Введение к работе
Актуальность проблемы. Северная окраина Африки в настоящее время является одним из главных нефтегазодобывающих регионов мира. Здесь сосредоточены значительные запасы углеводородов (УВ) известны супергигантские месторождения нефти и газа. Различные по условиям образования нефтеносные толщи обладают разными свойствами, что отражается на особенностях их преобразования. Раскрытие этих закономерностей в ряду нефтегазоносных бассейнов северной Африки является весьма актуальным.
В нефтяной геологии большое значение имеет изучение закономерностей распределения скоплений углеводородов по вертикали в земной коре, в том числе на больших глубинах. В этой связи выявление особенностей типов и структуры природных резервуаров и стадиальных изменений пород нефтеносных комплексов становится исключительно важным как для локализации в разрезе литологических и стратиграфических ловушек на определенных уровнях катагенетических преобразований, так и для выяснения геологических обстановок, в которых нефтеносные толщи испытывали преобразования.
Основными нефтеносными комплексами Сахары являются два: один более древний, включающий природные резервуары кембрия-ордовика и девона, и другой более молодой триасовый.
В определенных условиях нефтеносные породы подверглись, настолько сильным вторичным преобразованиям, что полностью потеряли свой первоначальный облик. Для этих преобразований характерны два ведущих фактора. Первый - вертикальная неоднородность преобразования" пород, связанная с вертикальным перераспределением энергии и вещества, что проявляется в нелинейном изменении свойств пород с глубиной, прежде всего в чередовании зон уплотнения и разуплотнения, которые доказательно обоснованы автором на сахарском материале. Вторым фактором, осложняющим тенденцию к вертикальному изменению, является особенность истории развития, в которой выделяются два этапа. Вьщеление этих этапов определяется мощной герцинской тектонической активизацией и орогенезом с последующим значительным воздыманием и эрозией. Это вызвало существенное торможение прогрева
пород ("термическая пауза" в геологической истории региона).
На основании такого подхода сформулированы и решены фундаментальные проблемы: 1) восстановлена и реконструирована диагенетическая и катагенетическая история развития и выявлены механизмы преобразования резервуаров, что является ключевым вопросом для поисков и разработки залежей УВ; 2)установлены новые процессы разуплотнения пород на больших глубинах, при этом показана относительная роль различных процессов на разных глубинах. В этой связи особенно важным является процесс растворения и выноса огромного количества карбонатного и силикатного цемента под воздействием угольной кислоты и особенно органических кислот, главным образом дифункциональных карбоксильных кислот и фенолов; 3) выявлены условия крупномасштабных процессов выноса кремнезема в особых условиях щелочной среды, создающихся на больших глубинах; 4) выявлены условия образования особого рода ловушек неструктурного типа в катагенезе.
Цель и задачи исследований. Главная цель заключается в выделении зон разуплотнения и раскрытии его механизма в древних и часто глубокопогруженных резервуарах, что отражается в закономерности формирования их коллекторских свойств. Считалось необходимым: 1)детально исследовать вещестьвенный состав пород с применением наиболее современных методов анализа и обработки полученных материалов на огромном количестве образцов, отобранных из разных бассейнов и отражающих различные геологические обстановки; 2)создать множество моделей, отражающих диагенетические и катагенетические процессы, характеризующие всю геологическую историю развития бассейнов и позволяющие разрабатывать обобщенные модели как генерации и миграции УВ, так и формирования коллекторских свойств резервуаров.
Научная новизна. Впервые на большом практическом материале рассматриваются проблемы формирования нефтеносных толщ в совокупности с проблемами нефтегазо-носности бассейнов Северной Африки.
Специфическим и новым является выявление ранее неизвестных факторов на формирование свойств коллекторов на фоне цикличности строения осадочных толщ. Большое внимание уделено особенностям стадийного и цикличного
преобразования цемента (карбонатного, силикатного и глинистого), что крайне важно для конкретной нефтегео-логической ситуации,севера Африки.
Раскрывается важнейшая закономерность формирования местонахождения УВ не только в изученном регионе, но и в большинстве кластических нефтеносных толщ вообще. Эта закономерность заключается в том, что первичная миграция УВ обычно следует близко после того, как вторичная пористость уже была образована, поскольку в процессе созревания ОВ главная фаза генерации УВ следует после кульминации декарбоксилизации, приводящей к генерации активных кислых растворов, обусловливающих образование вторичной пористости, что означает, что генерация УВ и формирование вторичной (основной) емкости резервуаров перекрываются во времени и пространстве. При этом близкая ассоциация источника У В и резервуара во времени и пространстве благоприятствует аккумуляции УВ во вторичной пористости. В этом аспекте результаты исследований автора имеют важное теоретическое значение для изучения вторичных процессов и их влияния на формирование коллекторских свойств, что в совокупности с палеогеографическими условиями образования отложений позволило на основании изотопной характеристики углерода разработать новые критерии для поисков месторождений УВ, такие, как:
1)перераспределение карбонатного цемента в резервуарах в результате его растворения кислыми растворами в катагенетически более зрелых коллекторах и его пере-отложения в верхних менее зрелых зонах, сопровождающееся увеличением пористости в зонах растворения и кольматацией резервуара в. зонах переотложения;
-
корреляция изотопного состава углерода ( о С^) во всех фракциях нефтей и битумоидов в целях установления источников генерации У В, питавших те или иные резервуары в условиях многочисленности возможных нефте-материнских горизонтов, что крайне важно для ориентации нефтепоисковых работ;
-
установление вторичных миграционных процессов путем исследования вторичных минеральных преобразований на путях вторичной миграции УВ и на поверхности и особенно изотопного состава углерода. Такой подход позволяет дать оценку степени сохранности скоплений У В, под-
вертавшихся частичному или полному разрушению при отсутствии надежной покрышки, особенно в условиях сложной тектоники на севере Сахарской платформы.
Вопреки существующих представлений о том, что растворение кварца ' под давлением (РПД) обязательно приводит к уплотнению коллектора, впервые показано, что во многих песчаниках было растворено кварца под давлением гораздо больше, чем вторичного кремнезема, находящегося в виде цемента. В других случаях коли-чество растворенного кварца под давлением равно или меньше, чем количество вторичного кремнезема (цемента). Показано, что некоторые песчаники ведут себя как "импортеры" кремнезема в течение раннего катагенеза и как "экспортеры" кремнезема в течение позднего. Следовательно, РПД приводит в одних случаях к увеличению интергранулярной пористости, в других - к ее сокращению. Все зависит от физико-химических условий среды, действующих в сторону выноса вторичного кремнезема или же его отложения на месте.
Научная . новизна работы особенно отражается в
разработке моделей, касающихся практически всех
аспектов нефтеобразования; некоторые из них имеют фундаментальное значение. Главными из указанных моделей можно считать:
- 'модели диагенстичсских и катагенетических процессов, в том числе:
модель диагенетических (катагенетических) зон и процессов в уплотняющемся глинисто-песчаном комплексе,
модель компонентов при погребении в кластических отложениях,
модель оксилительно-восстановительных, кислотно-генерирующих и зависимых реакций в диагенетических (катагенетических) зонах,
модель кинетического "разделения" диагенетических (катагенетических) реакций,
модель последовательности реакций в кластических осадках при диагенезе и катагенезе;
модель основных диагенетических (катагенетических) процессов в песчаниках применительно формированию их коллекторских свойств,
модель частные модели диагенеза (катагенеза) для палеозойских и триасовых осадков;
- модель генерации, миграции и заполнения ловушек;
в результате построена обобщенная модель диагенеза (катагенеза), формирования коллекторских свойств и генерации УВ в пространстве и времени;
модель преобразования глинистых минералов в . осадках Сахарской платформы и их использования при геотермических реконструкциях и литологических корреляций;
химико-кинетическое моделирование нефтеобразования (первичный крекинг) для нефтематеринских пород силура и девона.
Другое важное направление работы связано с выявлением новых механизмов формирования ловушек неструктурного типа в исследованном регионе, в частности ловушек дифференциального уплотнения и ловушки, ассоциированные с вулканическими породами.
И наконец, на основании детального исследования морфологии, структуры и геометрии порового пространства современными методами анализа изображений (типа квантимет) предложены новые критерии для оценки емкостных свойств коллекторов, установленные при статистической обработке огромного количества фактического материала.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней разработаны основы комплексного подхода к оценке и прогнозу нефтегазоносности бассейнов на основании исследования диагенетических (катагенетических) преобразований кластических толщ в совокупности с геоструктурными и палеогеографическими условиями их образования.
1.Созревание ОВ в нефтематеринских породах обусловливает генерацию большого объема вторичной пористости песчаников, которая является благоприятной средой для накопления УВ в кластических комплексах.
2.В малоисследованных районах диагенетические (катагенетические) концепции могут обеспечить более целенаправленный выбор объектов, в частности резервуаров путем исключения тех, которые окажутся уплотненными по критериям состава, возраста, температуры и др. В частично изученных бассейнах результаты диагенетических (катагенетических) исследований могут являться основными для бурения на' большие глубины, для достижения горизонтов с широко развитой вторичной пористостью. Такими, в частности, были те толщи, в которых образовались регене-
рационные каемки кварца в соответствующих стратиграфических комплексах до мезозойского погружения, формировался прочный скелет коллектора, противостоящий дальнейшему механическому уплотнению, и при этом действовали благоприятные факторы для сохранения пбрис-тости на больших глубинах.
3.Моделированием эволюции петрофизических параметров при диагенетических (катагенетических) процессах установлено, что максимальная глубина, на которой может существовать эффективная вторичная пористость, образованная в результате мезокатогенетической декарбоксилиза-ции, больше чем в 2 раза глубины, на которой может сохраниться эффективная первичная пористость в песчаниках с высокой минералогической устойчивостью и более чем в 3 раза - в песчаниках с низкой минералогической устойчивостью.
4.Резервуары с обильной микропористостью представляют потенциальный интерес в условиях проведения механического разрыва, например, гидравлического. Такой опыт был нами успешно проведен на площади Рурд эль-Шегга (RDC) на севере бассейна Уэд эль-Миа, где резервуар был недооцене и забракован иностранной компанией ввиду сложности интерпретации каротажа из-за высокой насыщенности коллектора водой в микропорах. При этом добывалась чистая от воды нефть, поскольку вода в этих условиях неподвижная.
5.Выделены основные зоны формирования ловушек неструктурного типа как наиболее перспективные площади по . мере исчерпывания непробуренных антиклинальных перспективных структур.
6.Детальное исследование генетических типов пористости и ее структурно-текстурных особенностей может существенно повысить рентабельность работ добычи в кластических резервуарах и предотвратить потенциальные побочные проблемы, связанные с эксплуатацией месторождений.
7.Корреляция изотопного состава углерода ( $ С13) по всем соответствующим фракциям нефтей и битумоидов из возможных "кандидатов" нефтематеринских пород (НМП), при многочисленности последних, позволяет выявить источники УВ, питавшие те или иные резервуары, следовательно, и ориентировать поисковые работы.
8.Проведенное химико-кинетическое моделирование нефтегазоносных бассейнов позволяет восстановить по современному разрезу бассейнов историю его погружения, изменение температурного режима осадочных толщ, генерацию, миграцию и выход УВ для каждого конкретного нефтематеринского (НМ) горизонта.
Поистине новым и усовершенствованным в нашем моделировании, по сравнению с другими известными моделями, является учет созревания ОВ на геологическом этапе погружения, а также предварительная оценка суммарного нефтегенерационного потенциала НМП. При этом алгоритм подбора кинетических параметров реакций генерации УВ использует температурно-временную историю образца нефтематеринской породы, включающей как геологический этап созревания, так и этап пиролиза образца породы с линейным ростом температуры от 300 до 550С. Исключение геологического этапа из расчетов приводит к резкому смещению спектра энергии активации реакций в сторону высоких значений и снижению оценки выхода УВ за геологическую историю в 10 раз и более.
9.На основании тщательного исследования состава коллекторов и минералогических особенностей их глинистого, силикатного и карбонатного цемента были созданы экспериментальные лабораторные модели для стимуляции резервуаров в рамках вторичной добычи путем воздействия на пласт химической обработкой. Во многих случаях полученный коэффициент повышения фильтрационной характеристики составлял 2-3, в редких случаях был отрицателен.
Методы исследований. Основные положения и концепции работы обосновываются теоретическими и экспериментальными исследованиями, которые автор проводил в течение 17 лет в научно-исследовательском центре нефтяной компании' SONATRACH в, рамках работ по поискам и разработке месторождений УВ в Северной Африке.
Особое внимание уделено детальному исследованию вещества нефтеносных пород как минерального, так и органического, а также углеводородов и пластовых вод. При этом применялась самая современная аналитическая техника: растровая и просвечивающая электронная микроскопия, комплекс для анализа РЭМ изображений, рентге-ноструктурный анализ, электронография, плазменная и атомно-адсорбционная спектроскопия, рентгеновская флюо-
ресценция, локальный микроанализ в режимах дисперсионных длин волн (WDS) и дисперсионной энергии (EDS), инфракрасная спектроскопия, изотопная масс-спектрометрия, хроматография, пиролиз и др. Петрофизическая характеристика коллекторов определялась, помимо классических методов, автоматизированным анализом изображений для полной характеристики геометрии и структуры порового пространства. Широко использовалась компьютерная и вычислительная техника для статистической обработки и графического изображения огромного количества полученных аналитических данных.
Практически все исследованные геологические проблемы решались на базе измеряемых или вычисленных конкретных физико-химических параметров.
1) Палеогеографические рекострукции выполнены помимо геологических общеизвестных критериев, с применением таких параметров, как поглощенный комплекс глинистых минералов, емкость их ионного обмена, коэффициент щелочности, минеральные формы железа.
2)Диагенетические (катагенетические) процессы изучались с привлечением структурных и кристал-лохимических особенностей глинистых минералов, в том числе вычисления параметров элементарной ячейки и определения структурных модификаций минералов. Детально исследовались минералогия и кристаллография кварца, кремнезема, карбонатных минералов, а также изотопный состав иг. углерода.
3)Для исследования процессов генерации и миграции УВ изучались: фазовый состав УВ; минеральные преобразования ассоциированные с преобразованием ОВ; распределение микроэлементов, изотопия углерода в карбонатах, битуминоидах и нефтях.
4)В рамках химико-кинетического моделирования генерации, миграции и количественного выхода УВ был выполнен экспериментальный открытый пиролиз при разных режимах нагрева с учетом созревания ОВ на геологическом этапе погружения НМП и с использованием в качестве опорных параметров данных по геотермометрии глинистых минералов.
При исследовании вещества автором были разработаны некоторые усовершенствования в ранее существующих методиках, таких как экстракция и опре-
деление поглощенного комплекса и емкости ионного обмена глинистых минералов, количественный рентгеноструктурный анализ глин, микроанализ в режиме WDS и EDS, плазменный спектроанализ некоторых следов и др.
Как методический подход впервые были предложены
и применены новые методы для «решения проблем диагенеза
(катагенеза), в частности распределение С13 в
карбонатном цементе песчаников и его корреляция с вторичной пористостью,' был раскрыт и выявлен механизм воздействия органических кислот, главным образом декарбоксильных кислот и фенолов, на перенос масс карбонатной и силикатной составляющей цемента коллекторов, перераспределение Si02 в цементе песчаников в результате растворения под давлением и его корреляция с уплотнением - разуплотнением песчаника.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на II-VI Национальных конференциях по науке о Земле (1979, 1980, 1982, 1984, 1986), на I и II Национальных семинарах по электронной микроскопии (1979, 1980), на Первой национальной конференции по исследованию в геохимии (1980), на Международной конференции по эксплуатации нефтяных месторождений (1984), на Международной конференции по поискам УВ (1984), на I Национальном семинаре по нефтяной геологии (1987), на Национальном симпозиуме по разработке месторождений УВ (1988), на Международной конференции по моделированию бассейнов (1992), на III Всесоюзном совещании по геохимии углерода (1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 25 работ на французском и английском языках, 6 работ на русском языке, в том числе одна монография в соавторстве (в печати), и две работы на арабском языке.
По той же теме, но по Месапотамскому бассейну (Сирия и Ирак) опубликовано 8 работ.
Фактический материал. Работа основана на результатах личных 17-летних полевых и лабораторных исследованиий, проведенных по десяти крупным нефтегазоносным бассейнам Сахарской платформы. В ней обобщается практически весь аналитический материал по литологии и геохимии, выполненный в научно-исследовательском центре компании SONATRACH с 1975 по 1991 г. При этом большая часть аналитических иссле-
дований проведена непосредственно самим автором или под его руководством, будучи основателем и руководителем соответствующих лабораторий: электронной микроскопии, рентгеновской, химии и спектроскопии, геохимической и др. Свыше 10 000 образцов песчаников и глин подвергались полному минералогическому г анализу, в том числе рент-геноструктурному и РЭМ анализу, химические анализы касались более 5 000 образцов.
Петрофизические определения (пористость,
проницаемость, водонасыщенность и плотность) произво
дились систематически по всем песчаным и алевролитовым
интервалам через 25 см, а исследованный при этом керн
составлял не менее 30 000 м. Специальные исследования
по структуре и геометрии порового пространства с помощью
катодной люминесценции и анализа изображений РЭМ
реализовались примерно на 800 образцах песчаников. Все
петрографические, минералогические и петрофизические
данные синтезируются на специальном лабораторном каро
таже по каждой скважине, всего в работе обобщено более
220 таких скважин. Специфические анализы (определение
поглощенного комплекса, емкости ионного обмена, коэффи
циента щелочности, минеральных форм железа) в сочета
нии с минералогией глинистых горизонтов воспроизводились
более чем для 150 разрезов (скважин). Изотопный состав
углерода б" С13 определялся в карбонатном цементе для
180 песчаников, a S ОЗ во фракциях нефтей и
битумоидов НМП выполнен для 65 образцов. Использованы результаты пиролиза более, чем в 2 600 НМП, химико-битуминологических анализов ОВ - порядка 7 000 глин, микроспектрофотометрических определений типа и степени катагенеза ОВ - 2 400 единиц, анализа микроэлементов в нефтях и битумоидах - 700 образцов, инфракрасной спектроскопии нефтей - 90, хроматографии (газовая и жидкостной) - 1 700, полного анализа пластовых вод (в том числе минеральных и органических компонентов) порядка 1200 горизонтов и др. Палеогеографические реконструкции условий осадко-накопления воспроизводились по всем стратиграфическим комплексам основных бассейнов, часто в региональном плане, с широким применением минералогических и геохимических данных по глинам в частности.
Структура її объем работы. В первой части работы (главы I—III) характеризуются история изученности и общие закономерности развития осадочных бассейнов и предпосылки поисков ловушек неструктурного типа; во второй (главы IV-VII) рассматриваются главные факторы уплотнения - разуплотнения резервуаров в контексте диагенетических и катагенетических преобразований и сравнительная характеристика их емкостных и фильтрационных свойств; в третьей (главы VIII-IX) выделяются геохимические особенности генерации, миграции и накопления УВ на базе как классических геохимических данных, так и разработанного компьютерного моделирования этих процессов и показывается возможность практического использования такого современного подхода.
В Заключении формулируются общие положения концепции автора по преобразованию нефтеносных толщ и диагенетическим (катагенетическим) закономерностям формирования емкостных и фильтрационных свойств резервуаров.
Диссертация содержит страниц текста, 32
таблицы, 125 рисунков и библиографию из Jt0 наименований.
Завершению работы во многом способствовали творческие контакты автора с известными учеными, их содействие, систематическая помощь и поддержка. Автор глубоко признателен Ю.К.Бурлину, ' В.В.Семеновичу и Б.А.Соколову за ценные советы и дружеские консультации. Автор выражает также искреннюю благодарность докторам геолого-минералогическлх наук, профессорам И.В.Высоцкому, Ю.М. Корчагиной, М.В.Голицыну, доцентам, докторам геолого-минералогических наук А.И.Конюхову и О.К.Баженовой за научные консультации, доброжелательную критику и поддержку. Автор признателен также доцентам, кандидатам геолого-минералогических наук А.Я. Архипову, А.А. Трофимчуку, А.Н.Гусевой, кандидатам геолого-минералогических наук И.А.Назаревич, Н.В.Прониной, Е.Е.Карню-шиной, А.Х.Богомолову, А.М.Голицыну и Н.П.Фадеевой за ценные советы и поддержку. Коллегам Ю.И.Галушкину, В.Н.Соколову, Н.ВЛопатину, И.И.Плюсниной, Р.А.Бочко автор выражает искреннюю благодарность.