизация с учетом генетических и морфологических признаков представляет не только теоретический, но и, прежде всего, практический интерес. Природные резервуары являются сложными иерархическими системами, в которых происходят физические и химические взаимодействия между породами и флюидами, а также между разными флюидами. Природный резервуар состоит из элементов с разными литолого-физическими свойствами и содержат флюиды разного фазового состояния. Соотношения этих элементов во времени меняются. 8

В классификации природных резервуаров, предложенной Н.А.Еременко (1988), использованы следующие понятия: - класс - генетический тип - порядок - распространенность - морфологический тип. При определении класса в первой части указывается литологический состав пласта-коллектора, во второй - покрышки. Так название "терригенно-карбонатный" означает, что природный резервуар сложен терригенными коллекторами и карбонатной покрышкой; "терригенный" - что и пласт-коллектор и покрышка представлены терригенными породами. 9

Класс природного резервуара устанавливается по литологическому составу слагающих его коллекторов и перекрывающего флюидоупора: терригенный терригенно-карбонатный карбонатно-терригенный карбонатно-эвапоритовый пелитоидный вулканогенный вулканогенно-осадочный осадочно-вулканогенный 10

Основные характеристики природного резервуара - емкостные и фильтрационные свойства и их изменчивость по разрезу и по площади определяются генезисом пород, образующих природный резервуар, то есть генетическим типом природного резервуара. На основе изучения генезиса отложений осуществляется прогнозирование и поиски ловушек. Природные резервуары могут быть моно- и полифациальными. Во втором случае, например, шельфовые пески могут сменяться баровыми или дельтовыми, а последние - аллювиальными образованиями, которые в совокупности формируют единую гидродинамическую систему. Фациальная изменчивость отражается на физических свойствах различных частей единого резервуара, на процессах миграции и аккумуляции УВ; они обуславливают многообразие генетических и морфологических типов ловушек в пределах резервуара. 11

В этой связи иногда выделяются субрезервуары. Они характеризуются определенными физическими свойствами, а также их распределением по разрезу, отличающимся от других частей того же резервуара при генетическом единстве с резервуаром, которому принадлежат эти субрезервуары. Монофациальные природные резервуары в большинстве случаев имеют локальное распространение; региональные же резервуары почти всегда полифациальны, что и дает основание выделять в их пределах субрезервуары 12

По характеру взаимоотношения между элементами, образующими резервуар, определяют порядок природный резервуар - простой (совершенный и несовершенный) и сложный. Использование этих понятий вызвано тем, что между пластами-коллекторами нередко залегают пачки- проводники, т.е. между коллекторами отсутствуют флюидоупоры. В этих случаях пласты могут иметь единый водонефтяной или газоводяной контакты и между ними имеется гидродинамическая связь. Простой совершенный природный резервуар - это пласт-коллектор с перекрывающими и подстилающими флюидоупорами (покрышка + коллектор + покрышка) или пласт-коллектор при различных сочетаниях флюидоупоров и промежуточных пачек (покрышка + промежуточная пачка + коллектор + покрышка или покрышка + коллектор + промежуточная пачка + покрышка). 13

Простой несовершенный природный резервуар - часть простого совершенного и представляет собой пласт-коллектор с перекрывающей и/или подстилающей промежуточными пачками либо сочетание пласта-коллектора с нижним или верхним флюидоупорами: промежуточная пачка + коллектор; коллектор + промежуточная пачка; промежуточная пачка + коллектор + промежуточная толща; покрышка + коллектор либо коллектор + покрышка. Сложный природный резервуар - совокупность нескольких пластов-коллекторов при различных сочетаниях флюидоупоров и промежуточных пачек. При этом флюидоупоры и сверху и снизу должны быть едиными для всех пластов-коллекторов Очень важная характеристика природного резервуара - площадь его распространения. От нее в значительной мере зависят объем УВ и концентрация их в ловушках разных генетических и морфологических типов. В зависимости от распространенности природные резервуары могут быть локальными, зональными или региональными. Локально развитые природные резервуары не могут образовывать крупные месторождения. Все гигантские месторождения связаны со сложными резервуарами, имеющими широкое распространение по площади. 14

Выявление морфологического типа природного резервуара позволяет установить границы распространения резервуара, определить и спрогнозировать участки, наиболее благоприятные для формирования ловушек. Выделяются три морфологических типа: - линзовидный - рукавообразный - плащевидный. Линзовидный тип обычен при локальном развитии резервуара; плащевидный характерен для регионального или зонального распространения, а рукавообразный наиболее част при зональном развитии природного резервуара. Последний тип связан с зонами распространения аллювиальных отложений или отложений течений либо с локальным развитием отложений мелких русел, рек, баров и т.д. По соотношению коллектора с ограничивающими его плохо проницаемыми породами выделяются три основных типа природного резервуара: пластовые, массивные и литологические ограниченные со всех сторон (Еременко Н.А.,1988). 15

Тип резервуараСтратиграфическая приуроченность коллектора Направление движения жидкостей и газов ПластовыеВыдерживаетсяПо напластованию МассивныеНе выдерживаетсяПо вертикали Литологически ограниченные со всех сторон Выдерживается Локально, ограничено 16

Пластовый природный резервуар - это коллектор, ограниченный на значительной площади в кровле и подошве плохо проницаемыми породами. В таком природном резервуаре мощность коллектора более или менее выдерживается на большой территории. При общем сохранении пластового характера на тех или иных локальных участках или на границе распространения коллектора может наблюдаться существенное изменение мощностей и даже полное выклинивание коллектора. Коллектор в пластовых природных резервуарах обычно литологически выдержан, но может иметь и более сложное строение. В пластовом природном резервуаре существует единая гидродинамическая система. Наиболее характерным видом движения жидкостей и газов является боковое движение по пласту. 17

Коллекторы, слагающие массивные резервуары, бывают литологически однородными или неоднородными. Однородные массивные резервуары могут быть представлены карбонатными, метаморфическими или изверженными породами. Пористость и проницаемость таких коллекторов обусловлена наличием в них каверн и трещин. Зоны пористости и проницаемости в массивных природных резервуарах не имеют строгой стратиграфической приуроченности. Часто в теле массива наблюдаются зоны с хорошими емкостными показателями, пересекающие стратиграфические поверхности. В массивных природных резервуарах боковое перемещение жидкости и газа ограничено проницаемыми зонами и не может происходить на большие расстояния. Протяженность пути перемещения жидкостей и газов по вертикали соизмерима или даже больше расстояния перемещения флюидов по напластованию. 18

Резервуары, литологически ограниченные со всех сторон - это резервуары всех видов, в которых насыщающие их газообразные и жидкие УВ окружены со всех сторон практически непроницаемыми породами. Движение жидкостей и газов в них ограничено размерами самого резервуара. Выделение указанных типов природных резервуаров в значительной мере условно. Одна и та же порода в процессе литогенеза может менять свои свойства, превращаясь из коллектора в покрышку и наоборот. В зависимости от физико-химических свойств флюида и термобарической обстановки одна и та же порода может быть флюидоупорной для одного и коллектором - для другого флюида. Кроме того, возможны постепенные переходы резервуара одного типа в другой, что особенно характерно для карбонатных толщ. 19

С пространственным соотношением пластов и изолирующих толщ связаны представления о трехслойном природном резервуаре. Его модель была предложена еще в 1968 г. Б.Ф. Филипповым, позднее развита В. Д. Ильиным. Трехслойный природный резервуар состоит из пласта коллектора, флюидоупора и разделяющей их промежуточной (рассеивающей) толщи (полупокрышки, "ложной "покрышки). В тех случаях, когда промежуточная толща имеет значительную мощность, превышающую амплитуду локальной структуры, условия формирования залежей неблагоприятны: когда кровля пласта коллектора на своде антиклинального поднятия залегает ниже кровли промежуточной толщи в седловине, структура не будет заполнена УВ. 20

Очень современная схема типизации природных резервуаров предложена В.И.Еременко (1996). Она базируется на положениях системного анализа и понятиях "осадочно-породный циклит" и "нефтегазоносный комплекс" - как крупное геологическое тело, сформировавшееся в течение одного тектонического цикла развития бассейна седиментации, характеризующиеся трансгрессивно-регрессивным типом осадконакопления, обеспечивающим промышленные масштабы реализации процесса генерации, первичной миграции и аккумуляции углеводородов. 21

Ловушки нефти и газа Ловушка часть природного резервуара, в котором благодаря различного рода структурным дислокациям, стратиграфическому или литологическому ограничению, а так же тектоническому экранированию создаются условия для скопления нефти и газа. Гравитационный фактор вызывает в ловушке распределение газа, нефти и воды по удельным весам. 22

Любая ловушка представляет собой трехмерную объемную форму, в которой в силу емкостных, фильтрационных и экранирующих свойств накапливаются и сохраняются углеводороды. Наиболее простым и распространенным случаем образования ловушки является смятие пластового или массивного природного резервуара под воздействием складкообразовательных тектонических движений в антиклинальную структуру Если в изогнутый в виде свода проницаемый пласт, перекрытый непроницаемыми породами, попадут нефть, газ и вода, то, распределяясь согласно плотностям, нефть и газ займут верхнюю часть сводового изгиба и будут изолированы сверху непроницаемыми породами, а снизу водой. Объемная модель антиклинальной ловушки: 1 изогипсы кровли, м; 2 песчаники; 3 глины 23

Классификация ловушек Антиклинальная (сводовая, структурная) ловушка (а) обусловлена изгибом слоев вверх; ограниченная разломом тектонически экранированная ловушка (б) сформирована вертикальным перемещением пластов, когда пласт непроницаемых пород располагается напротив пласта проницаемых пород. Соляной купол (в) образуется при внедрении соляного штока в другие пласты. Стратиграфическая ловушка (г) сформированная в результате эрозии пластов коллекторов и перекрытия их затем непроницаемыми породами. 24

ЗАЛЕЖИ И МЕСТОРОЖДЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА 25 Скопления нефти, газа, конденсата и других полезных сопутствующих компонентов, сосредоточенные в ловушке, ограниченные поверхностями разного типа, в количестве, достаточном для промышленной разработки, называется залежью. Типы: пластовая, массивная, литологически ограниченная, стратиграфически ограниченная, тектонически экранированная

Залежи нефти и газа Различного типа залежи нефти в гидравлически незамкнутых (13) и замкнутых (46) ловушках: 1 пластовые сводовые нефтяные и газонефтяные залежи; 2 массивная сводовая газонефтяная залежь; 3 нефтяная залежь в выступе палеорельефа, первичного (напр., рифа) или вторичного (эрозионного); 4 нефтяная залежь, экранированная стратиграфическим несогласием; 5 нефтяная залежь в ловушке первичного (фациального, литологического) выклинивания коллектора; 6 тектонически экранированная залежь нефти; 26

А. А. Бакиров скопления нефти и газа подразделяет на две категории: локальные и региональные. К локальным он относит: 1) залежи нефти и газа; 2) месторождения нефти и газа. Региональные скопления нефти и газа А. А. Бакиров и другие исследователи подразделяют на: зоны нефтегазонакопления; нефтегазоносные области; нефтеносные провинции или пояса. В основу классификации залежей для целей поисков и разведки положены следующие признаки: соотношения в них газа, нефти и воды; форма ловушек. 27

Классификация залежей по фазовому составу Залежь нефти и газа представляет собой естественное локальное (единичное) скопление нефти и газа в ловушке. Залежь образуется в той части резервуара, в которой устанавливается равновесие между силами, заставляющими нефть и газ перемещаться в природном резервуаре, и силами, которые препятствуют этому. Газ, нефть и вода располагаются в залежи зонально: газ, как наиболее легкий, занимает кровельную часть природного резервуара, под покрышкой; ниже поровое пространство заполняется нефтью, еще ниже - водой. По преобладанию жидкой фазы над газовой (или наоборот) залежи делятся на: однофазовые нефтяные, газовые, газоконденсатные двухфазовые газонефтяные, нефтегазовые. 28

Классификация залежей по фазовому составу углеводородов 29

Газовая залежь содержит в основном метан и его гомологи (этан, пропан и др.). Газ, содержащий более 95 % метана, относится к сухим, а газовые смеси с содержанием более 5 % тяжелых углеводородов называют жирными. При визуальном осмотре керна продуктивных горизонтов нефтяных месторождений можно увидеть примазки и включения нефти в порах и трещинах породы. На чисто газовых месторождениях керн из продуктивных толщ не отличается от образцов, взятых из выше- или нижележащих отложений. Их можно отличить лишь сразу после подъема из скважины по запаху бензина, который быстро улетучивается и через небольшой промежуток времени керн уже не несет каких-либо следов УВ. В связи с этим проходка скважин в газоносных районах должна быть под постоянным геологическим контролем и обязательно сопровождаться газовым каротажем. 30

Газоконденсатные залежи представляют собой скопления жирного газа и растворенных в нем более тяжелых УВ (С 5 Н 12 и выше). Концентрация их при большой высоте залежи увеличивается вниз по разрезу продуктивной толщи. 31

Нефтегазоконденсатные залежи отличаются от предыдущих наличием в нижней части продуктивной толщи жидких УВ, представляющих собой легкую нефть. 32

Нефтегазовая залежь содержит скопление газа, подстилаемого нефтью (на всей площади или частично), геологические запасы которой не превышают половины суммарных запасов УВ залежи в целом. Газ, имеющий преобладающее значение, как правило, жирный, т.е. помимо метана содержит некоторое количество тяжелых УВ. В зависимости от типа резервуара и характера заполнения ловушки нефтяная часть может иметь вид либо нефтяной оторочки, либо нефтяной подушки. 33

Генетическая классификация залежей нефти и газа по форме ловушек В общем случае все залежи можно разделить на пластовые и массивные. В пластовых залежах отмечается приуроченность залежи к отдельным пластам. Образование массивной залежи связано с терригенным или карбонат- ным массивным резервуаром, когда при большом этаже нефтегазоно- сности залежь сверху контролируется формой верхней поверхности ловушки, а снизу горизонтальный контакт сечет все тело мас- сива. Массивные залежи формируются в рифах, антиклинальных структурах, эрозионных выступах, представляющих собой останцы древнего рельефа. С массивными залежами связаны наиболее значи- тельные скопления нефти и газа, открытые в нашей стране. По классификации А. А. Бакирова, учитывающей главнейшие особен- ности формирования ловушек, с которыми связаны залежи, выделя- ются четыре основных класса локальных скоплений нефти и газа: структурные; рифогенные; стратиграфические;литологические. 34

К классу структурных залежей относятся залежи, приуроченные к различным видам локальных тектонических структур. Наиболее часто встречающиеся залежи этого класса – сводовые, тектонически экранированные и приконтактные. Сводовые залежи (пластовые сводовые, по Г.А. Габриэлянцу) формируются в сводовых частях локальных структур 35

Тектонически экранированные залежи (пластовые тектонически экранированные, по Г.А. Габриэлянцу) формируются вдоль разрывных смещений, осложняющих строение локальных структур Подобные залежи могут находиться в различных частях структуры: на своде, крыльях или периклиналях. 36

Приконтактные залежи образуются в продуктивных пластах, контактирующих с соляным штоком, глиняным диапиром или же с вулканогенными образованиями 37

В отличие выше представленных пластовых залежей, рифовые залежи относятся к массивным. Залежи этого класса образуются в теле рифовых массивов 38

В составе класса литологических залежей выделяются две группы залежей: литологически экранированных и литологически ограниченных. Литологически экранированные залежи в разрезе и в плане (по А.А. Бакирову): а связанные с выклиниванием пласта-коллектора по восстанию слоев; б связанные с замещением проницаемых пород непроницае- мыми; в запечатанные асфальтом. 1 асфальт; 2 линия выклинивания пласта-коллектора 39

Залежи литологически ограниченные приурочены к песчаным образованиям ископаемых русел палеорек (шнурковые или рукавообразные), к прибрежным песчаным валоподобным образованиям или к гнездообразно залегающим породам-коллекторам, окруженным со всех сторон плохопроницаемыми породами. 40 Литологически ограниченные залежи в разрезе и в плане (по А.А. Бакирову): а в песчаных образованиях ископаемых русел палеорек шнурковые или рукавообразные; б в прибрежных песчаных валоподобных образованиях ископаемых баров (баровые); в в гнездообразно залегающих песчаных коллекторах, окруженных со всех сторон плохопроницаемыми глинистыми образованиями. 1 мергели; 2 поверхность несогласия

Выделяют залежи простого и сложного строения. К залежам простого строения принадлежат залежи, приуроченные к литологически выдержанным пластам и заключенные в едином локальном поднятии. К категории сложных относятся многопластовые и многокупольные залежи. 41

Многопластовая залежь нефти и газа охватывает несколько пластов, между которыми существует гидродинамическая связь 42

Многокупольная залежь Единая залежь нефти, приуроченная к трем куполовидным складкам: 1 непроницаемая покрышка; 2 нефтенасыщенный коллектор; 3 водонасыщенный коллектор; 4 известняки 43

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗАЛЕЖЕЙ Одной из важнейших задач на стадии разведки и подготовке к разработке залежи является изучение внутреннего строения залежи нефти или газа. Коллектором называется горная порода, обладающая такими геолого-физическими свойствами, которые обеспечивают физическую подвижность нефти или газа в ее пустотном пространстве. Порода-коллектор может быть насыщена как нефтью или газом, так и водой. Породы с такими геолого-физическими свойствами, при которых движение нефти или газа в них физически невозможно, называются неколлекторами. Внутреннее строение залежи определяется различным размещением неколлекторов и коллекторов, а также коллекторов с разными геолого-физическими свойствами как в разрезе, так и по площади залежи. 44

45 Породы-коллекторы Обломочные или терригенные (межзерновые или гранулярные) смешанные Хемогенные Органогенные (биогенные) Нетрадиционные (в магматических, вулканогенных, метаморфических породах)

Свойства горной породы вмещать и пропускать через себя жидкости и газы называются фильтрационно- емкостными свойствами (ФЕС). Е мкостные свойства породы определяются ее пустотностью, которая слагается из объема пор, трещин и каверн. По времени образования выделяются первичные пустоты и вторичные. Первичная пористость – пустоты образуются в процессе осадконакопления и породообразования (промежутки между зернами – межзерновые поры, между плоскостями наслоения, камеры в раковинах и т.д.). Вторичная пористость - поры образуются в результате последующих процессов: разлома и дробления породы, растворения, перекристаллизации, возникновения трещин вследствие сокращения породы (например, при доломитизации) и других процессов. 46

Различные типы пустот в породе а хорошо отсортированная порода с высокой пористостью; б плохо отсортированная порода с низкой пористостью; в хорошо отсортированная пористая порода; г хорошо отсортированная порода, пористость которой уменьшена в результате отложения минерального вещества в пустотах между зернами; д порода, ставшая пористой благодаря растворению; е порода, ставшая коллектором благодаря трещиноватости. 47

Пористость и строение порового пространства Выделяют полную, которую часто называют общей или абсолютной, открытую, эффективную и динамическую пористость. Количественно пористость породы характеризуется коэффициентом пористости, который измеряется в долях или процентах от объема породы. Полная пористость включает в себя все поры горной породы, как изолированные (замкнутые), так и открытые, сообщающиеся друг с другом. Коэффициентом полной пористости называется отношение суммарного объема пор в образце породы к видимому его объему: Открытая пористость образуется сообщающимися порами. Коэффициентом открытой пористости называется отношение объема открытых, сообщающихся пор к видимому объему образца: 48

Эффективная пористость учитывает часть объема связанных между собой пор насыщенных нефтью. Пористость породы в большой степени зависит от размеров пор и соединяющих их поровых каналов, которые в свою очередь определяются гранулометрическим составом слагающих породу частиц и степенью их сцементированности. Структура порового пространства пород обусловлена большим числом факторов: гранулометрическим составом пород, формой и окатанностью частиц, сортированностью обломочного материала, системой укладки обломочного материала, составом обломков, составом цемента, количеством цемента, характером распространения цемента, химическим составом пород, происхождением пор, равномерностью распределения пор, соотношением больших и малых пор. 49

Пористость повышается с улучшением окатанности и отсортированности обломков, если обломочные зерна сами пористые, с увеличением размеров обломков, с уменьшением количества цементирующего материала, если порода подверглась растрескиванию и растворению и т.д. При решении задач нефтегазопромысловой геологии используется коэффициент открытой пористости который определяется как по образцам в лаборатории, так и по данным геофизических исследований скважин. Открытая пористость коллекторов нефти и газа изменяется в широких пределах от нескольких процентов до 35 %. По большинству залежей она составляет в среднем 12 – 25 %. 50

Коэффициент пористости обломочных пород в случаях, когда зерна породы одинаковы по размеру и имеют шарообразную форму, не зависит от размера зерен, а определяется их укладкой и однородностью по размеру. При кубической упаковке пористость составляет 47,64 %; при ромбической – 25,95 %, независимо от размеров шаров. У пород, состоящих из неодинаковых по размеру обломков (конгломератов, глинистых песчаников), пористость резко снижается, так как мелкие зерна занимают промежутки между крупными зернами, уменьшая объем порового пространства. 51

В большой степени свойства пористых сред определяются размерами поровых каналов. По величине поровые каналы нефтяных пластов условно разделяют на три группы: 1) сверхкапиллярные размеры больше 0,508 мм (>508 мкм); 2) капиллярные от 0,5 до 0,0002 мм ( ,2 мкм); 3) субкапиллярные меньше 0,0002 мм (

Классификация коллекторов по типу пустотного пространства По преобладающему типу пустот, слагающих поровое пространство, коллекторы делятся на три основных типа: поровые, трещинные и каверновые. Подавляющая часть нефтяных и газовых месторождений приурочена к коллекторам трех типов – гранулярным, трещинным и смешанного строения. К гранулярному типу относятся коллекторы, представленные песчано-алевритовыми породами, реже известняками и доломитами; поровое пространство в них состоит из межзерновых полостей. Трещинные коллекторы сложены преимущественно карбонатами; поровое пространство в них образуется системой трещин. При этом участки коллектора между трещинами представлены плотными непроницаемыми и малопроницаемыми нетрещиноватыми блоками пород, поровое пространство в которых практически не участвует в процессах фильтрации. В коллекторах смешанного типа отмечается сочетание систем трещин, порового пространства блоков и пор (каверны, карст). 53