геодинамические аспекты формирования гидродинамических

ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ (ГДА) В РАЗРЕЗЕ ПАЛЕОЗОЯ
БАССЕЙНА ИЛЛИЗИ (АНДР)
А.И. Тимурзиев
ОАО «Центральная Геофизическая Экспедиция», Москва
E-mail: ait@cge.ru
In work geodynamic aspects of hydrodynamic anomalies formation in Paleozoic basin Illizi (Algeria)
are considered, the theory of a question is given and problem questions of the nature and the mechanism of
hydrodynamic anomalies formation in Paleozoic deposits of earth's crust are discussed.
Теория вопроса. Определение начальных пластовых давлений (Рнач) по
величине условного гидростатического давления Ргидр = pgH приводит к ошибкам,
поскольку Рнач в нижних комплексах осадочного чехла большинства НГБ (нижний
гидрогеологический этаж) превышают гидростатические, характеризуясь различной
величины аномалиями.
Для оценки величины отклонения фактического значения Рпл от расчетного Ргидр
нами
использовалось
понятие
«коэффициент
негидростатичности»
(kнг),
представляющего собой отношение фактического пластового давления (Рпл) к
истинному гидростатическому давлению (Ргидр), определяемому с учетом фактического
распределения плотности флюида по стратиграфическому разрезу (В.В.Ларичев,
А.И.Тимурзиев, 1986):
kнг = Рпл /
n
∑ (ρ h )g .
i
i
i =1
При использовании для расчетов коэффициента аномальности (Кан) условного
гидростатического давления (Ргидр) неизбежны ошибки и искажения реальной картины
отклонения Рпл от Ргидр. Как отмечают В.М.Добрынин и В.А.Серебряков (1978),
нормальное гидростатическое давление (Ргидр) является условным понятием. Тем более
следует считать условным понятие «условное гидростатическое давление». В практику
эти понятия введены для удобства пользования при изучении пластовых давлений.
Принятое упрощение приводит к занижению, завышению или усреднению, т.е. к
искажению истинного значения Ргидр. В этих условиях для исключения влияния
минерализации вод при определении аномальности пластовых давлений за аномально
высокие принимают давления, Кан которых превышает 1,2 (А.А.Орлов, 1983); 1,3
(В.М.Добрынин, В.А.Серебряков, 1978); 1,1-1,2 (Б.А.Тхостов, 1960); 1,2-1,25
(В.С.Мелик-Пашаев и др., 1983) и т.д. Как видим, у исследователей нет единого мнения
по поводу нижнего предела Кан и соответственно Рпл, величину которого следует
относить к аномально высокому давлению.
Понятие «коэффициент аномальности» Кан по своему смыслу не всегда отвечает
назначению, т.е. характеристике аномальности пластовых давлений. Например, на
глубине 1000 м замеренное Рнач составило 12 МПа, Кан = 1,2. Учитывая, что Кан > 1,
смысл понятия «коэффициент аномальности» очевиден. Однако, если плотность
жидкости в скважине равна 1,2 г/см3 (крепкий рассол с минерализацией 300-320 г/л),
то, хотя величина Кан и в этом случае будет равна 1,2, говорить об аномальности
пластовых давлений в этом случае неправомерно. Недопустимость использования
понятия «условное гидростатическое давление» и Кaн усугубляется в связи со
вскрытием по большинству НГБ мира нижних инверсионных зон осадочного чехла и
фундамента, связанных со сверхгидростатическими давлениями и характеризующихся
резким снижением минерализации и соответственно плотности пластовых вод.
Проблема эта снимается, если при расчетах оперировать значениями
гидростатических давлений с учетом фактического распределения плотности флюидов
по стратиграфическому разрезу (средневзвешенные по гидрогеологическим комплексам значения). В таком случае аномальным (или сверхгидростатическим) будет
давление, отличающееся от истинного гидростатического: аномально высоким при Кан
(kнг) > 1 и аномально низким при Кан (kнг) < 1.
Распределение потенциалов пластовых вод. По данным ВНИГНИ (2002)
распределение потенциалов пластовых вод бассейна Иллизи (уровень потенциальной
энергии пластовой воды) оценивалось по коэффициенту аномальности пластового
давления (Кан), который равен отношению пластового давления, умноженному на 10, к
глубине его замера, выраженной в абсолютных отметках. Как видно из определения,
речь идет об условном гидростатическом давлении (Ргидр) и расчетный коэффициент
аномальности (Кан) не характеризует объективную картину распределение потенциалов
пластовых вод в условиях резкой изменчивости минерализации пластовых вод по
разрезу и площади. Согласно этим данным максимальные значения потенциалов
пластовых вод резервуара F6 (верхний силур - нижний девон) на территории
лицензионного блока бассейна Иллизи фиксируются в его южной части (скв.DJA-1, Кан
= 1,339) и отсюда закономерно снижаются в северо-северо-восточном направлении до
величины Кан = 1,215 в скв.IH-1. При этом отчетливо прослеживается постепенное
уменьшение темпа снижения потенциальной энергии пластовых вод в северном
направлении. В этом же направлении происходит и фильтрация пластовых вод в
проницаемых горизонтах резервуара F6. Такая картина полностью соответствует
региональным гидрогеологическим исследованиям, проведенным на северо-западе
Иллизийской моноклинали В.Д. Порошиным (1996).
Не повторяясь в критике моделей движения подземных вод (см. нашу работу в
этом сборнике), отметим, что такое распределение значений потенциалов пластовых
вод резервуара F6 на территории бассейна Иллизи противоречит самим же авторам с их
инфильтрационной моделью и направлением фильтрации пластовых вод. Увязывая
снижение потенциальной энергии пластовых вод в северном (северо-северо-восточном)
направлении с северным направлением фильтрации пластовых вод в проницаемых
горизонтах резервуара F6, авторы противоречат основному закону гидродинамики,
согласно которому значения потенциалов пластовых вод (в авторском понимании)
являются функцией приведенного уровня пьезометрической поверхности. В таком
случае, для инфильтрационной модели фильтрации с пресными (легкими) водами на
юге и соленными (тяжелыми) рассолами на севере, распределение значений
потенциалов пластовых вод, как функции гипсометрической поверхности дневного
рельефа (и резервуара F6), должно иметь обратную картину. А именно, увеличение
значений потенциалов пластовых вод в северном (северо-северо-восточном)
направлении в соответствии с ростом плотности воды и погружением уровня
пьезометрической поверхности и поверхности дневного рельефа в сторону погружения
бассейна Иллизи.
Таким образом, объяснение распределения значений потенциалов пластовых вод
резервуара F6 на территории бассейна Иллизи на основе инфильтрационной модели и
направления фильтрации пластовых вод физически не обоснованно и не может быть
принято. Требуется другой механизм для объяснения закономерностей распределения
потенциалов пластовых вод и коэффициента аномальности пластовых давлений в
пределах бассейна Иллизи. Учитывая существенные изменения минерализации (от 1 до
200 г/л) по площади и разрезу бассейна Иллизи, оценка аномальности пластового
давления без учета плотности пластовых вод, может привести к существенным (до 20%
и более) искажениям результирующих определений. В этой связи приведенные
определения коэффициента аномальности пластового давления (Кан), и декларируемая
на основе этих расчетов зональность распределения потенциалов пластовых вод, не
могут приниматься как окончательные, а выводы по ним - достоверными.
Природа и механизм формирования ГДА. На современном этапе за
физическую основу модели формирования ГДА можно принять представления о
напряженно-деформационном состоянии земной коры и об инъекционной природе
ГДА. В первом случае образование ГДА связывается с напряженным состоянием
земной коры и объясняется передачей тектонических напряжений и деформаций пород
на пластовые флюиды (связь с зонами сжатия). В условиях практической
несжимаемости жидкостей величина аномальности пластовых геофлюидов должна
быть пропорциональна величине тектонического стресса, но теоретически и на
практике это условие не выполняется. Во втором случае формирование ГДА
связывается с инъекцией высоконапорных (пережатых) флюидов в проницаемые зоны
земной коры (связь с зонами растяжения). В рамках последней гипотезы причиной
формирования ГДА служат глубинный привнес в осадочный чехол газонасыщенных
флюидов и пьезоконвекционная природа сопутствующих им гидродинамических
аномалий (А.Е.Гуревич и др., 1987).
Общие обязательные условия существования ГДА пластовых геофлюидов для
рассматриваемых физических моделей: 1) герметичность покрышки над залежью для
предотвращения прорыва флюидов и стравливания ГДА; 2) латеральная
изолированность резервуара, затрудняющая гидродинамическую связь (рассеивание)
зоны ГДА с областью фоновых давлений. Необходимое условие для модели инъекционного механизма формирования ГДА - проницаемость разреза снизу (связь
осадочного чехла с подкоровыми зонами). В обоих случаях механизм передачи ГДА
пластовыми
геофлюидами
должен
иметь
периодическую
повторяемость
(пульсирующая система), компенсирующую снижение ГДА за счет диффузии, и
характеризоваться молодостью процесса, контролирующего формирование ГДА. С
учетом сказанного, формирование ГДА следует связывать с неотектонически
активными, тектонически напряженными и деформированными проницаемыми зонами
в низкопроницаемом нижнем гидрогеологическом этаже осадочного чехла и
фундамента НГБ, а также с верхним гидрогеологическим этажом, перекрытым
надежными флюидоупорами.
Расчеты показывают, что напряженное состояние горных пород не является
генетическим критерием прогнозирования ГДА пластовых геофлюидов. Передача
тектонических напряжений в компетентных слоях осуществляется через скелет
породы, а не через насыщающий флюид. Более того, на этапе хрупкого разрушения
(закритическая область) происходит приращение объема деформируемых пород.
Явление разуплотнения (отрицательной дилатансии) экспериментально доказано, при
этом максимальное увеличение объема пород за счет нормальных напряжений
достигает 1,41 раза. Приращение объема пород должно привести к снижению давлений
в замкнутых гидродинамических системах. А.Н.Ставрогиным (1968) эмпирически
установлена функциональная зависимость между коэффициентом проницаемости (Кпр)
и остаточным увеличением объема (ΔV/V)ост горных пород, которая показывает, что с
увеличением (ΔV/V)ост соответственно возрастает и Кпр. Ряд исследователей
характеризуют условия прогрессирующей эвакуации пластовых флюидов из зон
тектонического сжатия посредством последовательных гидроразрывов, что затрудняет
концентрацию упругой энергии флюидов. Связь ГДА с высоконапряженными зонами
может быть только опосредованной через их повышенную проницаемость в пределах
зон деформаций земной коры.
В реальных условиях месторождения Такуазет (бассейн Иллизи) максимальные
значения коэффициента аномальности (Кан), не превышают на уровне кровли
резервуара F6 1,40 для Восточного купола (доля от Ргор = 0,58) и 1,64 для Западного
купола (доля от Ргор = 0,68). На уровне кровли униты IV (верхний ордовик) эти
величины составляют Кан = 1,46 для Восточного купола (доля от Ргор = 0,61) и Кан =
1,42 для Западного купола (доля от Ргор = 0,59). Как известно в хрупкой среде горных
пород (кварцитизированные песчаники) формирование вертикальных трещин
гидроразрыва и релаксация пластовых давлений аномальных флюидов возможно уже
при достижении условия Рпл > Рminбок, где Pminбок = Pгор х (µ / 1 – µ). При этом
прогнозное давление гидроразрыва составляет от ~0,38Pгор до ~0,57Pгор в зависимости
от литотипов горных пород и изменения по ним коэффициента Пуассона μ (от 0,274 до
0,363) в разрезе палеозоя бассейна Иллизи
Важнейшими физико-геологическими предпосылками формирования ГДА
являются условия, когда обогащенные газами высоконапорные флюиды достигают
кровли фундамента осадочного бассейна. Обладая резким градиентом петрофизических
и упруго-деформационных свойств, эта структурная поверхность является критической
для формирования градиента давления, вскипания газированных флюидов и
эксплозивного (взрывного) увеличения объема внедряющегося флюидного диапира.
При резком снижении давления во время прорыва флюидного диапира в пористую
среду осадочного чехла и при переходе сжатой смеси из надкритической в
докритическую область, за счет адиабатического расширения газовых компонентов
(Н2О, СН4, СО2 и др.), газо-жидкая смесь способна привести к увеличению объема
внедряющейся УВ системы от нескольких до сотен раз. Так, по данным А.Г.Бетехтина
(1955), при снижении давления от 1000 атм до атмосферного давления (при постоянной
температуре) объем углекислоты увеличивается примерно в 500 раз. Область
концентрации активных газов во фронтальной части внедряющегося флюидного
диапира превращается в зону скрытой эксплозии и взрывных брекчий. Рассматривая
вертикально-миграционный механизм формирования ГДА как результат внедрения
восходящих потоков глубинных (мантийных) пережатых флюидов в толщу земной
коры, речь идет о взрывной передаче давления флюидов глубоких недр. Реализуется
этот механизм во время этапов активизации земной коры через прямое воздействие
тектонических деформаций (посредством трещинообразования) на повышение
проницаемости и гидродинамической связи осадочного чехла с подкоровыми зонами
Земли. Учитывая природу и механизм формирования ГДА, возраст их очень молодой и
не может превышать сотни и первые тысячи лет (но никак не миллионы).
Изучение физической модели механизма формирования аномалий давлений
пластовых флюидов позволило обосновать глубинный источник и инъекционную
природу гидродинамических аномалий и исключительную молодость (неогенчетвертичное время) этого процесса (А.И.Тимурзиев, В.В.Ларичев, 1986 г.). На примере
запада Туранской плиты нами получена эмпирическая зависимость, функционально
связывающая изменение (kнг) пластовых давлений с градиентом скорости новейших
деформаций земной коры (Gv). Полученная зависимость аппроксимируется уравнением
вида у = а + bх, где а = 0,8 и b = 0,9 – коэффициенты уравнения регрессии, которая дает
возможность для аналитической интерпретации и прогноза изучаемой связи.
Коэффициент корреляции r = 0,9. По результатам выполненных исследований
получено автopcкoe свидетельство (АС СССР № 1484925) на Способ предварительной
оценки начальных пластовых давлений нефтяных и газовых месторождений
(Л.П.Дмитриев, А.И.Тимурзиев, В.В.Ларичев, 1989).
На примере рассмотренных схем и моделей формирования ГДА мы убеждаемся
в приоритетной роли геодинамического фактора при формировании всего парагенезиса
флюидо-динамических аномалий в земной коре. Для бассейна Иллизи подтверждается,
что неотектонически активные зоны приурочены к деформационным структурам растяжения, обеспечивающим проницаемость земной коры для пережатых глубинных
флюидов с высоким газосодержанием. Как показывает фактический материал,
практически на всех структурах всех нефтегазоносных комплексов выявлены либо
газовые, либо газонефтяные залежи, т.е. геофлюиды имеют предельное газосодержание
с высокой концентрацией углекислоты и азота (более 3%). Расширение газов при
вертикальной миграции создает избыточное давление в замкнутых ловушках.
Увеличение коэффициента аномальности пластовых давлений бассейна Иллизи
находится в прямой зависимости от роста активности новейших тектонических
движений в южном направлении и подчинено закономерному увеличению
экранирующих свойств толщ-покрышек палеозойского комплекса в этом же
направлении. Однонаправленное действие факторов, обеспечивающих раскрытость
недр и сохранность залежей УВ (и сопутствующих им ГДА), создает условия
благоприятные для вертикальной струйной фильтрации УВ-содержащих флюидов и
консервации флюидо-динамических аномалий над региональными флюидоупорами.
Таким образом, ГДА как индикаторы и трассеры проницаемых зон земной коры и
каналов (очагов) вертикальной миграции глубинных геофлюидов, служат прямыми
поисковыми признаками нефтегазоносности, в том числе нижележащих толщ, а степень
контрастности ГДА – количественным критерием перспектив нефтегазоносности для
структур палеозойского осадочного чехла и докембрийского кристаллического
фундамента бассейна Иллизи.
***