Аномальные пластовые давления

Пластовое давление в верхней зоне свободного водообмена осадоч­ных бассейнов по своей природе гидростатическое, вызванное весом столба подземных вод высотой от данной точки пласта до отметки обла­сти питания и создания напора. Поскольку фактическая область создания напора и плотность вод не всегда известны, было введено понятие об условном гидростатическом давлении, т. е. давлении столба пресной воды плотностью 1000 кг/м³, по высоте равного глубине пласта в данной точке. Учитывая, что плотность подземных вод обычно колеблется в пределах 1000—1200 кг/м³, пластовое давление считают нормальным гидростатиче­ским, если оно отличается от условного гидростатического не более чем в 1,2 раза.

По величине отношения фактического пластового давления к условному гидростатиче­скому (коэффициент аномальности) были выделены аномально высокое пластовое давление (АВПД) с коэф­фициентом аномальности более 1,2 и аномально низкое пластовое давле­ние (АНПД) с коэффициентом аномальности менее 1.

В нефтяных и особенно газовых залежах всегда про­является избыточное давление, даже если на контакте залежи с водой и в водоносной части пласта давление равно нормальному гидростатиче­скому. Избыточное давление обусловлено разностью плотности нефти (газа) и воды и характерно для всех залежей УВ.

Все пласты разделяются по степени их гидравлической сообщаемости с поверхностью. В неизолированных пластах с инфильтрационным режи­мом и активными областями питания пластовое давление по своей при­роде гидростатическое. Однако, в зависимости от соотношения высот области создания напора и земной поверхности в точке опробования, воз­можны случаи, когда пластовое давление заметно отличается от услов­ного гидростатического. Например, если область питания пласта значи­тельно выше альтитуды устья скважины, то измеренное пластовое давле­ние может характеризоваться коэффициентом аномальности более 1,2, т. е, оно будет квалифицировано как аномально высокое для данной сква­жины. Напротив, если скважина располагается на возвышенности, а об­ласть питания пласта на более низких гипсометрических отметках, то коэф­фициент аномальности измеренного в скважине пластового давления может быть менее единицы, т е. давление будет рассматриваться как аномально низ­кое.

Важнейшее значение имеет надежность пород-флюидоупоров. Наилуч­шими изолирующими свойствами обладает каменная соль, она полностью непроницаема. Даже при тектонической нарушенности структур камен­ная соль в силу своей пластичности надежно герметизирует трещины, плоскости нарушений и другие пути возможной миграции флюидов. Изо­лирующие свойства полупроницаемых микрокапиллярных глинистых пород увеличиваются с возрастанием уплотняющей нагрузки (глубины), мощности глинистых пачек и относительного количества глин в разрезе. В об­ластях с песчано-глинистым составом пород АВПД встречены на большой глубине, обычно превышающей 1800 м. Для бассейна Мексиканского за­лива установлено преобладание АВПД в районах, где содержание песча­ников не превышает 10—15 %. Для песчано-глинистых пород З-Туркменской впадины выявлена прямая связь между содержанием глин в разрезе и степенью превышения пластовым давлением гидростатического. В регионах с соленосными или преимущественно глинистыми отложениями в указанных условиях, когда глины обладают достаточно надежными флюидоупорными свойствами, аномальные пластовые давления распро­странены очень широко и должны считаться региональным, но никак не локальным явлением.

Общим геологическим процессом, приводящим к образованию осадоч­ных пород, является процесс накопления осадков и последующего их гра­витационного уплотнения по мере погружения и перекрытия новыми осадками. Происходит отжатие воды из уплотняющихся глин в породы-коллекторы, сжатые в меньшей степени. Если отток воды из коллекторов затруд­нен, то этот процесс приводит к сжатию флюидов под возрастающей гео­статической нагрузкой и возникновению АВПД. Отток воды из примы­кающих глин в этих условиях также затруднен, процесс уплотнения глин замедляется и в них развивается высокое поровое давление. Поскольку глины обладают некоторой проницаемостью, то для со­хранения АВПД в коллекторах среди глинистых толщ необходим посто­янный подток новых порций отжимающейся воды, что обеспечивается до­статочно большой скоростью осадконакопления. Типичные области прояв­ления АВПД в песчано-глинистых толщах, такие, как Южно-Каспийская впадина, Западно-Кубанский прогиб или бассейн Мексиканского залива в США, характеризуются исключительно высокой скоростью отложения осадков мезозоя-кайнозоя, достигающей 50-150 м за 1 млн. лет.

Одновременно с погружением и уплотнением осадков увеличивается пластовая температура в соответствии с величиной геотермического гра­диента. Под влиянием повышения температуры происходит постепенное расширение пластовых флюидов и в меньшей степени — расширение ми­неральных зерен скелета породы-коллектора. Процессы термического рас­ширения флюидов и пород в условиях затрудненного водообмена неиз­бежно приводят к увеличению пластового давления флюидов и возник­новению АВПД.

Характерными примерами влияния температурных условий разреза отложений па формирование аномальных пластовых давлений являются районы развития многолетней мерзлоты. Здесь в условиях низкой пластовой температуры во многих случаях встречены АНПД с коэффициен­том аномальности до 0,5 и статические уровни подземных вод установлены на отметках значительно ниже уровня Мирового океана. АНПД распространены на сравнительно небольших глубинах в подмерзлотных породах севера Тимано-Печорского и Западно-Сибир­ского бассейнов, в Якутии, Канаде и Аляске.

Одновременно под влиянием погружения и повышения температуры в породах происходят катагенетические преобразования, многие из кото­рых влияют на состояние пластового давления. В глинистых отложениях во многих регионах с глубиной происходят заметные преобразования гли­нистых минералов, в частности монтмориллонит переходит в иллит. При этом процессе освобождается межслоевая вода, ранее входившая в со­став монтмориллонита, объем которой достигает 14 % от объема минерала. Эта вода, попадая в коллекторские пласты, способствует развитию и со­хранению элизиониого водонапорного режима, а при затрудненном оттоке приводит к увеличению пластового давления.

В регионах развития соленосных толщ, являющихся наилучшими флюидоупорами, в породах-коллекторах также широко распространено аномальное давление и прежде всего АВПД. Пласты с АВПД среди соленосных пород часто залегают на небольшой глубине и, возможно, в древних, вплоть до кембрийских, отложениях, в то время как в песчано-глинистых толщах АВПД обычно встречаются на глубинах более 1800 м в породах кайнозойского и реже мезозойского возраста. Проявле­ния АВПД в соленосных толщах регионально развиты на юго-востоке Русской плиты (пермь), в Амударьинской впадине (мезозой), Иркутском амфитеатре (кембрий), Северной Сахаре (триас-кембрий), Северо-Гер­манском бассейне (пермь) и многих других регионах.

Среди соленосных пород часто развиты пласты трещиноватых ангидри­тов. Их образование связывают с катагенетическим превращением гипса в ангидрит и воду, причем объем освобождающейся воды достигает 40 % от первоначального объема породы. Термодинамические условия, необхо­димые для протекания этой реакции, создаются уже на небольших глу­бинах. Видимо, именно этим процессом объясняется образование АВПД в трещиноватых ангидритовых пластах среди каменной соли на глубинах от 400 м в кунгурских отложениях юго-востока Русской плиты, в триа­совых хемогенных осадках Северной Сахары, в юрских породах внешней части бассейна Мексиканского залива, а также в целом ряде других районов.

Следует отметить, что подземные воды соленосных толщ обычно обладают предельно высокой минерализацией, достигающей 400— 700 г/л. Из таких насыщенных рассолов при относительно небольших из­менениях термобарических условий происходит осаждение каменной соли, что приводит к сокращению порового объема коллекторской породы и повышению давления флюидов. Этот процесс хорошо изучен на примере кембрийских пород Иркутского амфитеатра.

Описанные условия возникновения АВПД в результате проявления общих региональных геологических процессов накопления и погружения осадков, их уплотнения и повышения пластовой температуры, катагенетических преобразований пород-флюидоупоров и пород-коллекторов приме­нимы для объяснения природы аномальных давлений в большинстве слу­чаев. Возможные отступления вызваны главным образом различной сте­пенью сообщаемости подземных резервуаров с поверхностной зоной сво­бодного водообмена.

Основываясь на фактах наличия АВПД во многих тектонических на­рушенных структурах альпийских складчатых зон, некоторые исследова­тели придают решающее значение в образовании АВПД тектогенезу, в особенности неотектоническим движениям. Эти представления затрудни­тельно применить к случаям проявления аномальных давлений в малодислоцированных районах, в частности в платформенных условиях.

Большое внимание при объяснении природы АВПД уделяется осмо­тическим явлениям, поскольку глинистые породы, как доказано лабора­торными исследованиями, могут играть роль полупроницаемых мембран. Если глинистый пласт разделяет два пласта коллектора с водой различ­ной минерализации, то давление в пласте с большей минерализацией должно расти вследствие поступления молекул воды из пласта с менее минерализованной водой через глинистую мембрану. Действительно, в не­которых районах установлено, что пласты с АВПД содержат более ми­нерализованную воду по сравнению с соседними пластами. Однако в еще большем числе случаев пласты с АВПД отличаются пониженной минера­лизацией вод, что противоречит закономерностям процессов осмоса.

Часть исследователей решающую роль в образовании АВПД отво­дят поступлению высоконапорных флюидов из глубоких (или даже глу­бинных) горизонтов. Сторонники данной точки зрения связывают источник флюи­дов с магматическими породами или с подкоровыми глубинами Земли. Среди зарубежных исследователей определенной поддержкой пользу­ется гипотеза унаследованных давлений. Предпола­гается, что в прошлые геологические эпохи пласт имел нормальное гид­ростатическое давление, соответствующее глубине залегания. Впоследст­вии он был поднят или опущен на новую глубину в условиях полной герметизации и сохранил первоначальное давление. Эта гипотетическая схема обычно далека от реальной геологической обстановки развития кон­кретных районов и не учитывает обязательной релаксации унаследован­ного давления.

В ряде работ причиной АВПД считаются реакция преобразования ОВ пород с выделением газов и превращения высокомолекулярных УВ в легкие. Эти реакции обычно интенсифицируются при повышении темпе­ратуры и приводят к увеличению объема конечных продуктов, что в ус­ловиях достаточно хорошей изоляции пластов должно вызвать повыше­ние давления. Наличие АВПД в водоносных пластах без залежей нефти и газа не позволяет считать этот механизм универсальным.

Большая величина давлений в пластах-коллекторах проявляется локально и не ведет к существенным перемещениям жидкости. Рассмотрение природы пла­стовых давлений позволяет выделить 3 генетических типа аномально высоких пластовых давлений (АВПД) и указать для них наиболее благоприятные геологические условия.

1. АВПД, возникающие за счет избыточного давления в залежах нефти и газа. Величина АВПД этого типа полностью определяется разностью удельных весов пла­стовой воды и нефти или газа и высотой залежи. Такое АВПД может быть встречено как в терригенном, так и в карбонатном разрезе. Необходимым условием для его существования является возмож­ность образования залежей большой высоты, т. е. наличие либо ловушек большой амплитуды, либо мощных пластов-коллекторов, либо и того и другого одновременно. Два других типа АВПД могут проявляться лишь при наличии замкнутых коллекторов, залега­ющих в виде линз среди пластичных глин либо солей. Литология же самого коллектора существенного значения не имеет, он может быть как терригенным, так и карбонатным.

2. АВПД за счет гравитационного уплотне­ния глин. Для возникновения и существования АВПД этого типа необходимы большая мощность (1—3 км ) глинистых пород, отсутствие выдержанных по площади пород-коллекторов, большая скорость осадконакопления и пластичность глин. Иными словами, необходимо, чтобы возрастание нагрузки опережало отток поровых вод. «Аномальность» давления будет возрастать от кровли и подошвы этой глинистой толщи приблизительно к ее середине, где величина давления может быть близка к геостатическому.

3. АВПД за счет уплотнения пород при тек­тонических импульсах. В этом случае также необхо­димы линзовидность коллекторов и низкая степень литификации окружающих ее глин, но мощность глин уже не имеет значения. Основным фактором является сочетание линзовидности коллекторов с высокой современной тектонической активностью района.

Выделение типов АВПД и необходимых для них геологических условий позволяет на основании общих геологических данных предполагать возможность встречи АВПД при бурении в том или ином районе. Аномально высокие давления первого типа могут быть встречены на любой глубине. Вероятность же встречи АВПД второго и третьего типов падает с увеличением степени литификации глин и превращения их из пластичных пород в упругие, способные давать трещины, т. е. с глубиной.

АВПД первого и третьего типов приводят лишь к несуществен­ному перемещению жидкости и практически не сказываются на реги­ональных фильтрационных потоках. АВПД второго типа могут определять региональные фильтрационные потоки и быть весьма долговечными. АВПД третьего типа существуют наиболее кратко­временно.

В связи с тем, что масштабы фильтрационного перемещения подземных вод далеко не так грандиозны, можно указать на возможно существенную роль молекулярных переносов.

1) Отжим вод из перекрывающих глинистых отложений

2) Преобразованием глинистых минералов с освобождением связанной воды (гипс - ангидрит)

3) Кальматация пор выпадающими солями

4) унаследованное давление – погружение или подъем залежи

5) геотектоническое воздействие на залежь

6) превращение высокомолекулярных УВ в легкие и выделение газов

Дата добавления: 2015-08-18