Образование месторождений нефти и газа

       ВВЕДЕНИЕ

       Классификация месторождений нефти и газа имеет  не меньшее теоретическое и практическое значение, чем классификация залежей. Казалось бы этому вопросу должно уделяться не меньшее внимание, однако это не так. С момента четкого разграничения таких понятий, как залежи и месторождения, первым уделялось очень много времени, в то время как классификация нефтяных месторождений почти не разрабатывались. До сих пор не существует общепринятого определения понятия месторождение.

       Под месторождением нефти и газа, по определению И. О. Брода (1938), следует понимать совокупность залежей  в недрах одной и той же площади, образование которой контролируется единым структурным элементом, что определяет общность в системе их поисков, разведки и разработки. Довольно близко к этому определение Н. Ю. Успенской (1966). По Успенской под месторождением следует понимать совокупность залежей, заключенных в недрах одной и той же площади и контролируемых общим гидрологическим элементом структурного, литологического или стратиграфического характера, обеспечивающим образование ловушки. В приведенных определениях за основу взяты залежи, и месторождение фактически рассматривается как сумма залежей, приуроченных к тому или иному структурному элементу или геологическому элементу. Между тем наличие того или иного структурного элемента, контролирующего формирование месторождения, определяет и возможный тип залежей в месторождении. Более  того, развитие того или иного структурного элемента на фоне геологической истории крупного элемента земной коры предопределяет появление того или иного типа резервуара и специфику ловушек в нем.

       Из  сказанного выше ясно, что группа или  тип месторождений предопределяет и тип встречающихся в нем залежей. Следовательно, месторождение надо рассматривать не как механическую совокупность залежей, а как геологический комплекс, предопределяющий условия формирования самих залежей. Правильнее залежь рассматривать как один из элементов месторождения. Определение месторождения может быть предложено в следующей форме: под месторождением нефти и (или) газа следует понимать участок земной коры определенного геологического строения, содержащий в себе залежи нефти и (или) газа.

       Тектонический фактор имеет решающее значение для  формирования месторождения. Тектонические  условия формирования того или иного структурного элемента, контролирующего образование месторождений, прежде  всего, зависят от того, с каким крупным геоструктурным элементом земной коры связано формирование этого элемента. В качестве основных геоструктурных элементов в земной коре выделяют геосинклинали и платформы. Нефтяные и газовые месторождения широко распространены в предгорных прогибах, межгорных впадинах и областях погружения складчатых систем.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Формирование месторождении нефти  и газа

       Необходимы следующие условия для формирования месторождений нефти и газа в залегающих в глубинах земли отложениях, из которых экономически выгодно извлекать углеводороды: наличие соответствующих пород-коллекторов и относительно непроницаемых покрышек и ловушек, которые предотвращают утечку углеводородов к земной поверхности [1].

       Породы-коллекторы. Для того чтобы стать коллектором, порода должна обладать пористостью и проницаемостью. Те же свойства необходимы для сохранения нефти и газа, а также запасов подземных вод. Пористость – это процент содержания пустот в породе. Кристаллические породы могут иметь менее 1% пустот, тогда как некоторые песчаники – 35–40%, а кавернозные известняки могут обладать даже еще большей пористостью. Наиболее обычный тип пустот – промежутки между зернами крупнозернистых осадочных пород, подобных песчаникам. Размер зерен не влияет на процент пористости, если этот размер одинаков, но при смешении зерен разного размера мелкие зерна частично заполняют пространство между крупными, уменьшая тем самым процент пористости. Итоговая пористость обломочных пород зависит от степени последующей цементации зерен; цемент породы осаждается из циркулирующих вод (таковы многие карбонатные, сульфатные и другие «хемогенные» цементы; весьма распространенные глинистые цементы образуются при одновременном осаждении песчаных зерен и глинистых частиц). Если цементация полная, то пористость не сохраняется. Другой распространенный тип пустот – это каверны растворения в карбонатных породах – известняках и доломитах. Всякий раз, когда такие породы находятся в зоне проникновения или циркуляции подземных вод, они в какой-то степени растворяются, и результатом может быть образование высокопористых пород. Размер каверн выщелачивания изменяется от микроскопических пор до гигантских пещер. Еще одним типом природных пустот являются каверны выветривания, а также трещины и щели [1].

       Проницаемость – это свойство пород быть проводником  при движении жидкостей или газов. Некоторые глины имеют такую же высокую пористость, как и песчаники, но они непроницаемы, так как размер их пор очень мал. Чем крупнее поры, тем выше проницаемость. Прямой связи между пористостью и проницаемостью, в общем, нет, хотя обычно породы с невысокой пористостью (10–15%) имеют также и низкую проницаемость. Если проницаемость мала, то нефть будет только слабо сочиться из породы и продуктивность окажется ниже экономически эффективной. Поэтому трудно извлекать нефть из глин, хотя обильные признаки нефти в них имеются во многих районах мира. Методы извлечения нефти из глинистых пород разрабатываются [1].

       Пласты  пород-коллекторов должны иметь  определенную мощность и относительно постоянную проницаемость по латерали. Мощность, ниже которой пласт-коллектор не может разрабатываться с необходимой экономической эффективностью, зависит от многих причин, включая стоимость бурения в данном районе, глубину, пористость и объем (запасы) нефти. Хотя обычно породами-коллекторами являются песчаники и карбонатные породы, любые породы, которые обладают необходимыми геологическими или структурными характеристиками, могут содержать нефть в промышленных количествах. Примером являются трещиноватые глины (аргиллиты), конгломераты, зоны выветривания на древних поверхностях гранитов и серпентизированные магматические образования. Покрышки. Для образования залежей необходимо, чтобы пористые и проницаемые породы-коллекторы перекрывались породами, которые препятствуют последовательной миграции нефти и газа вверх. Обычные экранирующие породы – это относительно непроницаемые глины. Другие породы, которые могут служить покрышками, – это плотно сцементированные песчаники, пласты плотных карбонатных пород, глины плоскостей сбросов и даже тела соляных и изверженных пород [1].

       Ловушки. Большинство пород-коллекторов имеют вид пластов или слоев, которые на сколько-нибудь значительных расстояниях отклоняются от горизонтального положения. Величина наклона изменяется от примерно 4 м/км до 90. В результате этого капли нефти или пузырьки газа, насыщающие породы-коллекторы, просачиваются вверх через насыщенные водой поры к подошве и затем перемещаются вверх по восстанию пластов вдоль раздела коллектор – покрышка. Если наклон продолжается до поверхности и пласт-коллектор остается на всем протяжении проницаемым, нефть (газ) будет выходить из пласта. Но если наклон вверх не продолжается, а существует перегиб или породы-коллекторы теряют по латерали свою проницаемость, нефть будет улавливаться до того, как она сможет выйти из пласта на поверхность. Образование ловушки вследствие изменения направления наклона пластов пород обычно обусловлено движениями земной породы; такие ловушки относятся к структурному типу. Изменения проницаемости ведут к образованию стратиграфических ловушек [1].

       Простейшим  типом структурной ловушки является выгнутая вверх складка-антиклиналь. Складчатость может быть результатом сокращения земной коры, сброса в глубинах земли, магматической деятельности, внедрения соляных масс; она может быть вызвана уплотнением над выступом погребенного рельефа или растворением пород. Скопление нефти и газа в антиклиналях происходит за счет улавливания движущихся вверх капелек жидкости и пузырьков газа аркой смятых в складку пластов. На флангах складки под нефтью скапливается более тяжелая пластовая вода. Одно из крупнейших нефтяных месторождений мира – Гхавар в Саудовской Аравии – связано именно с антиклиналью. Одним из специфических видов антиклиналей являются соляные купола. Они представляют собой штоки или призмы соли, выжатой с больших глубин. Купола имеют в плане округлую или эллиптическую форму диаметром почти 1 км и высотой 6 и более км. Эти купола частично прорывают слои осадочных пород, а залегающие над ними пласты изгибаются в виде антиклинали или купола. Залежи нефти могут формироваться в покрывающей соляной купол антиклинали, в пластах, ограниченных стенкой соляного купола, и в выщелоченных кавернозных породах кровли купола (кэпроки) [1].

       Тектонически ограниченные ловушки, как и антиклинали и соляные купола, являются разновидностью структурных ловушек. Ловушка этого типа образуется за счет того, что при сдвиге (взаимном перемещении пластов) проницаемые пласты вверх по восстанию в зоне разлома экранируются непроницаемым глинистым барьером, который эффективно преграждает движение нефти вверх по восстанию проницаемого насыщенной водой наклонно залегающего пласта [1].

       Если  пласты-коллекторы латерально замещаются непроницаемыми породами, возникает стратиграфическая ловушка. Основная причина изменения пористости и проницаемости пласта в пространстве связана с изменениями условий осадконакопления по площади. Другой причиной изменения коллекторных свойств является растворяющее действие пластовых вод. Так, участками может растворяться карбонатный цемент в песчаниках. Большую роль играет образование каверн в карбонатных породах. Важный вид стратиграфических ловушек образуется при срезании, эрозии серии наклонно залегающих пластов, в том числе пористых и проницаемых, и последующем их перекрытии непроницаемыми породами-покрышками [1].  
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 Месторождение нефти и природных горючих газов

       Чем шире проводятся геологические исследования и чем более глубоко и детально производятся анализы, тем чаще обнаруживаются нефти и природные горючие газы или их следы. Пожалуй, не будет преувеличением утверждение о том, что на Земле нет таких осадочных пород, в которых где-либо не встречены те или иные количества нефти и особенно горючих газов. Точно так же можно утверждать, что не существует ни одного континента или очень крупного острова, в пределах которых не было бы нефти и горючих газов. Наконец, результаты бурения в акваториях позволяют считать, что под дном всех без исключения морей и океанов содержатся горючие газы (в основном метан) и довольно часто нефть. Однако сказанное выше не означает, что в любом месте можно заложить буровую скважину и получить нефть и горючий газ. Дело в том, что они могут встречаться в различных концентрациях, а газ и в различном состоянии. Так, например, нефть в виде отдельных капель может быть рассеяна в мощных толщах пород, а газ встречается и в виде отдельных пузырьков, и в растворенном в воде и в сорбированном отдельными минералами состоянии. Но как в песне: «одна дождинка — еще не дождь», так и одна капля нефти или один пузырек газа в породах еще не месторождение. Вероятно, правильнее месторождениями нефти и газа называть такие участки территорий или акваторий, в пределах которых имеются заметные скопления этих ископаемых. Скопления могут быть промышленными, т. е. такими, которые целесообразно разрабатывать добывать нефть и газ, и непромышленными, в применении к которым это делать экономически невыгодно. Добывать нефть или газ из непромышленных месторождений нецелесообразно по различным причинам: либо количества получаемых в скважинах этих полезных ископаемых столь невелики, что не оправдывают затрат на бурение скважин и организацию добычи, либо общие количества нефти и газа в месторождении небольшие и организация их добычи нерентабельна. Вполне понятно, что разделение месторождений нефти и газа на промышленные и непромышленные зависит от многих факторов: близости потребителя, железной и других дорог, количества и качества нефти и газа, глубин их залегания и т.д. Поэтому месторождения, которые в одних областях по объемам содержащихся в них нефти и газа или по дебитам скважин являются непромышленными, в других областях и районах страны могут быть промышленными. Так, например, промышленные месторождения в Западной Сибири должны содержать гораздо больше нефти, чем промышленные месторождения на Кавказе или на Украине, или иметь гораздо большие дебиты скважин. Это же относится и к морским месторождениям. К описанию месторождений мы еще вернемся, а пока рассмотрим, как же залегают в них нефть и газ. Надо сказать, что до сих пор нередко можно встретиться с представлением о том, что нефть в недрах под поверхностью земли, так же как вода на поверхности, образует реки и озера. Помнится, когда начали добывать нефть в районах Волго-Урала и в то же время снижалось количество добываемой нефти в районе Баку, многие обыватели объясняли это снижение тем, что «нефтяную реку» перехватили в районе Волго-Урала. 
Конечно, все эти представления неверны, что станет понятным, когда мы рассмотрим условия залегания нефти и газа в недрах. Совершенно очевидно, что нефть и газ, как и любая материя, должны находиться в пространстве. Рассмотрим, каким же может быть это пространство на глубине. Для этого в первую очередь надо определить, что представляют собой те горные породы, которые слагают верхнюю часть земной коры и в которых чаще всего встречаются нефть и газ [2].

       Рисунок 1 - Поры в песке при разной укладке зерен. Пористость песка: а- 25,8; б- 36,7; в- 47,6.

       Песок, он состоит из правильных сферических  частиц одинакового объема. Расчеты показывают, что в зависимости от плотности укладки эти частицы могут занимать чуть больше половины (52,4%) или три четверти (74,2%) объема всей горной породы, а остальное пространство — свободное, составляющее от 25,8 до 47,6% породы, приходится на поры, в которых могут находиться любые жидкости и газы (рисунок 1). Это значит, что теоретически в каждом кубическом метре песка может содержаться от 0,26 до 0,47 м3 нефти. Для того чтобы представить себе реально количество нефти, которое может находиться в такой породе, примем, что нефть содержится в порах такого песка, который слагает пласт мощностью (или толщиной) 10 м. Теоретически в таком пласте на площади всего 1 км 2 может быть заключено от 2,58 млн. до 4,76 млн. м3 нефти, или, принимая ее среднюю плотность равной 0,86 г/см3, — от 2,219 млн. до 4,09 млн. т. и, следовательно, на площади в сотни квадратных километров — сотни миллионов тонн. Другие породы — известняки, доломиты — также содержат пустоты в виде пор, каверн, трещин и даже мелких пещер, количество и размер которых уменьшаются с глубиной. Общий объем таких пустот или, как принято называть, коэффициент пористости пород, может составлять от десятых долей процента до 20—30% объема пород. Однако наличие пустот в горных породах еще не определяет полностью их свойства по отношению к нефти и газу. Дело в том, что размеры этих пустот могут быть самыми различными и именно от них зависит  свойство пород пропускать жидкости и газы. Так, из физики известно, что благодаря действию сил молекулярного притяжения в капиллярных каналах поперечным сечением менее 0,001 мм вода не перемещается под влиянием силы тяжести, и требуется приложение значительных градиентов давления, чтобы сдвинуть такую пленочную, как ее называют, жидкость. Поры всех осадков, накапливающихся под дном водных бассейнов, с начала их образования заполнены водой. На суше, как только порода оказывается ниже уровня грунтовых вод, все ее поры также заполняются водой. Таким образом, когда в породу поступают нефть или газ, то для заполнения ее им надо вытеснить воду. Из пор крупнее 0,001 мм вода может уйти, а из более мелких пор при давлениях, обычно существующих на глубинах до 10 км, она не может быть вытеснена. По этой причине вода, нефть и газ в недрах могут двигаться по пластам песков, песчаников, пористых известняков, доломитов, различных трещиноватых пород, но для них совершенно непроницаемы пласты влажных глин, каменной соли, плотных известняков, ангидритов и других непористых и нетрещиноватых пород [2].