Прогноз зон вторичной трещиноватости на основе данных сейсморазведки и тектонофизического моделирования
Автор: М.Ю. Зубков
Из анализа геолого-промысловых данных, а также результатов детальных литолого- петрофизических исследований, проведенных в пределах различных месторождений Западной Сибири, видно, что резкие изменения продуктивности скважин, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, невозможно объяснить только вариациями мощности продуктивных пластов или их выклиниванием (глинизацией) (Трусов Л.Л., Зубков М.Ю., Черновец Л.В. и др., 1991). То же самое можно сказать и о значительных вариациях уровня водонефтяного контакта (ВНК) в пределах некоторых месторождений (Трусов Л.Л., Асанбаев Б.З., Зубков М.Ю., 1990; Трусов Л.Л., Зубков М.Ю., Черновец Л.В. и др., 1991). Более того, трассерные исследования многих залежей месторождений Западной Сибири (Южно-Ягунское, Дружное, Лась-Еганское, Поточное, Северо- Поточное, Ватинское, Тюменское, Ново-Молодежное, Гун-Еганское, Мало-Черногорское, Талинское и др.) показали наличие аномально высокопроницаемых (до 30-5000 мкм2) каналов. Скорость прохождения по ним закачиваемой воды достигает 10-180 м/ч, что в 1000-2000 раз выше характерных значений для терригенных (гранулярных) коллекторов [4]. Особо выделяются также необычные продуктивные объекты в отложениях баженовской и абалакской свит, формирование емкостного пространства в которых происходило на значительных глубинах под действием наложенных (вторичных) процессов (Гурари Ф.Г., Гурари И.О., 1974; Нестеров И.И., 1979; Новиков Г.Р., Салманов Ф.К., Тян А.В., 1979; Зубков М.Ю., 1989; Зубков М.Ю., Бондаренко П.М., 1997; [1,5]). Все перечисленные факты свидетельствуют, что тектонические движения, происходившие в пределах тех или иных месторождений или площадей, оказывают значительное влияние на фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС) обычных (первичных) гранулярных коллекторов, а также способствуют образованию трещинно-кавернозных (вторичных) коллекторов (Трусов Л.Л., Асанбаев Б.З., Зубков М.Ю., 1990; Трусов Л.Л., Зубков М.Ю., Черновец Л.В. и др., 1991; Зубков М.Ю., Бондаренко П.М., 1997). Сказанное подтверждается также наличием в описываемых участках термобарических и гидрохимических аномалий. Кроме того, в образцах керна отмечаются специфические новообразованные минеральные ассоциации, представленные хорошо ограненными эпигенетическими кристаллами кварца, альбита, цельзиана (бариевый полевой шпат), барита, апатита, пирита, миллерита, различных карбонатных минералов, самородной серы, гипса, каолинита и диккита (Трусов Л.Л., Асанбаев Б.З., Зубков М.Ю., 1990; Зубков М.Ю., Бондаренко П.М., 1997). Таким образом, резкие изменения ФЕС первичных (гранулярных) и образование вторичных (трещинных и трещинно-кавернозных) коллекторов обусловлены тектоническими движениями, сопровождавшимися проникновением из фундамента гидротермальных флюидов, приведших к возникновению термобарических и гидрохимических аномалий, а также формированию устойчивых в этих условиях минеральных ассоциаций.
Возникает вопрос о возможности прогнозирования описываемых зон в пределах как уже эксплуатирующихся месторождений с целью организации оптимальной схемы их разработки, так и новых площадей для их разведки (доразведки) и последующего рационального размещения нагнетательных и добывающих скважин. Для этого предлагается использовать оригинальный способ комплексирования данных сейсморазведки и тектонофизического моделирования (Зубков М.Ю., Бондаренко П.М., 1997). Суть описываемого способа заключается в исследовании распределения напряжений, прогнозе зон трещиноватости (разуплотнения), а также анализе механизма образования трещинных дислокаций с использованием двух типов моделей (оптико-поляризационной и седиментационной [2, 3]) на основе выбранных в качестве базовых для того или иного месторождения или площади сейсмовременных разрезов (Зубков М.Ю., Бондаренко П.М., 1997).
Анализ сейсмовременных разрезов, отражающих строение кровли фундамента и осадочного чехла в пределах различных месторождений, показал, что на них выделяются различные структурные формы, которые в большинстве случаев могут быть представлены в виде более простых составляющих их элементов. К ним могут быть отнесены прогибы различной амплитуды и формы, флексуры, флексуросбросы, антиклинальные поднятия (островершинные, пологие), а также сложные, состоящие из нескольких близкорасположенных более мелких поднятий, и т. д. (рис. 1).
Следует обратить внимание, что на большей части Западно-Сибирской плиты осадки залегают субгоризонтально, поднятия имеют пологие вершины и крылья, а впадины обладают "корытообразной" формой. И поднятия, и впадины обычно ограничены флексурами или флексуросбросами (см. рис. 1, А, Б). В западной части плиты тектонические движения происходили гораздо активнее и значительно позже, поэтому здесь отмечаются более рельефные структуры с островершинными поднятиями и сравнительно крутыми крыльями (см. рис. 1, В, Г, Д).
На сейсмовременных разрезах обращают на себя внимание два необычных морфоструктурных элемента, а именно: "бескорневые" поднятия, не имеющие продолжения в фундаменте (см. рис. 1, Г, Д), и зоны разуплотнения или просадки над вершинами антиклинальных поднятий (см. рис. 1, Б, В, Д). Происхождение этих структур не имело однозначного объяснения и лишь проведение тектонофизического моделирования, в частности седиментационным методом, позволило разобраться в механизме их формирования.
Рассмотрим результаты тектонофизического моделирования выделенных на сейсмовременных разрезах основных простых структурных элементов.
Оптико-поляризационный метод моделирования основан на явлении оптической анизотропии в прозрачных аморфных телах, подвергнутых деформации, связанном с изменением двойного лучепреломления в зависимости от величины напряжений. Этот метод обеспечивает достаточное соблюдение условий подобия для упругой области деформаций. Сопоставление модели с реальным геологическим объектом правомерно в тех пределах, где отдельные геологические структуры в различных стадиях их развития можно считать упругими однородными телами с ненарушенной сплошностью. В таких случаях распределение напряжений в упругих телах различного масштаба, как известно (Фрохт М.М., 1948, 1950), не зависит от физических свойств сравниваемых объектов, а достаточно строго определяется аналогией внешнего напряжения и геологическим подобием изучаемых структурных форм.
При оптико-поляризационном моделировании в качестве эквивалентного материала использовались водно-глицериновые растворы желатина с различной плотностью, задаваемой концентрацией желатина (Сжел) от 10 до 20 %, что отвечает модулю их упругости E от 3-104 до 9*104 Па соответственно. Для каждого слоя, входящего в состав моделей, проводилось изучение характера распределения уровней касательных напряжений (τmах) по их относительной величине, равной спектральному порядку изохроматических полос, обозначающих зоны равных полуразностей нормальных напряжений (σ), в соответствии с законами фотоупругости:
Самой простой из рассматриваемых структурных элементов является флексура (рис. 2). Анализ распределения касательных напряжений во флексуре показал, что их максимальные значения приурочены к приподнятому плечу (изохромы до 7-го порядка). Минимальные касательные напряжения (вплоть до нулевых), напротив, отмечаются в опущенном крыле флексуры (см. рис. 2, А). Уже отмечалось, что образование трещинных дислокаций должно происходить в зонах повышенных касательных напряжений. Поэтому, исходя из прогнозируемого расположения зон повышенной трещиноватости или разуплотнения, можно предположить, что если рассматриваемая структура представляет собой песчаный пласт, перекрытый глинистым экраном, то миграция флюидов из опущенного крыла флексуры по имеющимся сколово-сдвиговым и разрывным дислокациям будет осуществляться вверх в зону разуплотнения, сформировавшуюся в приподнятом крыле флексуры. Именно здесь образуется высокоперспективная зона с повышенными ФЕС (см. рис. 2, Б, В). В качестве следующей простой структуры рассмотрим пологий прогиб, ограниченный по бортам двумя флексурами (рис. 3). Как и в рассмотренном ранее случае, максимальные касательные напряжения отмечаются в приподнятых крыльях левой и правой флексур, которые далее для краткости будем называть плечами прогиба (см. рис 3, А). Небольшие зоны средних значений касательных напряжений (5-6-го порядков) отмечаются вблизи поверхности модели над левым и правым ее плечами. В центральной части рассматриваемой модели над осью прогиба также выделяется зона с повышенными значениями касательных напряжений (до 6-8-го порядков). Зоны пониженных касательных напряжений выделяются в осевой части нижней модели (см. рис. 3, А). В нижней части прогиба в области минимальных значений касательных напряжений выделяется нейтральная ось, вдоль которой растягивающие и сжимающие напряжения равны между собой.
Исследуемые осадочные толщи имеют слоистое строение, поэтому нет уверенности в том, что, проводя эксперименты с монолитными однородными моделями, мы получим распределение напряжений, адекватное таковому слоистых моделей. Поэтому для сравнения с монолитной однородной моделью прогиба была создана модель, состоящая из слоев различной плотности (рис. 4).
Интересно, что если в двух нижних слоях зоны максимальных касательных напряжений в осевой части модели приурочены к их кровлям, то в перекрывающих их верхних слоях эти зоны находятся в их подошвах (см. рис. 4, А). В нижней части прогиба так же, как и в монолитной однослойной модели, выделяется зона пониженных и нулевых значений касательных напряжений, где образование трещинных дислокаций обоих типов (отрыва и скола) невозможно. Учитывая траектории нормальных и касательных напряжений (см. рис. 4, Б), а также связывая плотность слоев с их прочностными свойствами и вещественным составом (например, самый плотный нижний слой (Сжел = 20 %) моделирует песчаные отложения, следующий слой (Сжел =14 %) – глинистые алевролиты и самый пластичный слой (Сжел = 10 %) – глины), можно предположить следующее распределение зон тектонической трещиноватости. В нижнем плотном слое (его подошве) над плечами прогиба возникнут наклонно ориентированные трещины отрыва, которые впоследствии могут оказаться соединенными серией трещинно-сколовых дислокаций сбросового типа, ориентированных поперек напластования. Следует отметить, что в приосевой части прогиба трещины отрыва приобретают субгоризонтальную ориентировку, поэтому в кровле рассматриваемого слоя на этом участке модели следует ожидать формирование зоны разуплотнения с субгоризонтальной трещиноватостью (см. рис. 4).
Следует отметить, что образование трещин отрыва наиболее вероятно в компетентных породах, представленных известняками, мергелями, песчаниками с карбонатным цементом и т. п., а в пластичных породах – глинах, глинистых алевролитах, возможно, граувакках, скорее всего, будут возникать сколово-сдвиговые дислокации, так как трещины отрыва в них не смогут сохраниться из-за их повышенной пластичности. С целью более наглядного сравнения распределения значений касательных напряжений в однородной однослойной и неоднородной многослойной моделях построен график их изменения в этих моделях в вертикальном направлении в их осевых частях и плечах (рис. 5). Анализ полученных графиков показал, что общие тенденции изменения касательных напряжений с глубиной и в осевых частях, и плечах моделей сохраняются. Однако в многослойной разноплотностной модели отмечаются значительные изменения касательных напряжений на границах слоев, что свидетельствует о скачках напряжений при переходе через границу слоев. Максимальные скачки касательных напряжений фиксируются в осевой части прогиба (см. рис. 5).
В перекрывающих слоях субвертикальные трещины отрыва образуются в их подошвах, захватывая в большей или меньшей степени остальную часть слоев. Если нижний слой с минимальной плотностью условно принять за глинистый, то, скорее всего, в нем реализуются сдвигово-сколовые дислокации, в результате которых образуются поверхности и зеркала скольжения, так как трещины отрыва в силу низких прочностных свойств глин не смогут сохраниться. Напротив, в более плотном следующем слое, имитирующем песчаники, вполне вероятно формирование зоны с субвертикальной трещиноватостью, обладающей повышенными ФЕС. В следующем, менее плотном, слое, условно отнесенном к алевритистым глинам, в его подошве сформируется небольшая трещиноватая зона разуплотнения, в которой в зависимости от прочностных и реологических свойств рассматриваемого слоя образуются сколово-сдвиговые деформации или трещины отрыва. Таким образом, над симметричными антиклинальными поднятиями в их купольной части формируются участки с повышенными ФЕС, причем в зависимости от прочностных свойств слоев и их положения в разрезе изменяются тип трещин, их ориентировка и протяженность (см. рис. 6, А, Б).
Еще раз отметим, что поскольку прочность горных пород на отрыв (разрыв) примерно на один порядок меньше, чем на скол [2, 3], то первоначально в деформируемой осадочной толще любого состава возникают трещины отрыва. Однако если в крепких породах типа известняков, мергелей, силицитов или прочно сцементированных песчаников они в большей или меньшей мере сохраняются, то в пластичных породах, таких как глины, трещины отрыва быстро сменяются сколово-сдвиговыми дислокациями и в участках повышенных касательных напряжений в них возникают многочисленные поверхности и "зеркала" скольжения, которые часто наблюдаются в образцах керна, отобранных из таких зон.
Рост поднятия, кроме того, привел к нарушению существовавшей до этого момента структуры осадка. Он оказался сжатым в направлении, параллельном длинной оси этого поднятия (т.е. параллельно коротким сторонам седиментационной модели). Вследствие этого над начавшим расти рядом с ним вторым поднятием (ось которого ориентирована так же, как и у первого поднятия) трещины оказались вытянутыми преимущественно вдоль его оси (см. рис. 10, Б). Поперечные трещины почти не образовались за исключением нескольких, явившихся продолжением возникших ранее над первым поднятием. Эти поперечные трещины соединили обе возникшие трещинные зоны.
Следует обратить внимание на то, что раскрытость трещин, сформировавшихся ранее над первым поднятием, значительно уменьшилась, особенно тех, которые были ориентированы субпараллельно осям поднятий. Следовательно, на этапе роста второго поднятия вновь включился природный "насос", который под действием бокового давления перегнал от этого поднятия часть пластовых флюидов из образовавшейся ранее трещинной зоны над первым поднятием в только что сформировавшуюся таковую над вторым поднятием (см. рис. 10, Б).
Возобновление роста первого поднятия вновь привело к увеличению раскрытости системы трещин отрыва, возникшей ранее над ним, и почти полному смыканию субпараллельной системы трещин над вторым поднятием (см. рис. 10, В). Вновь произошла быстрая перекачка флюидов по существующей системе трещин из трещинной зоны над вторым поднятием в таковую над первым. Наконец, последовавший вновь интенсивный рост второго поднятия вызвал перераспределение флюидов в обратном направлении. Раскрытость трещин над первым поднятием вновь уменьшилась, а над вторым, напротив, значительно увеличилась, возросло и число поперечных трещин, соединяющих системы трещин над обоими поднятиями (см. рис. 10, Г).
Большой интерес представляет анализ закономерностей распределения трещинных дислокаций снизу доверху в различных пластах, составляющих седиментационную модель. Это важно не только с точки зрения выяснения механизмов миграции флюидов, формирования залежей, объяснения их блочного строения и т.п., но и для обоснования использования других дистанционных методов, в частности результатов дешифрирования аэро- и космоснимков для прогноза зон трещиноватости в осадочном чехле.