Упрощённая интегральная оценка потоков первичной и вторичной миграции УВ и доли заполнения ловушек

В основе метода лежит приближённый способ оценки потоков УВ, движимых градиентами давлений в среде. Поток УВ, проходящий через матрицу пород и приходящийся на единицу площади (м²) сети, заполненной жидкими УВ, можно оценить с помощью уравнения Дарси (4-17):

q _p = - (К / m)× Ñ Fp (9-14)

где K – тензор проницаемости (в единицах м² или в Дарси=10^-12 м²), m_е – вязкость жидкости (Па сек), Ñ Fp - градиент потенциала (9-6), движущий поток. Проницаемость сети пор, заполненных нефтью можно определить из закона Пуазейля по формуле (England et al.,1987):

К = r² / (8×q²) (9-15)

где r - средний радиус пор и q - параметр сопротивляемости движению, определяемый как среднее отношение длины пути, проходимого УВ жидкостью, к геометрической длине участка, занятого течением. Тогда:

q _p = - (r² / (8×q²)/ m)× Ñ Fp (9-16)

Однако, это будет поток на м² нефтяной сети. Чтобы получить поток через м² породы необходимо умножить (9-16) на пористость породы j и нефтенасыщенность пор S. Тогда поток жидких УВ через 1 м² породы с учетом пористости пород, j, и насыщенности их нефтью, S, (S - доля объёма пор, занятая нефтью) будет равен (England et al.,1987):

q _p = - j×S×[(r² / (8×q²) / m]× Ñ Fp (9-17)

Теоретические оценки дают для параметра сопротивляемости движению q оценку: q » Ö3 (England et al.,1987). Насыщенность УВ в порах (S) обычно превосходит 20%, но не бывает выше 90%. В оценках миграции и аккумуляции УВ принимают обычно среднее значение насыщенности S=50%. Принимая средний радиус пор r=10^-8 м для глин и r=10^-6 м для песчаников; динамическую вязкость нефти m_р=0.005 Ра×сек и параметр сопротивляемости движению q =Ö3, получаем, согласно (9-15),, что проницаемость К для миграции нефти равна 10^-12/(8×3)= 4.17×10^-14 м² = 41.7 млДарси Дарси для умеренно проницаемых песчаников и 4.17×10^-18 м² = 4.17×мкДарси для плохо проницаемых материнских глин. Таким образом, из неопределённых параметров в (9-17) остаются пористость породы j и градиент давления, движущий нефтяную фазу, Ñ Fp. Что касается градиента давления, то для вертикального течения нефтяной фазы в процессе первичной миграции УВ в материнских толщах лабораторные исследования процесса миграции УВ в образцах материнских пород предполагают Ñ Fp =10⁴ Pa/м в качестве универсальной оценки этого члена в низкопористых материнских породах (England et al.,1987; Forbes et al.,1992). Тот же градиент на путях вторичной миграции определяется гидростатическим напором грунтовых вод.

Рассмотрим приложение изложенного метода приближённой оценки потоков вторичной и первичной миграции УВ к анализу ситуации в конкретном нефтегазоносном бассейне. Мы оценим потоки жидких УВ, уходящих в процессе первичной миграции из тогурских материнских пород одной из северных площадей Приобского района Западно-Сибирского бассейна, и попробуем рассчитать времена заполнения этими УВ близлежащих ловушек. Общая схема формирования миграционных потоков для нашего примера моделирования показана на рис. 5-9 и 6-9.

Рис. 5-9. Общая схема вертикального потока первичной миграции жидких УВ в пределах пласта нефтематеринских пород мощностью h и площадью S и формирование дренажного потока этих УВ на путях вторичной миграции.

Отправной точкой нашего моделирования является реконструкция истории погружения бассейна и эволюция его термических условий. Результаты моделирования представлены на рис. 3-9А, а справа от него приведены основные контрольные факторы моделирования, включающие сравнение рассчитанного и измеренного глубинного распределения температур на 3-9Б и отражательной способности витринита на рис. 3-9В, а также рассчитанные вариации амплитуд тектонического погружения фундамента на рис. 3-9Г.

Рис. 6-9. Общая схема движения жидких УВ по каналам вторичной миграции от материнского пласта к резервуару под действием гидростатического градиента давлений dP / dz = rw×g×h / L.

Рассчитанные изменения температуры пород анализируемой тогурской пачки, их пористости и степени созревания ОВ в процессе погружения свиты показаны на рис 3-9А, Е и З. В вычислениях объёма УВ, генерированных породами свиты, полагалось, что ОВ тогурской свиты представлено смесью равных долей стандартных керогенов типа II с исходным потенциалом генерации УВ HI=627 мг УВ / г Сорг (табл. П-1-4) и типа III с исходным потенциалом HI=160 мг УВ / г Сорг (табл. П-1-10), так что исходный потенциал генерации УВ породами свиты составлял HI=394 мг УВ / г Сорг. В настоящее время ОВ тогурских глин для разрезов рассматриваемой площади характеризуется степенью созревания Ro » 0.80% (рис.3-9Е), а реализация потенциала генерации УВ соcтавляет около 166 мг УВ/т Сорг (рис.3-9Д). Расчёты для тогурской свиты предполагают, что порог первичной эмиграции УВ достигался здесь около 40 млн.лет назад, когда реализация УВ потенциала составляла около 150 мг УВ / г Сорг (рис. 3-9Д). С этого времени нефть по предположению должна была начать миграцию из материнских пород вверх или вниз в соседний горизонт с песчанистыми породами, обладающими пористостью 10-20% и высокой проницаемостью (рис. 5-9). Попробуем грубо оценить эти потоки миграции, используя методику, изложенную выше.

Если примем, согласно сказанному выше, градиент давления, движущий первичную миграцию в низкопористых материнских породах тогура, равным Ñ Fp =10⁴ Pa/м (England et al.,1987; Forbes et al.,1992), и возмём радиус пор равный r=10^-8 м, типичный для глин, возмём для динамической вязкости нефти значение m_р = 0.005 Ра/сек, для насыщения S = 50%, для параметра сопротивления движению нефти q =Ö3 и для пористости тогурских материнских глин значение около 5%, то получим из (9-17), что вертикальный поток УВ через м² породы в секунду может составлять величину q_верт » 2.1´10^-13 м³ УВ / м² сек. Величину возможного (предельного) потока латеральной миграции от материнских пород в сторону ловушки оценим, подставляя в (9-17) те же значения m_р, S, q, но значение r=10^-6 м, типичное для среднего радиуса пор несущих песчаных пород (England et al.,1987), величину пористости j= 10-20% и движущий градиент Ñ Fp = r_w× Dz ×g/Dx = 77.25 кГ/м³ »760 Pa/м, который создаётся подъёмом горизонта несущих песчанистых пород на высоту Dz=120 м на расстоянии около Dx=1600 м. В итоге получаем: q_латер » (3.2 - 6.3) ´10^-10 м³ УВ / м² сек.

Оцененные потоки являются, вообще говоря, предельными потоками, которые могут поддерживаться указанными движущими градиентами давлений Ñ Fp. Чтобы представить реальные геометрические размеры потоков первичной и вторичной миграции надо сопоставить оцененные потоки с генерационными возможностями тогурской свиты.

Согласно рис. 3-9Д, эмиграция из тогурских глин начинается при достижении породами степени реализации потенциала генерации УВ HI_realiz » 150 мг УВ/г Сорг (при малой генерации газа последний будет растворён в нефти и положение порога в таких случаях определяется скорее суммарной генерацией жидких и газовых УВ, нежели чистой генерацией нефти). Это соответствует генерации на единицу массы породы HI’_realiz = (HI_realiz / Cорг) » 9 мг УВ/г пор = 9 кг УВ/т пор для типичного содержания ОВ в породах тогурской свиты Сорг = 6% (см. рис. 3-9Ж). При достижении таких значений HI_realiz или HI’_realiz количество УВ, остающихся в матрице материнских пород (HI_matrix), начинает быстро уменьшаться, стремясь к некоторой постоянной величине – остаточной нефтенасыщенности (пунктирная кривая на рис. 3-9Ж). В нашем примере именно этот процесс вносит основной вклад в объём УВ, эмигрирующих из материнских пород (HI_migr), тогда как вклад в него продолжающейся генерации УВ заметно меньше (сравни сплошную кривую на рис. 4-9Ж, представляющую количество УВ, покинувших объём материнских пород). Но это нельзя считать типичной ситуацией для рассматриваемого бассейна. На рис. 4-9 (слева) показан пример другой площади того же бассейна, Салымской, и здесь количество эмигрировавших УВ уже значительно превосходит пороговую генерацию. В обоих рассмотренных примерах предполагается, что остаточная нефтенасыщенность составляет около 25% пороговой. На деле она может быть и меньше, так как во многих бассейнах объём УВ, остающихся в матрице, составляет не более 5% порового пространства материнских пород.

Рассчитанные объёмы миграции жидких УВ позволяют оценить время заполнения ловушек. Результаты оценок приведены в табл. 1-9 и 2-9. Параметр V₁ в табл. 1-9 и 2-9 показывает рассчитанные значения объёмов УВ, эмигрировавших из единицы объёма пород материнской тогурской свиты к моменту времени t, указанному в строке «время». Этот объём вычислялся исходя из количества УВ, покинувшего объём материнских пород (HI_migr) и показанного на рис. 3-9Ж сплошной линией. Объём вычислялся по формуле: V₁(м³УВ/м³ породы) = HI_migr (кг УВ/т породы)×r (т породы/ м³ породы) / r (кг нефти / м³ нефти), принимая для плотностей породы и нефти значения: r(породы)=2.63 т/м³ и r(нефти)=700 (кг/м³). Так, максимальное значение HI_migr = 7.8 (кг УВ/т породы) на рис. 3-9Ж) соответствует значению V₁= 0.0292 м³УВ/м³ материнской породы, приведённому в табл. 1-9, 2-9 для настоящего времени (t=0.).

Параметр V₂ в табл. 1-9, 2-9 показывает полный объём УВ, эмигрировавших из пород тогурской свиты к соответствующему времени. Он получался умножением V₁ на объём тогурских н-м пород, работавших в направлении соответствующей ловушки (рис. 6-9). В рассматриваемом частном примере мощность слоя материнских пород, генерировавших УВ для ловушек, (h) составляла около 11 м как для первой, так и для второй ловушки. Площади поверхности соответствующих материнских тел составляли 900000 м² и 1100000 м² для первой и второй ловушки, соответственно. Тогда объём тогурских материнских пород, работавших в направлении первой ловушки, равнялся V_тогур = 11 м ´ 900000 м² » 10⁷ м², а для второй - V_тогур = 11 м ´ 1100000 м² » 1.21´10⁷ м³.

Таблица 1-9. История эмиграции жидких УВ из тогурской пачки н-м пород (рис. 6-9) и заполнения первой ловушки (рис. 7-9), начиная со времени достижения порога эмиграции (40.4 млн. лет назад) и кончая настоящим временем (t = 0.).

Замечание: в вычислениях принималось: S=70%; j=12%.

Таблица 2-9 То же, что и в Табл.1-9, но с заполнением второй ловушки.

Замечание: в вычислениях принималось: S=70%; j=12%.

В представленном варианте расчёта V₂ слой материнских пород был относительно тонким и однородным по толщине и генерационным возможностям. Для неоднородных материнских толщ объём УВ, эмигрировавших из материнской породы, рассчитывают, интегрируя вклады элементарных объёмов по высоте и площади тела материнскоой свиты (т.е. по его объёму):

V₂(t)= (9-18)

Такое суммирование позволило бы учесть влияние вариаций в интенсивности эмиграции из объёма как функции времени и положения элементарного объёма материнских пород, т.е. вариации вкладов конкретных элементарных объёмов тела материнской свиты. Формула (9-18) предполагает, что каждый столбец материнских пород dx×dy в пределах площади S материнского тела имеет свою высоту h(x,y) и свое время t1(x,y) начала эмиграции (среднее по высоте материнского пласта в точке х, у).

Согласно табл.1-9, в первые 2 млн. лет после достижения порога было генерировано около 0.00889 м³УВ / м³ н-м породы или h×DV₁ = 11´ 0.00889 = 0.0978 м³УВ / м² н-м породы. Это соответствует среднему за 2 млн. лет потоку УВ через единицу площади н-м пород q_н-м = 0.0978 / (2´10⁶ ´3.15´10⁷ сек) = 1.55´10^-15 м³ УВ / м² н-м п / сек. Таков реальный поток жидких УВ, обеспеченный генерацией УВ породами материнской свиты. Это значение можно сравнить с определённым выше потоком, который может обеспечить градиент давления в н-м глинах и равен q_верт » 2.1´10^-13 м³ УВ / м² сек. Сравнение потоков показывает, что в условиях вертикальной миграции из пласта материнских тогурских глин (рис. 5-9) будет задействована лишь часть от площади поверхности пласта н-м пород, составляющая около 1.55´10^-15/2.1´10^-13 =0.0074 или менее процента площади кровли материнского пласта. Соответственно под латеральную миграцию (рис. 6-9) будет задействована площадь, равная SS = (1.55 ´ 10^-15 / (3.2 - 6.3) ´ 10^-10) ´ 900000 м² = (4.36 - 2.44)´10^-6´900000 м² » 4.4 -2.2 м² от площади поперечного сечения пласта, подводящего к ловушке. Здесь 900000 м² - площадь поверхности тела материнских пород, работавших в направлении первой ловушки (рис. 5-9 и 6-9). При пористости пород пласта вторичной миграции 10 - 20% и насыщенности около S_oil = 50% это будет соответствовать площади в поперечном сечении пород подводящего слоя S_migr от 22 м² при пористости его пород j=20% до 88 м² при пористости пород j=10% (Напомним, что S_migr = SS/[j× S_oil]). Тогда объём УВ, затраченных на заполнение подводящего слоя от материнского пласта к ловушке (его длина L (рис. 7-9) составляет в нашем примере около 1600 м) будет равен V_мигр = 1600 м´(2.2 - 4.4) м² = 3520 - 7040. м³ УВ. Как следует из данных табл. 1-9, такой объём УВ, необходимый для заполнения подходных путей к первой ловушке, будет поставлен нефтематеринскими породами тогура уже за первые 500 тысяч лет после начала процесса эмиграции. Эти сроки были ещё меньше для второй ловушки, где подходные пути существенно короче.

Таким образом, объём УВ, остающихся на путях вторичной миграции, достаточно мал и тогда с основанием можно считать, что параметры V₂ в табл. 1-9 и 2-9 оценивают полный объём УВ, поступивший ко времени t в ловушки. Первая ловушка на рассматриваемой площади аппроксимируется телом конической формы с высотой H = 15 м и эллиптическим основанием с полуосями A =600 м и B=350 м (рис. 6-9). Пористость пород в двух рассматриваемых ловушках составляет в среднем j=12%. Предполагая, что все УВ заполняют верхнюю часть ловушки с насыщенностью S » 70%, получаем оценку для высоты h конической ловушки (от вершины), заполненной УВ к данному времени:

h = [(3V₂×H²) / (p×A×B×j×S)]^1/3

Параметры a и b в табл. 1-9 представляют полуоси эллипсов в основании этих конусов с высотой h, заполненных нефтью. Геометрическая форма второй ловушки аппроксимировалась цилиндрическим телом с площадью основания Scyl=1100000 м² и высотой 10 м. Так как площадь этой ловушки заметно превосходила эффективные поперечные площади соответствующих конусов то получающиеся оценки высот h заполнения ловушек нефтью в табл. 2-9 (h= V₂ / (S_cyl×j×S)) была заметно меньше высот тела для первой ловушки. В последних двух строках таблиц 1-9 и 2-9 показаны в процентах доли заполнения ловушек и вес в тоннах жидких УВ в ловушках для разных этапов их заполнения. При этом полный объём УВ в первой ловушке составлял 15 м´(600 м´350 м´p / 3) » 3 300 000 м³, и во второй – 3.36 м´1 100 000 м² » 3 700 000 м³.

Рассмотренные два примера касались незначительных в геологическом масштабе месторождений, но они позволяют провести аналогичные расчёты без применения громоздких вычислений и мощных компьютерных устройств, для оценки интенсивностей миграции и времени заполнения ловушек и на других более перспективных площадях.