Содержание к диссертации
Введение
1. Основные представления о роли катагенетических факторов при прогнозе нефтегазоносности больших глубин 9
1.1. О катагенезе ОВ пород 9
1.2. Особенности нефтегазоносности в зонах развития мезо- и апокатагенеза 13
1.3. Применение степени катагенеза ОВ пород при оценке ресурсов УВ 28
2. Методы определения степени катагенеза ОВ 41
2.1. Отражательная способность витринита 43
2.2. Пиролиз ОВ по методу Rock-Eval 6 55
2.3. Палеонтологические методы определения степени катагенеза
РОВ 59
2.4. Минералогические методы определения степени катагенеза ОВ 61
2.5. Геохимические и физико-химические методы 65
3. Закономерности вертикальной катаге нети ческой зональности в районах бурения глубоких и сверхглубоких скважин 70
3.1. Скважина Берта Роджерс (США) 70
3.2. 1-Колвинская параметрическая скважина 78
3.3. Тимано-Печорская глубокая опорная скважина 85
3.4. Тюменская сверхглубокая скважина (СГ-6) 91
3.5. Ен-Яхинская сверхглубокая параметрическая скважина (СГ-7) 100
3.6. Скважины зоны уральских надвигов 109
3.7. Закономерности изменения степени катагенеза ОВ пород на больших глубинах., 115
4. Качественная и количественная оценка ресурсов УВ для районов бурения глубоких и сверхглубоких скважин 122
4.1. Тимано-Печорская НГП 122
4.2. Север Западно-Сибирской НГП 137
5. Степень катагенеза OB пород как один из ведущих критериев оценки нефтегазоносное больших глубин 164
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 172
Введение к работе
Актуальность проблемы. Степень катагенеза органического вещества (ОВ) как параметр, характеризующий преобразование ОВ в результате увеличения глубины погружения и температур все более широко применяется в нефтегазовой геологии как в России, так и за рубежом в связи с успешным его использованием для оценки некоторых аспектов формирования залежей углеводородов (УВ), а именно определения зон генерации, масштабов эмиграции и направлений миграции УВ, а также фазового состояния УВ. При этом уровень изученности закономерностей изменения степени катагенеза ОВ пород больших глубин (более 4 км) в обычно жестких палео- и современных термобарических условиях пока крайне недостаточен- В то же время, в связи с истощением ресурсов углеводородов в верхних горизонтах, во многих регионах России все большее внимание уделяется перспективам нефтегазоносности глубокопогруженных отложений. Для эффективной оценки перспектив нефтегазоносности глубоких горизонтов необходима разработка специфических критериев и показателей, одним из которых может быть степень катагенеза ОВ пород как комплексный параметр, характеризующий многие аспекты процессов нефтегазообразования и нефтегазонакопления. В связи с этим все более актуальной становится проблема детального изучения закономерностей изменения степени катагенеза ОВ пород на больших глубинах и ее роли в формировании нефтегазоносности. Проводимое в разных регионах России глубокое и сверхглубокое параметрическое бурение создает основу для решения такой проблемы.
Цель работы. Изучить особенности изменения степени катагенеза ОВ пород больших глубин районов бурения глубоких и сверхглубоких скважин Тимано-Печорской и севера Западно-Сибирской НГП и оценить роль катагенетических факторов при формировании нефтегазоносности.
Основные задачи.
1. Изучить современные представления о роли катагенетических факторов при прогнозе нефтегазоносности больших глубин.
2. На основе различных методов определения степени катагенеза ОВ пород провести исследования и выявить закономерности изменения вертикальной катагенетической зональности в разрезах Колвинской глубокой параметрической, Тнмано-Печорской глубокой опорной, Тюменской сверхглубокой параметрической, Ен-Яхинской сверхглубокой параметрической и других скважин и проследить их связь с нефтегазоносностью.
3. Провести количественную оценку ресурсов УВ глубоких горизонтов районов бурения глубоких и сверхглубоких скважин.
Научная новизна работы.
Впервые обоснованы особенности катагенеза ОВ больших глубин, связанные с жесткими термобарическими условиями, появлением твердых битумов, частым развитием магматизма и др. Обоснована информативность для определения катагенеза ОВ больших глубин витринитовой палеогеотермии и пиролиза ОВ. Количественно описаны закономерности изменения отражательной способности витринита с глубиной и на их основе построены геолого-статистические модели. По результатам изучения разрезов скважин выделены ранее неизвестные глубинные газоматеринские свиты в районе Большого Уренгоя. Получены фактические данные, подтверждающие широкое развитие нарушений катагенетической зональности в надвиговых зонах, прилегающих к Уралу. На основании фактических данных по катагенетической зональности и нефтегазоносности обоснована нижняя граница существования нефтей. Выполнена оценка прогнозных ресурсов УВ глубокопогруженных отложений с использованием адаптированного к большим глубинам объемно-генетического метода. Обоснована необходимость применения степени катагенеза ОВ пород как критерия прогноза нефтегазоносности больших глубин.
Защищаемые положения
1. Установлено влияние твердых битумов на отражательную способность витринита и пиролитический показатель Ттах в жестких термобарических условиях больших глубин.
2- Обоснованы закономерности изменения отражательной способности различных видов витринита (сингенетичного, переотложенного и контаминированного твердыми битумами) на больших глубинах севера Западной Сибири по данным микропетрографических исследований и геолого-етатистического моделирования.
3. Выделена новая зона генерации газообразных углеводородов в пределах триасовых отложений на севере Западной Сибири.
4.0боснована необходимость использования степени катагенеза ОВ в качестве критерия оценки нефтегазоносности больших глубин.
Реализация результатов исследований и практическая значимость. Результаты исследований вошли в отчеты по тематике МПР РФ, внедрены во ФГУП НПЦ «Недра», Практическое значение работы состоит в решении ряда методических вопросов определения степени катагенеза ОВ пород глубокопогруженных комплексов, в частности, уточнение зональности катагенеза по Ттах и обоснование дополнительных факторов, влияющих на отражательную способность витринита. Полученные данные служат основой для прогноза нефтегазоносности отложений ниже освоенных глубин в районах бурения глубоких и сверхглубоких скважин Тимаио-Печорской и северной части Западно-Сибирской НТП. Предложенное включение степени катагенеза ОВ пород в качестве критерия оценки нефтегазоносности позволит повысить эффективность ГРР на нефть и газ на больших глубинах.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 статьях, докладывались на научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2001); Всероссийском совещании «Бурение сверхглубоких и глубоких параметрических скважин. Состояние технологии бурения, комплексных исследований и основные направления повышения эффективности» (Ярославль, 2001), «Научных чтениях памяти П.Н, ф Чирвинского» (Пермь, 2002,2004, 2005).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 191 стр. машинописного текста, включает 42 рисунка, 14 таблиц и список литературы 142 наименования.
Работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Т.В. Карасевой (Белоконь), которой автор выражает благодарность. Автор также выражает признательность к.г. м.н. Г.В. Тарханову, к.г.-м.н. А.В. Белоконю, д.г.-м.н. В,И. Вялову и сотрудникам отдела горючих полезных ископаемых ВСЕГЕИ, к.г.-м.н. Ю.А. Ехлакову, к.г.-м.н. Г\И. Титовой, к.г.-м.н. СТ. Попову за ценные советы и помощь при выполнении работы.
О катагенезе ОВ пород
Катагенез - наиболее длительная стадия литогенеза, в процессе которой происходит преобразование пород, протекающее при погружении под воздействием температуры и давления как основных факторов. Впервые этот термин был введен А.Е. Ферсманом в 1922 г. Катагенез в современном понимании литогенетического цикла следует после диагенеза и предшествует метаморфизму. Диагенез - стадия, на которой осадки превращаются в породу. Катагенез продолжается до преобразования осадочной породы в метаморфическую. Стоит отметить, что в зарубежной литературе катагенез часто рассматривают как заключительную часть стадии диагенеза (Хант, 1982).
Следует различать процессы катагенетических изменений составных частей осадочной породы: минералов, РОВ, пустотного пространства и т.д.
Кроме основных факторов катагенеза - температуры и давления - отмечают также глубину и скорость погружения осадочной толщи, возраст отложений (фактор времени), состав и структура отдельных компонентов породы и т.д. В процессе катагенеза наблюдаются значительные изменения минеральной и органической составляющих осадочных пород. Прежде всего, происходит значительное уплотнение пород, особенно глинистых. При этом уменьшается пористость и происходит отжатие поровых вод. Кроме того, при катагенезе в минеральной части наблюдается растворение и разложение одних минералов, новообразования других, процессы дегидратации, перекристаллизации и др. Наиболее существенны процессы катагенетических преобразований ОВ пород. Это, прежде всего, деструкция органических полимеров с образованием газообразных и жидких продуктов, как углеводородных, так и неуглеводородных (СО2, N2, H2S и др.). Среди жидких продуктов доминируют УВ и вода. Появление большого количества газов приводит к разуплотнению пород.
Тепловое воздействие на ОВ является главным фактором его преобразования в катагенезе- Последствия влияния палеотепловых потоков недр на породу сохраняются неограниченно долго, поэтому восстановление лалеотемператур является одной из основных задач при определении степени регионального катагенеза (Петрология..., 1987).
Учитывая, что условия катагенеза характеризуются в первую очередь интенсивностью восходящего теплового потока, большую роль в установлении катагенетических границ играет определение максимальной палеотемпературы. Палеотемпературы с известной мерой условности определяются по температуре протекании некоторых процессов, вызывающих необратимые изменения в породе: по температуре трансформации одних минералов в другие, по температуре изменений магнитных свойств Fe-содержащих минералов, по данным термолюминесценции карбонатов и т.д. (Словарь..., 1988). Однако наиболее точным и распространенным методом восстановления максимальных палеотемператур является витринитовая палеогеотермия - анализ отражательной способности витринита углистых включений в составе ОВ.
По отражательной способности витринита определяется и катагенез, и палеотемпература вмещающих толщ.
Давление обычно действует в непрерывной связи с температурами и рассматривается как важнейший фактор изменения ОВ при погружении пород. Суммируя экспериментальные исследования по влиянию давлений на ход преобразования минеральной и органической составляющих осадочных пород можно заключить, что давление без изменения объема затрудняет катагенез, а одностороннее давление способствует преобразованию ОВ (Геология и геохимия,,., 2000).
Дискуссионным является вопрос о влиянии геологического времени на катагенез ОВ, Наиболее детально роль времени в катагенетических процессах рассмотрел Н.В. Лопатин (1983), В частности, он разработал метод расчета суммарного импульса тепла (СИТ), основанный на определении общего количества тепла, воздействующего на ОВ в течение всей геологической истории.
Скорость погружения осадочной толщи, различная в платформенных и геосинклинальных условиях, влияет не только на глубинную приуроченность зон катагенеза, но и на их температурные границы, т.е. чем больше скорость осадконакопления при одних и тех же температурах, тем на больших глубинах располагаются зоны катагенеза (Польстер и др., 1977; Максимови др., 1977; Лопатин, 1983).
Скважина Берта Роджерс (США)
Разведочная скважина Берта Роджерс-1 (Кинчелло, Скотт, 1974), пробуренная в западной части штата Оклахома {бассейн Анадарко), является самой глубокой скважиной США и глубочайшей скважиной, вскрывшей осадочный чехол, в мире. Бурение осуществляла фирма «Lone star» (г. Даллас, шт. Техас).
Бассейн Анадарко представляет собой тектоническую впадину, вытянутую с северо-востока на юго-запад вдоль и севернее тектонического поднятия Амарилло (рис. ЗЛ). Осадочный разрез бассейна представлен палеозойскими отложениями от кембрия до перми, а также небольшими по мощности палеоген-неогеновыми (третичными) отложениями. Наибольший интерес с точки зрения перспектив нефтегазоносности на больших глубинах в погруженной части бассейна представляют карбонатные отложения свит Арбокл (верхний кембрий - нижний ордовик), Симпсон (ордовик), Хантон (силур-девон), а также песчаники Морроу-Спрингер и Морроу-Атока (нижняя часть пенсильванского разреза), Залежи газа на больших глубинах во впадине Анадарко связаны в основном с тектонически нарушенными складками (тектонически экранированные ловушки структурного типа), выявление и изучение которых представляет определенные трудности, т.к. домиссисипский структурный план отличается от пенсильванского. Залежи, приуроченные к литологическим ловушкам, встречаются реже. Бурение скважины Берта Роджерс-1 было остановлено на глубине 9590 м в связи с поступлением в скважину с отметки 9440 м до забоя расплавленной серы. В результате проникновения серы по стволу скважины и последующего ее застывания было прихвачено более 4500 м бурильных труб. По данным Р. Кинчелло (1974), исследования шлама, выносимого из скважины при разбуривании карбонатных отложений свиты Арбокл (ордовик), показали, что пласт обладает определенной пористостью. Одновременно с поступлением серы забойное давление в скважине превысило 1690 кгс/см (-169 МПа). В поднимающемся из призабойной зоны сероводороде обнаружились незначительные следы углеводородного газа. В свите Арбокл, наблюдается АВПД с градиентами 1,6 МПа/100 м. Согласно оценкам, сделанным по данным последнего каротажа на глубине 8945 м (свита Вайола), забойная температура составляла 245-260С (рис.3.2). В отношении температурного градиента ниже этой точки ничего не известно, поскольку никаких измерений температуры не проводилось. Приведенная на рис. 3.2 современная температура принята по опубликованным данным (Price и др., 1981). Нефтегазоматеринскими породами являются глинистые сланцы формаций Вудфорд, Хантон и Хараган (инт. 8357-8723 м), относящиеся по возрасту к низам миссисипия, девону, силуру, ордовику и находящиеся в настоящее время в катагенетической зоне АКз (Полякова, Борукаев, 1999).
Тимано-Печорская НГП
Плотность эмиграции газа могла составлять 2,03 млрд м3/км2, количество эмигрировавшего газа - более 1,7 трлн м . В настоящее время свита находится в главной зоне газообразования (степень катагенеза ОВ пород МК5) и прогнозные ресурсы с учетом газа, образовавшегося при деструкции нефти, и максимально возможных потерь при миграции могут составить в целом для свиты 373,42 млрд м3. Остаточные процессы генерации газа подтверждаются газопроявлением в инт, 5286-5328 м, зафиксированном в процессе бурения скважины,
Нефтегазоматеринская свита 2 — катаяхинекая, выделенная в интервале 4255-4528 м, представлена глинисто-карбонатным и породами (доломитистыми аргиллитами и доломитовыми мергелями), обогащенными сапропелевым ОВ. Пирит в породах присутствует в виде частичных и полных псевдоморфоз по органогенному шламу. Содержание органического углерода в данной НГМ свите ниже, чем в овинпармской, и составляет 0,09-1,55% при среднем содержании 0,47%. Плотность остаточного Сорг при катагенетической преобразованности МКз составляет 2,43 млн т/км2, исходного Сорг на стадию катагенеза ПК? - 10,96 млн т /км2. Неблагоприятным фактором для нефтематеринских свойств является наличие пластовой интрузии долеритов мощностью 5 м в нижней части свиты, однако по керну ее влияние ограничивается несколькими сантиметрами (Геологическое строение, 2000). Объем НГМП в свите составляет 82,4% при общей мощности свиты 273 м. Примерная площадь распространения свиты в районе бурения с учетом однородной фациальности пород не превышает 900 км2. Коэффициент эмиграции нефти, составляющий в конце ГЗН 0,65-0,85 (Методическое руководство..., 200) условно принят равным 0,85, т.к. подошва НГМ свиты находится практически на границе с катагенетической зоной МК4 и «deadline», которая для Колвинской скважины совпадает с границей МК3-МК4. Коллекторы непосредственно над НГМ свитой представлены доломитами торавейской свиты мощностью 131 м, тип коллектора определен как поровый (Белоконь, 2001ф),
По результатам расчетов установлено, что плотность эмиграции нефти могла составлять 2,63 млн т/км , а количество - более 2,3 млрд т, что значительно ниже, чем в овинпармской НГМ свите 1. В настоящее время НГМ породы верхней толщи свиты находятся в нижней части ГЗН, их генерационный потенциал еще не исчерпан. Нижняя часть свиты вышла из ГЗН в триасовое время и сейчас находится в зоне деструкции нефтей. В связи с этим прогнозные ресурсы нефти с учетом деструкции и возможных потерь при миграции составили около 180 млн т. Плотность эмиграции газа могла составлять 0,55 млрд м /км , количество эмигрировавшего газа-493 млрд м , что также ниже, чем для более глубокозалегающей свиты. В связи с тем, что свита полностью не вышла из ГЗН, плотность возможной генерации газа относительно невелика и составляет 0,61 млрд м /км . Возможное количество аккумулированной нефти почти в два раза ниже, чем для свиты 1, а газа - в 18 раз (табл. 4.2).
Нефть и газ, генерированные обеими свитами, могли при вертикальной миграции сформировать залежи Харьягинского месторождения (рис А2).
В разрезе Тимано-Печорской глубокой опорной скважины, прошедшей по газоконденсатнои залежи Западно-Соплесского ГКМ в инт. 4,0-4,1 км, нефтегазоматеринские свиты выделены в отложениях среднего девона в инт. 4410-4655 м (Белоконь, 2000ф)- верхнечикшинская НГМ свита 1 и в инт, 4134-4387 м - изъельская НГМ свита 2. Названия НГМ свит даны по основным свитам. «Deadline» в скважине определена на глубине 4500 м, ниже нее возможны только газовые и газоконденсатные залежи (табл.4.3).
