В работе выполнено определение закономерностей и динамики образования областей улучшенных фильтрационно-емкостных свойств породы пласта-коллектора для совершенствования эксплуатации Невского подземного хранилища газа (Новгородская обл., РФ). Выявлены закономерности формирования структурной ловушки объекта хранения газа – I гдовского пласта. История формирования гдовского горизонта восстановлена с помощью разработанной 3D-палеогеомеханической модели. Показано, что кровля гдовского горизонта и структурная ловушка I гдовского пласта – новые образования, сформированные на современном этапе. Характер их формирования не является унаследованным. Из-за действия тектонических сил уже на следующим за образованием гдовского горизонта геологическом этапе к моменту формирования котлинского горизонта образовались области разрушения горной породы растяжением и сдвигом. Процесс разрушения породы продолжился на последующих геологических этапах. На поздних геологических этапах образовались области разрушения горной породы сдвигом, примыкающие к областям разрушения растяжением в виде внешних «кольцевых» зон. Разработанная методика применима для других ПХГ и месторождений.
Использование 3D-палеогеомеханического моделирования перспективно для оптимального размещения эксплуатационных скважин, определения путей миграции флюидов и других важных проблем разработки месторождений и эксплуатации ПХГ, включая рентабельность строительства скважин [1]. В настоящей работе с помощью разработанной 3D-палеогеомеханической модели проследим историю формирования гдовского горизонта Невского ПХГ. Определим закономерности формирования структурной ловушки объекта хранения газа – I гдовского пласта и кровли гдовского горизонта, а также закономерности и динамику образования областей улучшенных ФЕС породы пласта-коллектора.
Общие сведения о географическом положении и характеристиках Невского ПХГ приводятся в работе [2]. Объектом хранения газа является относительно тонкий I гдовский пласт (толщина от 2 до 12 м, порода – песчаник), входящий в состав гдовского горизонта (толщина от 48 до 102 м) и примыкающий к его подошве. Рассматривался промежуток геологического времени длительностью 650-680 миллионов лет от момента формирования гдовского горизонта [2] до современного этапа. 3D-палеогеомеханическая история Невского ПХГ изучается в выбранные моменты, соответствующие завершению формирования последующих за гдовским горизонтов, для которых имеется геологическая информация. Для построения 3D-палеоструктур и определения напряженно-деформированного состояния горных пород использовались глубины и абсолютные отметки в скважинах для следующих стратиграфических подразделений: гдовский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 898 м, возраст 650-680 миллионов лет), котлинский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 765 м), ломоносовская свита (средняя абсолютная отметка кровли 742 м, возраст 580 миллионов лет), тискреский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 633 м), тремадокский ярус (средняя абсолютная отметка кровли 580 м), среднеордовикский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 388 м), пярнуско-наровский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 340 м, возраст 385 миллионов лет), швентойский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 157 м), бурегский горизонт (средняя абсолютная отметка кровли 70 м, возраст 370 миллионов лет).
Методика моделирования
Создание 3D-палеогеомеханической модели заключается в использовании палеоструктурных построений для определения смещений точек пласта на протяжении выбранного промежутка времени, а именно, на границах отдельных геологических этапов вплоть до современного. По найденным смещениям методами физики прочности находим деформации и напряжения в горной породе, а также области трещиноватости и улучшенных фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС). Главное преимущество 3D-палеогеомеханической модели по сравнению с традиционными геомеханическими моделями заключается в учете действия тектонических сил, по своей величине сравнимых или даже превышающих силы, связанные с весом вышележащих горных пород.
Подробно техника 3D-палеогеомеханического моделирования изложена в работах [3–4]. Использовалась программа на алгоритмическом языке ФОРТРАН, разработанная авторами данной работы. При построении графиков использовалась коммерческая программа ORIGIN. В силу новизны методики публикации других авторов по 3D-палеогеомеханической модели в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют.
С целью оптимизации расчетной сетки будем использовать условную систему координат, повернутую на 45° против часовой стрелки в горизонтальной плоскости относительно традиционной системы координат.
Моделирование палеоструктуры
Рассмотрим изменение формы кровли I гдовского пласта Невского ПХГ в течение промежутка времени, начиная с момента, когда был сформирован гдовский горизонт 650-680 миллионов лет назад до современного этапа. Соответствующие 3D-палеоструктуры представлены на рис. 1–4 (здесь и далее вертикальная координата z для удобства отсчитывается вниз от уровня моря, 3D-рисунки повернуты на 180° относительно стандартного положения). Структурные ловушки соответствуют прогибам в нижних частях рис. 1–4.
Рис. 1. Форма кровли I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования гдовского горизонта
Форма кровли I гдовского пласта на момент завершения формирования гдовского горизонта показана на рис. 1. Максимальный перепад отметок кровли составляет 29,5 м. В кровле I гдовского пласта сформировались два купола: первый – с амплитудой 3 м в юго-западной части Невского ПХГ, второй – с амплитудой 5 м в северо-восточной части хранилища.
К моменту завершения формирования котлинского горизонта форма кровли I гдовского пласта существенно изменяется (см. рис 2 в сравнении с рис. 1). Величина максимального перепада отметок кровли достигает 44,4 м. Структурная ловушка в северо-восточной части Невского ПХГ расформировывается, тогда как в юго-западной части хранилища сохраняется небольшой купол амплитудой 6 м.
Рис. 2. Форма кровли I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования котлинского горизонта
В дальнейшем при переходе от одного геологического этапа к другому кровля I гдовского пласта претерпевает существенные изменения. Структурные ловушки могут как образовываться, так и расформировываться в различных областях пласта-коллектора.
К моменту завершения формирования бурегского горизонта (см. рис. 3, 370 миллионов лет назад), предшествующего современному этапу, многократно происходила существенная перестройка формы кровли I гдовского пласта. При этом структурная ловушка, образованная в основном двумя крупными куполами, формировалась не там, где она находится на современном этапе, а в северо-восточной части Невского ПХГ (см. рис. 3). Амплитуда перепада отметок кровли I гдовского пласта составляет 77,8 м, а амплитуда куполов – 21 м.
Существенные изменения формы кровли происходят на всем протяжении рассматриваемого отрезка геологической истории территории Невского ПХГ, что справедливо как для I гдовского пласта, так и для включающего его гдовского горизонта.
Таким образом, характер формирования гдовского горизонта и I гдовского пласта на всем протяжении их развития нельзя считать унаследованным, поскольку схожести формы кровель при переходе от одного геологического этапа к другому не наблюдается.
Модель современного этапа
Очередное существенное изменение формы кровли I гдовского пласта наблюдается при переходе от момента завершения формирования бурегского горизонта (см. рис. 3) к современному этапу (см. рис. 4). Купола ловушки, существовавшие в северо-восточной части Невского ПХГ на момент завершения формирования бурегского горизонта, расформировываются. Формируется современная структурная ловушка – объект хранения газа Невского ПХГ, образованная несколькими куполами, протянувшимися с юго-запада на северо-восток. Величина максимального перепада отметок кровли I гдовского пласта составляет 79,8 м, а амплитуда структурной ловушки, замкнутой в рассматриваемой области, – 17,5 м.
Рис. 3. Форма кровли I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования бурегского горизонта
Форма кровли I гдовского пласта, примыкающего к подошве гдовского горизонта, характеризуется начальной неоднородностью на момент завершения формирования данного горизонта (см. рис. 1, 650-680 миллионов лет назад). Как часть гдовского горизонта, I гдовский пласт «жестко» связан с ним. Целесообразно сравнить динамику кровли объекта хранения газа на ПХГ, I гдовского пласта, с динамикой кровли гдовского горизонта, вмещающего этот пласт, в характерные моменты, определяемые формированием последующих за гдовским горизонтов, вплоть до современного этапа.
При этом наблюдается схожесть формы кровель гдовского горизонта и I гдовского пласта. На протяжении рассматриваемого отрезка геологической истории гдовский горизонт деформируется и вместе с ним деформируется входящий в его состав I гдовский пласт. Схожесть формы их кровель на границах одних и тех же геологических этапов объясняется тем, что масштаб начальной неоднородности формы кровли I гдовского пласта, как правило, существенно меньше масштаба вариаций формы гдовского горизонта по мере формирования последующих за ним горизонтов. В качестве примера, иллюстрирующего указанную закономерность, на рис. 5 приведена форма кровли гдовского горизонта Невского ПХГ на момент завершения формирования бурегского горизонта (370 миллионов лет назад, см. рис. 3 для сравнения).
Таким образом, можно констатировать, что как современная кровля гдовского горизонта, так и структурная ловушка I гдовского пласта Невского ПХГ являются новыми образованиями, сформировавшимися на современном этапе.
Модель улучшенных фес пласта-коллектора
Перейдем к рассмотрению на основе 3D-палеогеомеханической модели закономерностей и динамики образования областей улучшенных ФЕС породы пласта-коллектора Невского ПХГ.
Рис. 4. Форма кровли I гдовского пласта Невского ПХГ по абсолютным отметкам на современном этапе
Рис. 5. Форма кровли гдовского горизонта Невского ПХГ на момент завершения формирования бурегского горизонта
Результаты для гдовского горизонта Невского ПХГ на последующий за его формированием момент завершения формирования котлинского горизонта приведены на рис. 6, где показана схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ. На схеме области с упругими деформациями пород обозначены желтым цветом, они составляют большую часть площади ПХГ. Красным цветом обозначены области разрушения породы растягивающими напряжениями, они образуют сложную структуру из крупных «пятен» в левом нижнем и правом верхнем углах схемы, а также у правой границы схемы. В дополнение к крупным имеется множество более мелких областей трещиноватости из-за разрушения растяжением, распределенных по площади структуры.
Рис. 6. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования котлинского горизонта
желтый – область упругой деформации пород
зеленый – область разрушения пород сдвигом
красный – область разрушения пород растяжением
Таким образом, сделан вывод об образовании областей разрушения породы уже на самом раннем геологическом этапе, следующим после формирования гдовского горизонта.
Сам факт появления областей разрушения породы растягивающими напряжениями свидетельствует о значимости и величине тектонических сил, действующих от момента завершения формирования гдовского горизонта до момента завершения формирования котлинского горизонта. Эти тектонические силы в традиционных геомеханических моделях не учитываются. В то же время связанные с весом вышележащих горных пород напряжения, учитываемые в традиционных геомеханических моделях, на этом этапе еще сравнительно малы из-за небольшой глубины залегания. Найденные в полученной 3D-палеогеомеханической модели напряжения, связанные с тектоническими силами, заметно превышают обычно рассматриваемые напряжения, связанные с весом вышележащих горных пород.
Области разрушения сдвигом породы I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования котлинского горизонта обозначены на рис. 6 зеленым цветом. Они смещены от центра к левому нижнему углу схемы ПХГ и занимают значительно меньшую площадь по сравнению с областями разрушения породы растягивающими напряжениями. Сложная мозаика из сравнительно небольших пятен обусловлена изменчивостью палеорельефа в этих областях.
Новый результат, недоступный в традиционной геомеханической модели, состоит в том, что области разрушения сдвигом, как и растяжением, на этом раннем для рассматриваемой задачи геологическом этапе обусловлены действием тектонических сил. Именно тектонические силы обеспечивают наличие на структуре локальных небольших по площади областей сильного сжатия породы. Достигаемый уровень горизонтальных сжимающих напряжений, обусловленных особенностями палеорельефа, существенно превышает напряжения в традиционных геомеханических моделях, определяемые весом вышележащих горных пород.
В последующие геологические периоды формирование областей трещиноватости породы I гдовского пласта Невского ПХГ характеризуются следующими особенностями (рис. 7–10).
Рис. 7. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования тискреского горизонта
желтый – область упругой деформации пород
зеленый – область разрушения пород сдвигом
красный – область разрушения пород растяжением
При разрушении породы растягивающими напряжениями образуются структуры, включающие крупные области в левом нижнем и правом верхнем углах схемы ПХГ, а также у правой границы схемы. Такая локализация крупных областей разрушения породы растягивающими напряжениями характерна на протяжении всего рассматриваемого отрезка геологической истории продолжительностью 650-680 миллионов лет. Размеры этих областей разрушения растяжением отличаются на разных геологических периодах, могут как увеличиваться, так и уменьшатся. Наибольшей величины области в правом верхнем углу схемы ПХГ и у правой границы схемы достигают на момент завершения формирования тискреского горизонта (см. рис. 7). Минимальные размеры крупных областей разрушения растяжением наблюдаются на момент завершения формирования среднеордовикского горизонта (см. рис. 8). Причем на этом геологическом этапе область разрушения породы растяжением в левом нижнем углу схемы ПХГ разделяется на две отдельные части. В последующие геологические периоды эти две части снова объединяются в одну область, что видно на схеме областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования бурегского горизонта. Область разрушения растяжением в правом верхнем углу схемы ПХГ увеличивается по сравнению с моментом завершения формирования среднеордовикского горизонта. На современном этапе размеры крупных областей разрушения породы растяжением примерно такие же, как на момент завершения формирования бурегского горизонта .
Рис. 8. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования среднеордовикского горизонта
желтый – область упругой деформации пород
зеленый – область разрушения пород сдвигом
красный – область разрушения пород растяжением
На границах всех рассмотренных геологических этапов в дополнение к крупным имеется множество более мелких областей трещиноватости из-за разрушения растяжением, распределенных по площади структуры. Наибольшие размеры разбросанные по площади ПХГ областей разрушения породы растяжением имеют на момент завершения формирования котлинского горизонта (см. рис. 6), а наиболее сложную форму – на момент завершения формирования тискреского горизонта (см. рис. 7). В последующие геологические периоды размеры этих разбросанных по структуре областей разрушения растяжением уменьшаются до момента завершения формирования среднеордовикского горизонта (см. рис. 8), а далее заметно не меняются, например, на момент завершения формирования бурегского горизонта (см. рис. 9) и на современном этапе (см. рис. 10).
Как показывает анализ результатов 3D-палеогеомеханического моделирования для I гдовского пласта Невского ПХГ, разрушение породы сдвигом приводит к образованию, во-первых, отдельных небольших областей для всех рассмотренных геологических периодов, начиная с момента завершения формирования котлинского горизонта (см. рис. 6–10). На схеме ПХГ эта мозаика из относительно небольших пятен, имеющих значительно меньшую площадь по сравнению с областями разрушения породы растягивающими напряжениями, локализуется в левой нижней части схемы.
Рис. 9. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на момент завершения формирования бурегского горизонта
желтый – область упругой деформации пород
зеленый – область разрушения пород сдвигом
красный – область разрушения пород растяжением
На всех геологических этапах, как отмечалось для момента завершения формирования котлинского горизонта, проявляется новый важный результат, который невозможно было получить в традиционной геомеханической модели, и состоящий в присутствии на структуре локальных небольших по площади областей разрушения сдвигом вследствие сильного сжатия породы.
Размеры этих локальных областей разрушения сдвигом изменяются на протяжении геологической истории. Так, на момент завершения формирования тискреского горизонта они достигают максимальной величины (см. рис. 7). Причем области разрушения породы сдвигом образуют перемычку, соединяющую области разрушения растяжением. В дальнейшем эта перемычка исчезает (см., например, рис. 8 на момент завершения формирования горизонта средний ордовик), площадь локальных областей разрушения сдвигом уменьшается и впоследствии заметно не меняется (см. рис. 9–10).
Во-вторых, на более поздних геологических этапах проявляется другая разновидность областей разрушения породы сдвигом. Они примыкают в виде «кольцевых» зон к областям разрушения растяжением. Такие области проявляются к моменту завершения формирования бурегского горизонта (см. рис. 9), и особенно на современном этапе (см. рис. 10). Образование подобных областей связано с тем, что глубины залегания гдовского горизонта становятся существенными и возрастает вклад действующих на пласт сил, связанных с весом вышележащих пород.
Важность правильного и точного определения на местности областей разрушения породы на всех геологических этапах подтверждается тем, что расположение некоторых эксплуатационных скважин Невского ПХГ соответствует то зоне разрушения, то зоне упругой деформации в другой момент геологического времени. Так, скважина № 168 на современном этапе располагается в зоне упругой деформации породы (см. рис. 10), и в то же время ранее показано [3], что на момент завершения формирования пярнуско-наровского горизонта она попадает в зону разрушения породы растягивающими напряжениями.
Рис. 10. Схема областей трещиноватости I гдовского пласта Невского ПХГ на современном этапе
желтый – область упругой деформации пород
зеленый – область разрушения пород сдвигом
красный – область разрушения пород растяжением
квадрат – разведочная скважина
треугольник – эксплуатационная скважина
Таким образом, проведенная 3D-палеогеомеханическая реконструкция формирования гдовского горизонта Невского ПХГ позволяет детально локализовать трещиноватые области пласта-коллектора, в рассматриваемом случае I гдовского пласта, на границах каждого из рассмотренных геологических этапов. Полная картина областей трещиноватости и улучшенных ФЕС породы определяется наложением результатов для каждого отдельного этапа.
Для других ПХГ и месторождений методика, изложенная выше, может применяться с учетом конкретных горно-геологических условий.
Литература
1. Пятахин М.В., Пятахина Ю.М., Степин Ю.П. Принятие решения о бурении скважины в условиях неопределенности: традиционный и 3D-палеогеомеханичесий подходы. // Газовая промышленность, № 7 (771) 2018 г., с.72-78.
2. Давыдов А.Н., Рубан Г.Н., Шерстобитова Г.А., Хан С.А., Королев Д.С. Создание матрицы напряжений Гдовского горизонта Невского подземного хранилища газа для уточнения мест заложения эксплуатационных скважин. Георесурсы, № 4 (36), 2010, с.35-39.
3. Пятахин М.В., Пятахина Ю.М. Новый подход к геомеханическому моделированию для оптимизации разработки, бурения скважин, проведения гидроразрыва пласта // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2017. № 1 (29). С. 259–266.
4. Пятахин М.В., Пятахина Ю.М. 3D-палеогеомеханическое моделирование – новый подход к разработке, бурению скважин, проведению гидроразрыва пласта // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 7–8. С. 38–49.
