Типы флюидных систем и нефтегазоносность приразломных зон

Л.А. Абукова (ИПНГ РАН,Москва)

Эффективность поиска скоплений углеводородов (УВ) в большой мере зависит от полноты наших представлений обо всем разнообразии факторов, определяющих движение флюидов в различных, в том числе и в приразломных, частях нефтегазоносных бассейнов.

Направленность и скорость миграции флюидов (воды, газов, нефти) во многом определяются типом флюидных систем. В самом общем виде можно считать, что на небольших глубинах более распространены инфильтрационные флюидные системы (ИФС), направленность и скорость миграции флюидов контролируются гидростатическим напором, а значит обусловливаются гипсометрической разницей зон питания и разгрузки подземных вод. При этом разломы на пути нисходящих транзитных потоков, как правило, играют роль зон скрытой или открытой разгрузки инфильтрационных вод. Выполненное нами ранее (1989) моделирование гидродинамики одного из них - Предкопетдагского - показало, что этот разлом практически полностью каптирует в виде многочисленных минеральных источников поток инфильтрационных вод, формирующийся на высокогорных обнажениях меловых и юрских отложений, вследствие чего воды инфильтрационного генезиса не играют практически никакой роли в формировании флюидодинамики в мезозойских отложениях даже на смежных с Предкопетдагским прогибом тектонических элементах. Таким образом, в приразломных зонах при превалирующем распространении ИФС не создается благоприятных условий для сохранения сингенетичных залежей УВ, однако это не исключает наличие здесь УВ, мигрировавших из нижележащих комплексов и подвергающихся частичной деструкции.

На средних глубинах (от 1 до 4 км ), как правило, господствуют элизионные флюидные системы (ЭФС), и пластовое давление уже определяется иными факторами: прежде всего масштабами элизии флюидов из неуплотненных отложений, а значит глубиной и скоростью погружения пород, мощностями и выдержанностью глинистых интервалов разреза. Здесь разломы энергетически выгодны преимущественно для скрытой разгрузки (в виде восходящей миграции) флюидов, поэтому многие месторождения УВ этого интервала глубин приурочены к приразломным зонам. Такие ситуации широко распространены в нефтегазоносных бассейнах и подробно описаны в научной литературе [15 и др. ] .

С глубиной все чаще встречаются флюидные системы, по своим параметрам отличные от элизионных и, тем более, инфильтрационных систем, часто называемые геодинамическими. Примечательные особенности геодинамических флюидных систем (ГФС) - мозаичность химического состава, величин пластового давления и скоростей движения флюидов. Пластовые давления теряют тенденцию закономерного увеличения по мере погружения, что свойственно для элизионного режима: нередки случаи проявления в пределах одного структурного элемента как сверхгидростатических, так и субгидростатических давлений. В региональном плане отсутствуют сплошные связанные флюидодинамические потоки, блоковость флюидной системы формируется с помощью различных видов неоднородностей (тектонической, гидродинамической, литолого-фациальной), разброс скоростей миграции флюидов большой, траектории движения зачастую носят криволинейный характер. Неоднозначной становится и роль региональных разломов: по ним возможна как восходящая, так и нисходящая миграция УВ и подземных вод. В непосредственной близости воды разнятся по химизму и газовому составу, последний заметно обогащается кислыми элементами. Механизм подобного поведения флюидов в ГФС во многом пока неясен, объяснения носят гипотетический характер. По нашим представлениям, он сводится к следующему. Пластовое давление в ИФС равно гидростатическому и обусловливается преимущественно гравитационным фактором. Пластовое давление в ЭФС может быть равно гидростатическому, но может и превышать его (приближаясь к геостатическому). В его формировании по-прежнему главную роль играют силы гравитации, хотя есть доказательства влияния на пластовое давление в ЭФС и сил электромагнитной природы. Так, показано, что для Бухаро-Хивинского района Амударьинской провинции существует зависимость расположения залежей УВ от силовых линий электромагнитного поля [ 4 ] .

В ГФС усложняется природа энергетического воздействия: гравитационный фактор сохраняет свою значимость, но на этом фоне все заметнее проявляют себя иные составляющие энергоструктуры Земли, в частности, свои отпечатки на флюидодинамику недр откладывают электромагнитные и акустические поля [ 8, 11 и др. ] .

Необходимо учитывать совокупный результат воздействия акустических, электромагнитных и гравитационных сил. Энергоструктура Земли, согласно А.Н.Дмитриевскому и др., инициирует так называемое геодинамическое давление, которое и есть пластовое давление в ГДС, сформированное под действием всех геофизических полей)1 [ 7. ] .

Каждое поле по-своему влияет на емкостно-фильтрационные свойства флюидовмешающих пород и миграционную подвижность подземных вод, нефти и газа. Совокупный эффект воздействия на направления и скорости миграции флюидов не может быть установлен по принципу простого арифметического сложения. Сложная картина подобных взаимодействий точного аналитического описана пока не имеет, но может быть выражена следующим образом:

Р (Ω) ~ Σ [ ηР (Г) + φР (Е) + γР (А) + Ψ] , где

Р (Ω) -

пластовое давление как функция единой энергоструктуры Земли;

 

Σ -

символ суперпозиции составляющих геодинамического давления, различных по своей энергетической природе;

 

Р (Г) + Р (Е) + Р (А) -

составляющие геодинамического давления, обусловленные соответственно гравитационным, электромагнитным и акустическим полями;

 

η, φ, γ -

характеристические коэффициенты, определяющие особенности распространения соответственно гравитационного, электромагнитного и акустического полей во флюидной системе;

Ψ -

неучтенные факторы и источники формирования геодинамического давления.

 

Дадим некоторые пояснения предложенной взаимосвязи. Выше уже указывалось, что энергия акустических (А) и электромагнитных (Е) возбуждений с глубиной становится более значимой, в то время как энергию гравитационного поля (Г) в пределах любого, даже самого крупного, нефтегазоносного бассейна можно считать постоянной2 по площади и разрезу. Важно отметить, что электромагнитные и акустические поля, безусловно, вводят небольшие поправки к пластовому давлению, обусловленному гравитационным фактором, и в верхних частях нефтегазоносных бассейнов. Однако из-за возможности сравнительно простой релаксации таких дополнительных энергетических импульсов эти составляющие энергоструктуры практического значения не имеют.

Характеристические коэффициенты η, φ, γ носят качественный характер и служат для обозначения нелинейности соответствующего члена уравнения. Коэффициент η, опосредует, например, возможность возникновения нелинейных энергетических эффектов при переходе в напряженном массиве горных пород энергии упругой деформации в высокочастотные колебания. Принципиальная возможность подобных переходов на большом экспериментальном материале показана В.М.Сбоевым. Им отмечено, что в «добротных» ненарушенных целиках, способных накапливать значительное количество потенциальной энергии от действия геостатического давления, при ударном воздействии провоцируются квазирезонансные микросейсмические колебания со значительными амплитудами, превышающими в 2-3 раза амплитуды провоцирующих колебаний [ 13 ] . В этих опытах важно установление не только факта возникновения высокочастотных квазирезонансных явлений, но и того, что при этом не происходит разрушения добротных целиков.

Повышению напряжения в породе, возможно, способствует эффект Кайзера - высокочастотное излучение из-за роста напряжения и микродеформаций в зернах породы. В итоге возникает локальное повышение пластового давления, которое изменит эффективное напряжение, характерное, например, для сейсмических процессов [ 6 ] .

Влияние электромагнитного и акустического полей на геодинамическое давление, по-видимому, тоже далеко от линейного. Оно носит переменный во времени и по интенсивности характер, в значительной степени зависит от целого ряда факторов, в том числе минералогического состава пород, их структурных особенностей, химического состава вод, газо- и нефтенасыщенности, температуры и давления флюидных систем и т.д. Так, один из важнейших показателей - электропроводность - уменьшается при увеличении увлажнения, при замерзании воды, наоборот, увеличивается на 2-3 порядка, растет и с увеличением газо- и нефтенасыщенности, а наименьшие значения имеет в осадочном чехле. Магнитные свойства горных пород определяются содержанием в них ферромагнитных минералов, зависят также от их состава, кристаллической структуры, текстурно-структурных особенностей. Намагниченность пород наибольшая у пород кислого состава и наименьшая - у пород основного состава и т.д. Акустические свойства горных пород проявляются по разному в зависимости от частоты излучения: в различных частотных диапазонах значение акустического поглощения неодинаково. Акустическая скорость возрастает с увеличением глубины залегания, коэффициент затухания, наоборот, уменьшается с глубиной.

Учитывая столь сложную картину взаимодействия флюидных систем с геофизическими полями негравитационной природы, а также волновой характер этих полей, логично предположить, что коэффициенты j и g отражают нелинейное влияние электромагнитного и акустического полей на величину геодинамического давления.

Нелинейность же динамических взаимодействий, как известно, порождает неединственность решений с математических позиций, а каждому решению соответствует определенный физический (и геологический) путь развития системы. Курдюмов С.П и Крылов Е.Н. подчеркивают четыре свойства нелинейности [ 12 ] , которые, по нашему мнению, имеют непосредственное и важное значение для понимания синергетического характера процессов нефтегазонакопления в геодинамических активных средах, в том числе и приразломных (табл.1).

Таблица 1

Отдельные характеристики нелинейности геодинамических флюидных систем

Свойства нелинейности по С.П.Курдюмову и Е.Н. Крылову(1994)

Отдельные геолого-физические явления и процессы, происходящие в геодинамических флюидных системах (установленные и предполагаемые)

1. Принцип “развер-тывания малого” или “усиления флуктуаций”. При определенных условиях нелинейность может усиливать флуктуации - делать малое отличие большим, макроскопическим по последствиям.

Явления квазирезонанса при переходе упругой энергии в сейсмические колебания в массивах горных пород [ 11 и др. ] .

*

Возможное проявление электромагнитных и акустических импульсов в качестве аттракторов гравитационного поля [ 7,14 и др. ] .

 

2. Пороговость чувстительности. Ниже порога все уменьшается, стирается, не оставляет никаких следов в природе, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает.

Явление избирательности частотного диапазона электромагнитного и акустического воздействия при активации подземных вод и минеральной матрицы пород [ 7,9 и др. ]

 

3. Формирование дискретных рядов развития системы с собственными спектрами устойчивых состояний, что является квантовым эффектом.

Формирование в геосистеме регулярных структур (планетарной делимости) различного типа и масштаба [ 3, 5,14 и др. ] .

*

Формирование в результате интеграции энергетических источников разной природы систем стоячих волн [ 14 ] , распознанных в различных пространственных масштабах, включая и планетарный [ 7 ] . Колебательные системы такого типа обеспечивают упорядоченное перераспределение энергии от импульсных источников при нелинейном взаимодействии элементов энергоструктуры [ 5 ] . Пучности стоячих волн - своеобразные энергетические ловушки, контролирующие положение разноранговых границ тектонических элементов [ 2 ] , размещение рудных полезных ископаемых [ 3 ] и УВ [ 1 ] .

4.Эмерджент-ность системы, выражающаяся в том, что совокупный эффект воздействия элементов системы не может быть определен простой их суперпозицией.

Процесс формирования автоколебательных геодинамических полей, благодаря чему они, несмотря на свою гетерогенную энергетическую природу, способны поддерживать устойчивость в масштабе геологического времени [ 7 ] . При этом система остается открытой: внешняя энергия диссипируется энергетически ослабленными зонами, прежде всего разломами и линеаментами.

Нелинейность проявления флюидодинамических процессов в ГДС усиливается в приразломных зонах. Это было показано нами на материалах Каракумского и Южно-Каспийского нефтегазоносных бассейнов [ 1 ] . Зафиксированные необычные проявления подземных вод, возможно, тоже являются следствием нелинейности проявления геодинамического давления. «Известны случаи,- пишет О.Л. Кузнецов, - когда внезапно без видимой причины на поверхности Земли, как правило, в окрестных разломных зонах в течение приблизительно месяца изливаются обильные водные источники. В Иране, в провинции Кум, на поверхность вылилось целое озеро нефти... Можно .. интерпретировать это как результат выхода на поверхность кинематической волны" [ 10, стр.63 ] . Интересны наблюдения И.Г.Киссина о том, что в зоне передового Копетдагского разлома в районе Ашхабада по многолетним наблюдениям за режимом глубоких водоносных горизонтов были выявлены колебания уровня подземных вод с квазидвухлетней периодичностью. Эти колебания с амплитудой 1- 3 м распространялись в виде волн вдоль разлома со скоростью 49 ± 8 км/ч и по-видимому обусловлены распространением фронтов (волн) деформаций. "Аналогичным образом, - подчеркивает он,- действуют продольные сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения. В пределах элементарного участка водоносного горизонта, соответствующего половине длины волны"3, в момент прохождения последней возникает перепад давления между зонами сжатия и растяжения, что вызывает колебания напоров подземных вод. Такие колебания при сильных землетрясениях распространяются на тысячи километров от эпицентра. Приливные и сейсмические волны перемещаются с огромной скоростью. Их роль в динамике подземных вод требует специального изучения" [ 9, стр.23 ] .

Из вышеизложенного применительно к основному вопросу обсуждения следует два главных вывода. Первый из них сводится к следующему: если «точечная» (полученная в результате гидрогеологического опробования скважин) информация может быть интерполирована для инфильтрацонных и элизионных флюидных систем, то для ГФС такой подход неприемлем. Для объективного описания последних необходим гидрогеомониторинг. Динамика гидродинамических, гидрохимических и геотемпературных параметров должна быть положена в основу изучения различных типов флюидных систем (и прежде всего элизионных и геодинамических) и на этой основе осуществлена диагностика зон нефтегазонакопления в различных частях нефтегазоносных бассейнов, в том числе и приразломных зонах.

Второй вывод касается крайней необходимости разработки новых подходов к анализу флюидодинамической информации. Его результатом должны стать методы описания, прогноза и интерпретации нелинейных флюидодинамических и гидрохимических эффектов при формированияя УВ и их скоплений на больших глубинах. Теория самоорганизующихся открытых систем, по-видимому, является наиболее устойчивой для этих целей основой.

Авторы: 

Тематические разделы: