Условия залегания нефти и газа в недрах. Коллекторы и флюидоупоры.

Не так давно все проявления нефти на земной поверхности объясняли якобы существующими в недрах земли крупными пустотами, заполненными нефтью. Тогда верили в существование подземных нефтяных озер и даже целых подземных нефтяных рек и ручьев.

Вода и ветер разрушают породы, слагающие горные хребты и возвышенности, образуются обломки различной величины. Вода, стекающая с возвышенных участков земной коры, несет с собою обломки горных пород, которые отлагаются и накапливаются с течением времени в пониженных частях суши и в морях.

Проходят миллионы лет, прежде чем накопится толща в несколько десятков или сотен метров. Осадки, возникшие как в безводных условиях в пониженных участках суши, так и под водой, после их уплотнения превращаются в осадочные горные породы.

Особенно больших мощностей достигают осадочные породы, образовавшиеся из осадков, отложившихся в водных бассейнах, дно которых в процессе колебательных движений земной коры прогибается в течение длительного геологического времени.

При погружении осадочных пород на большую глубину, достигающую многих километров, происходит их сильное уплотнение, которое вместе с повышением температуры приводит породы к перекристаллизации. Таким путем возникают сильно видоизмененные осадочные породы, называемые метаморфическими (по латыни «метаморфос» изменение). Уплотнение и метаморфизация осадочных пород протекают особенно интенсивно в тех участках земной коры, в которых возникают сильные их изгибы с образованием сложно построенных складок.

В процессе образования гор интенсивнее всего разрушаются наиболее приподнятые части хребтов. Здесь возникают вулканы и происходит излияние расплавленных масс на поверхность земли или их внедрение в толщу осадочных пород.

Таким образом, состав земной коры неоднороден в различных ее частях. В областях, где преобладали и преобладают ныне процессы погружения земной коры, очень большой мощности достигают осадочные горные породы. В центральных частях горных сооружений и на участках современных материков, где преобладали и преобладают процессы подъема земной коры, обнажаются изверженные породы.

Скопления нефти и газа встречаются преимущественно в осадочных породах песках, песчаниках и трещиноватых известняках и доломитах. Очень редко встречаются скопления этих полезных ископаемых в трещиноватых метаморфических и изверженных породах.

Образование осадочных пород происходит различными путями. В пониженные участки, покрытые водой вследствие разрушения суши, заносятся обломки пород. Они отлагаются на дне бассейна и дают начало породам, называемым обломочными.

Обломочные породы состоят из различных по величине частиц от крупных галечников, крупнозернистых песков до тонкоотмученных, глинистых пород.

На дне озер, морей и океанов может происходить отложение выпадающих из раствора солей. Так образуются химические осадочные породы: соль, гипс, ангидрит, иногда известняки в доломиты.

Водные бассейны населены всевозможными живыми организмами, среди которых встречаются самые разнообразные виды животных и растений как простейших одноклеточных, так и сложнопостроенных. Животные и растения, населяющие подводный мир, резко отличаются от привычных для человеческого глаза форм, распространенных на суше. Подводное царство, особенно на больших глубинах, до сих пор слабо изучено. Еще много и много тайн скрывают от нас огромные глубины океанов и морей.

Геолог, изучая горные породы, определяет виды и форма животных и растений, населявших древние моря и континенты.

Органические породы представлены часто мощными толщами известняков или кремнистых пород, составленных скелетами вымерших живых организмов. Некоторые известняки, сложенные целиком раковинами, называются ракушниками. Особенно часто органические породы сложены мельчайшими скелетами микроорганизмов, невидимых простым глазом. При смешении на дне моря известковых скелетов

Микроорганизмов с илистыми частицами образуются породы, называемые мергелями.

Известковые, кремнистые и мергелистые илы в процессе уплотнения сравнительно быстро превращаются в плотные и крепкие породы, которые при этом теряют пластичность и становятся трещиноватыми. Трещиноватость является свойством, имеющим большое значение для свободного перемещения в этих породах жидкостей и газов. Некоторые органические породы могут гореть.

Образование горючих органических пород нетрудно наблюдать в многочисленных торфяных болотах. Масса отмирающей и попадающей в болото растительности образует с течением времени пласты торфа толщиной в несколько метров. При погружении торфа на большую глубину он уплотняется так же, как и другие породы. Пласты торфа при этом превращаются в пласты бурого угля.

Известковый ил с рассеянными в нем продуктами преобразования легко разлагающейся части органических остатков дает начало битуминозным известнякам.

Ил, состоящий из мельчайших обломочных и рассеянных среди них органических частиц, превращается в глину, из которой при уплотнении возникают битуминозные сланцы.

Породы, легко проницаемые для жидкости и газа, называются коллекторами. Лучшими коллекторами являются хорошо проницаемые пески, рыхлые песчаники, кавернозные (обладающие крупными пустотами кавернами) и трещиноватые известняки.

Непроницаемыми породами с точки зрения свободного перемещения массы жидкостей и газов являются глины, мягкие мергели, соль, гипс, ангидрит, в порах которых подвижные вещества не могут двигаться под влиянием силы тяжести и распределяться по их удельному весу.

В таких непроницаемых породах возможно только диффузное или молекулярное перемещение веществ, поэтому правильнее именовать их малопроницаемыми.

Породы-коллекторы. Горные породы, обладающие способностью вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке, называются коллекторами. Абсолютное большинство пород-коллекторов имеют осадочное происхождение. Коллекторами нефти и газа являются как терригенные (пески, алевриты, песчаники, алевролиты и некоторые глинистые породы), так и карбонатные (известняки, мел, доломиты) породы.

Из определения пород-коллекторов следует, что они должны обладать емкостью, т. е. системой пустот — пор, трещин и каверн. Однако далеко не все породы, обладающие емкостью, являются проницаемыми для нефти и газа, т. е. коллекторами. Поэтому при изучении коллекторских свойств горных пород определяют не только их пустотность, но и проницаемость.

Проницаемость горных пород зависит от поперечных (к направлению движения флюидов) размеров пустот в породе. Все коллекторы по характеру пустот подразделяют на три типа: гранулярные или поровые (только обломочные горные породы), трещинные (любые горные породы) и каверновые (только карбонатные породы). Емкость порового коллектора называется пористостью. Для характеристики пористости употребляется коэффициент, который показывает, какую часть от общего объема породы составляют поры. По размерам все поры делятся на сверхкапиллярные (> 508 мкм), капиллярные (508-0,2 мкм) и субкапиллярные ( 0,2 мкм.

Различают общую, открытую и эффективную пористость. Общая (полная, абсолютная) пористость - это объем всех пор в породе. Соответственно коэффициент общей пористости представляет собой отношение объема всех пор К к объему образца породы V2:kn = Vi \V%. При промышленной оценке залежей нефти и газа принимается во внимание открытая пористость - объем только тех пор, которые связаны, сообщаются между собой. В нефтяной геологии наряду с понятиями общей и открытой пористости существует понятие эффективной пористости, которая определяется наличием таких пор, из которых нефть может быть извлечена при разработке. Неэффективными считаются субкапиллярные и изолированные поры.

Коэффициент эффективной пористости неф-тесодержащей породы kn. равен отношению объема пор V., через которые возможно движение нефти, воды или газа при определенных температуре и градиентах давления, к объему образца породы, коэффициент пористости обломочных пород в идеальном случае (когда зерна породы одинаковы по размеру и имеют шарообразную форму) не зависит от размеров зерен, а определяется их укладкой и однородностью по размеру. При расположении шаров по вершинам куба пористость составляет 47,64 %, а по вершинам тетраэдра - 25,95 %, независимо от размера шаров. У пород, состоящих из неодинаковых по размеру обломков (конгломератов, глинистых песчаников), пористость резко снижается, так как мелкие зерна заполняют промежутки между крупными зернами, уменьшая тем самым объем порового пространства. Величина коэффициента пористости горных пород может достигать 40 %, например для газоносных алевролитов (алевритов) место-скоплений Ставрополья его значения составляют 30-40 %. Наиболее распространенные значения к нефтеносных песчаников Русской платформы 17-24%.

Принципы количественной оценки емкостных свойств карбонатных (трещиноватых и кавернозных) пород такие же, как и обломочных. Проницаемость - важнейший показатель коллектора, характеризующий свойство породы пропускать жидкость и газ. За единицу проницаемости (1 мкм ) принимается проницаемость такой породы, при фильтрации через образец которой площадью 1 м2 и длиной 1 м при перепаде давления 0,1 МПа расход жидкости вязкостью 1 мПа с составляет 1 м3/с. Проницаемость нефтеносных песчаников изменяется в широком диапазоне - от 0,05 до 3 мкм2, трещиноватых известняков - от 0,005 до 0,02 мкм2. Она зависит от размера и конфигурации пор (величины зерен), от плотности укладки и взаимного расположения частиц, от трещиноватости пород. Коллекторские свойства нефтегазоносных пластов очень часто резко изменяются на незначительных расстояниях в одном и том же пласте.

Даже в пределах небольшого образца породы размеры пор сильно различаются. Характер строения и размер пор оказывают большое влияние на движение жидкостей и газа в нефтяном пласте и на величину коэффициента извлечения нефти из недр. Практически по субкапиллярным порам жидкость не перемещается. В таких порах межмолекулярное притяжение настолько велико, что для перемещения жидкости требуется чрезмерно высокий перепад давления, отсутствующий в пластовых условиях. Благодаря межмолекулярному притяжению поверхность минеральных частиц обволакивается слоем крепко связанной воды.

Эта вода почти полностью закрывает просветы субкапиллярных поровых каналов. Породы с такими порами характеризуются проницаемостью менее 0,001 мкм2 и не имеют практического значения. При разработке месторождений применяют методы искусственного увеличения пористости и проницаемости путем гидроразрыва пласта и воздействия на него соляной кислотой, что приводит к разрушению перегородок между порами и расширению трещин. Существуют различные схемы классификации пород-коллекторов. П. П. Авдусин и М. А. Цветкова выделяют пять их классов по величине эффективной пористости, %: А - 20, В - 15-12, С - 10-15, D-5-10, Е - 5. Каждый из указанных классов в свою очередь подразделяется' На три группы по скорости движения фильтрата через породу.

Сохранение скоплений нефти и газа в породах-коллекторах невозможно, если они не будут перекрыты непроницаемыми для флюидов (нефти, газа и воды) породами. Перекрывающие нефтяные и газовые залежи плохо проницаемые породы называют 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 местоскопления), которые обусловливают сохранность отдельных залежей. Наличие трещиноватости в породах-флюидоупорах снижает их экранирующие свойства. Например, в зонах региональных разломов первоначальные пластичные свойства глин и солей утрачиваются, они становятся хрупкими, с раскрытыми трещинами и могут пропускать флюиды. Важную роль в экранирующих свойствах покрышек играет степень их однородности: присутствие прослоев песчаников и алевролитов ухудшает их качество.

Алевролитовая примесь по мере увеличения ее содержания в глинах оказывает влияние на структуру порового пространства. Более чистые разности глин уплотняются интенсивней и характеризуются преимущественно тонкими сечениями поровых каналов, а также низкой проницаемостью. Наиболее широко распространены глинистые покрышки. Глины характеризуются пластичностью, зависящей от степени дисперсности слагающих, их минеральных частиц, химического состава и способности к ионному обмену этих частиц. Известно, например, что монтмориллонитовые глины обладают лучшими экранирующими свойствами по сравнению с каолинитовыми. Надежным экраном является каменная соль, которая благодаря своей пластичности деформируется без нарушения сплошности.

Ангидриты значительно более хрупкие, чем соль, и не являются такими надежными экранами. Вместе с тем абсолютно непроницаемых для нефти и газа покрышек в природе не существует. В. П. Савченко на основе экспериментальных работ установил, что глинистая покрышка удерживает только такую залежь, избыточное давление в которой меньше перепада давлений, обусловливающего начало фильтрации флюидов сквозь эту покрышку. Чем больше мощность покрышки, тем выше ее изолирующие качества и способность удерживать залежи с большими высотами. На больших глубинах вследствие потери воды глинистые породы превращаются в хрупкие тела и могут стать породами-коллекторами.