Методологические основы технологии бассейнового моделирования

Развитие нефтегазовой геологии достигло такого уровня, когда необходимо и возможно создание единой, целостной системы знаний о взаимосвязях процессов формирования и существования скоплений УВ. Определение необходимого набора критериев прогноза нефтегазоносности будет более полным и целенаправленным в рамках единой системы исследований, рассматривающей механизм формирования скоплений УВ как единый комплекс взаимосвязанных процессов от начала формирования генерационного потенциала нефтегазоматеринских пород (НГМП) до образования месторождения и условий его существования в современном состоянии.

В настоящее время наиболее полно решению таких задач отвечает широко применяющийся в нефтяной геологии метод бассейнового моделирования (МБМ). В России, в частности в НВНИИГГ, автором данной работы с начала 80-х годов разрабатывалась собственная модификация МБМ.

По аналогии с общепринятым определением экологии, можно определить объект изучения бассейнового моделирования как совокупность углеводородов, взаимодействующих друг с другом и образующих с вмещающей геологической средой некое единство (т.е. синтез), в пределах которого осуществляется трансформация энергии и органического вещества. При этом в определении экологии В.Д.Федорова (1980) заменены только слова "...живых организмов" на "углеводородов" и "окружающей средой обитания" на "вмещающей геологической средой", что свидетельствует о схожести характера решаемых задач.

В общем виде процессы формирования и консервации залежей нефти и газа можно описать следующими несколькими формулами.

Расчет количества генерированных жидких и газообразных УВ из рассеянного органического вещества (РОВ), на достигнутой стадии его катагенетического преобразования, всегда ведется от РОВ на начало катагенеза, т.е. исходного РОВ (РОВисх.). Содержание РОВисх. определяется через коэффициент перехода РОВ содержавшегося в осадке в РОВ в литифицированной породе на начало катагенеза (коэффициент фоссилизации РОВ):

РОВ осадка * К фосс. = РОВ исх.

Количество генерированных УВ рассчитывается как произведение РОВ исходного (в начале катагенеза) на коэффициент генерации УВ (жидких и газообразных):

РОВ исх. * К генер. = УВ генер.

Количество эмигрировавших из нефтегазоматеринской породы (НГМП) в выше- и нижележащий коллекторы рассчитывается как произведение количества генерированных в НГМП углеводородов на коэффициент эмиграции УВ (жидких и газообразных):

УВ генер. * К эмигр. = УВ эмигр.

Также такой расчет может быть выполнен и как произведение РОВисх. на коэффициент эмиграции УВ:

РОВ исх. * К эмигр. = УВ эмигр.

или как разница генерированных УВ и УВ потерь в нефтегазоматеринской породе (эмиграционных потерь):

Нгмп

УВ генер.-УВ потерь = УВ эмигр.

Количество УВ способных попасть в ловушку, т.е. способных аккумулироваться в залежи рассчитывается разница эмигрировавших в коллектор УВ и УВ миграционных потерь:

Мигр.

УВ эмигр. – УВ потерь = УВ ловуш.

Количество УВ сохранившихся в ловушке на современном этапе можно оценить как разницу УВ способных аккумулироваться в залежи и УВ рассеявшихся из ловушки (за счет высачивания, диффузии, в результате изменения экранирующих свойств покрышки и т.д.)

Расс.

УВ ловуш. – УВ ловуш. = УВ акк.

где: РОВ осадка - органическое вещество, перешедшее в осадок; К фосс. - коэффициент фоссилизации РОВ; РОВ исх. - исходное РОВ на начало катагенеза; К генер. - коэффициент генерации; К эмигр. - коэффициент эмиграции; УВ генер. - генерированные УВ; УВ эмигр. - эмигрировавшие УВ;

нгмп

УВ потерь - УВ, связанные нефтегазоматеринской породой (НГМП);

мигр.

УВ потерь - УВ миграционных потерь;

УВ ловуш. - УВ, достигшие ловушек;

расс.

УВ ловуш. - УВ, рассеявшиеся из ловушек;

УВ акк. - УВ аккумулированные, УВ современных залежей - начальные потенциальные ресурсы УВ (НСР).

Таким образом, методологической основой технологии бассейнового моделирования является единая система, рассматривающая совокупность процессов, регулирующих трансформирование и расходование исходной массы органического вещества.

Настоящее учебное пособие составлено с учетом того, что студенты ранее прослушали соответствующие курсы: химия, физика, общая геология, геология нефти и газа, литология, петрография, минералогия, фациальный анализ, тектоника, структурная геология, геохимия нефти и газа и т.д. В связи с этим соответствующие разделы здесь освещаются только в общем виде.

Стадийность комплекса процессов формирования скоплений (залежей) УВ.

А.А. Бакиров [29], творчески развивая научное наследие академика И.М. Губкина [16], выделил (1955 г.) в указанном процессе, протекающем в литосфере, шесть стадий:

1) накопления органического вещества (ОВ);

2) генерации углеводородов (УВ);

3) миграции УВ;

4) аккумуляции УВ;

5) консервации скоплений УВ;

6) разрушения или перераспределения УВ.

Однако с таким выделением стадий нельзя согласиться в части объединения в одну стадию (стадия 3) процессов первичной миграции (эмиграции) генерированных УВ из нефтегазоматеринских пород в породы – коллекторы и процессов вторичной (вертикальной и латеральной) миграции эмигрировавших УВ в коллекторе. Данные процессы протекают в весьма различных условиях вмещающей среды и под воздействием, часто, различных процессов протекающих в недрах. Таким образом, очевидно разделение стадии 3 (А.А. Бакиров, 1955) на две самостоятельные стадии: стадия 3 - эмиграции (первичной миграции) УВ и стадия 4 - миграции (вертикальной и латеральной миграции) УВ, т.е. выделении семи самостоятельных, но взаимосвязанных стадий комплекса процессов формирования скоплений (залежей) УВ.

Каждая из перечисленных стадий протекает в определённых условиях окружающей среды и при воздействии внутренних и внешних источников энергии, тесно взаимосвязанных и взаимообусловленных.

К внешним источникам энергии относятся: силы давления постепенно увеличивающейся нагрузки вышележащих отложений (геостатическое давление); силы тектонических движений (геодинамическое давление); гравитационные силы, обусловливающие перемещение флюидов под действием силы тяжести; действие теплового потока Земли; гидродинамические силы, под действием которых происходит продвижение УВ в проницаемых пластах или в системе трещин; капиллярные силы, обусловливающие вытеснение нефти водой из мелких пор в сторону более крупных.

Изучая энергетическую сторону возникновения и развития многоступенчатого процесса преобразования ОВ, захороняемого в осадке, в УВ и затем генерации, миграции и аккумуляции УВ, нельзя, однако, ограничиваться рассмотрением лишь перечисленных выше внешних источников энергии, обусловливающих совокупности возникновения и развития этого процесса [А.А. Бакиров, 1955]. В процессе преобразования ОВ, захороняемого в осадке, большая роль принадлежит также и внутренним источникам энергии, заключенным в ОВ и УВ. Активизация указанных внутренних резервов УВ и ОВ может происходить в связи с молекулярной перестройкой структуры вещества, возникающей при сочетании определенных геологических, геохимических и геофизических условий окружающей среды.

К таким внутренним источникам энергии, участвующим в процессе генерации, миграции и аккумуляции У В, можно отнести: 1) влияние биохимического воздействия микроорганизмов и их ферментов; 2) действие каталитических свойств вмещающих пород; 3) действие внутренней химической энергии ОВ и УВ; 4) действие радиоактивных минералов вмещающих пород; 5) энергию кристалл-лизации и перекристаллизаци пород а) молекулярные силы, б) капилляр­ные силы, вытесняющие УВ водой из мелких пор в более крупные; в) силы упруго­го расширения УВ и вмещающих пород, г) электрокинетичекие силы.

Необходимо отметить, что изучению внутренних источников энергии, действующих на отдельных стадиях развития процесса нефтегазообразования и нефтегазонакопления, уделяется пока недостаточное внимание. Между тем роль их в этом процессе велика. Познание закономерностей возникновения и развития указанного процесса невозможно без полного учёта действия как внешних, так и внутренних источников энергии в комплексе.

Геологические условия среды и основные внешние и внутренние источники энергии, действующие на отдельных стадиях преобразования ОВ и движения УВ

Стадия 1. Накопление ОВ. Оно происходит в диффузно-рассеянной форме в водной среде. Затем происходит постепенное захоронение ОВ в осадке в анаэробной геохимической обстановке.

Необходимые для преобразования захороняемого ОВ условия среды: устойчивое прогибание рассматриваемой части бассейна седиментации и застойный палеогидрогеологический режим. Основные источники энергии, действующие на преобразование ОВ: геостатическое давление, биохимическое воздействие микроорганизмов и их ферментов. В процессе седиментогенеза из осадков отжимается вода. Причем 88% всей воды отжимается на глубине 500 м, 95 % - на глубине 1500 м, а на глубине 2500 м теряется до 98 % воды.

Стадия 2. Генерация УВ. Во время этой стадии происходит постепенное преобразование в осадочных образованиях ОВ в УВ нефтяного ряда сначала в стадии диагенеза, а затем катагенеза.

За счет вышележащей толщи осадков растут температура и давление, которые вместе с геологическим временем являются составляющими главной фазы нефтеобразования (ГФН). В течение этой стадии рассеянное органическое вещество (РОВ) превращается в жидкие УВ.

Необходимые условия среды: восстановительная и слабовосстановительная геохимическая обстановка; устойчивое прогибание бассейна седиментации; сохранение застойного палеогидрогеологического режима.

Основные источники энергии: возрастающее геостатическое давление по мере погружения осадка; постепенно возрастающая температура во вмещающих породах; внутренняя химическая и физико-химическая энергия ОВ; радиоактивные минералы вмещающих пород.

Стадия 3. Эмиграция УВ. В течение этой стадии происходит первичная миграция УВ из нефтегазопродуцирующих толщ в породы с хорошими коллекторскими свойствами в водогазорастворённом и свободном состояниях.

Необходимые условия среды: наличие в природном резервуаре нефтегазоматеринских и контактирующих с ними пород с хорошими коллекторскими свойствами; сохранение восстановительной и слабовосстановительной обстановки; продолжающееся устойчивое прогибание бассейна седиментации и, как результат, продолжающееся уплотнение нефтегазоматеринских толщ, изменение (снижение) их сорбционных свойств по мере увеличения пластовых температур, продолжение процессов генерации жидких и (или) газообразных УВ.

Основные источники энергии: тектонические движения в различных формах проявления (геодинамическое давление); гидродинамические процессы, приводящие к отжатию седиментационных вод из нефтегазоматеринских пород; движущие силы газа; действие возрастающей температуры во вмещающих породах; капиллярные силы, вытесняющие УВ водой из мелких пор в более крупные; молекулярные силы, приводящие к диффузии УВ через горные породы; создание аномально высокого давления (АВПД) за счет увеличения суммарного объема органического вещества (нерастворимое ОВ (кероген) + продукты генерации (углеводородные и неуглеводородные).

Стадия 4. Вторичная миграция УВ. В течение этой стадии происходит вертикальная и латеральная миграция УВ в породах с хорошими коллекторскими свойствами в водогазорастворённом и свободном состояниях.

Необходимые условия среды: наличие в природном резервуаре пород с хорошими, выдержанными коллекторскими свойствами; сохранение восстановительной и слабовосстановительной обстановки; сохранение регионального наклона.

Основные источники энергии: тектонические движения в различных формах проявления (геодинамическое давление); гидродинамические процессы, приводящие к движению флюидов в латеральном и вертикальном направлениях; движущие силы газа; гравитационные силы, обусловливающие перемещение УВ под действием силы тяжести; действие процессов кристаллизации и перекристаллизации пород- коллекторов.

Стадия 5. Аккумуляция УВ. На этой стадии происходит аккумуляция мигрирующих в коллекторы природного резервуара УВ в залежь (скопление).

Необходимые условия среды: наличие пород-коллекторов, обладающих повышенными ФЕС; наличие региональных и локальных ловушек, благоприятных для аккумуляции УВ; наличие пород-флюидоупоров (покрышек) над коллекторами; сохранение восстановительной и слабовосстановительной обстановки; застойный режим пластовых вод. Одним из основных условий аккумуляции является превышение суммы эмигрировавших из нефтегазоматеринских пород УВ на суммой их потерь в процессе вторичной миграции (миграционных потерь).

Основные источники энергии: тектонические движения, способствующие аккумуляции УВ; гидродинамические силы; гравитационные силы; силы движущегося газа; молекулярные силы, обусловливающие аккумуляцию.

Стадия 6. Консервация УВ. Необходимые условия среды: сохранение хороших коллекторских свойств пород, герметичность пород флюидоупоров (покрышек) над залежью, замкнутость ловушек после формирования в них скоплений УВ, нахождение скоплений вне зоны химической и физической аэрации; сохранение застойного режима подземных вод.

Источники энергии: действие во вмещающих породах температуры и давления, благоприятных для скоплений УВ; преимущественно нисходящие формы тектонических движений.

Стадия 7. Разрушение и перераспределение скоплений УВ. Необходимые условия среды: раскрытие ловушек; попадание скоплений УВ в зоны активного водообмена; изменение регионального наклона слоев.

Источники энергии, приводящие к разрушению ранее сформировавшихся залежей УВ и коренному изменению их физических свойств и химического состава с образованием мальт, асфальтов, озокеритов, шунгитов и т. д.: восходящие формы текгонических движений; образование или активизация разрывных нарушений; движение пластовых и трещинных вод в зонах активного водообмена; окисление УВ сульфатными водами; разложение УВ микроорганизмами; молекулярные силы, обусловливающие диффузию УВ; действие гипергенных процессов и др.

Типичным примером разрушения некогда существоваших нефтяных месторождений является крупнейшее скопление нафтидов Атабаска (Западно-Канадский щит), представленные нафтидами различных классов (тяжелые нефти, мальты, асфальтиты, озокериты).