К оглавлению журнала

УДК 578.061.3

© K.E. Веселов, И.Н. Михайлов, 1994

НЕФТЬ И ГАЗ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ В ПОРОДАХ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ФУНДАМЕНТА

K.E. ВЕСЕЛОВ, И.Н. МИХАЙЛОВ (ВНИИгеофизика)

В последние годы появилось большое число сообщений о залежах углеводородов на больших глубинах в породах кристаллического фундамента и субстрата: гнейсах, гранитах, массивных известняках, аргиллитах и других - ранее считавшихся неперспективными [К.Б. Аширов и др., 1991; Е.В. Кучерук, 1992; Г.Е. Рябухин и др., 1990; 4, 5].

Месторождения такого типа известны в Австралии, на островах Тихого океана, в Азии, Африке, Европе, Северной и Южной Америках (таблица [4]).

Суммарные запасы только в этих 22-х месторождениях превышают 2,5 трлн м3 газа и 503 млрд т нефти. Если учесть, что они, по-видимому, в большинстве своем открыты случайно, без опоры на теорию, то становится очевидным, какие неисчерпаемые запасы нефти и газа могут быть в фундаменте и субстрате.

Скопления нефти и газа в фундаменте обычно приурочены к приповерхностной его части, но обычно залегают и глубже на 300-1500 м, как в месторождениях Эдисон, Мара, Ля-Пас, Оймаша, Еллей-Игайское, Тутомо, Малоичское [4].

Иногда нефть и газ обнаруживаются только в фундаменте, как, например, в месторождениях Маунтин-Вью в США, Дубны и Костеляны в Чехо-Словакии, Нойленгбах в Австралии, Еллей-Игайское и Хухрянское в СНГ [4].

Продуктивность фундамента на нефть и газ выявлена на площади 2,5 тыс. км2 в Амаль-Ауджила-Нафора, 20 тыс. км2 в Хьюготон-Панхендле, 42 тыс. км2 в нефтяном поясе Ориноко, 77 тыс. км2 в Западно-Канадском бассейне и 2,5 млн км2 в Западной Сибири [4].

В плане положение нефтегазоносных площадей в фундаменте часто совпадает с положением их в осадочной толще, что очень благоприятно для развития старых нефтедобывающих районов. При этом пористость и проницаемость пород фундамента бывают настолько большими, что скважины фонтанируют с дебитом 3-5 млн. м3/сут газа и до 4600 т/сут нефти.

Все эти и другие факты говорят о том, что в кристаллических породах фундамента существует и постоянно формируется хорошо развитая в горизонтальном и вертикальном направлениях мощная сеть трещин, каверн и других полостей, образующих единую систему. На платформах развита многопорядковая разломно-трещинно-блоковая структура.

Результаты разведочных работ показали, что очень часто нефтяные и газовые месторождения тяготеют к разломным зонам и особенно зонам их пересечений. Так, на п-ове Мангышлак (А.И. Тумурзиев и др., 1990) подавляющее большинство залежей совпадает в плане с зонами максимальных градиентов неотектонических движений, что, бесспорно, свидетельствует об их совпадении с трещинно-разломными зонами. Многие месторождения других полезных ископаемых также тяготеют к подобным зонам.

На материалах исследования керна из глубоких нефтяных и газовых скважин в крупнейших нефтегазоносных бассейнах мира [5] установлено, что с глубиной первичная пористость резко уменьшается, однако при этом возрастает вторичная. Появление и увеличение вторичной пористости можно объяснить непосредственно ростом трещиноватости, а также действием различных физико-химических процессов. Увеличение трещиноватости до больших глубин подтверждают результаты бурения сверхглубоких скважин. Благодаря трещинообразованию коллекторами становятся прочные первично-непроницаемые породы.

Как глубоко распространяется процесс трещинообразования, сказать трудно. Однако перемещение вещества из глубоких недр в вулканах, грязевых вулканах, кимберлитовых трубках дает основание предполагать, что зоны трещиноватости уходят в глубину до мантии. По ним возможно поступление водорода, гелия, метана и других газов и жидкостей непосредственно из верхней мантии.

Таким образом, есть обширный экспериментальный материал, позволяющий констатировать, что трещинно-разломные структуры очень широко распространены в земной коре и что процесс образования трещинных зон является одним из важнейших структурообразующих факторов. Поэтому изучение трещинных зон, явления трещинообразования и условий формирования в трещинных зонах нефтяных и газовых залежей - первостепенные задачи нефтяной геологической науки.

В рамках традиционных представлений о состоянии вещества в глубоких недрах в условиях высоких температур и огромного геостатического давления трудно представить себе процесс образования открытой пористости или зон трещиноватости. Если даже предположить, что в каких-то других условиях трещины и пористость уже созданы, то эти давления и высокие температуры обязаны их закрыть на больших глубинах.

Кроме того, известно, что в земной коре повсеместно наблюдаются большие горизонтальные напряжения сжатия. Породы оказываются аномально напряженными как в горных выработках, так и в поднятых на поверхность образцах. Существуют так называемые критические глубины (В.С. Пономарев, 1991), при достижении которых породы, обнаженные горными выработками, становятся хрупкими, ломкими, склонными к самопроизвольному разрушению; стенки горных выработок шелушатся, отстреливают линзообразные пластины, возникают катастрофические горные удары. В нефтепромысловом деле известны зоны аномально высоких давлений, выбросы из скважин бурового инструмента.

До сих пор не установлены причины землетрясений, какие структуры благоприятны для протекания этого явления. Не ясно, что же такое "очаг землетрясения". При этом очевидно, что разломообразование - главный процесс в этом явлении (В.С. Пономарев, 1991).

Таким образом, имеет место кризис наших представлений о физических и геологических условиях образования пород, слагаемых ими структур и трещинно-разломных зон. По-видимому, нужны не только новые геологические представления, но и новые физические подходы.

Многие из упомянутых геологических явлений удовлетворительно предсказываются новой геодинамической концепцией - тектоникой глобального рифтогенеза (ТГР) [1-3]. Она основывается на представлениях об увеличении массы и размеров Земли со временем. Последнее следует из прямого применения соотношения между массой и энергией к гравитационному и инерционному взаимодействиям. Гравитационная энергия переходит в массу.

Переход вещества в энергию интерпретируется как превращение внутренней энергии движения материальных частиц в веществе (атомах и ядрах) в энергию внешнего их давления, например при взрыве атомной бомбы, так и превращение энергии внешнего движения материальных частиц гравитационного вакуума во внутреннее движение их в веществе. Последний процесс приводит к рождению нового вещества. Тела Солнечной системы, двигаясь по эллиптическим орбитам, участвуют в гравитационном взаимодействии, поэтому их массы растут со временем (К.Е. Веселов, 1986). Рост масс тел Солнечной системы хорошо подтверждается постоянным удлинением земных суток, укорочением года и периодов обращения Луны и Фобоса, вращением перигелиев планет, увеличением радиуса Земли и всей совокупностью геологических факторов удовлетворительно интерпретируемых с позиций ТГР (К.Е. Веселов, 1986).

Главным в тектонике глобального рифтогенеза является гармоничное соединение фиксистских и мобилистских представлений о тектогенезе и континентизации - превращении океанической коры в континентальную. В ней предполагается, что расширение Земли приводит к образованию сводообразных блоков, разделенных впадинами океанов, внутренних, окраинных морей, впадинами континентальных рифтов (рис. 1). На границе океан - континент образуется впадина глубоководного желоба. Впадины возникают вследствие расширения Земли; сводообразные блоки - в силу того, что на предыдущей стадии расширения Земли кривизна ее поверхности оказывается большей, чем на последующей (см. рис. 1, а).

Континентальные рифты и глубоководные желоба заполняются осадочными и изверженными породами, в них проходят инверсионная и орогенная стадии геосинклинального процесса. В результате формируются складчатые зоны, межгорные впадины, столовые горы, а в конечном итоге - фундамент и осадочный чехол платформ, т.е. идет процесс наращивания зрелой континентальной коры [1-3].

Во впадинах внутренних и окраинных морей геосинклинальный процесс менее четок, еще слабее он выражен во впадинах океанов. Однако, многократное заложение океанических рифтов и геосинклинальный процесс в них, хотя и слабовыраженный, приводят к усложнению океанической коры и превращению ее в простейшую континентальную, т.е. идет процесс континентизации океанической коры, начальным результатом которого, по-видимому, являются срединно-океанические хребты [1, 2].

Своды развиваются иначе. С их развитием можно связать образование разломно-трещинных структур и залежей нефти и газа в них [3]. Своды в составе континентов, как и своды зданий и сооружений, - структуры неустойчивые, стремящиеся стать плоскими [1]. В них неизбежно возникает система трещин и разломов, расходящихся вниз в сторону мантии и сходящихся вблизи поверхности Земли (см. рис. 1, б). При таком процессе формируется разломно-трещинно-блоковая структура земной коры. В породах появляются горизонтальные напряжения сжатия. Вместе с тем существуют критические глубины, на которых породы аномально напряжены. Землетрясения являются экстремальными случаями быстрого образования трещин с выделением большого количества сейсмической энергии [I].

Трещины могут соединять области высоких давлений и температур с приповерхностными слоями. По ним вероятен подъем к поверхности гелия, водорода, метана и других флюидов, участвующих в формировании залежей нефти и газа. Если же трещинная зона не достигает поверхности, то, пересекая пористые пласты, образует зоны аномально высоких давлений. Можно предполагать, что горные удары в шахтах - следствие вскрытия трещинной зоны выработкой.

Трещинно-разломные зоны служат причиной образования вулканов, кимберлитовых трубок, грязевых вулканов и др.

В том случае, когда своды оказываются стесненными соседними блоками континентальной коры, они с течением времени делаются плоскими, но уже за счет изгибания пластов, образования внутрипластовой трещиноватости, межпластовых ослабленных зон [З]. Последние вертикальными и субвертикальными трещинами, разломами и трещинными зонами могут соединяться между собой, с другими поровыми пространствами и верхней мантией. Флюиды перемещаются из одного порового пространства в другое.

Образование зон трещиноватости способствует не только формированию коллектора для флюидов, но и открытию закрытой пористости и тем самым увеличению проницаемости пород, а также созданию условий для активизации физико-химических процессов, превращающих первично-непористые породы, даже на больших глубинах, в пористые и проницаемые [5].

Многократное образование и распадение сводов приводит к формированию сложной трещинно-блоковой структуры коры. В результате одни и те же породы могут оказаться как непроницаемыми, так и хорошими коллекторами. Зоны трещиноватости могли быть путями миграции углеводородов и других флюидов и местами их скопления.

Итак, трещинообразованяе является главным механизмом, формирующим зоны проницаемости и поровые объемы не только в осадочном покрове, но и в кристаллических породах фундамента и субстрата, и главное, на значительных глубинах.

В соответствии с этим механизмом, по-видимому, формировалось большинство из упомянутых крупных месторождений нефти и газа в ранее считавшихся неперспективными породах. Эти месторождения - проявление не случайности, а важной закономерности, позволяющей утверждать, что в гнейсах, гранитах и других подобных породах на больших глубинах можно встретить огромные залежи углеводородов, что следует не бросать истощенные месторождения, а начинать там поиск залежей на больших глубинах (рис. 2).

Таким образом, основными объектами исследований, связанных с поисками нефти и газа в будущем, будут трещинно-разломно-блоковые структуры континентальной коры. Важно, подчеркнуть, что эти структуры должны иметь большие вертикальные и ограниченные горизонтальные размеры.

Очевидно, что поиски трещинно-разломных структур, возникших при распадении свода, бурением и методами сейсморазведки на основе горизонтально-слоистой модели среды будут неэффективными. Бурение необходимо проводить на перспективных площадях. Подготовку же этих площадей можно будет осуществлять специальным комплексом геофизических методов.

В этот комплекс, вероятно, войдут методы сейсморазведки и электроразведки, эффективные при изучении вертикально ориентированных или четко локализованных неоднородностей в земной коре. Приведем некоторые из них: методы изучения дифракционной картины; сейсмостратиграфии; изучения зон повышенного поглощения, зон изменения скорости, частот, характера записи; электроразведки, применяемые для поисков непластовых рудных месторождений; сейсмические, гравиметрические и другие методы исследования околоскважинного и межскважинного пространства и т.п.

Значительную роль должны играть методы магниторазведки и гравиразведки как чувствительные к горизонтальным неоднородностям и локализованным объектам.

Практика показала, что зоны трещиноватости заметно проявляются в микроструктуре гравитационного поля, вернее в показаниях гравиметров. Они отмечаются слабыми минимумами, ограниченными зонами повышенных горизонтальных градиентов, зонами повышенной изменчивости поля как во времени, так и в пространстве. Почти всегда такого вида аномалии локализуются в пределах контура залежи.

Хотя подобные признаки наблюдаются более чем в 80% случаев аномалий над залежами, их физико-геологическая природа остается неясной, поскольку их форма и пространственное положение не согласуются с законом Ньютона. Их можно интерпретировать как аномалии над выходом на поверхность зоны трещиноватости, которая создала низкоплотностную призму пород прямо под дневной поверхностью. В этом случае микроаномалия будет локализована почти в пределах зоны трещиноватости. Изменчивость микроаномалий во времени, а также их различия для разных типов гравиметров заставляют допустить их инерционную природу либо как прямой результат движений почвы в зоне трещиноватости, либо как следствие фильтрации трещинной зоной глобальных или локальных высокочастотных колебаний пород, которые гравиметром, как нелинейной системой, трансформируются в изменении показаний. По-видимому, могут иметь место и первое и второе явления. Например, в работе А.И. Тумурзиева и других (1990) отмечается, что большинство месторождений углеводородов на п-ове Мангышлак приурочено к зонам максимальных неотектонических движений. Гравиметр в этом случае выступает как отличный индикатор этих неотектонических движений. На большую вероятность второго явления косвенно указывает несовпадение микроаномалий по величине, форме, а иногда даже по знаку для различных гравиметров.

Возможны и другие объяснения, например, неточность описания законом Ньютона очень слабых и неоднородных гравитационных полей.

Список предположений можно продолжить, однако остается несомненной связь аномалий в микроструктуре гравитационного поля с залежами углеводородов. Эту связь целесообразно использовать как для прогнозирования, так и для оконтуривания залежей.

Очевидно, что методика и аппаратура для этого вида работ будут существенно отличаться от применяемых в традиционной гравиразведке. Не подойдет в этом случае традиционное представление материала в виде гравитационных карт, поскольку при построении карт теряется информация о микроструктуре и переменной составляющей гравиинерционного поля. Путем качественной интерпретации гравиинерционных аномалий можно прогнозировать положение залежей в плане. Для нахождения глубин подойдут методы определения положения особых точек, если будет установлено гравитационное происхождение аномалий. Если же они инерционного или какого-либо другого происхождения, то определение глубин существенно усложнится. Поэтому необходимо принять меры к выявлению природы аномалий.

Зоны трещиноватости заметно проявляются в микроструктуре магнитного поля в виде аномалий индукции от нескольких единиц до десятков нанотесл.

С зонами трещиноватости должны быть связаны аномалии гелиевых и других газовых съемок, а также участки активной неотектоники.

Прямые сведения о зонах трещиноватости дают аэрокосмические съемки, с исследования которых целесообразно начинать работы по прогнозированию залежей нефти и газа. Они могут быть особенно ценными при интерполировании и экстраполировании результатов детальных сейсморазведочных, гравиразведочных, магниторазведочных и других исследований.

Таким образом, физические и геологические теоретические представления, результаты многочисленных работ по разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, анализ результатов сейсморазведочных, гравиразведочных, магнитвразведочных и других исследований позволяют с высокой степенью достоверности утверждать, что существуют большие залежи нефти и газа в твердых первично-непористых породах на больших глубинах в породах кристаллического фундамента и субстрата, что эти залежи связаны главным образом с зонами трещиноватости и инициированными ими другими коллекторами, что трещинообразование в твердых породах и на больших глубинах является необходимым, закономерным и широко распространенным геологическим процессом. Благодаря ему в земной коре наряду с коллекторами, сформированными первично-пористыми слоистыми породами, существуют системы коллекторов, созданных субвертикальными и межпластовыми трещинными зонами. Эти коллекторы, как и коллекторы, образованные первично-пористыми породами, могут быть связаны между собой и с источниками углеводородов также трещинными зонами. Есть основание предполагать, что запасы углеводородов в трещинных и связанных с трещинообразованием коллекторах существенно больше, чем в первично-пористых коллекторах.

Поэтому уже сейчас настало время, наряду с. геофизическими методами исследования слоистых моделей, развивать методы исследования очень разнообразных трещинно-разломных структур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Веселов К.Е. Развитие земной коры в гипотезе расширяющейся Земли //Сов. геология. - 1988. - № 8. -С. 97-107.
  2. Веселов К.Е., Долицкая Т.В. Тектоника глобального рифтогенеза - объединение фиксистских и мобилистских представлений о тектогенезе // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1991. - № 11. - С. 124-137.
  3. Веселов К.Е., Долицкая Т.В., Елистратова Е.К. Трещинно-блоковая структура земной коры и нефтегазоносность//Геология нефти и газа. - 1991. - № 10. - С. 2-5.
  4. Краюшкин В.А. Абиогенно-мантийный генезис нефти. - Киев: Наукова думка, 1984.
  5. Максимов С.П., Дикенштейн Г.Х. Лоджевская М.И. Формирование и размещение залежей нефти и газа на больших глубинах. - М.: Недра, 1984.

ABSTRACT

The problem of oil and gas search at great depths in crystalline rocks of the basement is raised. Removing of the matter from great depths in volcanos, kimberiite pipes allows to suppose, that fracture zones reach the mantle. Hydrogene, helium, methane and other gases and liquids can be transported by them directly from the upper mantle. Fracture zones are favourable for forming of reservoirs connected with increasing of permeability, caused by closed porosity opening, and with activation of phisical-chemical processes, transforming primary not-porous rocks into porous and permeable rocks even at great depths. Formation mechanism of fracture-fault-block structure of continental! crust is regarded. The connection of anomalies in micro-structure of gravitation field with hydrocarbon pools is emphasized. Methods of different fracture-fault zones study are recommended to be developed, because hydrocarbon reserves in fracture reservoirs and in reservoirs, formed as a result of fracturing are supposed to be much larger, then reserves in primary porous reservoirs.

Месторождение

Страна

Запасы

нефти, млн т

газа, млрд м3

Джиджиалпа

Австрия

Нет свед.

140

Хатсиба

Ливия

"

340

Амаль

"

673

Нет свед.

Ауджила-Нафора

"

208

"

Бу-Аттифель

"

103

"

Дара

"

114

"

Рагуба

"

165

"

Сарир

"

1339

"

Джатибаранг

Индонезия

112

"

Зарзаитин

Алжир

173

"

Керн-Ривер

США

200

"

Лонг-Бич

"

148

"

Уилмингтон

"

382

"

Хьюготон-Панхендл

"

223

2000

Кармополис

Бразилия

176

Нет свед.

Ля-Пас

Венесуэла

260

"

Мара

"

121

"

Нефтяной пояс Ориноко

"

480000

"

Ля-Веля

"

42

54

Ля-Бреа-Париньяс-Таляра

Перу

175

Нет свед.

Рамадан

Египет

200

"

Пис-Ривер

Канада

19000

147

 

РИС. 1. СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ И РАСПАДЕНИЯ СВОЕОБРАЗНОГО БЛОКА:

а - образование свода вследствие увеличения радиуса Земли при увеличении ее объема; б - сводообразный блок земной коры; в - распавшийся сводообразный блок с образованием разломов и трерщнных зон; 1 - кора; 2 - подкоровое вещество; 3 - гранитизированные породы и флюиды

РИС. 2. СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИННЫХ ЗОН И СКОПЛЕНИЙ В НИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (ПО КОНЦЕПЦИИ ТГР):

1 - трещинная зона со скоплениями углеводородов; 2 -осадочный чехол; 3 - кристаллический фундамент; 4 - подкоровое вещества; 5 - осадочные и изверженные породы, заполняющие рифтогенную впадину; 6 - трещинная зона