Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
УДК 552.543 + 552.578.2.061.4
Метасоматическая доломитизация и нефтегазоносность карбонатных пород (наноэффекты образования вторичных высокопродуктивных коллекторов).
Metasomatic dolomitisation and hydrocarbon saturation of the carbonate rocks: Nanoeffects in formation of highly productive reservoirs
|
Запивалов Н.П. Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН E-mail: ZapivalovNP@ipgg.nsc.ru |
Zapivalov N.P. A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, Novosibirsk, Russia |
Ключевые слова: Доломитизация, метасоматоз, наноструктуры, нефтеотдача.
Keywords: dolomitization, metasomatosis, nanostructures, petroreturn.
Аннотация: Нефть и газ содержатся в разнообразных природных резервуарах, в том числе в известняках и доломитах. Такие породы содержат 40% мировых запасов нефти. Доломитизация приводит к увеличению объема пор в плотных известняках за счет изменения архитектуры пустотного пространства. В Западной Сибири во многих палеозойских резервуарах залежи нефти обнаружены именно в доломитизированных известняках.
Метасоматическая доломитизация зависит от многих физико-химических и геофлюидодинамических параметров. Следует иметь в виду, что радиус иона (катиона) кальция (Ca++) равняется 0,99 Å или 0,099 нм, а ион (катион) магния (Mg++) составляет 0,66 Å или 0,066 нм. В процессе замещения кальция магнием образуется дополнительное пустотное пространство (трещины, каверны и т.д.). Таким образом, природные наноразмерные метасоматические процессы способствуют образованию хороших и часто высокодебитных коллекторов, особенно в карбонатных породах фанерозоя.
Предлагается инициировать ускоренный техногенный процесс метасоматической доломитизации и создавать высокопродуктивные очаги на месторождениях. Технология закачки в пласт магнийсодержащего флюида, вероятно, не представит особой трудности.
В результате увеличится удельная поверхность пустотного пространства. В пластовой системе активизируются многие процессы: образование трещиноватости, переток флюидной массы из блочной матрицы в трещины, и даже новообразование углеводородных масс. В значительной степени усилятся перколяционные процессы, возрастут продуктивность скважин и нефтеотдача. В отдельных случаях процесс принудительной и ускоренной доломитизации (метасоматоза) можно сопровождать волновым и тепловым воздействием.
Успешное использование предлагаемой нанотехнологии может оказать существенное влияние на длительность разработки месторождений и конечную нефтеотдачу.
Abstract: In Western Siberia many Paleozoic oil deposits are found out in dolomite limestones. It is offered to initiate the accelerated technogenic process of metasomatic dolomitization and to create the highly productive centres on fields. As a result the specific surface of hollow space will increase. In bed system many processes become more active: formation of jointing, an overflow of fluid weight from a block matrix in cracks, and even a neogenesis of hydrocarbonic weights. Substantially percolation processes will amplify, efficiency of wells and petroreturn will increase. On occasion process of compulsory and accelerated dolomitization (metasomatosis) can be accompanied with wave and thermal influence.
Successful use of the offered nanotechnology can make essential impact on duration of working out of deposits and final petroreturn.
Нефть и газ содержатся в разнообразных природных резервуарах, в том числе в известняках и доломитах. Такие породы содержат 40% мировых запасов нефти. В Северной Америке большое количество залежей нефти и газа приурочены именно к доломитовым коллекторам. Они характеризуются большими дебитами, главным образом благодаря их высокой пористости.
Доломитизация приводит к увеличению объема пор в плотных известняках за счет изменения архитектуры пустотного пространства. Увеличивается не только пористость, но и проницаемость. Например, в Канаде в известняковых коллекторах проницаемость равна 6•10-3 мкм2, а в доломитовых – 8•10-1 мкм2.
Доломиты бывают первичные-седиментационные и вторичные-эпигенетические.
Вторичная доломитизация всегда сопровождается трещинообразованием, которое может обеспечить высокую проницаемость пород. Чем новее трещины, тем они шире и выше их проницаемость. Изменяются капиллярные силы и уменьшается возможность создания целиков (зон запирания). В целом, усиливаются перколяционные процессы. Самые лучшие трещиноватые коллекторы представлены доломитизированными известняками Асмари в Иране.
Химическая формула доломита CaMg(CO3)2. В его кристаллической решетке катионы Ca+2 и Mg+2 попеременно чередуются вдоль тройной оси. Цвет доломита серовато-белый, иногда с желтоватым, буроватым или зеленоватым оттенком. Твердость 3,5-4,0, плотность 2,8-2,9 г/см3. По растворимости в HCl он занимает промежуточное положение между кальцитом и магнезитом.
Доказано, что молекулярное замещение известняка доломитом приводит к уменьшению объема твердой породы на 12-13%. Химическое уравнение этого замещения выглядит следующим образом: 2CaCO3 + MgCl2 CaMg(CO3)2 + CaCl2 или в морской воде: 2CaCO3 + MgSO4 + 2H2O = CaMg(CO3)2 + CaSO4•2H2O. Кристаллы в известняках обладают четко выраженной тенденцией ориентировать свои оси параллельно плоскостям напластования. В доломитах же кристаллы ориентированы совершенно беспорядочно. Отличаясь от известняков значительно большим объемом межкристаллического порового пространства, доломиты обладают соответственно бóльшей поверхностью взаимодействия минеральной части с циркулирующими в них флюидами.
Вторичные эпигенетические процессы характеризуются огромным разнообразием и быстрой динамикой их проявления. Это зависит от многих геофлюидодинамических факторов, которые определяют существенные превращения даже в процессе разработки нефтяных месторождений. В практическом плане важно проследить динамику современного состояния флюидонасыщенной системы. Наиболее важными параметрами этого состояния является пустотное пространство коллектора, его проницаемость и перколяционная эксергия. Под последней понимается работоспособность пласта (очага). В большой степени этому способствуют активные современные метасоматические процессы в породах. Некоторые исследователи с этими же процессами связывают генерацию углеводородов [1, 2].
Например, в основе концепции образования гигантского Куюмбо-Юрубчено-Тайгинского нефтегазового месторождения в Восточной Сибири лежат представления о метасоматозе осадочных карбонатных пород в эпигенезе под действием вначале кислотных, а затем щелочных термальных вод [1]. Указанные авторы считают, что «… доломитизация известняка и замещение карбоната сульфатом под действием сульфидных гидротерм в эпигенезе является необходимым и достаточным условием синтеза углеводородов и формирования их залежей в доломитовом коллекторе» (ДАН, 1999, том 364, №3, с.368).
Следует признать очаговый (зональный) характер нефтегазообразования и насыщения углеводородами отдельных стратиграфических интервалов. В связи с этим отмечается и «очаговая» высокая продуктивность на разрабатываемых месторождениях [3, 4].
Можно назвать большое число залежей нефти и газа, связанных с доломитами и доломитизированными известняками. Так, например, к доломитам приурочены залежи нефти в органогенных рифах Западной Канады.
На месторождении Лима-Индиана в штате Огайо нефть содержится в пористых доломитизированных зонах известняков Трентон (ордовик). Со времени открытия этого месторождения в 1884 г. из него было добыто свыше 500 млн. баррелей нефти.
Доломитизированные известняки Тамабра (мел) служат коллекторами на нефтяном месторождении Поса-Рика в Мексике.
В Западной Сибири во многих палеозойских резервуарах Нюрольской впадины (в основном девонских) залежи нефти обнаружены именно в доломитизированных известняках. К таким относятся Малоичское, Урманское, Арчинское, Северо-Останинское, Южно-Табаганское, Южно-Тамбаевское, Солоновское, Калиновое, Селимхановское и другие нефтегазовые скопления [5].
Как правило, доломиты замещения образуют трещинно-кавернозные коллекторы, которые характеризуются вновь образованной вторичной пористостью и кавернозностью (рис. 1).
Керн Шлиф (в проходящем свете)
Рис. 1. Доломиты замещения с кавернами (Ежова А.В., 2005)
а – скв. Урманская 7, глубина 3120 м; б – скв. Северо-Останинская 7, глубина 2812 м
Наиболее изученным является Малоичское месторождение (Новосибирская область), которое было открыто в 1974 году. Основной продуктивный горизонт залегает на глубинах 2794-2850 м, сложен карбонатными породами: известняками и доломитами. Известняки буровато-серые, органогенно-детритовые, неравномерно доломитизированные, местами переходящие в доломиты, трещиноватые и кавернозные. В наибольшей степени процессы вторичной доломитизации имеют место в западной части месторождения (рис. 3) На этом месторождении пробурена самая глубокая параметрическая скважина (Малоичская №4) глубиной 4600 м. с проходкой по карбонатному палеозою 1800 м. Притоки нефти получены из многих интервалов вскрытого палеозойского разреза, представленных доломитизмированными органогенными известняками почти с равным содержанием CaO и MgO [5, 6]. В этом разрезе выделены рифогенные тела [15].
Особый интерес представляет призабойная зона в интервале 4538-4600 м., представленная пачками метасоматических доломитов крупно- и среднезернистых, часто трещиноватых и раздробленных. Содержание MgO здесь увеличивается до 22%, а SiO2 всего лишь 0,31%. Пластовая температура в этой части разреза достигает 160оС.
Из всех пробуренных 20 скважин на Малоичском месторождении наиболее продуктивной является скважина №9, которая почти 10 лет фонтанировала нефтью дебитом 120 м3/сутки. Нефтенасыщенный горизонт залегает в интервале 2832-2834 метра и представлен доломитом известковистым с реликтовой биогермной текстурой. Под микроскопом видно, что порода сильно изменена процессами перекристаллизации, доломитизации и кальцитизации, проходившими в несколько стадий, благодаря чему образовалась резкая разнозернистость и пятнистость, двух- и трехслойные каемки инкрустации и микротрещиноватость. Здесь установлена вторичная пористость, типа выщелачивания по первичной органогенной породе, с извилистыми микротрещинами. Часть полостей и пор выполнена полностью новообразованными кристаллами доломита. По макро- и микроскопическим данным порода является коллектором трещиноватого типа. Объемный вес породы 2,65 г/см3, пористость 4,7%. Определена проницаемость по трем направлениям 2,5; 1,2; 0,9 мД. Поверхностная плотность трещин по 6 граням кубика видна на рис. 2.
Рис. 2. Малоичское месторождение (скв. 9), трещинно-кавернозные (белое) девонские
органогенные доломиты (Запивалов Н.П., Попов И.П., 2003).
В 2009 году на Малоичском месторождении была пробурена скважина №117, в которой из девонских доломитизированных известняков получен фонтанный приток нефти дебитом 280 т/сутки. На этом месторождении четко обозначается очаговая доломитизация, что в конечном счете определяет продуктивность скважин. Такие очаги в западной и юго-западной части месторождения (скв. 9, 6, 117, 2) характеризуется активной вторичной доломитизацией по среднедевонскому рифу [6]. Участки с высокопродуктивными скважинами четко приурочены к западной фациально-тектонической зоне (рис. 3).
На карте видна резкая изменчивость рельефа палеозойских карбонатных пород. На близких расстояниях перепад составляет 180 м. (2640-2820). Синдром кажущейся блоковости объясняется неравномерной глубокой вторичной переработкой карбонатного субстрата (доломитизация и другие процессы). Резкие изменения литолого-минералогического состава пород ведут к хаотической картине сейсмических волн и в конечном счете к искаженным построениям. Фактически в таких условиях структурная сейсморазведка является неэффективной.
Интересно, что изменение коллекторских свойств карбонатных пород находит отражение в изменении изотопного состава углерода собственно карбонатных пород и особенно СО2, что позволяет использовать их в качестве дополнительных критериев для прогнозной оценки коллекторов [7]. На основе детальных изотопных исследований нами установлено, что в Западной Сибири основным источником СО2 являются карбонатные породы палеозоя, хотя некоторые исследователи считают его глубинным.
Концентрация СО2 в свободных, попутных и воднорастворенных газах в палеозойских и низах мезозойских толщ юго-восточной части Западно-Сибирской плиты достигает десятков процентов. Рядом с Малоичским месторождением, на Межовской и Веселовской площадях в юрских и доюрских породах обнаружены залежи СО2; первичные дебиты в скважинах достигали 150-250 тыс. м3/сут. Подземные воды с углекислым составом растворенных газов встречены на Восточно-Межовской площади. Отмечено повышенное содержание СО2 в водах на Малоичской и ряде других площадей.
Изучение вещественного состава и коллекторских свойств карбонатных пород палеозоя Малоичской площади позволило выделить в ее пределах отдельные зоны, каждой из которых присущ определенный изотопный состав углерода СО2 и карбонатов. Выделенные зоны различаются по значениям 13С карбонатных пород, которые в одной зоне составляют 0,5-0,8‰, а в другой 1,3-3,7‰. Эти различия по изотопному составу углерода карбонатных пород в разных зонах рассматриваемой площади, вероятнее всего, отражают степень их постседиментационной преобразованности. Возможно, эти процессы являлись результатом миграции СО2 в составе гидротермальных растворов [7].
Рис. 3. Обзорная карта Малоичского месторождения, Новосибирская область
(с учетом результатов трехмерной сейсморазведки)
Как мы видим, наибольшее значение в рассматриваемых процессах имеет вторичная доломитизация. По существу это метасоматоз, который происходит путем замещения иона кальция ионом магния.
Метасоматоз (наложенный эпигенез) – это реакция приспособления горной породы к изменению физико-химических условий ее состояния. Как правило, метасоматические процессы протекают в режиме реакций между твердой (горная порода) и жидкой или газообразной (флюид) фазами при постоянном сохранении горной породой твердого состояния. Они ведут к изменению химического состава породы путем замещения одних минералов другими под действием подвижного, химически активного тепломассоносителя в градиентном термодинамическом поле. Процессы эти по существу являются неравновесными [8, 9, 10, 11, 12].
Есть ряд условий, способствующих активным метасоматическим процессам. Особенно важной является подпитка СО2. Это природное явление распространено достаточно широко.
Известно, что в осадочных и магматических комплексах наблюдается широкое развитие метасоматических процессов, в той или иной мере преобразующих первичные породы и оказывающих существенное влияние на их минеральную специализацию.
Метасоматоз зависит от ряда переменных регулирующих параметров: градиентов pH-, Eh- и PT-среды и флюида. Степень неравновесности системы определяет вероятность появления в ней флуктуации и, таким образом, проблема нефтегазоносности метасоматитов сводится в общем случае к проблеме градиентности в открытых неравновесных флюидонасыщенных системах.
Важной и очевидной, но не всегда учитываемой является реагентоспособность среды, зависящая от свободной энергии. Свободная энергия поверхности пропорциональна внутренней энергии системы, отнесенной к единице площади. Скорость химических реакций, в том числе и метасоматических, определяется свободной энергией поверхности зерен σ, пропорциональной их внутренней энергии ∑∆E, относимой к единице поверхности ds, то есть σ = ∑∆E / (ds). Пожалуй, именно нанодисперсность определяет такие механо-химические процессы [13, 14].
Следует отметить, что метасоматические очаги не имеют четкой стратиграфической привязки и их морфология обычно не может рассматриваться с позиции анализа складчатых форм и закона суперпозиции.
Метасоматические породы, в связи с их существенным отличием от субстрата по химическому составу, отличаются от него также по физическим свойствам и хорошо выделяются в геофизических полях.
Участки развития метасоматитов часто выделяются на картах аномалий теплового поля, так как приуроченность их к зонам повышенной проницаемости определяет вероятность увеличения в них эндогенного теплового потока, обусловленного повышенной фильтрацией термальных подземных вод.
В нефтегазонасыщенных системах постоянно и достаточно быстротечно протекают разнообразные вторичные процессы вследствие изменения температуры, давления, химического потенциала и различных физических полей (физико-химических, механо-химических и др. градиентов).
Доказано, что преобразование массивных кристаллических пород, характеризующихся очень низкой проницаемостью, происходит главным образом путем диффузионного метасоматоза, в то время как в зонах повышенной трещиноватости осадочных пород, обладающих проницаемостью, на несколько порядков превышающей величины коэффициента диффузии, решающую роль приобретает инфильтрационный метасоматоз [16].
Метасоматическая доломитизация зависит от многих физико-химических и геофлюидодинамических параметров. Следует иметь в виду, что радиус иона (катиона) кальция (Ca++) равняется 0,99 Å или 0,099 нм, а ион (катион) магния (Mg++) составляет 0,66 Å или 0,066 нм. В процессе замещения кальция магнием образуется дополнительное пустотное пространство (трещины, каверны и т.д.). Таким образом, природные наноразмерные метасоматические процессы способствуют образованию хороших и часто высокодебитных коллекторов, особенно в карбонатных породах фанерозоя, включая палеозой Западной Сибири.
Заключение (практическая нанотехнология):
Встает вопрос – можно ли инициировать ускоренный техногенный процесс метасоматической доломитизации и создавать высокопродуктивные очаги на месторождении. Фактически, это позволит управлять процессом разработки месторождений и увеличить нефтеотдачу. Для этого требуется определить состав карбонатного материала и пластовой воды. Технология закачки в пласт магнийсодержащего флюида или гранулярного магния в размере наночастиц, вероятно, не представит особой трудности. В результате увеличится удельная поверхность пустотного пространства, активизируется переток флюидной массы из блочной матрицы в трещины, и даже новообразование углеводородных масс. В значительной степени стимулируются перколяционные процессы, возрастут продуктивность скважин и текущий коэффициент нефтеизвлечения. В отдельных случаях процесс принудительной и ускоренной доломитизации (метасоматоза) можно сопровождать волновым и тепловым воздействием.
Успешное использование предлагаемой нанотехнологии может оказать существенное влияние на длительность разработки месторождений и конечную нефтеотдачу.
Необходимой предпосылкой является проведение целевых лабораторных экспериментов.
Промышленную отработку этой технологии предлагается осуществить в пределах натурного полигона на Малоичском нефтяном месторождении (Новосибирская область), где установлена промышленная нефтеносность в доломитизированных известняках среднего девона за счет погребенных рифогенных массивов. В случае удачных экспериментов такая нанотехнология откроет путь к интенсивному освоению палеозоя Западной Сибири и древних карбонатных массивов Восточной Сибири.
Одновременно, она может быть использована и для терригенных пород с большим содержанием карбонатного цемента в породах. Повышенная карбонатность и высокое содержание СО2 отмечается часто в юрских и меловых породах Западной Сибири. Доломитизации часто подвергаются микрозернистый и пелитоморфный кальцитовый цемент, раковины фораминифер, водорослевые остатки и различный органогенный детрит. В метасоматических доломитах часто образуются поры размером 0,2•0,8 мм. и каверны размером размером более 1 мм.
Это один из ключевых моментов, который может увеличить нефтегазовый потенциал Сибири, а также других регионов.
Литература:
Справочные данные
|
Ка́льций/Calcium (Ca) |
|
|
Атомный номер |
20 |
|
Внешний вид простого вещества |
|
|
Свойства атома |
|
|
Атомная масса |
40,078 а. е. м. (г/моль) |
|
Радиус атома |
197 пм |
|
Энергия ионизации |
589,4 (6,11) кДж/моль (эВ) |
|
Электронная конфигурация |
[Ar] 4s2 |
|
Химические свойства |
|
|
Ковалентный радиус |
174 пм |
|
Радиус иона (катион) |
(+2e) 99 пм = 0,99Å |
|
Электроотрицательность |
1,00 |
|
Электродный потенциал |
−2,76 В |
|
Степени окисления |
2 |
|
Магний / Magnesium (Mg) |
|
|
Атомный номер |
12 |
|
Внешний вид простого вещества |
лёгкий, ковкий, серебристо-белый металл |
|
Свойства атома |
|
|
Атомная масса |
24,305 а. е. м. (г/моль) |
|
Радиус атома |
160 пм |
|
Энергия ионизации |
737,3 (7,64) кДж/моль (эВ) |
|
Электронная конфигурация |
[Ne] 3s2 |
|
Химические свойства |
|
|
Ковалентный радиус |
136 пм |
|
Радиус иона (катион) |
66 (+2e) пм = 0,66Å |
|
Электроотрицательность |
1,31 |
|
Электродный потенциал |
−2,37 В |
|
Степени окисления |
2 |
1Å = 0,1 нМ = 100 пМ
1 нМ = 10Å
1мкм = 10.000Å
Нанометр (нМ) = 10-9 м
Ангстрем (Å) = 10-10 м
Пикометр (пМ) = 10-12 м
PAGE \* MERGEFORMAT 1