5РАЗНОМАСШТАБНЫЕ ГЕОФЛЮИДОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ ДЕСТАБИЛИЗАЦИИ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Л.А. Абукова1, О.П. Абрамова1, А.А. Орлов2, П.В. Манулик1 Институт проблем нефти и газа РАН, e-mail: [email protected] 2Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа
В геологических системах свойства подземных вод различаются в зависимости от особенностей их взаимосвязи с базисной поверхностью минеральных и органических компонентов литосферы. Известно, что вода, находясь в поле действия электростатических сил, проявляет аномально высокую растворяющую способность, благодаря чему возможен перенос зрелых УВ в промышленно значимых масштабах из нефтегазомате-ринских тонкодисперсных отложений в грубозернистые приконтактные коллектора (Си-моненко В.Ф., 1989 г.). Аналогичный процесс ведет к концентрации рудных элементов (Блох А.М., 1973 г.). Помимо этого отмечается, что при тектонической напряженности на границе раздела твердой и жидкой фаз возникают механохимические эффекты, резко активирующие пленки связанной воды и повышающие за счет этого ее геохимическую реакционную способность (Пецюха Ю.А., 1985 г.). Однако в работах 70-80-х гг. при изучении системы вода - порода рассматривались в основном адсорбционные, ионно-обменные, диффузионно-осмотические и другие процессы. Изучение продуктов дисперсной субстанции, образующейся в результате перетирания пород, а также активации связанных вод с образованием зеркал скольжения, обычно игнорировалось.
В последнее время геологическая функция продуктов перетирания пород все чаще оказывается в сфере внимания специалистов, поскольку ее изучение стимулируется общенаучным интересом к поведению наноразмерных физических объектов.
Реальный ход рудных процессов мог значительно отклоняться от представляемого теоретически из-за вмешательства явлений, происходивших на границах жидких и твердых фаз, если последние были пылевидными, размерами и'100 мкм [1]. «Пылевидные» структуры в минералогии при размере порядка 100 нм1 в настоящее время трактуются как наноминералы [2], их исследование ведется преимущественно в рудной геологии [3,
1 Размер в 100 нм в настоящее время принят как пороговое значение объектов нанотехнологий, т.к. при этих размерах физических тел наблюдается наибольшее проявление изменений свойств материалов. Таких при-
меров множество. В частности, в металловедении установлено изменение физико-механических свойств (прочности, твердости и др.) многих металлов в интервале размеров зерен от нескольких нанометров до 100 нм (Андриевский Р. А., 2000 г., и др.).
2, 1]. В обстоятельном обзоре, посвященном роли микро-, ультра- и наноразмерных частиц при поисках полезных ископаемых, подчеркивается, что приближение размера кристалла к нулю создает удельную поверхность, стремящуюся к бесконечности, что в физическом смысле означает, что минеральное вещество становится пленкой [3]. Возрастание удельной поверхностной энергии является причиной аномальности физических, химических, структурных, термодинамических и других свойств наноминералов по отношению к тем же минералам в объеме [3]. Совершенно аналогично ведет себя и вода: ее свойства в объеме и в тонких и-молекулярных слоях существенно различаются [4]. В условиях тонкодисперсной литологической среды связанные воды, находясь в поле влияния поверхностных сил, обладают повышенной агрессивностью, поэтому их растворяющая способность на порядок выше, чем у свободных вод. При выходе из поля влияния поверхностных сил (за счет увеличения радиуса капилляра, раскрытия трещин и т.п.) растворенные соединения выделяются из раствора, формируя скопления в виде пленок жидких УВ или минеральных корок [4, 5].
Ранее нами был выполнен большой объем работ по экспериментальному изучению влияния механических и акустических воздействий (приближенных к техногенно обусловленным) на глиносодержащие отложения [4, 5]. В последнее время этот материал дополнен результатами новых экспериментов, в которых испытуемая двухкомпонентная среда (глинистые породы + связанные воды) заменена трехкомпонентной (глинистые породы + связанные воды + нанопорошок БЮ2 с размерностью частиц до 90 нм).
Добавление в моделирующую среду нанопорошка диоксида кремния было осуществлено по следующим причинам. Прежде всего, учитывалось, что после кислорода кремний является вторым по распространению химическим элементом на Земле, а диоксид кремния распространен в литосфере повсеместно, вплоть до мантийных глубин. В воде БЮ2 присутствует в виде ортокремниевой кислоты, которая в нейтральной среде не диссоциирует. Но с понижением величины рН образуются подвижные формы поликремниевых кислот переменного состава (и'8Ю2'даН20), которые легко переносятся водными потоками. На всех этапах геологического развития осадочных бассейнов диоксиды кремния скапливались в глинистых морских отложениях, участвовали в построении диатомовых водорослей, радиолярий, силикофлагеллятов, кремниевых губок и т.п. (Офицеров Е.Н., 2006 г.).
Методика моделирования состояла из ряда последовательных операций. Выделение связанных вод производилось с использованием специальной установки в камере высокого давления, изготовленной из титана. В основании «башмака» камеры было смонтировано устройство, позволяющее создавать, регулировать и регистрировать виброакустическое воздействие на образец до 60 кГц. Кроме того, была предусмотрена техническая возможность обогрева модели, регулирования и замера температуры.
Очевидно, что точное воссоздание в эксперименте внешних техногенных нагрузок, типичных для нефтегазопромысловых регионов, - практически неразрешимая задача. Поэтому реально можно создать лишь их приближенные аналоги. В нашем случае было учтено, что в районах с интенсивным отбором УВ отмечаются достаточно резкие перепады давлений и повышенная виброакустическая активность среды. Так, на этапе предразрушения пород, характерного для коллекторов после многолетней эксплуатации, генерируются разночастотные акустические колебания, как в звуковом, так и в ультразвуковом диапазонах. Естественные микросейсмические колебания фиксируются в диапазоне 20-5000 Гц (Николаев А.В., 2000 г., и др.). Воздействие акустического поля на систему вода - порода имеет различные проявления, связанные с активацией поровых вод, что показано для природных и технических систем [4, 6].
Исследовались образцы глинистых пород, отобранные из плиоцен-миоценовых отложений (Кубанская сверхглубокая скважина СГ-12000, Западно-Кубанский бассейн).
На подготовительном этапе моделирования выявлена необходимость выполнения исследований по минимальным временным разрывам для одной экспериментальной серии. Поэтому опыты проводились в течение первых суток после изготовления нанопо-рошков, и каждый опыт длился 2,5 часа (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что при внесении в породу наноразмерных частиц оксида кремния происходит повышение флюидоотдачи глинистых образцов. Более чем в два раза возрастает содержание органического углерода в отжатых флюидах, значительно повышается концентрация водорастворенного оксида кремния (табл. 2).
Анализ полученных результатов показывает, что под воздействием барических нагрузок, совмещенных с низкочастотным акустическим полем, происходят активные процессы разрушения минеральной матрицы глинистых отложений. Данный факт в совокупности с резким повышением выхода органического углерода указывает на ослабление межмолекулярных связей, которое на фоне повышения водоотдачи глиносодержащих
Таблица 1
Объемы отжатых вод из образцов глин при равномерной барической нагрузке, изотермическом режиме и акустическом воздействии в ультразвуковом
частотном диапазоне
Значение задаваемого давления, МПа Объемы отжатых флюидов (мл) при проведении опыта в течение 2,5 часов (средние значения по результатам трех повторов)
1-я серия опытов с образцом 1а 150 г глин + 55 мл 2% р-ра СаС12 2-я серия опытов с образцом 8а 150 г глин + 55 мл 2% р-ра СаС12 +4 г н/п БЮ2 3-я серия опытов с образцом 9а 150 г глин + 55 мл 2% р-ра СаС12+6 г н/п БЮ2
10 24 25 25,5
15 18 18,0 18,5
20 0,7 0,8 1,7
Всего 42,7 43,8 45,7
Значение задаваемого давления, МПа Объемы отжатых флюидов (мл) при проведении опыта в течение 2,5 часов (средние значения по результатам трех повторов)
4-я серия опытов с образцом 10а 150 г глин + 55 мл 2% р-ра СаС12 + 8 г н/п БЮ2 5-я серия опытов с образцом 11а 150 г глин + 55 мл 2% р-ра СаС12+ 10 г н/п БЮ2 6-я серия опытов с образцом 12а 150 г глин + 55 мл 2% р-ра СаС12 + 12 г н/п БЮ2
10 26 26,7 26,9
15 18,6 18,8 18,9
20 2,0 2,2 2,3
Всего 46,6 47,7 48,1
Таблица 2
Характеристика основных параметров опытов и результатов анализа органического углерода и оксида кремния (мг/дм ) в отжатых поровых флюидах
Параметры опытов Номера опытов
1а 8а 9а 10а 11а 12а
Р=10 МПа 24 25,0 25,5 26,0 26,7 26,9
Р=15 МПа 18 18,0 18,5 18,6 18,8 18,9
Р=20 МПа 0,7 0,8 1,7 2 2,2 2,3
V, мл 42,7 43,8 45,7 46,6 47,7 48,1
^^^ % 8,2 7,5 6,8 5,6 4,9 4,6
Сорг, мг/дм3 238 238 249 283 585 585
БЮ2, мг/дм3 17,7 141,2 143,3 147,6 148,7 149,3
пород (усиление эффекта «водяной смазки») в реальной геологической среде может провоцировать возникновение зеркал скольжения. Независимыми исследованиями было установлено, что при нанометровом размере большое значение имеет диффузионное скольжение нанокристаллитов и скорость деформации значительно возрастает [7].
Свой вклад в тектоническую дестабилизацию могут внести не только связанные воды тонкодисперсных пород, но и органогенные воды, выделяющиеся из органического вещества при его метаморфизме. По оценке В.П. Ильченко, объемы органогенных вод в пределах основных тектонических элементов Прикаспийской впадины сопоставимы с объемами связанных вод, и при условии содержания органического вещества в породах пермо-карбона и девона только 1-2% объемы органогенных вод, выделившихся при метаморфизме органического вещества, превысили 130 км3 [8]. В разрезах нефтегазоносных осадочных бассейнов достаточно большую роль играют породы не с рассеянным ОВ (как в приведенных выше расчетах), а с концентрированным органическим веществом (КОВ). Поэтому роль органогенных вод представляется еще более существенной. Ранее многократно было показано, что катагенные потери массы и объема пород с КОВ настолько велики, что они становятся причиной тектонической дестабилизации [9].
Масштабы флюидогенерации из пород с КОВ под воздействием знакопеременных барических и акустических нагрузок нами изучались на экспериментальных моделях. В экспериментах задание внешней нагрузки выглядело так, как показано на рис. 1. Опыты выполнялись в одинаковом временном режиме (110-120 часов).
Органогенные воды, так же как и связанные, являются агрессивными по отношению ко многим породообразующим минералам. Результаты опытов показали, что интенсивнее всего из пород выносятся окислы породообразующих элементов - кремния, натрия, калия, железа, т.е. наблюдаются аналоги «усталостных» эффектов, приводящие в процессе разработки месторождений к механическому разрушению пород-коллекторов, пескованию и другим геолого-техническим осложнениям в околоскважинном пространстве. В природной геологической среде тот же механизм перетирания пород в зонах геодинамической напряженности приводит к появлению повышенных объемов выделившихся связанных вод, играющих роль «смазки», благодаря которой происходят отрывы пластин, формирование зеркал скольжения.
Рис. 1. Схема режимов отжатия органогенной воды из пород с концентрированным органическим веществом
Первый режим (1а) имитировал плавно-ступенчатое погружение осадков, второй (16) - скачкообразные знакопеременные колебания барических нагрузок, в третьем режиме (1в) - знакопеременные нагрузки усиливались температурным фактором и низкочастотным воздействием. Выводы строились на сравнении геохимических анализов вод, отжатых при названных режимах. Исследовались образцы горючих сланцев-кукерситов с высоким содержанием ОВ (~40%), которые относятся к ранней стадии катагенеза (02кк)
На рис. 2 (а, б, в) отражены результаты преобразования геохимического состава минеральной матрицы горючих сланцев в процессе барического и акустического воздействия. Участие в нем органогенных (с примесью связанных) вод, отжатых из кукерситов, подтверждается достаточно активным выносом органических компонентов (рис. 2 е) и тех микроэлементов, которые тесно связаны с УВ (рис.2 в, г, д, е): заметно уменьшается в породе после отжатия органогенных вод содержание ванадия, вольфрама, никеля, редкоземельных и других элементов.
Воды, отжатые из горючих сланцев, судя по высокому содержанию Сорг, можно назвать (по терминологии В. А. Кудрякова) «нефтегазоматеринскими водами». Известно, что горючие сланцы с глубиной теряют свою литологическую индивидуальность, а под действием геостатических и геодинамических нагрузок происходит колоссальная убыль ОВ, объемная масса которого в горючих сланцах составляет 40 % и более.
Так, по мнению В. Д. Ильина с соавторами (1986 г.), в Прикаспийской впадине на глубине 1-2 км объем сланцев уменьшается до 60 %. Отжатые вместе с ОВ связанные во-
ды переносят в иную (как правило, нижележащую) литологическую среду значительные массы органического материала, способного увеличить ресурсный потенциал осадочных бассейнов. В условиях же дополнительной техногенно обусловленной геодинамической нагрузки описанные процессы еще более активизируются (в количественном и скоростном отношениях).
Рис. 2. Изменение содержаний минеральных и органических компонентов в горючих сланцах - кукерситах после отжатия органогенных, связанных вод
1 - начальное содержание элементов в породе; 2 - содержание элементов в породе после проведения опыта
Опыты с глинистыми породами, отобранными по разрезу Кубанской сверхглубокой скважины, показали, что наиболее активный вынос углерода и некоторых рудных элементов из матрицы породы в окружающее поровое пространство и их растворение в связанных водах происходит в интервале глубин 2000-2400 м. Именно в этом интервале, как свидетельствуют геофизические данные, происходит наиболее резкое падение порово-го давления. Полученные фактические материалы говорят о том, что "расшатывание" структуры породы, ослабление межслоевых связей в минеральной матрице приводят к просадочным явлениям, разрывным нарушениям. Такие эффекты, как известно, создают
напряженность в отдельных участках (Юсупова И.Ф., 1993, 2006 гг.), способствуют возникновению дислоцированности, развитию песчаного диапиризма, грязевого вулканизма, складок пучения, образованию надвигов и т.п. (Юсупова И.Ф., Абукова Л. А., Абрамова О.П., 2006 г.). Имеются доказательства влияния органогенной воды2 на процесс трещино-образования в газонасыщенных угольных пластах [10].
Выше был рассмотрен вклад связанных и органогенных вод в формирование тектонической дестабилизации нефтегазоносных осадочных бассейнов. Далее остановимся на роли свободных вод, которые также вносят свои изменения в формирование дислоци-рованности вмещающих отложений. Большое влияние на направленность геофлюидоди-намических процессов оказывают физико-химические превращения в системе вода - порода, вызванные нарушением геохимического равновесия за счет воздействия внешних факторов (температура, давление, геофизические возмущения). Декарбонатизация и де-сульфатизация пород при растворении сульфатно-карбонатных минералов приводят к необратимым изменениям в пластовых системах. Вынос вещества, дезинтеграция, разуплотнение пород, формирование ослабленных зон и другие деформации, с ними связанные, имеют место на путях миграции агрессивных продуктов [5, 9]. Так, говоря о благоприятных факторах для накопления и сохранности сероводородсодержащих газов в зонах высоких температур, некоторые исследователи отмечают широкое распространение в этих условиях вторичных трещинных резервуаров, образующихся за счет дробления и брекчиро-вания карбонатных пород (Кулибакина И.Б., Чайковская Э.В., 1981 г.). Одной из особенностей глубинного карста, вызванного сульфатредукцией, является неравномерность его распространения по площади и разрезу. Это свидетельствует не только о многостадийном характере карстования, по А.В. Петухову, но и о многократных пульсационных, разнонаправленных изменениях геодинамического режима, а вместе с ними и о перепадах пластовых давлений, контролирующих растворение и осаждение отдельных компонентов. Потеря массы (обычно неравномерная) и уменьшение мощности пород в пределах участков, пораженных сульфатредукцией, обусловливают неравномерное проседание перекрывающих пластов (в том числе флюидоупоров), формирование ослабленных зон и субвертикальных трещинных систем, нарушение стационарности миграции флюидов [5]. Основные элементы дезинтегрированности, в том числе очаги аномально повышенной трещи-
2 Авторы работы [10] называют воду поровой. Однако, на наш взгляд, воду, выделяющуюся в процессе уг-лефикации ОВ, надо относить к органогенной.
новатости, в свою очередь, предопределяют и флюидодинамическую неоднородность осадочного чехла, что порождает сопряжение в пределах одного тектонического элемента нормальных, повышенных и пониженных пластовых давлений, формирование очаговых конвективных флюидодинамических систем. Это, в частности, подтверждается мозаичным распределением пластовых давлений даже в пределах одного тектонического элемента [11]. Такая картина наблюдается, например, на внешнем борту Припятской впадины (рис. 3).
Рис. 3. Изменение давлений пластовых вод по разрезу нефтяных месторождений При-пятской впадины
Давления: 1 - расчетные гидростатические, 2 - пластовые в межсолевых отложениях, 3 - пластовые в подсолевых породах; 4 - номера скважин; римскими цифрами обозначены площади: I - Речицкая, II -Вишанская, III - Тишковская, IV - Осташковичская, V - Давыдовская
Таким образом, геохимические эффекты в системе вода - порода при определенном сочетании термобарических и геохимических факторов сопровождаются потерей массы пород за счет растворения породообразующих минералов подземными водами, могут привести к существенному снятию нагрузок на нижележащие отложения и вызвать подвижки отдельных блоков геологического разреза.
При разработке месторождений УВ рассмотренные процессы не только не прекращаются, но и, напротив, проявляются с повышенной интенсивностью. Из опубликованных данных известно, что интенсивность просадочных явлений, например на СевероСтавропольском газовом месторождении, оказалась реально в 3 раза выше расчетных параметров, определенных только с учетом сжатия пород-коллекторов и игнорирующих дефект массы, сформированный за счет отжатия связанных вод и выноса вместе с ними части органических и минеральных компонентов (Петренко В.И. и др., 2004 г.).
В условиях интенсивной нефтедобычи масштабы дренирования окружающей водонапорной системы огромны, и передвижения больших масс воды нередко являются причиной техногенных сейсмических явлений. Кроме того, тектонические деформации
могут быть спровоцированы закачкой в недра крупных объемов экологически вредных жидких веществ. Многократное привнесение в литосферу агрессивных технических вод будет резко смещать геохимическое равновесие в системе вода - порода - залежь УВ. Разрушение и коррозия кварца, полевых шпатов и других минеральных компонентов в результате воздействия СО2, органических кислот, кислородсодержащих веществ приводят к значительному дефекту массы и, как следствие, к деформационным изменениям и формированию ослабленных зон и трещинно-разрывных дислокаций, которые впоследствии могут выполнять функции дренажных систем.
В ряде работ [12 и др.] нами обосновывалась целесообразность закачки промстоков в истощенные нефтегазоносные пласты и выработанные месторождения. Для условий вновь осваиваемых регионов (на Ямале, в Восточной Сибири) возможна предварительная выработка мелких газовых залежей с последующим использованием коллекторов под захоронение экологически вредных жидких веществ. Кроме того, могут использоваться зоны очагового проявления дефицита пластового давления, что нередко встречается как в пределах разрабатываемого месторождения, так и в непосредственной близости от него. Такой подход позволит минимизировать риск возникновения нежелательных тектонических подвижек при разработке месторождений УВ.
ВЫВОДЫ
Участие свободных и связанных вод в трансформации природного напряженно-деформированного состояния флюидовмещающих пород, инициировании тектонических процессов наиболее интенсивно проявляется в тех частях разреза нефтегазоносных осадочных бассейнов, где наблюдается частое (тонкое) переслаивание песчано-алевролитовых и карбонатных пород с глинами, а также в местах залегания мощных толщ легкорастворимых солей и пород с концентрированным органическим веществом.
В нефтегазоносных осадочных бассейнах по мере проявления вибрационных (природных и техногенных) нагрузок на литосферу активируются механохимические эффекты, в частности геофлюидодинамические и геохимические реакции пленок связанной и органогенной воды, что приводит к формированию (трансформации) зон тектонической дестабизилизации.
Различия в тектонических нагрузках, возникновение геохимических эффектов в системе свободная вода - порода, неравные концентрации исходной органической массы также способствуют развитию дезинтеграционных явлений, в том числе очагов аномаль-
но повышенной трещиноватости, еще больше усиливающих флюидодинамическую неоднородность (блоковость) глубокопогруженных частей осадочного чехла. Взаимовлияние тектонического и геофлюидодинамического факторов, с одной стороны, определяет продуктивность локальных структур, с другой стороны - требует внедрения системы развитого мониторинга за состоянием геологической среды на территориях интенсивного освоения нефтегазового потенциала.
Объем выполненных исследований пока крайне мал. Однако полученные результаты свидетельствуют о необходимости продолжения этих работ как для расширения теоретических основ изучения механизмов трансформации связей воды с глинистыми минералами в присутствии нанокомпозитов, так и для решения важных научно-практических задач в области промысловых технологий, касающихся снижения объемов остаточной воды в матрице глиносодержащих коллекторов, подбора нанокомпозитов для улучшения свойств буровых растворов, обоснования проектов захоронения вредных жидких отходов в истощенные нефтегазовые пласты и в зоны пониженных пластовых давлений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петровская Н.В. Роль реликтового пылевидного вещества в гидротермальном рудооб-разовании // Рудообразующие процессы и системы. М., 1989. С. 124-134.
2. Микро- и нанодисперсные структуры минерального вещества / Гл. ред. Н.П. Юшкин. Сыктывкар: Геопринт, 1999. 216 с.
3. Конеев Р.И., Кушмурадов О.К., Туресебеков Х.А., Игнатиков Е.Н. Микро- и наноми-нералогия: роль и значение в процессах образования месторождений полезных ископаемых // Изв. УзбАН. 2005. №1. С. 28-32.
4. Абукова Л.А., Абрамова О. П. Влияние подземных вод на техногенные геодинамические процессы в «старых» нефтегазодобывающих районах // Разведка и охрана недр. 2008. № 7. С. 15-19.
5. Юсупова И.Ф., Абукова Л.А., Абрамова О.П. Потери концентрированного органического вещества пород при их погружении как фактор геодинамической дестабилизации // ДАН. 2007. Т. 414, № 1. С. 1-4.
6. Милушкин В.М., Ильин А.П. Интенсификация процессов извлечения примесей тяжелых металлов из воды при действии ультразвука в кипящем слое доломита // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 8, вып. 9. С. 103-105.
7. Суздалев П.И. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействия, свойства // Успехи химии. 2001. Т. 70. С. 203-240.
8. Ильченко В.П. Нефтегазовая гидрогеология подсолевых отложений Прикаспийской впадины. М.: Недра, 1998. 288 с.
9. Юсупова И.Ф. Флюидогенерация в осадочных толщах и их дислоцированность // ДАН. 1994. Т. 335, №3. С. 352-355.
10. Одинцев В.Н., Гурьянов В.В. Влияние поровой воды на процесс трещинообразования в газонасыщенных угольных пластах // Горн. информ.-аналит. бюл. 2004. № 8. С. 101105.
11. Орлов А.А. Аномальные пластовые давления в нефтегазоносных областях Украины. 1980. Л.: Наука, 188 с.
12.Абукова Л. А., Яковлев Ю.И. Геоэкологическая концепция разработки месторождений нефти с низким гидродинамическим потенциалом // Нефтепромысловое дело. 2005.
№ 5. С. 15-18.
