Роль подземных вод в формировании залежей нефти и газа

Для образования промышленного скопления (залежи) нефти и газа в земной коре необходимы следующие условия:

1) наличие породы, которая может их содержать – коллектора;

2) наличие газо-нефтеупорной покрышки;

3) наличие ловушки для углеводородов, определенных локальных геологических структур;

4) наличие благоприятных гидрогеологических условий;

5) наличие в достаточном количестве углеводородов.

Коллекторами называются горные породы, обладающие способностью вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке. Они должны обладать емкостью и проницаемостью.

Земная кора континентов включает три основных слоя:

· вверху осадочный, сложенный осадочными горными породами, мощность которого может достигать 20 км и больше.

· Ниже размещается гранитный или гранито-гнейсовый слой, средняя мощность которого порядка 20 км и более.

· Внизу размещается базальтовый слой.

Океаническая земная кора имеет мощность 5–12 км, чаще всего 6–7 км. Она состоит из двух слоев – осадочного вверху и базальтового внизу. Гранитный слой в океанах отсутствует.

Известно, что осадочные ГП (горные породы) содержат и сохраняют скопления нефти и газа.

Они включают следующие основные группы:

Обломочные (терригенные) ГП, которые делятся на несколько групп в зависимости от размера слагающих их компонентов. Среди них выделяют: грубообломочные (валуны, галька, конгломераты), дресвяно-гравийные (размер обломков 1–10 мм), песчаные (пески, песчаники, размер зерен 0,1–1 мм), алевритовые (алевролиты, алевриты, лёссы, размер зерен обычно 0,01 мм).

Как видно уже из их перечисления, они могут быть сцементированными и рыхлыми, но все они относятся к категории осадочных ГП. Обычно мы имеем дело со сцементированными породами. И еще важная деталь: именно обломочные породы обычно содержат основную или подавляющую часть интересующих нас скоплений УВ.

Глинистые породы разделяются на несколько групп в зависимости от преобладающего в них минерала – каолиновые, гидрослюдистые, глауконитовые и др. Это тонкодисперсная осадочная ГП с частицами размером менее 0,001 мм. В увлажненном состоянии они пластичны, при высыхании сохраняют приданную им форму, а при обжиге твердеют. В том или ином количестве глинистый материал может присутствовать в обломочных и карбонатных ГП, образуя сложные переходные разности со своими названиями (мергели, или смесь глинисто-карбонатного вещества, глинистые песчаники и алевролиты и др.). Сцементированные глины называются аргиллитами, а рассланцованные – глинистыми сланцами. Знания о глинистых породах также очень важны в нашем деле, так как это обычно идеальные водоупор и покрышка.

Химические (хемогенные) породы включают хлоридные (каменная, калийная и др. соли), сульфатные (гипсово-ангидритовые), карбонатные (известняки, доломиты), кремнистые (гейзериты, опоки) и другие группы. Они образуются в процессе выпадения в осадок соответствующих солей из морской воды. Их особенностью является способность растворяться какой-то своей части в недрах и на поверхности. Каменная соль интересна для нас не только тем, что она является идеальным нефте- и газоупором, но и своей способностью образовывать геологические тела своеобразной формы – соляные штоки и диапиры, способствующие формированию ловушек УВ.

Органические породы (органогенные, биогенные, биолиты) – большая и разнообразная группа природных скоплений, образовавшаяся за счет жизнедеятельности организмов в морских и континентальных условиях. В числе основных их групп – карбонатные породы (органогенные известняки, ракушечники, писчий мел), кремнистые (диатомиты, радиоляриты, трепел), каустобиолиты (торф, уголь, антрацит), углеводородные (нефть, горючие газы), фосфориты. Большинство их по своему составу близки к химическим ГП, но образуются полностью или преимущественно в результате выпадения в осадок и скопления остатков умерших организмов.

Магматические ГП образуются при плавлении какой-то массы в земной коре или литосфере и поступления их на поверхность или в приповерхностные участки и зоны в виде вулканических извержений или застывшей на глубине магмы. В результате их разрушения, переноса, сортировки и накопления в бассейнах формируются осадочные ГП.

Магматические и осадочные горные породы могут подвергаться процессам термической и динамической переработки, превращаясь в метаморфические породы. Наконец, все эти три группы природных образований снова могут разрушаться, превращаясь в новые осадочные породы. И такой непрерывный процесс преобразования земной коры продолжается в течение всей истории формирования нашей планеты.

Важную или даже определяющую роль в их растворении, переносе, обработке, сортировке и накоплении играет гидросфера, водная оболочка Земли. Осаждением обломочно-глинистого или другого материала в водных бассейнах не завершается история их формирования. В процессе накопления больших их толщ, под воздействием температуры и давления происходит уплотнение морских осадков, превращение их в сцементированные горные породы; этот процесс получил название диагенеза, своеобразного второго рождения. По мере возрастания глубины, а, следовательно, температуры и давления, а также под воздействием тектонических движений осадочные отложения превращаются в метаморфические, которые обычно уже не могут содержать интересующие нас нефть и газ.

Особую группу тектонических движений обусловливают необратимые деформационные процессы, которые вызывают образование различного рода деформаций – разрывов и изгибов, разломов и складок. Представление о них и сформированных ими деформациях особенно важны для геологии нефти и газа, поскольку зоны разломов могут быть местом перемещения или скопления углеводородов, а различного рода изгибы, складки и другие деформации вмещать соответствующие залежи. Об этих структурах мы более обстоятельно будем говорить позднее, при специальном знакомстве со структурной геологией; сейчас важно подчеркнуть, чем они обусловлены и как проявляются во времени. Кроме того, деформационные процессы могут сопровождаться формированием трещин, которые нас могут интересовать как зоны скопления углеводородов, своеобразные трещинные коллекторы.

Своеобразным явлением земной коры нужно считать проявление того процесса, что получил название соляной тектоники. Суть его заключается в том, что мощные толщи соленосных пород (в зарубежной литературе их называют эвапоритами), накопившиеся в результате выпадения солей из пересыщенных морских вод, в условиях большой глубины залегания и высоких давлений начинают выдавливаться в приповерхностные зоны и даже иногда выходить на поверхность. Это может быть вызвано разными причинами. Учитывая более низкий удельный вес каменной соли (2,2 г/куб. см) по сравнению с другими осадочными породами, даже малоуплотненными песчано-глинистыми (удельный вес 2,5–2,6), происходит «всплывание» соли, протыкание вышележащих отложений. Важным фактором такого соляного диапиризма является даже небольшое повышение температуры, что обычно сопровождает разного рода тектонические движения. Сформировавшиеся солянокупольные структуры характеризуются большим разнообразием и имеют большое значение для формирования нефтегазовых ловушек.

Процессы внешней динамики (экзогенные) включают самые различные преобразования земной коры, обусловленные проявлением поверхностных или приповерхностных процессов и воздействий. Обычно это атмосферные или гидросферные воздействия, которые мы называем работой ветра, моря, поверхностных и подземных вод, ледников, температурными колебаниями, которые содействуют разрушению пород.

В проявлениях внешней динамики обычно мы может различать процессы, называемые также процессами физического, химического и биологического выветривания, процессы переноса или транспортировки продуктов выветривания, которые сопровождаются их сортировкой и обработкой, и процессы накопления.

Накопившиеся осадки (обычно пески и глины), прежде чем стать осадочной горной породой, претерпевают процессы: обезвоживание, уплотнение, цементация. Они превращаются в сцементированные горные породы – песчаники, алевролиты, аргиллиты.

Знание этих процессов важны для нас с точки зрения существования пород с различными коллекторскими свойствами.

Особенно хорошо нужно представлять процессы осадконакопления в морских или других бассейнах, где мы можем наблюдать различного рода площадные фациальные замещения (смена грубообломочных прибрежных осадков песчаными, а затем и глинистыми породами в глубоководной части моря).

Или процессы накопления карбонатных пород на дне моря, соленосных отложений, сформировавшихся в отдельных лагунах. А также накопление биогенных битуминозных или угленосных отложений, которые по некоторых представлениям формируют нефте-газоматеринские толщи, содействуют формированию углеводородов.

 Вместе с тем, подземные воды обусловливают иногда очень активные процессы химического выветривания, которые выражены формированием мощных зон каолиновых пород на гранитах, различного рода ожелезнением и другими преобразованиями.

Наконец, именно воздействие подземных вод в процессе диагенеза может существенно менять коллекторные свойства обломочных, карбонатных и других пород, обусловливая цементацию осадков, превращая их в осадочные породы.

В разрезе осадочного слоя земной коры мы должны научиться определять не только вещественный состав слагающих ее пород, но и последовательность залегания, возраст, составлять такой разрез для определенных площадей, а также осуществлять межрегиональное или даже глобальное сопоставление, или корреляцию одновозрастных или интересующих нас по составу отложений.

Говоря о подземных водах, мы должны хорошо представлять условия их перемещения и скопления.

Вмещающие их отложения осадочных горных пород разделяются на две основные группы – водоносные и водоупорные.

Первые из них могут вмещать такие воды, дают возможность перемещаться им в недрах, являются своеобразными фильтрами.

Водоупором называют зону или отложения водонепроницаемых или слабопроницаемых пород, которые могут отличаться от водоносных и водопроницаемых пород.

Их классическим примером являются глины, соленосные отложения, а также нетрещиноватые известняки, писчий мел, кристаллические сланцы.

По структурному положению различают водоупорное ложе, водоупорную кровлю, водоупорный пласт, горизонт, свиту. Естественно, что в недрах чередование водоупорных и водоносных пород тех или иных площадей может быть самым разным.

 Велика роль ПВ в преобразовании осадков, воздействии на вмещающие породы, изолировании углеводородных скоплений, формировании гидродинамических режимов. Это большой круг вопросов, который мы также должны знать и понимать. Диагенезом (от греческого «второе рождение», перерождение, преобразование) называют процесс превращения осадка в горную породу, что проявлено его уплотнением, удалением части содержащейся воды, изменением минерального состава преобразуемых пород. В некоторых толщах осадочных пород могут сохраняться подземные воды тех морских бассейнов, где эти осадки накоплялись. Мы уже говорили, что такие ПВ принято называть седиментогенными.

Еще одним широко распространенным процессом, явлением подземной гидросферы является то, что принято называть химическим выветриванием, формированием в недрах своеобразной коры выветривания.

Например, при выветривании гранитов их полевые шпаты могут превращаться в каолиновые глины. Глубина такого преобразования может достигать нескольких сотен метров. Такие зоны преобразованных пород могут иметь разную форму; соответственно говорят о линейной и площадной коре выветривания, остаточной и переотложенной.

 Нужно подчеркнуть, что такой процесс формирует определенные полезные ископаемые – каолины, бокситы, никелевые и железные руды, россыпи. Мы частично уже говорили обо всем этом, рассматривая природные процессы.

Более важной для нас является роль подземных вод в изолировании скоплений нефти и газа, которые обычно подпирают снизу такие залежи. Они же формируют многопластовые месторождения, в которых залежи разделены водоносными горизонтами. Эти же воды, находящиеся на большой глубине под большим давлением, формируют соответствующие гидродинамические и геохимические режимы. А также обуславливают перемещение углеводородов.

После образования углеводородов из органического вещества осадочных пород происходит их миграция и аккумуляция в месторождении.

Под миграцией понимается перемещение подвижных флюидов углеводородов в горных породах. Условно выделяют две фазы миграции: первичную и вторичную.

  Первичной миграцией называется отделение углеводородов от материнской породы и переход их в проницаемый резервуар. И.М. Губкин представлял первичную миграцию как вынос нефти из материнских пород в виде мельчайших капелек.

Это крайне трудно себе представить, особенно если речь идет о тонкодисперсных глинистых породах с минимальной проницаемостью и пористостью. Но процесс перемещения углеводородов все же происходит, может в виде водных молекулярных растворов, миццелярных растворов или в виде газовой фазы.