CC BY
163
УДК 622.337.2
Ф.С. Ульмасвай1, Н.И. Базаревская2
'Институт проблем нефти и газа Российской академии наук, Москва 2Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, Москва
bazarevskaya-ni@yandex.ru
ТЕКТОНИЧЕСКАЯ ПРИУРОЧЕННОСТЬ И ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ПЛЕЕВ СЛАНЦЕВОГО
ГАЗА И НЕФТИ
В последние годы во всем мире, как и в России большое внимание уделяется изучению нетрадиционных коллекторов, в частности сланцев с целью добычи нефти и газа. В целом на данном этапе наряду со сланцевым газом выделяется два основных вида «нефтяного» сырья, получаемых на сланцевых плеях: сланцевая нефть (Shale oil) и нефть низкопроницаемых пород (Tight (Light Tight) Oil). Обзор месторождений УВ в сланцевых коллекторах Северной Америки, западной Сибири и Волго-Урала показал, что в их геологическом строении отмечаются некоторые общие черты.
Ключевые слова: нетрадиционные коллекторы, сланцевая нефть, сланцевый газ, нефть низкопроницаемых пород, плеи сланцевых месторождений.
В последние годы во всем мире, как и в России, большое внимание уделяется изучению нетрадиционных коллекторов, в частности сланцев с целью добычи нефти и газа. Добыча природного газа из плотных сланцевых пластов, известного как «сланцевый газ», - одно из направле-
ний, развивающихся в нефтегазовой отрасли. Сланцы, с начала разработки газа в США, являлись источником небольших объемов природного газа. Первая, давшая газ, скважина в США пробурена в 1821 году в сланцах девонского возраста возле города Fredonia штата Нью-Йорк (Daniel, Bohm et al., 2008).
Рис. 1. Плеи сланцевого газа и нефти в США. (Modern Shale Gas Development..., 2011). 1 - Действующие сланцевые залежи, Многопластовые залежи: 2 - Неглубоко залегающие, молодые, 3 - Средней глубины, среднего возраста, 4 - Глубокие, самые старые, 5 -сланцево-меловые залежи, 6 - сланцево-известняковые залежи, 7 - залежи, сложенные сланцами и плотными доломитами, алевролитами и песчаниками, 8 - Перспективные сланцевые залежи, 9 - Бассейны.
|— научно-техническим журнал
2 (52) 2013 I еоресурсь
В англоязычной литературе при описании сланцевых отложений широко распространено понятие «Play, exploration play». Понятие «Exploration play» является сходным по смыслу с понятием «направление ГРР», а «Плей (Play)» - совокупность однотипных месторождений открытых или прогнозируемых, поиски и разведка которых ведутся по одной методике и одинаковым комплексом технических средств, сосредоточенных в одном нефтегазоносном комплексе в пределах одной тектонической зоны, включающей один или несколько смежных структурных элементов (Крылов, Кучеря, 2008).
В 80-х гг. XX столетия началась разработка сланцевого плея Barnett на территории Fort Worth штата Техас. Плей сланцевого газа Barnett быстро стал наиболее разрабатываемым в США. Добывающие компании применили, полученные при разработке плея Barnett навыки, знания и опыт к освоению других газоносных сланцев. Низкая природная проницаемость сланцев является осложняющим фактором для разработки газовых сланцевых ресурсов.
Во многих регионах США сланцы исторически рассматривались в качестве нефтегазоматеринских пород. Они являются источниками УВ для традиционных терри-генных и карбонатных резервуаров в залегающих выше породах и обеспечивают значительную добычу нефти и газа по всей территории США. Толщи нефтегазоматерин-ских пород хорошо изучены в традиционном геологическом и геохимическом отношении. Несмотря на детальную изученность отложений в качестве нефтегазоматеринских
Period (период) Shale Formation (сланцевая формация) Location (территория)
Tertiary (третичный) Miocene McClure/Monterey California
Eocene Green Rive Colorado, Utah
Cretaceaous (меловой) Late Gammon Montana
Mowry Wyoming
Lewis Mancos New Mexico, Utah
Niobrara Colorado
Jurassic (юрский) Late Haynesville Louisiana
Pennsylvanian (верхнекаменноугольный) Excello Kaansas, Oklahoma
Hovenweep Colorado, Utah
Mississippian (нижнекаменноугольный) Late Barnett Texas
Fayetteville Arkansas
Floyd/Neal Alabama, Mississippi
Moorefield Arkansas
Early Caney Oklahoma
Devonian/ Mississippian New Albany Illinois, Indiana
Woodford Oklahoma, Texas
Devonian (девонский) Late Chattanooga Alabama, Arkansas, Kentucky, Tennessee
Antrim Shale Michigan
Ellsworth Michigan
Huron Ohio, Virginia, West Virginia, Kentucky
Ohio Kentucky, Ohio, West Virginia
Marcellus New York, Pennsylvania, West Virginia
Ordovician (ордовикский) Utica New York
Cambrian (кембрийский) Conasauga Alabama
Табл. 1. Стратиграфия газовых сланцев в США (Daniel, Bohm et al., 2008).
пород, разработка их как содержащих УВ коллекторов в промышленных масштабах, стала возможной лишь с применением технологий бурения горизонтальных скважин и многоступенчатого ГРП. Перспективы добычи экономически выгодных объемов газа оценивают исходя из общего количества органического углерода (TOC-Total organic carbon), накопленного в сланцах, их термической зрелости и типа керогена.
Наиболее активно разрабатываемыми плеями сланцевого газа в США являются Barnett Shale, Haynesville/Bossier Shale, Antrim Shale, Fayetteville Shale, Marcellus Shale и New Albany Shale (Рис. 1).
Геология нефтегазоносных сланцев
Нефтегазоносный сланец, в понятиях геологов США, - это осадочная порода, состоящая в основном из консолидированных частиц глинистой размерности, которые осаждались как илы в осадочных условиях с низкой динамикой (Modern Shale Gas Development..., 2009). Такими условиями осадконакопления характеризуются болотистые низменности, периодически заливаемые приливами и глубоководные бассейны, где мелкозернистые осадки накапливаются в спокойных гидродинамических условиях. Вместе с мелкозернистыми осадками осаждается детрит, состоящий из водорослей, растений и органических остатков животного происхождения. Природная слоистость и трещиноватость сланцев, как правило, видна в обнажениях (Рис. 2).
В русскоязычной литературе, к уплотненным образованиям, сложенным частицами глинистой размерности, применяют термин «аргиллит». Аргиллит - твёрдая, камнеподобная глинистая порода, образовавшаяся в результате уплотнения, дегидратации и цементации глин при диагенезе и эпигенезе. По минералогическому и химическому составу аргиллиты очень сходны с глинами, но отличаются от них большей твёрдостью и неспособностью размокать в воде (Большая советская энциклопедия, 1969; 1978). Структурные особенности (сланцеватость) рассматриваемых отложений заставляют искать для их описания другой термин. Сланец - это наиболее близкий по значению перевод понятия «black shales» в западной терминологии.
По мнению Старостина В.И., Игнатова П.А., черные сланцы представляют собой темные пелитомор-фные, имеющие слоистое строение осадочные породы, обогащенные седиментогенным органическим веществом. Они могут быть глинистыми, карбонат-но-глинистыми и глинисто-кремнистыми (Старостин, Игнатов, 1997).
По мнению С.Г. Неручева, главная причина образования черных сланцев - периодическое заражение бассейнов седиментации тяжелыми металлами токсикантами. Большинство черных сланцев - продукт вырожденных экосистем, приспособившихся к условиям повышенной концентрации токсичных элементов. С.Г. Неручев и другие исследователи связывают геохимические аномалии в черносланцевых толщах с эпохами интенсивного эндогенного поступления металлов на дно морей и озер (Веймарн и др., 1998).
я ж |— научно-технический журнал
Георесурсы 2 (52) 2013
Рис. 2. Обнажение Marcellus Shale (EAGE Publications 2012).
Газоносные сланцы характеризуются широким распространением в складчатых и платформенных областях; широким временным диапазоном образования (от кембрийского до третичного периода). Отложения отличаются сравнительно постоянной толщиной и высокой природной трещиноватостью. Разрезы с черными сланцами встречаются в отложениях среднего ордовика, девона, карбона, мела и эоцена. Эти периоды известны как времена максимального затопления континентов, высо-
кого стояния уровня моря и, как следствие, недостатка кислорода (Engelder, Lash, 2008).
На Северо-Американской платформе сланцы накапливались от кембрийского до третичного периода. Кембрийский Conasauga Shale в Алабаме является древнейшим из сланцевых отложений, содержащих газ, а миоценовый McClure сланец в Калифорнии - самым молодым. Периодом интенсивного осаждения богатых газом черных сланцев был отрезок времени от Middle Devonian (среднего девона) до Mississipian (нижнекаменноугольного), когда внутренние моря покрывали практически всю Северо-Американскую платформу: от Аппалачей на востоке до Скалистых Гор на западе. Осаждение происходило в анаэробных условиях, которые характеризуются минимальным привносом обломочного материала и высокой сохранностью органического вещества. К этому интервалу времени относятся 13 плеев сланцевого газа (Табл. 1), из которых четыре имеют самые большие площади распространения и принадлежат бассейну Appalachin: Huron, Ohio, Marcellus, Chattanoga.
Рис. 3. А) Схема Мичиганской впадины. (Ба-киров, 1959); Области платформ с докемб-рийским складчатым основанием: 1 - Щитыы-области выхода докембрийского кристаллического фундамента на дневную поверхность, 2 - Области неглубокого залегания докемрий-ского складчатого основания, 3 - Внутриплат-форменные впадины-области значительного погружения докембрийского складчатого основания. Области развития герцинской складчатости: 4 - Области региональные поднятий герцинских складчатые сооружений, 5 -Области региональные погружений в пределах герцинской складчатости, где складчатым фундамент погребен под толщей более молодые отложений платформенного типа. Б) Меридиональным разрез впадиныI Мичиган (Перспективныге нефтегазоносныле провинции..., 1974).
^научно-технический журнал
2 (52) 2013 Георесурсы
Обобщение основных характеристик газоносных сланцев территории США приведено в таблице 2. Их глубина залегания меняется в широких пределах. Сланцы Antrim Shale в северной части полуострова Мичиган и New Albany Shale бассейна Illinois залегают гораздо ближе к поверхности, чем пять других плеев сланцевого газа, охарактеризованных в таблице. Площадь распространения также значительно изменяется. Сланцы Barnett Shale распространены на площади в 5000 квадратных миль (12950 км2), в отличие от Marcellus Shale, который занимает 95000 квадратных миль (246049 км2), охватывающих часть штатов Нью-Йорк, Пенсильвания, Огайо, Кентукки и Западная Виржиния.
Другими различиями являются толщина сланцев, толщина промежуточных пластов-барьеров между дающими газ сланцами и водоносными отложениями. На тер-
Gas Shale Basin (газоносный сланцевый бассейн) Barnett Fayetteville Haynesville Marcellus Woodford Antrim New Albany
Estimated Basin Area, square miles (общая площадь бассейна кв.миля) 5000 9000 9000 95000 11000 12000 43500
Depth, ft (глубина, фут) 65008500 1000-7000 1050013500 40008500 6000110000 6002200 5002000
Стратиграфический возраст С1 C1 J (юра) D (девон) D3-C1 D3 D3-C1
Net Thickness, ft (Эффективная толщина) 100600 20-200 200-300 50-200 120-220 70-12 50-100
Depth to Base of Treatable Water, ft (глубина до подошвы водоносного горизонта) -1200 -500 -400 -850 -400 -300 -400
Rock Column between Pay and Base of Treatable
Water, ft (толщина пород между продуктивным пластом и подошвой водоносного горизонта) 53007300 500-6500 1010013100 21257650 560010600 3001900 1001600
Total Organic Carbon, % (Общее содержание углерода) 4.5 4.0-9.8 0.5-4.0 3-12 1-14 1-20 1-25
Total Porosity, % (Общая пористость) 4-5 2-8 8-9 10 3-9 9 10-14
Gas Content, scf/ton (газоносность) 300350 60-220 100-330 60-100 200-300 40-100 40-80
Water Production, Barrels water/day (отбор воды, бар/сут) N/A N/A N/A N/A N/A 5-500 5-500
Well spacing, acres (сетка скважин) 60-160 80-160 40-560 40-160 640 40-160 80
Original Gas-ln-Place, tcf (начальные геологические запасы газа) 327 52 717 1500 23 76 160
Technically Recoverable Resources, tcf (Извлекаемые запасы) 44 41.6 251 262 11.4 20 19.2
Mcf = thousands of cubic feet of gas (тысяч кубических футов газа)
scf = standard cubic feet of gas (стандартных кубических футов газа)
tcf = trillions of cubic feet of gas (триллионов кубических футов газа)
# = For the Depth to base of treatable water data, the data was based on depth data from state oil and gas agencies and state geological survey data (глубина до подошвы водоносного горизонта определялась по данным государственных агентств по нефти и газу и данным ГРР)
N/A= Data not available (данные отсутствуют)
Табл. 2. Сравнительные характеристики основных плеев газовых сланцев на территории США (с дополнениями) (Modern Shale Gas Development..., 2009).
ритории плеев Haynesville бассейна North Louisiana Salt Basin и Woodford бассейна Arkoma природные барьеры имеют толщины от сотен (около 30 м) до 10000 футов (3003 м). В то время как толщина сланцев New Albany и Antrim изменяется от 100 футов (30 м) до, приблизительно, 2200 футов (671 м). Газоносные сланцы характеризуются широким диапазоном предполагаемых геологических запасов: от малых 52 триллиона кубических футов (1 трлн. м3) в сланцах Fayetteville и Woodford, до высоких в 1500 триллионов кубических футов (40 трлн. м3) в сланцах Marcellus.
Из анализа данных, приведенных выше, можно сделать вывод, что описанные плеи в тектоническом отношении приурочены, в основном, к погруженным частям (впадинам и прогибам) Северо-Американской плиты. Одним из примеров может служить плей Antrim Shale, приуроченный к осевой части Мичиганской впадины (Рис. 3).
Продуктивные отложения плеев сланцевого газа связаны с обнаруженными в моделях зонами наибольшей трещиноватости, обусловленной тектоническим фактором, что представляет интерес для поисков зон повышенной продуктивности. Возникает возможность прогнозирования территорий, перспективных для разработки низкопроницаемых черносланцевых коллекторов, как на уже эксплуатирующихся месторождениях, так и на новых площадях.
Наиболее приемлемым с точки зрения поисков «сланцевых» залежей на наш взгляд является модель осадочных бассейнов, предложенная Зубковым М.Ю., Бонда-ренко П.М. (Зубков, Бондаренко, 1999), где показано, что максимальные напряжения приурочены к крыльям и к осевой части прогибов (Рис. 4). В зонах максимальных напряжений возникают трещины отрыва. Аналогично модельному распределению трещин располагается основная масса скоплений углеводородов.
Обзор месторождений УВ в сланцевых коллекторах Северной Америки показал, что в их геологическом строении отмечаются некоторые общие черты. Описанные плеи в тектоническом отношении приурочены, в основном, к погруженным частям (впадинам и прогибам) Северо-Амери-канской плиты. Они приурочены к участкам осадочной толщи, содержащей битуминозные глины, которые принято считать нефте-
k 24
•— научно-технический журнал
L I еоресурсы 2 (52) 2013
Рис. 4. Многослойная разноплотностная модель прогиба (распределение значений касательных напряжений; разрывные дислокации прогнозируются в местах повышенных значений (отмечены черным)) (Зубков, Бондаренко, 1999).
газоматеринскими породами. В осадочных бассейнах нефтегазоносные плеи распространены на территориях с уже известной «классической» нефтегазоносностью, где продуктивность газонефтенасыщенных коллекторов определяется их высокой пористостью и проницаемостью. Можно предположить, что похожие скопления УВ в аналогичных коллекторах могут быть встречены не только на древних платформах, но и на более молодых структурах, где распространены похожие высокобитуминозные породы, такие как отложения баженовской свиты в Западной Сибири.
В качестве нетрадиционных коллекторов на древней Восточно-Европейской платформе можно рассматривать до-маникиты и углистые сланцы визейского яруса Урало-По-волжья. Также необходимо отметить, что в настоящее время, когда речь заходит о нетрадиционной нефти, специалисты пользуются различной терминологией. В США, где сланцевая нефть стала играть существенную роль в повышении нефтедобычи, под этим термином часто понимают нефть двух видов.
Сланцевой называют нефть, получаемую из горючих сланцев, которая по своим свойствам (плотности, вязкости) значительно отличается от традиционной легкой нефти.
Одновременно с этим часто тем же самым термином обозначают нефть по свойствам аналогичную обычной нефти, но содержащуюся в плотных низкопористых низкопроницаемых коллекторах (сланцах).
Чтобы разделить эти два вида нефти (оба из которых добываются из сланцев) специалисты пользуются двумя терминами: shale oil - для высоковязкой сланцевой смолы из горючих сланцев, требующей дополнительной обработки для превращения ее в нефть и tight oil - для нефти, содержащейся в коллекторах с низкими фильтрационно-емкостными свойствами. Для извлечения shale oil и tight oil требуются разные технологии и подходы.
Таким образом, на территории Волго-Уральской нефтегазоносной провинции перспективы поисков связаны с нефтью, содержащейся в коллекторах с низкими фильтра-ционно-емкостными свойствами (tight oil).
Литература
Большая советская энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 1969. 1978.
Веймарн А.Б., Найдин Д.П., Копаевич Л.Ф., Алексеев A.C.,
Назаров М.А. Глобальные катастрофические события и их роль при стратиграфических корреляциях осадочных бассейнов разного типа. Кафедра региональной геологии и истории Земли МГУ. Министерство природных ресурсов РФ. 1998.
Зональная стратиграфия фанерозоя России. Науч. ред. Т.Н. Корень. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ. 2006. С. 64-66; 76-81.
Зубков М.Ю., Бондаренко П.М. Прогноз зон вторичной тре-щиноватости на основе данных сейсморазведки и тектонофизи-ческого моделирования. Геология нефти и газа. № 11, 12. 1999. С.31-40.
Крылов Н.А., Кучеря М.С. (ВНИИгаз) Плей-анализ на примере Афгано-Таджикской впадины. Геология нефти и газа. № 4. 2008. С.24-29.
Перспективные нефтегазоносные провинции Соединенных Штатов Америки. Под ред. И.Х. Крама. Пер. с англ. под ред. проф. Н.А. Еременко и проф. С.П. Максимова. М.: «Недра». 1974. С. 537-552.
Старостин В.И., Игнатов П.А. Геология полезных ископаемых: Учебник. M.: Изд-во МГУ. 1997.
Daniel A.J., Bohm B., Coughlin B.J., Layne M. Evaluating the Environmental Implications of Hydraulic Fracturing in Shale Gas Reservoirs. ALL Consulting. 2008.
Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer. U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy and National Energy Technology Laboratory. April 2009.
Engelder T. and Lash G.G. Marcellus Shale Play's vast resource potential creating stir in Appalachia. The American Oil & Gas Reporter. May. 2008.
Ulmasvay F.S., Basarevskaya N.I. The Tectonic Association and Geological Structure of Shale Gas and Oil Plays
In recent years all over the world, as well as in Russia much attention is paid to the study of unconventional reservoirs including shale for the purpose of oil and gas production. In general, at this stage along with shale gas two main oil raw materials produced in the shale play are selected: shale oil and oil of low-permeability rocks (tight (light tight) oil). Overview of hydrocarbon deposits in shale reservoirs in the North America, Western Siberia and Volga-Ural region showed that in their geological structure some common features are highlighted.
Keywords: non-conventional reservoirs, shale oil, shale gas, tight oil, shale field plays.
Ульмасвай Феликс Салямович Доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий лабораторией анализа осадочных бассейнов.
Институт проблем нефти и газа Российской академии наук (ИПНГ РАН) 119333, Москва, ул. Губкина, д. 3. Тел: +7 (499) 135 7371
Базаревская Наталья Иосифовна Аспирант 3-го года обучения, кафедра промысловой геологии нефти и газа, Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина
119991, Москва, Ленинский пр-т., д. 65. Тел:+7(499) 681-01-02
в— научно-техническим журнал
2 (52) 2013 Георесурсы
