М.А. Тугарова, д.г.-м.н.
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Электронный адрес: Tugarova.MA@gazpromneft-ntc.ru

Ключевые слова: карбонатные породы, катагенез, вторичные процессы, стадиальные изменения

В статье рассматриваются вторичные преобразования карбонатных пород – коллекторов, которые имеют принципиальное значение в формировании их фильтрационно-емкостных свойств. Впервые предлагается формализованная схема, иллюстрирующая закономерности стадиальных преобразований в карбонатных резервуарах и их взаимосвязь с физико-химическими процессами и параметрами стратисферы.

CURRENT APPROACH TO ASSET EVALUATION AT THE SEARCH STAGE WITH HIGH UNCERTAINTIES

PRONEFT''. Professional'no o nefti, 2020, no. 4 (18), pp. 18-23

M.A. Tugarova
Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg

E-mail: Tugarova.MA@gazpromneft-ntc.ru

Keywords: carbonate rocks, catagenesis, secondary processes, stadial changes

The article considers the secondary transformations of carbonate rocks of oil and gas complexes, which are of fundamental importance in the formation of reservoir properties. For the first time, a schematic diagram, illustrating the regularities of secondary processes in carbonate reservoirs and their relationship with the physico-chemical conditions of the stratosphere is proposed.

DOI:  10.7868/S2587739920040023

Вторичные преобразования карбонатных пород нефтегазовых комплексов имеют принципиальное значение при формировании их коллекторских свойств. Подавляющее большинство карбонатных пород относятся к коллекторам сложного типа, т.е. обладают несколькими видами пустотного пространства [1]. Метастабильность карбонатных пород приводит к формированию вторичных преобразований, начиная с самых ранних стадий литогенеза. По мере увеличения глубины залегания пород вторичные процессы приобретают все большее значение в формировании их пустотного пространства. При этом они, как правило, нивелируют более ранние диагенетические процессы, а часто проявленная тектоническая активизация усугубляет постседиментационную проработку пород. В условиях усложняющегося геологического строения активов компании понимание и учет этих процессов приобретают особое значение при прогнозе распространения зон с улучшенными фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС) в карбонатных резервуарах. 

Постседиментационные преобразования карбонатных отложений – это сложный процесс, реализуемый иначе, чем у пород глинистых и обломочных. В отличие от последних у известняков отсутствует корреляционнаязависимость между глубинами их погружения в стратисфере и изменениями плотности (пористости). Уже в условиях начальных стадий литогенеза – раннего диагенеза в субаэральных и мелководно-морских условиях (приливноотливная зона побережья) первично оолитовые осадки с начальной пористостью, колеблющейся от 40 до 70%, в течение очень краткого промежутка времени – от первых десятков лет до десятков тысячелетий могут превращаться в крепко сцементированные спаритовым кальцитом кристаллические породы с почти нулевой пористостью. Инаоборот, на глубинах первых тысяч метров под покровом вышележащих отложений в известняках благодаря воздействию подземных вод может развиваться пористость вторичного растворения (выщелачивания). 

Для глинистых и терригенных пород многие десятилетия разрабатывались схемы стадиальных изменений и известны основные структурно-минеральные реперы, отражающие эпигенетические уровни преобразования [2–8]. Карбонатные отложения в эти схемы вписываются плохо, вторичные процессы не только многообразны, но и зачастую повторяются на разных глубинах (при разных пластовых температурах и давлениях), при этом они лишены единого тренда [9, 10]. Единственным процессом, который все структурные виды карбонатных пород в конечном итоге превращает в мраморы, остается процесс перекристаллизации, но и он не всегда является непрерывным в ходе тектонического погружения и не исключает появление коллекторов на глубинах 5–6 км. В настоящее время отсутствуют какие-либо схемы, иллюстрирующие закономерности проявления тех или иных вторичных процессов в карбонатных толщах. Задача этой работы в какой-то мере восполнить пробел.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТАДИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ 

Стадиальный анализ – метод восстановления истории возникновения и изменения осадочных пород на основании изучения их вещественно-структурных признаков, которые являются индикаторами стадий/этапов существования осадочных образований [8]. Постседиментационные процессы можно разделить на несколько типов в зависимости от особенностей тектоногенеза: (1) прогрессивные стадиальные изменения, протекающие в условиях региональных погружений; (2) регрессивные, соответствующие этапам воздыманий; (3) наложенные – результат дизъюнктивных тектонических проявлений, магматизма, гидротермального и теплового воздействия. Существуют и более детализированные классификации типов катагенеза [11–14]. При этом любая типизация вторичных процессов основывается на учете двух главных факторов – термобарического и флюидодинамического. Разделение этих факторов условно, так как любая реакция в зоне катагенеза является следствием совокупного воздействия температуры, давления, химического состава флюидов и пород.

При этом очевидно, что чем более метастабилен минеральный состав, тем в большей степени будут оказывать воздействие гидрохимические факторы и тем менее будет выражен однозначный тренд в изменении плотности пород при тектоническом погружении. Встадиальных преобразованиях карбонатных отложений приоритетное значение принадлежит составу и динамике подземных флюидов. При этом температура и давление оказывают влияние прежде всего на растворимость различных минеральных компонентов в подземных водах, влияя на геохимическое равновесие в системе порода – флюид. Основные вторичные процессы в карбонатных породах в зависимости от типа эпигенеза приводятся в табл. 1.

РАЗРАБОТАННАЯ СХЕМА СТАДИАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД И ИХ СВЯЗЬ С ОСНОВНЫМИ ПРОЦЕССАМИ В НЕДРАХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОЗВОЛЯЕТ ПРОГНОЗИРОВАТЬ РАЗВИТИЕ ВТОРИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ И ОПРЕДЕЛЯТЬ ИНТЕРВАЛЫ В КАРБОНАТНЫХ РАЗРЕЗАХ ДЛЯ ЦЕЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

АЛГОРИТМ СТАДИАЛЬНОГО АНАЛИЗА 

Стадиальный анализ включает в себя рассмотрение вторичных признаков, проявленных в породах, и последовательность их возникновения, а также выявление вторичных наложенных процессов, парагенетически не связанных с региональным эпигенезом. Изучение вторичных изменений пород, выполняемое лишь в малой степени скопических описаний, а в основном на уровне оптической и частично электронной микроскопии, позволяет применительно к каждому генетическому типу отложений выявить свойственные ему разновозрастные вторичные процессы и этапность постседиментационных изменений осадка и породы. Прецизионные виды анализов (например, структурно-кристаллохимический) на этом этапе изучения осадочных пород приобретают особое значения и нацелены на реконструкцию термодинамических режимов постседиментационного литогенеза и физико-химических процессов взаимодействия подземных флюидов и пород.

Цели стадиального анализа: 

1. Восстановление (путем снятия вторичных изменений) первичных признаков осадка, на основе которых проводится фациальный анализ. 

2. Распознавание в породах признаков, возникших в диа-, катагенезе, и реконструкция на их основе термодинамических условий и флюидо-минерагенических процессов, протекавших в породе в условиях стратисферы. 

3. Выяснение причинно-следственных зависимостей между литогенетическими процессами именяющимися во времени геологическими (в том числе геодинамическими) факторами и условиями развития земной коры и нижележащих геосфер. 

4. Оценка роли вторичных процессов в формировании свойств породы, в том числе коллекторских, флюидоупорных, нефтематеринских. 

Итогом стадиального анализа является выявление признаков этапности зарождения, изменения или исчезновения в породах конкретных минеральных и структурно-текстурных парагенетических ассоциаций и коррелирование этих этапов с историко-геологическими событиями, которые происходили в течение всего длительного времени формирования и бытия осадочной толщи.

Стадиальный анализ проводится массово – применительно к каждому обособленному образцу горной породы (литотипу), взятому измногих стратифицированных уровней геологического разреза. Затем сравниваются результаты в последовательности: от самых молодых отложений к древним, и выявляются определенные стадиальные рубежи усиления или ослабления измененности у изначально схожих между собой литотипов. Последовательность проведения анализа следующая: 

1) вещественно-структурная типизация пород по разрезу и латерали; 

2) выделение первичных (седиментационных) признаков пород; 

3) выделение и характеристика всех вторичных преобразований, их количественного проявления в породах;

4) прослеживание последовательности вторичных процессов; 

5) анализ вторичных процессов, не соответствующих региональным стадиальным изменениям, – наложенных вторичных. 

Примеры установленных стадиальных процессов для биоморфного известняка и микробиального доломита приведены на рис. 1, 2.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СТАДИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ КАРБОНАТНЫХ ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ 

Из многочисленных литогенетических вторичных процессов преобразования карбонатных пород-коллекторов, влияющих на ФЕС, можно выделить несколько наиболее часто проявляемых в осадочных разрезах: выщелачивание, доломитизация, перекристаллизация, окремнение и сульфатизация. Из них только один – выщелачивание – однозначно положительно влияет на формирование пустотного пространства. Вторичная доломитизация в условиях низкой минерализации подземных вод может приводить к образованию дополнительной полезной емкости, но, как показывает практика, чаще доломитизация сопровождается процессами сульфатизации или перекристаллизации и суммарный результат этих процессов – уменьшение пористости. Окремнение и сульфатизация всегда приводят к понижению ФЕС. Прогноз вторичных процессов осложняется возможностью их многократных повторений на разных глубинах стратисферы (на разных стадиях катагенеза). Это отражено на схеме стадиальных изменений карбонатных пород (рис. 3). Несмотря на многообразие и повторяемость процессов, можно выделить основные закономерности их проявлений в зависимости от стадии катагенеза пород нефтегазоносных комплексов. Процесс выщелачивания протекает в усло - виях избытка СО 2 в составе флюидов. Главные максимумы его появления связаны со следующими процессами:
1) окисление органического вещества в диагенезе;
2) декарбоксилирование жирных кислот в позднем диагенезе – протокатагенезе;
3) генерация кислых газов на завершающей стадии термокатализа в позднем мезокатагенезе;
4) мантийная дегазация. 

Эти процессы с привязкой к глубинам отражены на схеме (рис. 3). Процессы окремнения и доломитизации типичны для мезокатагенеза и по своему проявлению совпадают с перекристаллизацией глинистых пород в осадочных разрезах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно выделить несколько основных процессов в осадочных нефтегазоносных комплексах, оказывающих принципиальное влияние на качество карбонатных резервуаров. К ним относится, во-первых, многостадийная генерации СО2, проявляющаяся в диаганезе, протокатагенезе и позднем мезокатагенезе и приводящая к формированию пористости выщелачивания. Вторым важным процессом оказывается перекристаллизация глин, увеличивающая содержание магния и кремнезема в составе подземных вод. При фильтрации этих минерализованных флюидов по карбонатным пластам проявляются доломитизация и окремнение. По времени этот процесс следует за выщелачиванием протокатагенеза. Именно поэтому в карбонатных коллекторах, находящихся на глубинах 3–3,5 км, часто проявлены залеченные доломитом и кварцем поры выщелачивания. Глубинный этап выщелачивания, соответствующий максимуму генерации кислых газов, проявляется в породах на глубинах, превышающих 3,5–4 км. При отсутствии в осадочном комплексе высокоминерализованных подземных вод он может приводить к заметному увеличению пористости коллекторов. Разработанная схема стадиальных изменений карбонатных пород и их связь с основными процессами в недрах нефтегазоносных комплексов позволяет прогнозировать развитие вторичных процессов и определять интервалы в карбонатных разрезах для целевых исследований.

Список литературы

1. Методические рекомендации по изучению и прогнозу коллекторов нефти и газа сложного типа. – Л.: ВНИГРИ, 1989. – 103 с.

2. Диагенез и катагенез осадочных образований / Под ред. Г. Ларсена и Дж. Чилингара. – М.: Мир, 1971. – 463 с.

3. Коссовская А.Г., Шутов В.Д. Зоны эпигенеза в терригенном комплексе мезозойских и верхнепалеозойских отложений Западного Верхоянья // Докл. АН СССР. – 1995. – Т. 103, № 6. – С. 1085–1088.

4. Коссовская А.Г., Шутов В.Д. Типы регионального эпигенеза и их связь с тектонической обстановкой на материках и в океанах // Геотектоника. – 1976. – № 2. – С. 15–30.

5. Логвиненко Н.В., Орлова Л.В. Образование и изменение осадочных пород на континенте и в океане. – Л.: Недра, 1987. – 239 с.

6. Махнач А.А. Стадиальный анализ литогенеза: Учеб. пособие. – Минск: БГУ, 2000. – 255 с.

7. Япаскурт О.В. Генетическая минералогия и стадиальный анализ процессов осадочного породо- и рудообразования. Учеб. пособие. – М.: ЭСЛАН, 2008. – 356 с.

8. Япаскурт О.В. Стадиальный анализ литогенеза. – М.: Изд-во МГУ, 1995. – 142 с.

9. Immenhauser A. Towards a definition of the deep burial realm in carbonate diagenesis / 34th International Meeting of Sedimentologists: Abstract book. – Rome, 2019. – P. 1170.

10. Kolchugin A.N., Immenhauser A., Walter B.F., Morozov V.P. Diagenesis of the palaeo-oil-water transition zone in a Lower Pennsylvanian carbonate reservoir: Constraints from cathodoluminescence microscopy, microthermometry, and isotope geochemistry // Marine and Petroleum Geology. – 2016. – V. 72. – P. 45–61.

11. Каледа Г.А. Изменчивость отложений на тектонических структурах. – М.: Наука, 1985. – 192 с.

12. Коссовская А.Г., Шутов В.Д., Симанович И.М. Современное состояние и перспективы развития проблем эпигенеза предметаморфизма на континентах и в океанах // Литология на новом этапе развития геологических знаний. – М.: Наука, 1981. – С. 45–62.

13. Лебедев Б.А. Геохимия эпигенетических процессов в осадочных бассейнах. – Л.: Недра, 1992. – 239 с.

14. Фербридж Р.У. Фазы диагенеза и аутигенное минералообразование / Диагенез и катагенез осадочных образований. – М.: Мир, 1971. – С. 27–71

References

1. Metodicheskie rekomendacii po izucheniyu i prognozu kollektorov nefti i gaza slozhnogo tipa [Methodological recommendations for the study and forecast of complex oil and gas reservoirs]. Leningrad, VNIGRI, 1989. 103 p.

2. Diagenesis and catagenesis of sedimentary deposits, ed. G. Larsen, Dzh. Chilingar. Moscow, Mir, 1971. 463 p. (In Russ.)

3. Kossovskaya A.G., Shutov V.D. Zones of epigenesis in the terrigenous complex of the Mesozoic and Upper Paleozoic deposits of the Western Verkhoyansk region. Doklady AN SSSR. 1995, vol. 103, no. 6, pp. 1085–1088. (In Russ.)

4. Kossovskaya A.G., Shutov V.D. Types of regional epigenesis and their relationship with the tectonic setting in the continents and oceans. Geotektonika. 1976, no. 2, pp. 15–30. (In Russ.)

5. Logvinenko N.V., Orlova L.V. Obrazovanie i izmenenie osadochnyh porod na kontinente i v okeane [Formation and transformation of sedimentary rocks in the continent and oceans]. Leningrad, Nedra, 1987. 239 p.

6. Mahnach A.A. Stadial’nyj analiz litogeneza [Stage analysis of lithogenesis]. Minsk, BGU, 2000. 255 p.

7. Yapaskurt O.V. Geneticheskaya mineralogiya i stadial’nyj analiz processov osadochnogo porodo- i rudoobrazovaniya [Genetic mineralogy and stage analysis of sedimentary rock and ore formation processes]. Moscow, ESLAN, 2008. 356 p.

8. Yapaskurt O.V. Stadial’nyj analiz litogeneza [Stage analysis of lithogenesis]. Moscow, Izdatel’stvo MGU, 1995. 142 p.

9. Immenhauser A. Towards a definition of the deep burial realm in carbonate dia-genesis. 34th International Meeting of Sedimentologists. Abstract book, Rome, 2019. P. 1170.

10. Kolchugin A.N., Immenhauser A., Walter B.F., Morozov V.P. Diagenesis of the palaeo-oil-water transition zone in a Lower Pennsylvanian carbonate reservoir: Constraints from cathodoluminescence microscopy, microthermometry, and iso-tope geochemistry. Marine and Petroleum Geology. 2016, vol. 72, pp. 45–61.

11. Kaleda G.A. Izmenchivost’ otlozhenij na tektonicheskih strukturah [Variability of deposits in tectonic structures]. Moscow, Nauka, 1985. 192 p.

12. Kossovskaya A.G., Shutov V.D., Simanovich I.M. Current state and prospects for the development of the problems of epigenesis of submetamorphism in the continents and oceans. Litologiya na novom etape razvitiya geologicheskih znanij. Moscow, Nauka, 1981. Pp. 45–62.

13. Lebedev B.A. Geohimiya epigeneticheskih processov v osadochnyh bassejnah [Geochemistry of epigenetic processes in sedimentary basins]. Leningrad, Nedra, 1992. 239 p.

14. Ferbridzh R.U Diagenetic phases and authigenic mineral origine. Diagenez i katagenez osadochnyh obrazovanij [Diagenesis and catagenesis of sedimentary formations]. Moscow, Mir, 1971. Pp. 27–71.