Земля трещит по швам

Мелкоблоковая делимость доломитового массива сетью вертикальных трещин. Альпы. Фото С.И. Шленкина из книги «Трещинные резервуары нефти и газа» («Научный мир», 2015)

Повсеместно наблюдаемый субвертикальный характер трещин в горных породах убедительно свидетельствует о существенно ином пути поступления углеводородов в резервуары. Такие резервуары обнаружены в доступных для бурения приповерхностных толщах горных пород. При этом и сами трещины, как природные каналы для перемещения (миграции) углеводородов, стали объектом пристального внимания геологов и геофизиков.

Эти вездесущие трещины

Присутствие трещин в горных породах скорее правило, а не исключение. Размеры трещин изменяются в широких пределах. Микротрещины с шириной десятки микрометров и протяженностью несколько сантиметров наблюдаются в шлифах бурового керна. Мезотрещины с шириной первые сотни микрометров и протяженностью до первых метров наблюдаются на керне и при каротаже. Макротрещины с шириной от долей до нескольких миллиметров и более имеют высоту до сотен метров. Мегатрещины имеют толщину, измеряемую метрами, а протяженность – до нескольких сотен метров. Более крупные разрывные нарушения классифицируются как разломы. Густота трещин зависит от толщины слоя: чем больше мощность слоя, тем реже расположены трещины.

Квазипараллельные трещины формируют так называемые коридоры, которые могут варьировать по размеру и протяженности (вертикальной и горизонтальной). Их размеры могут меняться в широком диапазоне. К примеру, в Кювейте некоторые из них имели ширину 10 м, высоту 100 м и длину 1000 м, при этом они содержали до десятка тысяч трещин.

Большинство трещин субвертикально. Этот факт создает предпосылки для гидродинамической связи глубоких слоев земной коры и литосферы с приповерхностными структурами планеты. Тем самым осуществляется непосредственная связь глубинных зон генерации углеводородов с природными резервуарами нефти и газа.

Геологи-нефтяники давно пришли к единому выводу, что практически все разрабатываемые нефтяные пласты являются трещинными коллекторами, составляя основу трещинно-поровых, кавернозно-трещинных, карстово-трещинных и собственно трещинных природных резервуаров нефти и газа. Характерная особенность трещинных коллекторов на многих месторождениях, особенно на Ближнем Востоке, – высокая суммарная накопленная добыча нефти, иногда достигающая нескольких миллионов тонн на одну скважину.

Наиболее богатые скопления углеводородов на Ближнем Востоке содержатся в карбонатных резервуарах. Считается, что в них коллекторские свойства пород во многом определяются их вторичной пористостью (кавернозностью) и трещиноватостью.

Феномен «Белого Тигра»

Супергигантское уникальное нефтяное месторождение «Белый Тигр» было открыто в 1988 году совместным предприятием «Вьетсовпетро» на южно-вьетнамском шельфе. Здесь основные запасы (более 80% запасов всего месторождения) оказались связанными с разуплотненными и измененными кристаллическими породами фундамента. Месторождения в осадочных отложениях олигоцена (33,9–23,03 млн лет назад) и миоцена (23,03–5,333 млн лет назад), открытые ранее, имели подчиненное значение.

Большинство скважин на «Белом Тигре», пробуренных в фундаменте, являются высокодебитными, с дебитом более 1 тыс. куб. м в сутки. При этом вскрытая толщина магматических пород фундамента достигает 2 тыс. м. Нижняя граница залежи не была установлена, причем пробуренные на глубину свыше 5 тыс. м скважины водонефтяной контакт (ВНК) не установили ни в одной из скважин. Нефтесодержащими оказались трещинные коллекторы, пустотность которых представлена микротрещинами и изомерными пустотами. Пустотное пространство данного месторождения сформировалось под воздействием тектонических и гидротермальных процессов, контролируемых разломной и сопутствующей ей трещинной сетью.

Уникальность месторождения состоит в отсутствии ВНК, огромной мощности продуктивного разреза, в котором нефтесодержащими являются гранитоиды, а развитие нефтеносности контролируется глубиной развития коллекторов в фундаменте. Гидродинамические расчеты показали, что нефтеносность здесь может достигать 7 тыс. м.

Промышленные притоки нефти из фундамента связаны на «Белом Тигре» с гранитами и гранодиоритами. Объясняют это тем, что граниты наиболее подвержены трещинообразованию. Именно в их пределах наблюдается наибольшая густота открытых трещин.

Считают, что формирование месторождения «Белый Тигр» происходило с недавнего времени и в результате современного пополнения массивной залежи в кристаллическом фундаменте. Скопления углеводородов южновьетнамского шельфа связывают с каналами поступления глубинной энергии и вещества, с так называемыми трубами глубинной дегазации Земли и восходящих флюидов. Примечательно, что при подсчете запасов нефти – 191,1 млн т на начало 2014 года – на месторождении уже добыто свыше 200 млн т, и продолжается его освоение при значительных объемах добычи.

Пример субвертикальной трещины. Южный берег Крыма. Фото автора

По данным татарских геологов, основные нефтегазоматеринские породы могли произвести лишь 709 млн т нефти. В то же время по состоянию на 1 января 2016 года только на Ромашкинском месторождении было добыто 2312,9 млн т нефти. Месторождение это разрабатывается 75 лет (с 1943 года).

По состоянию на 1 января 1999 года начальные разведанные запасы нефти на Ромашкинском месторождении составили 4878 млн т, а на 1 января 2017 года – 5310 млн т. То есть за 18 лет запасы увеличились на 432 млн т, несмотря на интенсивную годовую добычу. Таким образом, на Ромашкинском месторождении первоначально подсчитанные запасы нефти были неоднократно выработаны в процессе их многолетней эксплуатации.

При этом, однако, продолжает господствовать точка зрения о невозобновляемости запасов нефти, и это положение является основополагающим в теории органического происхождения углеводородов. Однако многие данные свидетельствуют о том, что процессы миграции нефти происходят с гораздо большей скоростью, чем это предполагают сторонники осадочно-миграционной теории. На это убедительно указывают примеры современного пополнения запасов углеводородов в Татарстане.

Примечательно, что под Ромашкинским месторождением зафиксированы сейсмодинамические, гравитационные, магматические, магнитотеллурические аномалии в консолидированной коре и верхней мантии.

Вдохи и выдохи Земли

Сегодня известны две альтернативные гипотезы моделей происхождения углеводородов – биогенная и абиогенная.

С точки зрения биогенной концепции углеводороды на Земле возникли из остатков органического вещества, которое в течение многих миллионов лет накапливалось на дне древних акваторий, затем погружалось на большие глубины и путем химических превращений преобразовывалось в кероген (органические полимеры). Из керогена затем выделялись частицы рассеянной нефти, которые мигрировали из нефтематеринских пород в коллекторы. Затем углеводороды концентрировались в ловушках, и происходило образование нефтегазовых залежей.

На всe это уходило много миллионов лет, так что данная концепция не может объяснить быстрое восполнение запасов нефти в залежах. Кроме того, в рамках биогенной гипотезы нефтеобразования приходится допускать боковую миграцию углеводородов на огромные расстояния, иногда на сотни километров, что явно неправдоподобно.

Концепция абиогенного глубинного происхождения углеводородов предполагает генерацию углеводородов в глубинных слоях Земли путем неорганического синтеза. Образовавшиеся при этом углеводороды по глубинным разломам мигрируют в верхние слои земной коры и накапливаются в виде нефти и газа. Нефтегазоносность при этом рассматривается как проявление природного процесса дегазации Земли, создавшего гидросферу, атмосферу и биосферу. Лабораторные эксперименты показали, что абиогенный синтез углеводородов может происходить при условиях, характерных для верхней мантии Земли и нижних слоев земной коры.

Абиогенная концепция также допускает существование «нефтематеринских» пород. Под ними понимают так называемые каталитические зоны земной коры, содержащие природные катализаторы. В этих зонах рождается нефть путем каталитического синтеза, основой которого служат абиогенные глубинные углеводороды.

Абиогенный процесс образования скоплений углеводородов предполагает существование под крупным нефтегазовым месторождением сети глубинных разломов. По ним осуществляется подпитка глубинными углеводородами.

Считают, что отсутствие биогенного источника для гигантских месторождений Ближнего Востока объясняется тем, что углеводороды здесь поступили в коллекторы непосредственно по глубинным разломам (нефть – из каталитических нефтематеринских пород, а газ – из верхней мантии и нижних слоев земной коры).

В соответствии с биогенной концепцией происхождения нефти главным поисковым признаком обнаружения скоплений углеводородов является поиск возможных ловушек – пористых и трещиноватых пород, покрытых слоем непроницаемых горных пород («покрышками»). Абиогенная концепция добавляет новый поисковый признак – прогнозирование возможных каналов подпитки месторождений. Сочетание этих двух поисковых признаков позволяет существенно увеличить вероятность обнаружения новых гигантских месторождений.

Сейсморазведка ищет резервуары

Трещинные системы, контролирующие резервуары нефти и газа, представляют собой анизотропную среду, в пределах которой проницаемость вдоль и вкрест простирания ориентированных систем трещин может различаться на порядок и более. При горизонтальном бурении наибольший дебит обеспечивается путем пересечения системы трещин вкрест их простирания.

Неоднородные, анизатропные среды – подходящий объект для их изучения методами многоволновой сейсморазведки. В этом методе используются наряду с продольными волнами волны поперечные и обменные. (Обменные волны характеризуются изменением поляризации волны при пересечении сейсмической границы или при отражении от нее.)

Хрестоматийным свойством анизотропных трещиноватых сред является расщепление сейсмических волн на их границах с возникновением двух поперечных волн. При этом одна из этих волн распространяется в направлении плоскости трещин, а вторая – в перпендикулярном направлении. Скорости этих волн существенно различаются между собой. Выделяя эти волны по признаку их поляризации и сопоставляя между собой их скорости, судят о направлении в пространстве плоскостей трещин и оси их симметрии.

К сегодняшнему дню сейсморазведка накопила достаточно много примеров успешного выделения трещинных резервуаров при скважинных и наземных, а также морских исследованиях.