Материал: Dobrynin_V.M._Petrofiz._modelirovanie_prirodnyh_gidrodinam._processov

как гетерогенные, многокомпонентные и многофазные термо­

динамические системы. С этих позиций термодинамическое со­

стояние природных систем в режиме реального времени опре­

деляется тремя фундаментальными характеристиками р, V и Т

(давление, объем и температура).

При изучении изменений в этих же системах в масштабе гео­

логического времени добавляется еще четвертая характеристика - время, с учетом которой термодинамические параметры по­

род приобретают периодический или осциллирующий характер (погружение или воздымание пород в различные геологические эпохи, изменение климата Земли и т. д.). Это - время, исчис­

ляемое десятками тысяч и миллионами лет.

Все процессы, связанные с деятельностью человека при раз­

работке полезных ископаемых, необходимо рассматривать в мас­

штабе исторического времени, обусловленном накопленным опытом (десятки и сотни лет).

На рис. 1 представлена таблица, поясняющая соотношение

задач, видов и целей петрафизического моделирования при изу­

чении осадочных бассейнов.

В настоящем докладе мы остановимся лишь на моделирова­

нии геофлюидальных процессов в осадочных породах. Важней­

шей задачей этого вида моделирования является не только ис­

пользование всей накопленной геолого-геофизической инфор­

мации, но также всех прогрессивных геологических теорий и

гипотез и особенно физических закономерностей, которые мож­

но описать численно.

В геологической науке существуют определенные стереоти­ пы, которые сформировались в результате изучения земной коры и продолжительного изучения Земли в связи с добычей полез­

ных ископаемых.

Например, представление о том, что тепловые потоки в верх­ ней части земной коры связаны исключительно с внуrренней

ее теплотой и радиоактивностью осадочной оболочки. Никто и

никогда не предполагал, что тепловой режим осадочной толщи в ряде случаев может зависеть от закономерностей длиннопе­

риодных глобальных тепловых процессов в атмосфере Земли (по­

холодание и потепление климата).

Или, например, представление о том, что региональные гео­ флюидальные процессы в верхней части оболочки происходят главным образом в породах, обладающих повышенной прони­

цаемостью, пористостью или трещиноватостью. Никто не счи­

тал, что огромную роль в формировании региональных геофлюи­

дальных процессов играют изменения термодинамических ус-

6

ловий в толще плотных низкопроницаемых пород, из которых

главным образом и сложен геологический бассейн.

Большинство исследователей считают, что в геологической истории Земли, в ее осадочной оболочке превалирует восходящая

миграция флюидов вследствие уплотнения осадочных пород и вли­

яния <<Огромных>> пластовых давлений в кристаллическом фунда­

менте. Никто не предполагал, что на обширных территориях оса­ дочных бассейнов платформенного типа, с которыми связаны большие перспективы нефтегазоносности в течение той же геоло­

гической истории, восходящие потоки флюидов периодически

могут сменяться региональными нисходящими потоками.

В настоящее время накоплен опыт по моделированию про­

цессов уплотнения осадочных пород [4], процессов формиро­

вания свойств пород-экранов для нефти и газа [5], процессов

образования аномально высоких пластовых давлений [6], а так­

же ряда других, очень важных геофлюидальных процессов в оса­ дочной оболочке Земли.

В работе [ 1О] показано, что медленно меняющиеся на по­

верхности Земли квазистационарные тепловые поля оказывают

влияние на температуру пород и поравое давление на больших

глубинах. Возникающий при этом дополнительный принуди­

тельный конвективный перенос теплоты вертикально фильт­

рующейся пластовой водой создает условия для изменения гео­

термического градиента.

Скорость распространения тепловой волны от поверхности на глубину довольно низка и определяется эффективной тем­

пературапроводностью разреза.

Исключительно важна связь тепловых и фильтрационных

процессов в осадочной оболочке земной коры.

Аналитическое рассмотрение термодинамического равнове­

сия насыщенного минерализованной водой низкопроницаемо­

го пласта, содержащего гидравлически изолированные поры, показывает, что при изменении механического напряжения в скелете, а также температуры породы возникает дополнитель­

ный вертикальный градиент давления поровых вод - термоди­

намический градиент давления (ТДГ) . Этот градиент давления является одним из важнейших факторов, влияющих на восхо­ дящую и нисходящую фильтрации поровых вод. Правомерно

предложить следующую схему для объяснения механизма цир­

куляции вод в подземной гидросфере.

В тектонически активных зонах земной коры под действием

избыточных статических и динамических механических усилий

возникают волны напряжений, создаются тектонические нару-

8

шения и усиливается теnловой nоток. Эти факторы ведут к уве­ личению nарового давления и сnособствуют формированию вос­

ходящей фильтрации nластовых вод no вертикальным, субверти­

кальным и субгоризонтальным трещинам. Другими словами, об­

разуется nоложительный термодинамический градиент давления nоровых вод. Восходящая фильтрация ведет к созданию аномаль­ но высоких давлений, активизации массоnереноса минеральных веществ, формирует минеральный состав nластовых вод, влияет

на многие геологические nроцессы в земной коре [ 10].

В nлатформенный nериод развития осадочной оболочки роль

механических наnряжений в образовании градиентов давления nоровых вод относительно невелика. Долговременные (в тече­

ние миллионов лет) изменения среднегодовой темnературы nоверхности Земли, в частности устойчивые nохолодания, nри­

водят к nонижению темnературы, которое расnространяется на

большие глубины. Вследствие этого в nородах неравномерно снижается значение nоровых давлений и образуется отрицатель­

ный термодинамический градиент, который в свою очередь яв­ ляется nричиной возникновения нисходящей фильтрации nла­

стовых флюидов, вторичного изменения минерального состава вод, сглаживания (уменьшения) геотермических градиентов,

образования аномально низких nластовых давлений и других

геологических nроцессов.

_ОСАдОЧНЫХ БАССЕЙНАХ

1

91 НИСХОДЯЩАЯ МИГРАЦИЯ

УГЛЕВОДОРОДОВ

Рис. 2. Геологические проuессы, в которых важную роль играет явление

термодинамического градиента (ТДГ) давления поровых вод (сокращения на рисунке: АНПД - аномально низкое пластовое давление;

АВПД - аномально высокое пластовое давление)

9

Отрицательные (и положительные) термодинамические гра­

диенты являются силами, увеличивающими также латеральную

миграцию флюидов в породах, характеризующихся высокой ла­ теральной пьезопроводностью. Их действие на латеральную ми­ грацию может быть объяснено проявлением паскаленых сил.

Восходящая или нисходящая фильтрация сопровождается изме­

нением химического состава вод, выщелачиванием, метасаматозом,

атермодинамические границы одновременно должны играть роль

игеохимических барьеров, и геохимических границ.

Таким образом, термодинамический градиент давления, интенсифицирующий широкомасштабный тепломассоперенос

в земной коре, оказывает влияние на многообразные геологи­

ческие процессы. Далеко не полный перечень этих процессов

представлен на рис. 2 и в работе [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Пластовое давление (давление нефти, воды, газа или их смеси в пластах-коллекторах) является важнейшим парамет­

ром, характеризующим энергию нефтеносных, газоносных и

водоносных пластов. Давление флюида в порах пород-неколлек­

торов многие исследователи называют пор о вы м.

Наибольшее число работ, в которых речь идет о градиентах

давления или градиентах пьезометрического напора, посвяшено

изучению закономерностей изменения пластового давления в

коллекторах и относится к гидрогеологии. Значительно меньше

изучены градиенты давления поровых вод в породах-неколлек­

торах. Это объясняется тем, что в отличие от пластовых поровые давления не поддаются прямым измерениям. Сведения о них

косвенные, они получаются путем изучения физических свойств главным образом глинистых пластов геофизическими методами, по шламу или в результате наблюдений за буримостью пород. Между тем, именно градиенты давления поровых вод в породах­

неколлекторах влияют на характер изменения пластового дав­

ления в большинстве осадочных бассейнов с эксфильтрацион­

ной водонапорной системой, что используется, в частности,

для прогнозирования аномальных пластовых давлений [6].

Ряд исследователей (В. Иллинг, 1938 г., Г. Дикинсон, 1953 г.,

А. Г. Дурмишьян, 1973 г. и др.) рассматривают происхождение

аномально высоких пластовых давлений в гидродинамически замк­

нутых коллекторах как результат уплотнения вмешаюwих слабо­

проницаемых глинистых толщ. А. Е. Гуревич (1969), указывая на

10