Геофлюидодинамика глубокопогруженных зон нефтегазонакопления

Л.А.Абукова (ИПНГ РАН, Москва, Россия)

По мере погружения осадочных отложений все меньшее значение оказывают те факторы, которые определяют инфильтрационный и элизионный геофлюидодинамические режимы (гипсометрическая разница областей питания и разгрузки, давление веса вышележащих отложений взаимосвязь поверхностных и подземных вод и др.). Как следствие, разрушаются картины латеральной и вертикальной гидродинамической и гидрохимической зональностей, описываемые без больших погрешностей в парадигме сплошных сред. Мозаичность химического состава подземных вод, величин пластового давления и скоростей движения флюидов становится главной отличительной приметой флюидодинамического режима, вещественно-энергетическая неоднородность пластовых систем - основной движущей силой для геофлюидодинамических процессов, а блоковость пластовых систем – главным фактором размещения зон нефтегазонакопления на больших глубинах.

Внутренняя динамика блоков, по-видимому, различна: одни продолжают вести себя по классическим физическим законам (в частности, термодиффу-зия в них происходит по линейному закону). В других же блоках, которые, во-первых, из-за высокой геодинамической напряженности ведут себя как сравнительно изолированные системы, а во-вторых, находятся под действием наиболее резких перепадов термобарического фактора, возникают диссипативные структуры. Вынужденная же диссипация энергии приводит, с одной стороны, к формированию устойчивых регулярных структур, с другой, к образованию гидродинамической неустойчивости, что в свою очередь порождает коллективные движения криволинейного (вихревого) характера. Так, если относительно изолированный блок пластовой системы по соотношению длины к мощности можно сравнить с тонким водяным слоем между непроницаемыми верхней (более холодной) и нижней (более обогретой) пластинами, то в узкий временной интервал, при котором тепловой поток ( q ) постоянен и положителен, изменение энтропии (deS/dt) становится зависимым от перепада температур на нижней (T1) и верхней (T2) границах блока [4, 6 и др.].

deS/dt = f (T2 - Т1)/(T2 * Т1)

В осадочных бассейнах температура с глубиной растет всегда, поэтому для любого интервала его разреза deS/dt будет по знаку отрицательным. Казалось бы, формально для выполнения условия deS/dt < 0 (т.е. для развития процессов самоорганизации) в осадочном бассейне есть предпосылки, однако в реальной геологической среде существуют противонаправленные этому факторы. Так, на глубинах, где геотермические градиенты высокие (до 3 - 5 км ), тепло- и массообмен, приводящий к линейным вертикальным или латеральным перемещениям флюидов, не позволяет зарождаться вихревым структурам. На больших же глубинах, где скорость вертикального и тем более латерального движения фобидов ничтожна, снижается и геотермический градиент. Но при малой разности температур перенос тепла осуществляется за счет теплопроводности (столкновений между молекулами), и только выше определенного порога разности температур к переносу тепла “подключается” конвекция, т.е. флюиды вовлекаются в коллективные движение вихревого характера. Стало быть, такие условия возникают не всегда и не везде. Формирование диссипативных геофлюидодинамических систем можно ожи-дать там, где:

а) высока геодинамическая напряженность региона и снижена возможность латерального оттока теплового потока;

б) достигается наибольшая разница между значениями теплопроводности пород подстилающих комплекс и перекрывающих его отложений;

в) сокращено расстояние до источника обогрева.

Исходя из этих соображений, можно предполагать, что диссипативные геофлюидодинамические системы чаще всего должны возникать в подсолевых отложениях (особенно на тех его участках, которые приурочены к приподнятым блокам фундамента). Именно здесь следует ожидать наибольшей разницы между значениями теплопроводности нижних и верхних частей осадочного комплекса (особенно в зоне криолитозоны). Так, если за верхнюю границу принять низы соленосной пачки, а за нижнюю – кристаллический фундамент, то разница в теплопроводности может быть наибольшой из всех других возможных комбинаций литологических разностей, слагающих осадочный разрез и его основание.

О роли соли, как диссипатора глубинного тепла, говорят многие данные. В частности, П.П.Атрощенко (1990) по скважинам северной части Припятской впадины составил баланс тепла, который свидетельствует о том, что разность теплового потока между солевой и подсолевой толщами (совместно) с надсолевой составляет примерно от 30 до 50 % от значений, характерных для о подсолевых и солевых отложений, и подчас превышает (скв. Вишанская, 18) значения теплового потока в надсолевом разрезе.

Выполнены расчеты, согласно которым в Прикаспийской впадине наличие соли в разрезе чехла мощностью в 1 км дает понижение температуры в кровле подсолевого комплекса на 10-12 % . Охлаждающее влияние соли особенно ясно проявляется на соляных куполах. Так, в пределах куполов Зареченского, Болганмола, Порт-Артура, где соль вскрыта соответственно на глубине 9250, 9500 и 9600 м , температуры составили 164о С, 167о С , 172о С, в то время как в пределах соседней Аралсорской межкупольной зоны подошва соли, находящаяся на глубине 9150 м , имеет температуру 194о С [1-к].

Также надо иметь в виду, что при нормальном давлении температура соответствует глубине их определения, а в условиях аномалийности пластовых давлений температура залежи понижена по сравнению с общим прогревом пород на рассматриваемой уровне [2-к].

К чему, с геологической точки зрения, приводит появление диссипативных геодинамических систем на больших глубинах осадочного бассейна? На наш взгляд, таких следствий два: во-первых, создаются предпосылки для криволинейного движения, во-вторых, возможно дискретно-упорядоченное расположение зон нефтегазонакопления. Пространственная упорядоченность как геологических структур, так и месторождений различных ископаемых рассмотрена целым рядом исследователей обсуждается все чаще. В работах В.В.Пиотровского М.А.Садовского, Р.И.Гришкяна, В.В. Богацкого, В.И.Витязя, С.И.Сухоноса, Е.А.Лободы и многих других авторов показано, что относительно устойчивые во времени (от одной крупной тектонической перестройки до другой) ГФС возникают в тектонически спокойных и пространственно выдержанных территориях в виде периодически упорядоченных структур, описание которых содержится В их работах развита идея о глобальной дискретизации геологического пространства Земли и ее влияния на размещение полезных ископаемых, в том числе нефти и газа [2, 5 и др.].

Второе следствие диссипативного геофлюидодинамического режима – стремление пластовых систем к установлению равновесия через вихреобразное (криволинейное) движение пластичных масс.

Конечно же, зафиксировать собственно вихреобразное перемещение флюидов на больших глубинах невозможно1. Более того, в реальной геологической среде на больших пространственных масштабах и в узких интервалах времени оно, скорее всего, представлено фрагментарно в виде криволинейных, параболического характера, траекторий движения пластовых вод, жидких и газообразных УВ. Так, обнаруженная в отдельных геологических регионах сопредельность сверхгидростатических и субгидростатических давлений может рассматриваться как восходящая и нисходящая ветви миграции УВ и подземных вод в пределах единого геофлюидодинамического блока. Интересная деталь: больше всего зафиксировано фактов нисходящей фильтрации в Восточной Сибири, где, благодаря трапповому магматизму, повышены температуры нижних частей литосферы, есть мощная соленосная толща и зона вечной мерзлоты, сохраняющая низкие температуры в верхних частях осадочного чехла.

Известна довольно интересная интерпретация характера движений подвижных масс по узбекской части Амударьинского осадочного бассейна. Ее автор пыталась показать, что положение залежей УВ может быть описано траекториями, аналогичными конфигурации электромагнитных волн [2]. Возможно, действительно, силы электромагнитной природы послужили своего рода аттрактором для гравитационных сил, вследствие чего сформировалась подобная «география» размещения залежей УВ.

Рис.1. Схема диссипативной геофлюидодинамической системы

Рисунок 1 иллюстрирует схему подобной геофлюидодинамической системы в которой в едином пространственно-временном цикле возникают восходящие и нисходящие гидродинамические потоки, порождая появление сверхгидростатических и субгидростатических давлений, появляются эффекты миграции УВ-газов по сложным, в том числе и криволинейным, траекториям.

Существует независимый от вышеизложенных рассуждений способ доказательства возможности проникновения осадочных газов в приподнятые раздробленные блоки фундамента, в его основе физика движения газовых пузырьков в водной среде.

Показано, что в толще воды, находящейся в неоднородных температурных условиях, вода передвигается к более холодной границе, а газы – к более горячей [3]. Сила, удерживающая пузырек газа в жидкости в соответствии с ее поверхностным натяжением ( F ↓ ), может принимать различные значения, она может быть равной, меньшей или большей, чем силы выталкивания пузырька из воды - архимедовы силы ( F↑ ). В последнем случае пузырек газа будет двигаться вниз.

Математически это условие выражено следующим образом [3]:

( F ↓ ) = (4 π /3) R3 ρg

( F ↑) = π R2 χ ΔT / Δx , где

ΔT / Δx -

геотермический градиент К/м

R -

радиус пузырька, м

ρ -

плотность воды, кг/м 3

g -

ускорение свободного падения, м/с 2

χ -

температурный коэффициент поверхностного натяжения, Дж/(м2 . К)

Условия погружения пузырька по направлению к теплой границе:

(F ↓ ) < (F ↑ ), т.е.

(4 π /3) R3 ρg < π R2 χ ΔT / Δx, таким образом,

R < 3χ (ΔT / Δx)/ 4 ρg.

Используя эти зависимости, выполним несложные расчеты, позволяющие представить себе соотношение параметров пластов, способных обеспечить продвижение пузырьков газа к фундаменту (табл. 1).

Таблица 1

Сопоставительная таблица результатов расчета удерживающей (F )и выталкивающей (F ) сил, действующих на газовый пузырек в поле различных температурных градиентов

R ,м Архи-медова сила, Н При различных значениях G
2,0o C/100 м 3,3o C/100 м 4,5o C/100 м
F ↑ F ↑, H F ↑/F ↓ F ↑, H F ↑/F ↓ F ↑, H F ↑/F ↓
5*10-6 5,13*10-12 6,36*10-10 123,40 7,12*10-10 138,40 7,79*10-10 151,80
5*10-5 5,13*10-9 6,36*10-8 12,30 7,12*10-8 13,84 7,79*10-8 15,18
5*10-4 5,13*10-6 6,36*10-6 1,23 7,12*10-6 1,38 7,79*10-6 1,52
5*10-3 5,13*10-3 6,36*10-4 0,12 7,12*10-4 0,14 7,79*10-4 0,15

Из содержания таблицы 1 вытекают несколько следствий. Во-первых, размеры пузырьков, двигающихся к обогретой границе, достаточно большие (примерно n*10-10 - n*10-5 м ). Этот диапазон размеров вполне охватывает спектр не только газовых молекул и их агрегатов, способных сжиматься, но и УВ нефтяного ряда, включая и крупные мицеллы, переносящие соединения нефти (около 5000 А).

Во-вторых, если поставить в соответствие размеры погружающихся газовых пузырьков с размерами полостей пород, очевидным становится, что для нисходящих газовых пузырьков вмещающими средами должны быть либо зоны разуплотнения в низах осадочного чехла, либо трещиноватые пустоты в верхах раздробленной коры фундамента.

В третьих, напряженность геотермического режима наиболее существенным образом влияет на описываемый процесс, и именно это обстоятельство роднит схему М.Е.Гегузина с рассмотренным выше механизмом формирования криволиней-ного движения (по аналогии с ячейкой Бенара). «Вихри Бенара, - подчеркивают И.Пригожин и И.Стенгерс,- выражают своего рода «конфликт» между гравитацией и градиентом температуры: последний, если рассматривать сам по себе, порождает меньшую плотность в нижних более теплых слоях жидкости, в то время как механическое равновесие, взятое само по себе, приводит к тому, что центр тяжести системы занимает как можно более низкое положение» [6, стр. 60 ].

Нами выполнены расчеты, позволяющие оценить насколько влияют на процесс погружения газовых пузырьков другие факторы (изменение коэффициента поверхностного натяжения под действием температурного фактора, минерализация вод, теплопроводность пород). Безусловно, каждый из этих факторов оказывает воздействие на конечный результат (для примера в таблице 2 приведены расчеты при различных градиентах и значениях плотности воды). Но также очевидно и то, что при прочих равных условиях, именно температурный градиент (точнее его контрастность) оказывает наибольшее воздействие на «принудительное» погружение к обогретой нижней границе.

Таблица 2

Оценка критического радиуса (м) тонущего пузырька при различных значения геотермического градиента и плотности пластовых вод

Значения G , 0С/100 м

При различных значениях плотности воды

1000 кг/м3

1150 кг/м3

1,5

5,91*10 -4

5,14*10 -4

2,0

6,19*10 -4

5,39*10 -4

2,5

6,47*10 -4

5,62*10 -4

3,0

6,75*10 -4

5,87*10 -4

3,5

7,03*10 -4

6,11*10 -4

4,0

7,31*10 -4

6,36*10 -4

4,5

7,59*10 -4

6,60*10 -4

Вряд ли надо особо оговаривать очевидное: предложенная модель весьма схематична. Так, модель Я.Е.Гегузина ориентирована на открытую водную поверхность, в данном же случае она перенесена, во-первых, в пористую среду, во-вторых, во-вторых, на геологические глубины. Это значит, что в качестве фактора противодавления силе выталкивания выступают еще и пластовое давление, геодинамические напряжения. Сейсмоакустическая эмиссия, особенно значимая для контактных с фундаментом низов осадочного чехла, напротив, может способствовать всплыванию газовых пузырьков за счет снижения сил их сцепления с минеральной матрицей осадочных и метаморфических пород. Большую, если не основную роль в «всасывании» пузырьков газа в пустоты фундамента играет возникновение вакуума в момент трещинообразования. В наших расчетах тепловой поток принят за постоянный, не учтены процессы сорбции газа на стенках пор, образование диспергированного газа, зависимости теплопроводности пород от их литологии и ряд других факторов. Однако, при всей схематичности оценок, очевидно одно – принципиальное существование параметрического порога , при котором поведение глубокопогруженных флюидных систем отклоняется от классического, возникают причины и механизмы миграции подземных вод и УВ не только по латерали или по восходящим путям, но и по параболическим и нисходящим траекториям. Выше был рассмотрен самый простой способ “потопления” газового пузырька, так как силы F ↓ и F ↑ полагались строго противонаправленными. Но если рассмотреть ситуацию, когда силы F ↓ и F ↑ направлены под углом к друг другу, что как раз характерно для условий геодинамических напряжений, то очевидно, что результирующая траектория становится криволинейной . Криволинейные траектории движения возникнут и при неодонородном перепаде температуры в объеме жидкости [3 ]. Эта ситуация типична для переславивающихся разрезов осадочного чехла2.

Можно прогнозировать, что корректный учет вышеназванных факторов приведет к тому, что радиус газовых пузырьков, способных к подтоплению, будет численно сдвигаться в область низких значений ( n . 10 -10 м). Эта особенность коррелируется с тем, что на больших глубинах УВ преимущественно находятся в газообразном состоянии. В то же время такая оценка может рассматриваться как контраргумент массовой восходящей миграции глубинных газов, представленных одиночными газовыми молекулами или их агрегатами небольших размеров и простого состава.

Итак, исходя из предложенной схемы, можно ожидать, что :

  1. к зонам проявления субгидростатических давлений в осадочном чехле будут приурочены возможные зоны генерации УВ в нижних частях осадочного чехла, либо в верхах фундамента;
  2. к зонам супергидростатического давления будут приурочены восходящие потоки глубинного газа смешанного, но преимущественного кислого состава;
  3. в подсолевых частях разреза от центра к периферии (т.е. от зон наиболее контрастных значений градиентов температур с зонам менее резких перепадов этого параметра) в составе газа будет увеличиваться доля УВ-газа и повышаться вероятность обнаружения зон нефтегазообразования.

Эти выводы отчасти согласуются в результатыми исследования связи гетермического режима Прикаспийской впадины и ее нефтегазоносностью [2-к]. В.В. Котровским сделан вывод, о том, что “повышение температуры и понидение давления до аномально пониженных значений в локальных зонах, по сравнению с региональным фоном, можно рассматривать как существование резгрузки флюидов. В этих условиях миграционные способности газа намного выше, чем жидких флюидов [2-к].

Существуют и другие независимые инаблюдения, поддверждающие правомочность предлагаемой модели. Так, в составе водорастворенных газов каменноугольного комплекса Астраханского ГКМ максимальные концентрации метана зафиксированы в скважинах, расположенных на периферийных частях месторождения: скв. 37 (4057- 4052 м ) – 54,5 % и скв. 2-Светлошаринская - 50,3 %, в то время как минимальное содержание метана приурочены к центральным частям залежи: скв. 8 (4137- 4123 м ) - 15,5 %, скв. 12 (4090- 4078 м ) – 19,6 % . Результаты бурения скв. 2 на пл. Володарская (забой 5961 м ), расположенной на периферии, показали наличие залежей УВ без сероводорода [ 5].

Отметим также и возможность развития на больших глубинах таких геофлюидодинамических структур, которые сочетают в себе черты элизионной и флюидных систем. Наглядным примером может служить триасовый нефтегазоносный комплекс Предкавказья. Исходя из изложенных здесь принципов оценки возможных направлений миграции флюидов, высказывается предположе-ние о наличие здесь перспективной Долиновской зоны нефтегазонакопления, которая обусловлена миграцией УВ из погруженной части Восточно-Ставрополь-ской впадины к ее бортам. По-видимому, наиболее интенсивно отжатие вод и УВ происходило в северном (к Журавскому валу) и западном (пл. Долиновская) направлениях. О наличии восходящей миграции косвенно свидетельствует геотермическая аномалия на глубине 3- 4 км на пл. Журавская, а о нисходящей миграции - субгидростатическое давление на пл. Долиновская. Есть еще одна особенность этой структуры - самые высокие значения газонасыщенности подземных вод (из всего триасового комплекса). Эти данные позволяют предполагать возможное присутствие неструктурной залежи между Долиновской и Журавской структурами.

Таким образом, из всего вышеизложенного формулируются следующие обобщающие выводы.

В осадочных нефтегазоносных бассейнах на больших глубинах в условиях повышенной геодинамической напряженности формируются особые геофлюидодинамические системы, внутри которых возможно появление локальных диссипативных структур, обусловливающих сопряженную восходящую и нисходящую миграцию подземных вод и УВ;

В солеродных геофлюидодинамических системах повышена продуктивность территорий, приуроченных к выступам фундамента, причем наиболее вероятно обнаружение зон нефтегазонакопления либо в приконтактных с покрышками верхних частях подсолевого разреза за счет восходящей миграции (но здесь залежи будут обогащены кислыми компонентами), либо в низах подсолевого разреза, приконтактных с фундаментом, либо в самом фундаменте, но не в центре, а на крыльях сводов.

Авторы: 

Тематические разделы: