|
© Н.М. Кругликов, Н.Г. Жузе, 1999 |
ДИСПЕРГИРОВАННЫЙ ГАЗ - НЕТРАДИЦИОННЫЙ ИСТОЧНИК УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ
Н.М.
Кругликов, Н.Г. Жузе (ВНИГРИ)Рассеянный в пустотах водонасыщенных пород-коллекторов газ, называемый диспергированным (ДГ), относится к пока еще слабо изученным формам проявления свободной газовой фазы в подземных условиях. При дальнейшем изучении он может стать дополнительным нетрадиционным источником УВ-газов [2].
Диспергированный газ может иметь различный, но преимущественно углеводородный, в том числе газоконденсатный, состав. Он присутствует в породах в виде пузырьков или мелких скоплений иной формы, не обладающих значительной протяженностью и не обеспечивающих фазовую проницаемость для газа. Максимальный объем ДГ в пластовых условиях, определяемый уровнем газонасыщенности пустотного пространства пород, при котором возникает фазовая проницаемость для газа, может достигать 5-10 % объема пустот. В пересчете на чисто пористые породы это составляет до 3,0-3,5 % их объема, а на трещиноватые – до 0,1-0,2
%. Таким образом, возможное содержание ДГ в трещиноватых породах существенно ниже, чем в пористых.Впервые на ДГ как возможный нетрадиционный источник газового сырья обратили внимание Е.С.
Баркан с соавторами [1]. Под ДГ они понимали газ, находящийся в подземных водах в виде тонкой эмульсии. Условия образования такой эмульсии ими не рассматривались. Однако газовые эмульсии представляют собой неустойчивые системы, которые вследствие гравитационного расслоения и коалесценции газовых пузырьков быстро разрушаются. В геологических объектах время их существования непродолжительно и они не могут иметь самостоятельного значения. Маловероятно и само образование газовых эмульсий во всем объеме воды, насыщающей коллекторы. Экспериментальные данные показывают, что выделение газа из насыщенного им водного раствора в пористой среде происходит в первую очередь на минеральных поверхностях, а не внутри объема самой воды. Именно там зарождаются и растут газовые пузырьки. Это явление можно объяснить с энергетических позиций. Таким образом, ДГ следует рассматривать как газ пород-коллекторов, а не газ подземных вод, хотя проявляется он в скважинах только в ассоциации с водой. Во всем диапазоне условий существования ДГ вода в коллекторе остается насыщенной газом. В процессе развития системы, содержащей ДГ, и изменения параметров, определяющих растворимость газа в воде (давления, температуры, минерализации), вода оказывается буфером, пополняющим или уменьшающим объем ДГ соответственно при снижении или увеличении растворимости газа.Абсолютное количество ДГ, которое может удерживать порода, зависит не только от уровня критической газонасыщенности и ее пористости, но и от термобарических условий, увеличиваясь с ростом давления. Как показывают расчеты [1], в условиях гидростатического давления и геотермического градиента 3 °С/100 м при критической газонасыщенности 5 % и пустотности породы 10 % последняя может содержать до 1,5 м
3/м3 ДГ на глубине 8 км. При коэффициенте аномальности давления равном 2, это значение возрастает до 2,3 м3/м3. Но в отличие от обычных газовых скоплений плотность ресурсов ДГ в расчете на единицу объема коллектора примерно на порядок ниже. Тем не менее, плотность ресурсов ДГ на единицу площади распространения коллектора может значительно превышать таковую обычного газа за счет большей толщины коллектора.Время существования ДГ в пластовых условиях геологически непродолжительно. В любом резервуаре, содержащем ДГ и насыщенную газом воду, всегда существует диффузионный поток газа, направленный вертикально вверх. Его величина зависит от разности концентраций газа в воде в подошве и кровле резервуара и коэффициента диффузии газа в среде резервуара. Чем выше пористость и проницаемость последнего, тем больше и его диффузионная проницаемость, и величина диффузионного потока.
Наличие такого потока приводит к тому, что в нижней части резервуара при его хорошей изоляции снизу ДГ постепенно растворяется, а в верхней части его количество увеличивается. В предельном случае весь ДГ должен перераспределиться и аккумулироваться в кровле резервуара, под экраном. Вопрос дальнейшей судьбы этого газа требует специального анализа. Однако следует отметить, что рассмотренное перераспределение ДГ является очень важным моментом в общем процессе первичной аккумуляции рассеянного газа, генерированного РОВ, последующей его струйной миграции и формирования традиционных месторождений. В данном случае бесконечно медленный процесс диффузии, который обычно трактуется в качестве разрушающего фактора по отношению к газовым месторождениям, здесь выступает в качестве фактора созидающего.Для оценки времени существования ДГ авторами предложен временной критерий К
t. Очевидно, что продолжительность диффузионного перераспределения ДГ, зависящая от его количества в резервуаре и величины стационарного диффузионного потока, тем длительнее, чем больше объем ДГ и чем меньше величина потока. Поэтому значение Кt определяется изKt = Vдг / Qдиф.
где
Vдг – общий объем ДГ в резервуаре, приходящийся на единицу его площади; Qдиф – величина диффузионного потока через единицу площади.Расчеты показывают, что для резервуара толщиной 10 м при содержании ДГ 3,1 м3/м3, что соответствует пластовым условиям на глубине 8 км при геотермическом градиенте 3 °С/100 м, время полного перераспределения ДГ составляет около 3 млн лет. Оценка проведена для маломинерализованных вод. В случае рассолов это время будет несколько больше. При большей толщине резервуара время дегазации увеличивается прямо пропорционально и при 100 м составляет около 30 млн лет.
Таким образом, оценка по предложенному критерию показывает, что ДГ сравнительно быстро перераспределяется по разрезу, так что примерно за неоген-четвертичный этап может быть дегазирован (освобожден от ДГ) пласт толщиной в несколько десятков метров (до 100 м). На основе такого поведения ДГ может быть сформулирован главный поисковый признак для этой разновидности природных газов. Очевидно, ДГ может быть обнаружен в тех зонах, где условия, благоприятные для его образования, проявлялись в течение новейших этапов геологического развития.
При расчете предложенного критерия принято, что образование и перераспределение ДГ происходят в резервуарах с обычными коллекторскими свойствами. Для них значение коэффициента диффузии газа имеет порядок n·(10-6-10-7). В низкопроницаемых плотных коллекторах, в которых коэффициент диффузии снижается до n·10-8 и менее, ДГ может сохраняться гораздо дольше. Поэтому газ, рассматриваемый в геологической литературе как особая категория газа плотных низкопроницаемых пород, можно считать разновидностью ДГ.
Анализ условий образования ДГ позволил предложить генетическую классификацию этого газа (рисунок). Выделено четыре типа ДГ (генерационный, миграционный, десорбционный, техногенный) и 9 подтипов.
Диспергированный газ генерационного типа образуется при микробиальном и катагенном преобразовании ОВ как гумусового, так и сапропелевого состава. Схематические расчеты, выполненные для газогенерирующих толщ с содержанием ОВ 2 %, показали, что ДГ этого типа может возникнуть в прилегающих к ним коллекторах уже при градации ПК (геотермический градиент 3 °С/100 м, давление гидростатическое). Но количество его будет ничтожно (0,1-0,7 % объема пустот). Максимальный объем ДГ образуется на градациях МК и выше, т.е. примерно в условиях проявления главной фазы газообразования. При этом газонасыщенность пустотного пространства коллектора в зависимости от минерализации воды достигает 3-7 %, повышаясь с ростом последней.
Помимо содержания ОВ и степени его метаморфизма, на образование ДГ и его сохранение в коллекторе влияют структура пустотного пространства пород, их трещиноватость, соотношение мощностей генерирующих толщ и коллекторов, общая закрытость разреза. Из тектонических факторов наиболее благоприятное влияние оказывает большая скорость погружения пород или, наоборот, их интенсивного воздымания. Действие этих факторов наиболее эффективно в главной зоне газообразования. Глубже этой зоны уменьшается интенсивность газообразования, увеличивается растворимость газа в воде и снижается объем газа. Все это отрицательно влияет на объем ДГ. Оценка необходимой скорости тектонического перемещения по критерию Kt показала, что она свойственна лишь передовым прогибам, сформировавшимся на неоген-четвертичном этапе. Платформенные условия для образования ДГ этого типа неблагоприятны.
Существенное влияние на ДГ генерационного типа оказывают гидрогеологические условия, особенно минерализация воды. Повышенная минерализация (рассолы различной крепости) способствует увеличению объема ДГ при фиксированной интенсивности генерации газа в 2,2-3,6 раза и продолжительности его существования в 3-5 раз по сравнению с таковой в слабоминерализованных водах. Характер водонапорной системы определяет степень аномальности пластового давления, оказывающего непосредственное влияние на растворимость газа в воде и объем ДГ. В замкнутых системах повышенное давление увеличивает количество водорастворенных газов и снижает объем ДГ (на 20-50 %) за счет его частичного растворения и большей степени сжатия. Движение газонасыщенных подземных вод, даже вертикальное, и сопровождающее его выделение газа в свободную фазу не играют определяющей роли в образовании ДГ генерационного типа.
Миграционный тип ДГ подразделяется на три подтипа: миграционно-остаточный, подошвенный и остаточный.
Диспергированный газ миграционно-остаточного подтипа образуется в зонах струйной миграции газа и представляет собой остаточный газ, потерявший фильтрационную подвижность. Величина остаточной (критической) газонасыщенности зависит от типа коллектора. В коллекторах перового типа она максимальна и в отдельных случаях может достигать 50 %. В коллекторах трещинного и трещинно-порового типов, в которых фильтрация осуществляется в основном по трещинам, остаточная газонасыщенность (содержание ДГ) снижается до единиц и долей процента. Объем зон латеральной миграции и время их существования незначительны. Поэтому ДГ в таких зонах не имеет практического значения. В зонах проявления вертикальной миграции газа и газонасыщенных вод на значительной площади и при большой вертикальной протяженности на фоне аномально высокого пластового давления ДГ данного подтипа может быть объектом добычи в сочетании с водорастворенными газами, термальными и промышленными водами.
Подошвенный подтип ДГ формируется в подошвенной и ближайшей законтурной зонах газовых и газоконденсатных месторождений в результате подъема газоводяного контакта (ГВК) залежи. Объем таких зон зависит от площади ГВК, амплитуды его подъема и продолжительности существования зон. Содержание ДГ в коллекторе определяется величиной остаточной газонасыщенности, пористости, давления и температуры. Данные о присутствии ДГ в подошве газовых залежей ограничены. В ряде случаев он, по-видимому, входит в состав переходной зоны под ГВК. Однако объем ДГ в подобных зонах месторождений на севере Западной Сибири оценивается в сотни миллиардов кубических метров. Эти нетрадиционные ресурсы газа могут быть вовлечены в эксплуатацию попутно с разработкой газовых залежей на последних стадиях добычи газа, когда вследствие большой дисперсии пластового давления ДГ расширяется, приобретает необходимую подвижность и частично мигрирует в залежи.
Диспергированный газ остаточного подтипа формируется в аналогичных подошвенному подтипу условиях, т.е. при подъеме ГВК, однако в этом случае залежь теряет весь газ, полностью разрушается и в ее прежнем объеме сохраняется лишь зона остаточной газонасыщенности. При существенной высоте разрушенной залежи и небольшой давности ее разрушения зона ДГ этого подтипа может сохраниться и иметь практическое значение. Обнаружение подобных зон возможно попутно с поиском традиционных залежей на более низких гипсометрических уровнях.
Диспергированный газ десорбционного типа образуется в процессе естественной десорбции газа, растворенного в воде, жидких УВ и сорбированного РОВ пород. Десорбция осуществляется в результате изменения термобарических условий в недрах нефтегазоносного бассейна (НГБ), В зависимости от масштаба таких изменений выделяются два подтипа ДГ – локальный и региональный. Диспергированный газ локального подтипа формируется в зонах восходящего движения газонасыщенных вод, когда они попадают в условия меньших давлений и вынуждены часть водорастворенных газов выделять в свободную фазу. При этом ДГ может сохраняться в коллекторе лишь при определенной, достаточно высокой скорости движения воды, когда скорость выделения газа водой превышает скорость его диффузионного перемещения в кровлю проводящей зоны. Интенсивность накопления ДГ зависит не только от скорости фильтрации воды, но и от ее минерализации, температуры и угла наклона потока по отношению к горизонтальной плоскости. Минерализация и температура определяют растворимость газа в воде, а наклон потока – интенсивность снижения в нем давления. На нисходящих участках потока газ не выделяется, на вертикальных выделяется с максимальной интенсивностью. Необходимое условие при этом – предельная газонасыщенность воды. Последняя встречается в НГБ и лишь в отдельных зонах. Поэтому распространение ДГ данного подтипа не может быть широким.
Формирование ДГ регионального подтипа связано с десорбцией газа из воды, жидких УВ и ОВ пород при аналогичном локальному подтипу изменении термобарических условий, но в региональных масштабах. Необходимое условие – предельная насыщенность воды газом. Периоды снижения давления в водоносных породах, вызывающего выделение газа, связаны с геократическими эпохами, периодами обширных регрессий, а также с инверсионными движениями в пределах крупных структур {антеклиз, сводов, авлакогенов). Амплитуда восходящих движений при этом достигает сотен, а иногда и тысячи метров, в результате чего пластовые давления снижаются на десятки мегапаскалей. Современные природные аналоги подобных условий не известны. Но их можно предполагать в прошлом для многих НГБ как платформенного, так и предгорного типов (Западная Сибирь, Северное Предкавказье, Прикаспийская впадина, Центрально-Каракумский свод и др.).
Диспергированный газ техногенного типа образуется в зонах депрессии пластового давления вокруг отдельных эксплуатационных скважин или разрабатываемых газовых месторождений. По своей физической природе он является десорбционным; имеет непосредственное практическое значение, так как поступает в скважины и залежи при эксплуатации. В скважинах при предельной газонасыщенности воды он появляется уже через несколько дней их работы, а в залежи начинает поступать на завершающих стадиях их эксплуатации.
Предложенная классификация ДГ имеет как теоретическое, так и практическое значение. В теоретическом отношении она показывает, что проявление ДГ имеет место на всех этапах онтогенеза газа – от его генерации, первичной аккумуляции и миграции до переформирования и разрушения залежей. Диспергированный газ – неотъемлемое связующее звено всех этих процессов. Поэтому дальнейшее изучение всех типов ДГ, уже рассмотренных и тех, которые будут предложены при последующих исследованиях, будет совершенствовать теорию газообразования и формирования газовых месторождений.
Прикладное значение классификации заключается в ее прогнозных возможностях, позволяющих выделять наиболее перспективные районы для поиска ДГ и оценки его ресурсов как нетрадиционного источника газового сырья.
Поисковые признаки на ДГ во многом аналогичны признакам, которыми руководствуются при поисках обычных газовых месторождений. Сюда относятся: источники газа в виде ОВ пород соответствующей стадии преобразованности, коллекторы и покрышки, структурные условия (для части типов ДГ), условия консервации. Специфическими признаками являются предельная газонасыщенность воды и относительная непродолжительность существования ДГ. Непосредственное присутствие ДГ в коллекторе можно установить по результатам опробования интервалов, вскрывших водоносные породы. Признаком ДГ служит значение соотношения газ/вода, устойчиво и существенно превышающее таковое для водорастворенных газов. Диспергированный газ увеличивает электрическое сопротивление коллекторов и снижает их упругоемкость. Однако разрешающая способность соответствующих геофизических методов, таких как электрический, газовый и акустический каротажи, пока еще низка из-за незначительной {до 5 %) степени насыщенности диспергированным газом пустотного пространства коллектора.
В качестве первоочередных объектов изучения ДГ на больших глубинах могут быть рекомендованы верхнемеловые отложения Таманского полуострова, нижнемайкопские отложения Керченского полуострова и эоценовые отложения Западно-Кубанской впадины Предкавказья. Во всех этих районах при опробовании скважин получены высокие газовые факторы вод, свидетельствующие о возможном присутствии в пласте ДГ. На глубинах до 1 км ДГ (предположительно миграционного и десорбци-онного типов) может быть обнаружен в хадумских отложениях Ставропольского свода (Центральное Предкавказье). Подошвенный подтип ДГ должен изучаться на месторождениях севера Западной Сибири, генерационный – в юрских отложениях наиболее погруженных районов Предкавказья (Восточно-Кубанская впадина, Терско-Каспийский прогиб) и Амударьинской НГП.
Gas dispersed in cavities of water-saturated reservoir rocks called as dispersed is still not clearly studied form of free gas phase manifestation under subsurface conditions. In further studies it can become an additional nontraditional source of hydrocarbon gases.
Classification of dispersed gases has both theoretical and practical significance. It shows that dispersed gas manifestation even though not prolonged occurs at all stages of gas ontogenesis – from its generation, primary accumulation and migration up to the process of reformation and destruction of poofs. Dispersed gas is an inherent connecting link of all these processes. Further studies will improve a theory of gas generation and gas fields formation. Applied significance of the classification lies in its prognostic possibilities allowing to distinguish most promising areas for searching dispersed gas and estimating its resources as a source of nontraditional gas resources. Under field conditions, estimation of dispersed gas makes possible more validly to forecast production conditions of gas fields.
Литература
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОГО ГАЗА