ТЕОРИИ ОБРАЗОВАНИЕ НЕФТИ И ГАЗА

Месторождения нефти и газов. Как залегают в них нефть и газ. Количество нефти, которое может находиться в породе

 Чем шире проводятся геологические исследования и чем более глубоко и детально производятся анализы, тем чаще обнаруживаются нефти и природные горючие газы или их следы. Пожалуй, не будет преувеличением утверждение о том, что на Земле нет таких осадочных пород, в которых где‑либо не встречены те или иные количества нефти и особенно горючих газов. Точно так же можно утверждать, что не существует ни одного континента или очень крупного острова, в пределах которых не было бы нефти и горючих газов. Наконец, результаты бурения в акваториях позволяют считать, что подо дном всех без исключения морей и океанов содержатся горючие газы (в основном метан) и довольно часто нефть.

 Однако сказанное выше не означает, что в любом месте можно заложить буровую скважину и получить нефть и горючий газ. Дело в том, что они могут встречаться в различных концентрациях, а газ и в различном состоянии. Так, например, нефть в виде отдельных капель может быть рассеяна в мощных толщах пород, а газ встречается и в виде отдельных пузырьков, и в растворенном в воде и в сорбированном отдельными минералами состоянии.

 Но как в песне: "одна дождинка ‑ еще не дождь", так и одна капля нефти или один пузырек газа в породах еще не месторождение. Вероятно, правильнее месторождениями нефти и газа называть такие участки территорий или акваторий, в пределах которых имеются заметные скопления этих ископаемых. Скопления могут быть промышленными, т.е. такими, которые целесообразно разрабатывать добывать нефть и газ, и непромышленными, в применении к которым это делать экономически невыгодно. Добывать нефть или газ из непромышленных месторождений нецелесообразно по различным причинам: либо количества получаемых в скважинах этих полезных ископаемых столь невелики, что не оправдывают затрат на бурение скважин и организацию добычи, либо общие количества нефти и газа в месторождении небольшие и организация их добычи нерентабельна.

 Вполне понятно, что разделение месторождений нефти и газа на промышленные и непромышленные зависит от многих факторов: близости потребителя, железной и других дорог, количества и качества нефти и газа, глубин их залегания и т.д. Поэтому месторождения, которые в одних областях по объемам содержащихся в них нефти и газа или по дебитам скважин являются непромышленными, в других областях и районах страны могут быть промышленными. Так, например, промышленные месторождения в Западной Сибири должны содержать гораздо больше нефти, чем промышленные месторождения на Кавказе или на Украине, или иметь гораздо большие дебиты скважин. Это же относится и к морским месторождениям.

 К описанию месторождений мы еще вернемся, а пока рассмотрим, как же залегают в них нефть и газ. Надо сказать, что до сих пор нередко можно встретиться с представлением о том, что нефть в недрах под поверхностью земли, так же как вода на поверхности, образует реки и озера. Помнится, когда начали добывать нефть в районах Волго‑Урала и в то же время снижалось количество добываемой нефти в районе Баку, многие обыватели объясняли это снижение тем, что "нефтяную реку" перехватили в районе Волго‑Урала.

 Конечно, все эти представления неверны, что станет понятным, когда мы рассмотрим условия залегания нефти и газа в недрах. Совершенно очевидно, что нефть и газ как и любая материя, должны находиться в пространстве. Рассмотрим, каким же может быть это пространство на глубине. Для этого в первую очередь надо определить, что представляют собой те горные породы, которые слагают верхнюю часть земной коры и в которых чаще всего встречаются нефть и газ. Рассмотрим сначала песок. Представим себе, что он состоит из правильных сферических частиц одинакового объема. Расчеты показывают, что в зависимости от плотности укладки эти частицы могут занимать чуть больше половины (52,4%) или три четверти (74,2%) объема всей горной породы, а остальное пространство ‑ свободное, составляющее от 25,8 до 47,6% породы, приходится на поры, в которых могут находиться любые жидкости и газы (рис. 18). Это значит, что теоретически в каждом кубическом метре песка может содержаться от 0,26 до 0,47 м³ нефти.

Рис. 18. Поры в песке при разной укладке зерен. Пористость песка, %: а ‑ 25,8; б ‑ 36,7; в ‑ 47,6

 Для того чтобы представить себе реально количество нефти, которое может находиться в такой породе, примем, что нефть содержится в порах такого песка который слагает пласт мощностью (или толщиной) 10 м Теоретически в таком пласте на площади всего 1 км может быть заключено от 2,58 млн. до 4,76 млн. м³ нефти, или, принимая ее среднюю плотность равной 0,86 г/см³, ‑ от 2,219 млн. до 4,09 млн, т, и, следовательно, на площади в сотни квадратных километров ‑сотни миллионов тонн. Другие породы ‑ известняки, доломиты ‑ также содержат пустоты в виде пор, каверн, трещин и даже мелких пещер, количество и размен которых уменьшаются с глубиной. Общий объем таких пустот или, как принято называть, коэффициент пористости пород, может составлять от десятых долей процента до 20‑30% объема пород.

 Однако наличие пустот в горных породах еще не определяет полностью их свойства по отношению к нефти и газу. Дело в том, что размеры этих пустот могут быть самыми различными и именно от них зависит свойство пород пропускать жидкости и газы. Так, из физики известно, что благодаря действию сил молекулярного притяжения в капиллярных каналах поперечным сечением менее 0,001 мм вода не перемещается под влиянием силы тяжести, и требуется приложение значительных градиентов давления, чтобы сдвинуть такую пленочную, как ее называют, жидкость.

 Поры всех осадков, накапливающихся подо дном водных бассейнов, с начала их образования заполнены водой. На суше, как только порода оказывается ниже уровня грунтовых вод, все ее поры также заполняются водой. Таким образом, когда в породу поступают нефть или газ, то для заполнения ее им надо вытеснить воду. Из пор крупнее 0,001 мм вода может уйти, а из более мелких пор при давлениях, обычно существующих на глубинах до 10 км, она не может быть вытеснена. По этой причине вода, нефть и газ в недрах могут двигаться по пластам песков, песчаников, пористых известняков, доломитов, различных трещиноватых пород, но для них совершенно непроницаемы пласты влажных глин, каменной соли, плотных известняков, ангидритов и других непористых и нетрещиноватых пород.

 Поскольку пласты, содержащие в недрах подвижную воду, не разобщены друг с другом герметично, все они представляют собой своеобразную систему сообщающихся сосудов, давление в которых равно весу столба жидкости. По этой причине давление жидкости и газа в породах с глубиной увеличивается через каждые 10 м на 0,1 МПа, в общем случае достигая, например на глубине 1000 м, 10 МПа. Однако нередко пластовые давления превышают эту величину (см. ниже). Благодаря высокому давлению газ в недрах в соответствии с законом Бойля ‑ Мариотта, занимает значительно меньший объем, чем на поверхности. Так, на глубине 1000 м при температуре 40°С в одном кубическом метре пространства содержится такое количество газа, которое на поверхности земли при стандартных условиях: давлении 1 МПа (760 мм рт. ст.) и температуре 15°С будет иметь объем, равный примерно 103 м³ (не точно из‑за отклонения реального газа от идеального).

 Определяющим моментом в распределении нефти, газа и воды в недрах является существенное различие их плотностей: пластовые воды обычно соленые, часто имеют плотность 1,05‑1,25 г/см³, плотность нефти, как отмечалось, в среднем равна 0,86 г/см³, а в пластовых условиях, на глубине порядка 1000 м, благодаря большому количеству растворенного в ней газа (до 300 м³ в 1 м³ нефти) ‑ 0,6‑0,7 г/см³, наконец, плотность газа, преимущественно метанового, на этой же глубине ‑ 0,07 г/см³. Согласно законам физики, указанные жидкости и газ распределяются в недрах в соответствии с их плотностями: вверху газ, ниже нефть, под которой почти всегда находится пластовая вода.

 В природе часто проницаемые пласты чередуются с непроницаемыми и, как правило, вследствие тектоникеских движений изгибаются самым различным образом "наиболее повышенных участках проницаемых пластов образуются природные ловушки, в которых могут накапливаться нефть и газ (рис. 19). Эти ловушки в течение многих десятков лет и были основными объектами поисков нефти и газа.

 Однако природа всегда изобретательнее, чем можно представить даже при самой богатой фантазии: казалось, что ловушки могут образовываться не только следствие изгибов, но и на месте рифов (рис 20) в зонах трещиноватости магматических пород (рис. 21), у соляных тел (рис. 22), в зонах выклинивания песков и песчаников, даже в трещиноватых глинах (например, в Западной Сибири) и в других случаях. Нередко в таких участках образуется сразу много ловушек, располагающихся одна под другой. Поэтому в пределах месторождений, как правило, встречается несколько залежей, находящихся на разных глубинах.

Нефтяная залежь в рифе (месторождение в Западном Техасе, США)

Рис. 21. Нефтяная залежь в трещиноватых магматических породах (США) . Черным показана залежь нефти, остальными условными знаками ‑ разные магматические и осадочные породы

Нефтяные залежи в соляных куполах. Черным показана нефть

 Залежи могут быть различными и по физическом) состоянию флюидов: однофазовыми ‑ газовыми, газоконденсатными, нефтяными (рис. 23), двухфазовыми в зависимости от соотношения фаз: нефтяными с "газовой шапкой" или, наоборот, газовыми с нефтяной оторочкой (рис. 24). При этом поскольку в газе, особенно в двухфазовых залежах, часто содержится большое количество конденсата, то обычно такие залежи называют газоконденсатно‑нефтяными, газоконденсатными с нефтяной оторочкой и т. д. (рис. 25). В пределах месторождений залежи могут чередоваться самым различным образом: над и под нефтяной залежью могут располагаться газоконденсатные или, наконец, эти залежи чередуются между собой (рис. 26). Максимальные известные в настоящее время глубины распространения залежей достигают 7 км.

Геологический разрез месторождения 'Нефтяные Камин' в Каспийском море вблизи г. Баку

Залегание нефти и газа в Самотлорском месторождении Западной Сибири.

Породы: 1 ‑ преимущественно песчаные, 2 ‑ преимущественно глинистые, 3 ‑ газ, 4 ‑ нефть

Рис. 25. Залегание газа, содержащего конденсат и нефти в Уренгойском месторождении. Породы: 1 ‑ преимущественно песчаные, 2 ‑ преимущественно глинистые, 3 ‑ переслаивание глинистых и песчаных пород, 4 ‑ газ, содержащий конденсат, 5 ‑ нефть

Залегание нефти и газа в месторождениях

Битков ‑ Старуня ‑ Гвизд (Западная Украина): 1 ‑ надриг, 2 ‑ нефть, 3 ‑ газ

 Размеры месторождений в плане могут колебаться в больших пределах: от нескольких сотен метров до десятков и даже сотен километров. Так, гигантское нефтяное месторождение Гхавар в Саудовской Аравии, со держащее более 30 млрд. т нефти, приурочено к ловушке, протягивающейся более чем на сотню километров при ширине 50‑60 км.

 Крупнейшее в СССР Уренгойское газовое месторождение протянулось на 170 км при ширине 30‑50 км и обладает запасами почти 6 трлн. м3. Этого количества газа хватило бы, чтобы обеспечить потребность Москвы в газе в течение 353 лет или всего мира в течение 4 лет (по потреблению 1979 года).