Нефть на больших глубинах. Залежи оффшорных месторождений Мексиканского залива

Полный текст

История формирования бассейна Мексиканского залива

Тектоническая история Мексиканского залива (далее – Залив) началась в мезозойскую эру. Существовавший в то время суперконтинент Пангея разделился в результате средне- и верхнетриасового рифтогенеза, происходившего между современной Северной Америкой и блоком Юкатан. Сдвиг (будущего) полуострова на юго-восток создал пространство аккомодации для формирования бассейна (Blakey, 2013 [1]). В среднеюрское и нижнемеловое время происходит дальнейшее расширение океанического дна, поворот Юкатана и в результате раскрытие центральной части Мексиканского залива в Атлантический океан (рис. 1, 2). В течение мелового периода эта территория переходит в дрифтовую фазу, с тектонической стабильностью в условиях постоянного погружения. К концу мезозоя здесь сформировался огромный осадочный бассейн.

 

Рисунок 1. Тектоническая реконструкция формирования бассейна Мексиканского залива (Blakey, 2013 [1])

Дополнительно обозначены (красным):

точки (полюса) – ротации блоков; стрелки – тектонические трансгресии, вызванные изменениями направления раздвигов в Атлантике.

 

Рисунок 2. Основные структурно-тектонические элементы западной и центральной частей Мексиканского Залива (по материалам M.Hudec [2–4] и Comisión Nacional de Hidrocarburos, 2015 [5])

ТР – разлом горизонтального скола

Обозначения: А – положение участка палеогеографической реконструкции (на рис. 5)

 

В кайнозое этот бассейн развивался как пассивная континентальная окраина. В период, начиная с палеоцена и по средний эоцен, на окружающих его континентальных участках происходили процессы орогенеза Ларамид и Сьерра Мадре Ориентал. Затем в среднем и верхнем эоцене начались сложные процессы отжимания соляных масс и связанной с этим складчатости. Активная соляная тектоника продолжалась до середины, а местами и до окончания миоцена, сформировав исключительно сложную УВ-систему.

Согласно палеогеографическим реконструкциям, в верхнетриасовое и среднеюрское время здесь преобладали мелководно-морские условия ограниченного бассейна, в котором откладывались эвапориты, карбонаты, вулканокластика и соли Луанн (Blakey, 2013 и 2017 [1, 6], Scotese, 2001 [7]). В течение 10 млн лет в заливе была отложена толща галита мощностью до 4000 м, которая заполнила весь рельеф нижележащих пород. В оксфордское время ей на смену пришли сравнительно маломощные, но широко распространенные терригенные осадки прибрежно-эолового типа, выделяемые на севере залива в свиту Норфлет. Несмотря на ярко выраженную разницу в литофациальных комплексах, Норфлет может рассматриваться как трансгрессивная покрышка единого (преимущественно эвапоритового) цикла Луанн. В его основании часто присутствует слой ангидрита, выделяемый в отдельную пачку – Сосновый Холм, или глинистые разности (рис. 3). Продолжившаяся в Оксфорде трансгресиия позволила в пределах стабильной окраины палеобассейна, образоваться первому карбонатному комплексу (Galloway, 2008 [8]).

 

Рисунок 3. Фрагмент общей стратиграфической схемы Мезозоя севера Мексиканского залива (Galloway, 2008 [8])

Несмотря на литологические отличия, контакт между Луанн и Норфлет считается «неясным»: на границе выделяется пачка ангидритов, которая в сторону депоцентров замещается на аргиллиты. Залегание может быть согласным или с угловым несогласием; а обе свиты объединены в один седиментационный цикл.

 

В верхней юре начинает сказываться влияние океана, а центральная часть достигает глубин в 2000 м. Соответственно, преобладает глубоководно-морская седиментация с некоторым проградационным заполнением обломочным материалом в северной части. К меловому периоду максимальные глубины палеобассейна доходили до 4000–5000 м, что обусловило отложение глубоководных карбонатных разностей. 3 подразделения – Шмаковер, Бакнер и Гилмер – образуют осадочный цикл длительностью в 5 млн лет, ограниченный в кровле и подошве трансгрессивными поверхностями (рис. 3).

В кайнозое с севера, запада и северо-запада началось поступление аллювиальных отложений, связанное с различными поднятиями на континенте. Ларамидские горообразовательные процессы положили конец формированию карбонатных разностей, и тип осадконакопления сменился на преимущественно обломочный. Отложения нижней части свиты Уилкокс (верхний палеоцен) были первыми поступлениями грубообломочного материала с запада и северо-запада. К началу эоцена здесь происходит обширная трансгрессия, которая приводит к формированию огромного глинистого интервала (Galloway, 2000 [9]). Верхняя часть (подсвита) Уилкокс относится к началу эоцена и характеризуется формированием обширной аллювиально-прибрежной равнины с турбидитными комплексами в западной части. Средний и верхний эоцен характеризуются регрессивными комплексами, связанными с отжиманием солей.

Олигоцен связан с массивным привносом осадков и, в частности, формированием на западе и северо-западе песчаных проградационных последовательностей свиты Фрио (верхний олигоцен). К миоцену источники сноса грубообломочного материала сместились в северном направлении, а основные депоцентры – на восток.

Очень важно также рассмотреть основные нефтематеринские породы, с которыми связана продуктивность разреза. В отложениях Мексиканского залива выделяется несколько потенциально нефтематеринских толщ, из которых основными считают отложения титонского возраста. Эти комплексы сформировались в условиях глубоководного моря и характеризуются присутствием керогена второго типа (II и II-S). Согласно данным геохимии, содержание органического углерода в породах превышает 4% (вес), а водородный индекс – более 500 мг УВ/г органики. УВ-систему северной части относят к смешанному типу, полагая, что большая часть углеводородов – верхнеюрского возраста (Weimer, 2017 [10]).

Возраст большей части глубоких и сверхглубоких залежей этой провинции – от верхнеюрского (свита Норфлет), верхнепалеоценового-нижнеолигоценового (свита Уилкокс), олигоцен (свита Фрио) и неоген. Песчаники Норфлет и Уилкокс считаются наиболее важными объектами, т.к. характеризуются повышенными фильтрационно-емкостными свойствами (далее – ФЕС): пористостью от 22% до 30% и абсолютными проницаемостями до 950 мД. В фациальном плане продуктивные коллекторы варьируют от прибрежно-морских, эоловых разностей (верхняя юра) до глубоководных турбидитов (миоцен).

Далее подробно рассматриваются геологическое строение свиты Норфлет и связанный с ней успешный проект по освоению сверхглубоких нефтяных месторождений.

Свита Норфлет (комплекс верхнеюрского возраста)

УВ-система Норфлет является уникальной по двум причинам: лито-стратиграфическое положение и вклад в успешное освоение сверхглубоких комплексов прибрежной и глубоководной частей Мексиканского залива. Вместе с эвапоритами Луанн и обогащенными органикой карбонатно-глинистыми разностями свиты Шмаковер она формирует «перевернутую» последовательность типа «покрышка – коллектор – генерирующая толща». Свита залегает в основании осадочного комплекса пород и подстилается мощной соленосной толщей, поэтому единственный путь для поступления в неё УВ – нисходящая миграция. Анализ нефтей из крупнейшего м. Аппоматокс показал высокую степень родства с органикой нефтематеринских интервалов перекрывающей её свиты Шмаковер (Godo, 2017 [11]).

Породы свиты Норфлет не выходят на поверхность, и её изучение основывалось на данных керна, каротажа, различных дистанционных методов и современных аналогов. Тем не менее в результате этих работ был сделан успешный прогноз о развитии высокопродуктивных коллекторов гранулярного типа в сверхглубоких разрезах сначала береговой полосы (залив Мобил), а затем и глубоководной части (каньон ДеСото).

Первая скважина вскрыла эти отложения ещё в 1935 г. и была выделена в виде собственного циклостратиграфического подразделения (свиты) в 1947 г. Потребовалось еще 20 лет, прежде чем компания Shell, открыв месторождение Пелахачи, обнаружила в этих песчаниках первую нефть (Godo, 2017 [11]). Этот успех не остался незамеченным, и в период с 1967 по 1979 гг., были найдены многочисленные залежи в штатах Алабама (14 залежей), Техас (2 залежи), Флорида (2 залежи) и Миссиссипи (15 залежей). Тренд континентальных открытий продолжился и в Мексиканском заливе, где сначала в прибрежной полосе, а затем и в глубоководной зоне были сделаны сверхглубокие коммерческие открытия (табл. 1, рис. 4).

 

Таблица 1. Распределение пластовых давлений и температур УВ-системы Норфлет-Шмаковер в заливе Мобил Бэй и каньоне Де Сото (Мексиканский залив)

Объект	Блок (MMS)	Дата окончания бурения	Оператор	Скважина (UWI)	Глубина воды, м	Забой, м	Свита Норфлет
							Температура, С°	Давление, MПa	Результаты
Шилох	DS 269	09/09/2003	Шелл	608234000601	2288,6	7282,5	123,0	111,4	нефть и остаточная нефть
Виксбург – В	DS 353	09/08/2007	Шелл	608234001401	2272,8	7553,8	166,1	119,2	нефть
Фредриксбург	DS 486	08/08/2008	Шелл	608234001500	2377,3	7484,9	147,8	113,8	нет проявлений УВ
Антиетам	DS 268	08/15/2009	Шелл	608234001702	2255,4	7325,2	157,2	116,2	нефть и остаточная нефть
Аппоматокс	MC 392	03/12/2010	Шелл	608174117203	2199,6	8176,5	137,8	125,0	нефть
Петербург	DS 529	05/02/2013	Шелл	608234002100	2324,0	8131,1	83,9	128,2	нет проявлений УВ
Виксбург – А	MC 393	05/17/2013	Шелл	608174125300	2246,6	7664,1	151,1	119,8	нефть
Хищник	DS 535	05/18/2013	Анадарко	608234002000	2489,8	6746,4	110,8	88,2	нет проявлений УВ
Коринф	MC 393	09/10/2013	Шелл	608174125302	2247,8	8027,4	162,2	122,9	остаточная нефть
Сакэ	DS 726	09/19/2013	BHP	608234002400	1089,6	5596,5	86,7	67,3	нет проявлений УВ
Мадагаскар	DS 757	12/14/2013	Маратон	608234002500	2557,5	6902,2	103,9	99,1	нет проявлений УВ
Рыба-меч	DS 843	12/23/2013	Шелл	608234002200	2586,7	7485,5	123,9	83,6	нет проявлений УВ
Ридберг	MC 525	06/03/2014	Шелл	608174128000	2272,5	8037,5	151,7	125,6	нефть
Титан	DS 178	09/05/2014	Мёрфи	608234002702	1999,4	7420,9	138,9	120,5	нефть и остаточная нефть
Геттисбург	DS 398	11/28/2014	Шелл	608234002800	2310,0	7562,9	121,0	116,5	нефть
Персей	DS 231	12/14/2014	Статойл	608234002600	1370,0	6985,1	114,0	97,7	нет проявлений УВ
Форт Самтер	DS 566	02/01/2016	Шелл	608174131801	2138,1	8688,2	163,0	140,4	нефть
Лизбург	MC 475	05/17/2016	Шелл	608174132700	2008,5	8364,8	121,1	140,7	остаточная нефть
Баллимор	MC 607	12/16/2017	Шеврон	608174135802	1992,1	8897,9	182,2	147,0	нефть
Мобил Бэй	BLK 112	01/27/1999	Эксон	1297203620000	10,7	6664,1	193,3	94,1	газ и конденсат
Фарватер	BLK 132	04/30/1987	Шелл	1297202810000	0,2	6970,78	197,8	102,5	газ (API = 0,64)

Примечание: жирным шрифтом выделены данные по результатам испытаний

 

Рисунок 4. Общая схема областей Мексиканского залива и батиметрия (контуры – в футах), по данным MMS, 2017 г. Положение нефтяных месторождений глубоких комплексов

 

Результаты бурения на объекты Норфлет также позволили пересмотреть и повысить перспективность других расположенных на больших глубинах (>6000 м) континентальных комплексов: Наггет (США), Ротлейгенс (Европа) и Унайза (Ближний Восток).

Норфлет. Общая характеристика

Песчаники свиты Норфлет были сформированы в верхнеюрское (оксфордское) время, преимущественно в условиях обширного эолового побережья соляной (солончаковой) равнины штатов Миссиссипи, Алабама, Флорида и залива Мобил. Литофациальные и стратиграфические аналоги также описываются на северном побережье полуострова Юкатан в Мексике (Snedden, 2020 [12]). После окончания образования солей участки коры дна залива продолжали свое движение еще 7–12 млн лет, увеличив ширину бассейна в центральной части на расстояние от 100 до 250 км (Godo, 2019 [13]). Это увеличение постепенно сходило на нет к краевым частям, где соляные массы «перетекали» по горизонтали, заполняя расширяющийся бассейн. По мере продвижения соли в сторону глубоководья кромка воды в начале образования свиты Норфлет перемещалась в сторону моря; выступающая на поверхность соляная равнина послужила основой для отложения литофаций смыва¹ и эоловых комплексов.

Изначально сдвиг и соскальзывание отложений свиты Норфлет по склону связывались с избыточной нагрузкой на нижележащую соль, которая под давлением начинала «течь». Такие явления описывались в разрезах штатов Алабама и Миссиссипи, а также в бассейне Восточного Техаса, где для начала процессов ремобилизации соли потребовалось не более 600 м осадка (Hudec, 2013 [2, 3]). Региональное погружение бассейна было на запад, его осложняло локальное поднятие Среднеземельного нагорья, которое служило источником различного обломочного материала: метаморфических комплексов палеозоя и мезозойских – вулканических (рис. 5). Вероятно, его присутствие также сказывалось на направлении вдольбереговых ветров, которые формировали эоловые комплексы.

 

Рисунок 5. Общая палеогеография верхнеюрского интервала свиты Норфлет на глубоководном участке Мексиканского залива и положение скважин (по материалам Godo, 2017 [11], 2019 [12] и BOEM, 2020 [14])

Дополнительно обозначены:

– скважины: – блоки:

• ВА – Виксбург «А»;
• ВВ – Виксбург «В»;
• Гт – Геттисбург;
• Пб – Питерсбург;
• Рб – Рутберг;
• ФР – Фредриксбург;
• ФС – Форт Самтер;
• DC – каньон де Сото;
• LL – Ллойд;
• MC – каньон Миссиссипи.

 

Структурная ось нагорья погружалась в западном направлении, разделяя участки трех минибассейнов. Большие блоки осадочных пород, формировавшиеся в пределах возвышений, отламывались и соскальзывали вниз по склону, образуя олистролиты. Начало таких оползаний относится ко времени завершения отложения нижней части свиты Шмаковер, и оно продолжалось в меловое время. Размеры оползаний составляли от 2–40 км в длину и 2–15 км в ширину. Во время формирования отложений свиты Норфлет происходила дифференциация в вертикальной нагрузке, создавая иногда даже на небольших участках заполненные песчаным материалом депоцентры, окруженные поднятиями. На некоторых участках смещенная соль формировала «стены», блокирующие перемещение песчаного материала или частично перенаправляющие его перенос. Такая ситуация описывается, вероятно, в самом значимом открытии этого тренда – сверхглубокого месторождения Аппоматокс.

Красной стрелкой показано теоретическое направление ветров, огибавших подъем нагорья и формирующих эоловые (дюнные) комплексы.

Для обозначения таких явлений, происходящих на начальном этапе дифференциального уплотнения, был предложен термин «барьеры вязкости», которые могли служить в дальнейшем начальными участками латерального соскальзывания (Ings, 2010 [15]). Дополнительная нагрузка осадков, скопившихся перед таким барьером, приводила к усилению дифференциации. Согласно расчётам, при соблюдении оптимальных условий для формирования минибассейна, связанного с топорельефом, вызванным подвижками соляного слоя, понадобилось всего 50 тыс. лет (Godo, 2019 [13]). Такие гряды могли оказывать влияние на предпочтительное распределение грубозернистого материала как в подводных условиях (меняя волны и течения), так и при их выходе на поверхность (ветер).

Глубокие залежи свиты Норфлет могли получать сгенерированные вышележащими слоями УВ только при условии сохранения проницаемости. На основании анализа скважин каньонов Де Сото и Миссиссипи был сделан вывод, что во всех «сухих» структурах кероген свиты Шмаковер не дошел до стадии зрелости (табл. 1). Это совпадает с распределением современных пластовых температур и давлений, которые значительно выше в продуктивных разрезах (рис. 6).

 

Рисунок 6. Повышение пластовых температур песчаников Норфлет с глубиной. Данные континентальной части штата Алабамы и офшорных блоков: пролив Миссиссипи, Виоска Нол и залив Мобил (Nagihara, 2015 [16])

 

В глубоко погруженном эоловом комплексе эффективная проницаемость, обес- печивающая миграцию УВ, связана исключительно с литофациями дюн. Причем лучшие её распределения отмечаются для более континентальных, «сухих» и высокоамплитудных форм, расположенных выше уровня воды. Наиболее перспективными являются участки дюнового комплекса, характеризующегося поступлением обильного обломочного материала и одновременно низкой скоростью погружения для обеспечения лучшей сортировки материала и наложения нескольких полос дюн. Наличие слишком большого пространства между ограничивающими грядами приводит к миграции дюн и смещению верхней, наиболее проницаемой части, а излишне быстрое погружение не дает возможность осуществить сортировку обломочного материала.

Периодический смыв и перенос глинистых частиц с поверхностной части дюны приводит к характерному глинистому покрытию песчаных зерен, которое в дальнейшем предохраняет породу от диагенетических изменений (цементации). Таким образом, и «сухие», и более влажные дюны могут сохранять коллекторские свойства своих песчаников; но в случаях с отложениями выше уровня пластовых вод появляется дополнительная возможность наложения верхних частей и образования более мощного интервала с улучшенными ФЕС (Kocurek, 1993 [17]).

Мощность песчаных разностей свиты меняется в зависимости от рельефа – присутствия выступов, с которых поступали вода и обломочный материал, и преобладающего направления ветров, осуществлявших переотложение, окатку и сортировку частиц. Эоловые песчаные комплексы характеризуются весьма сложным строением, и для их детального анализа часто привлекают современные аналоги. Узкая вытянутая морфология песчаных гряд, а также группировка различных типов пород в литофациальные комплексы хорошо видна на снимках Сахары (Алжир) и побережья Намибии, сделанных НАСА (рис. 7, 8) [18, 19]. Они удивительным образом соответствуют положению детально закартированных продуктивных песчаников Норфлет на побережье Алабамы (рис. 9).

 

Рисунок 7. Фотография фрагмента пустыни Сахара – участок Большого Азиатского Эрга в Алжире

Ширина отдельных дюновых полос около 1500 м, высота – до 150 м. Эти сложные песчаные гряды состоят из элементов более мелкого ранга: звездных дюн (барханов?) и вытянутых продольных и поперечных сеифов. Различные морфологические формы связаны с направлением ветров, преимущественно на юг на данном участке.

Фото ISS046-E-48626 сделано Джастином Уилкинсоном (NASA) в 2016 г. Координаты центра фотографии широта: 28.00N и долгота: 6.60 E.

 

Рисунок 8. Пустыня побережья Намибии с небольшими останцами (изолированными горными массивами инсельбергами); фотография сделана с Landsat 8, NASA, 2018

Прибрежная зона шириной в 5–15 км (показана стрелкой) представляет собой современный аналог прибрежному эоловому комплексу с формированием пляжей (обозначены белыми стрелками), дюн, барханов и вади.

Обломочный материал был перенесен на тысячи километров, в основном вдольбереговыми течениями и рекой Оранжевая, затем были подняты ветрами и переотложены на побережье.

Этот пустынный комплекс считается самым древним (из современных): он состоит из двух перекрывающихся «песчаных морей» – эргов, образованных 21 и 5 млн лет назад.

Обозначения:

• H – Хаучаб;
• K – Коичаб;
• U – Ури-Хаучаб.

 

Рисунок 9. Суммарная пористость свиты Норфлет в заливе Мобил (Ajdukiewicz, 2010 [20])

Песчаные разности откладывались в вытянутых эоловых комплексах, с преобладанием дюн (ориентация – северо-запад на юго-восток), залегающих на эвапоритах Луанн. Отдельные тела мощностью до 245 м и шириной до 2500 м.

 

Глубокие и сверхглубокие коллекторы Норфлет сохраняют свои свойства благодаря хлоритовому покрытию, которое препятствует образованию вторичного кварцевого цемента. В уплотненных осадках образование глинистых минералов часто связано с условиями осадконакопления и, в частности, положением поверхностных вод. Это подтверждается петрографическими анализами современных разрезов песчаных дюн равнины Мескит (Калифорния) и Дюн Розовых Кораллов (Юта) (Busch, 2020 [21]). Существует большая вероятность, что из-за крутого падения слойков некоторые скважинные разрезы свиты Нофлет были неадекватно охарактеризованы испытаниями или данными каротажа. Ряд скважин в заливе Мобил вскрывал бортовую часть эолового комплекса, где встречал преимущественно плотные, непроницаемые разности; сопоставление результатов бурения с современными разрезами Намибии позволили пересмотреть перспективность таких участков (Fryberger, 2017 [22]).

Диагенез песчаников Норфлет

Одним из наиболее часто используемых приемов прогноза ФЕС песчано-глинистых разрезов является построение зависимости их свойств от глубины залегания. Эоловые комплексы свиты Норфлет являются уникальным явлением, поскольку сохраняют аномально высокие значения пористости (более 20%) в глубоких и сверхглубоких (до 7500 м) разрезах (Godo, 2019 [13]).

Коллекторы характеризуются преимущественно первичной пористостью межгранулярного типа, сохранение которой связано с замедлением процессов цементации. Для офшорных и особенно глубоководных разрезов также отмечаются снижение давления вышележащих пород и одновременно относительное понижение градиентов пластовых температур.

Стратиграфически пласты Норфлет расположены между солями Луанн и мощными карбонатами Шмаковер, с незначительным содержанием глинистой компоненты. Благодаря этому пласты были изолированы от активной миграции пластовых вод, которые могли бы вызвать вторичную цементацию: на это также указывает присутствие галита в цементе и повышенная (по сравнению с остальными коллекторами залива) соленость пластовых вод. Так, например, при испытании подошвенной части разреза м. Геттисбург содержание солей составило более 240000 ppm, а в разрезе Титан – 350000 ppm (Godo, 2019 [13]).

Соленость оказывается особенно высокой в случае отсутствия в основании песчаных пород ангидритового слоя Сосновый Холм, относящегося к кровельной части свиты Луанн, или более распространенных подошвенных флювиальных аргиллитов.

Пористость и проницаемость песчаников Норфлет, в первую очередь, определяются условиями отложения. Сухие части дюн, связанные с переносом и переотложением ветром, содержат лучшие коллекторы, из которых могут формироваться мощные комплексы, названные «осыпями» (рис. 10). Эти участки связаны с процессами гравитационного переноса, перемещающими зерна на большие расстояния, и образуют породы с исключительными ФЕС (Douglas, 2010 [23]). Вторыми по качеству являются отложения внешней части активных дюн, связанные с ветровой рябью, где появляется возможность многократного перемещения зерен по склону, приводящего к повышению их сортировки и окатанности. Песчаные покровы в основании дюн и себкхи сложены породами худшего качества.

 

Рисунок 10. Палеогеографическая модель комплексов свиты Норфлет для глубоководной части Мексиканского залива, (по материалам Douglas, 2010 [20] и Mancini, 1986 [21])

Дополнительные обозначения:

1. Морское мелководье.
2. Солончаковый пляж – себкха (переработка в прибрежной зоне – RW).
3. Соли Луанн.
4. Магматические комплексы – источники сноса (Аппалачи).
5. Озера плайи (WI).
6. Дюны, барханы (дюновые комплексы: G_A-G_W-WR).
7. Междюновые понижения (WR-DI).
8. Понижения с поверхностными водами (WI).
9. Русла временных потоков (Вади).
10. Аллювиально флювиальная равнина (G_A-G_W ).
11. Аллювиальные конуса выноса склона (Бахада, G_A ).

 

Таблица 2. Основные литофации песчаников Норфлет и их комплексы, по данным керна (материалы Douglas, 2010 [23], и Manchini, 1986 [24])

Код	Литофации	Условия формирования. Текстуры	Фациальные комплексы
GA	Песчаники мелко- и среднезернистые, с плоскопараллельной косой слоистостью, мощность слойков см, углы наклона 20–35°	Зерновые потоки и оползни крутых участков дюн	Зерновые потоки
GW	Песчаники мелко- и среднезернистые, с косой слоистостью, мощность слойков от мм до см, углы наклона 10–25°	Зерновые потоки, чередующиеся с ветровым переносом (рябью); пологие участки дюн
WRc	Песчаники мелко- и среднезернистые, с косой слоистостью, инверсионная градационная сортировка, мощность слойков мм, полосчатость, углы 5–10°	Основания дюн, ветровая рябь с косой слоистостью,	Ветровой перенос
WRp	Песчаники мелко- и среднезернистые, с плоскопараллельной слоистостью, инверсионная градационная сортировка, мощность слойков мм, полосчатость, углы 0–4°	Участки между дюнами, ветровая рябь с плоско-параллельной слоистостью,
DI	Глинистые песчаники от мелко- до грубозернистых, плохо отсортированные, слоистость смятия от мм до см	Влажные участки между дюнами, под влиянием грунтовых вод, текстуры волнистые и смятия	Влажные участки (между дюнами), вади
WI	Песчаники от мелко- до грубозернистых, мм слойки, косая и волнистая слоистость в форме ряби	Влажные участки между дюнами, флювиальные отложения, следы течений коротких подтоплений
RW	Песчаники от мелко- до грубозернистых, мм-см слойки, косая слоистость смятия и деформации	Переработка эоловых комплексов мелководно-морскими течениями	Переотложения (переработки)
TR	Карбонаты, эвапориты и красноцветные аргиллиты	Трансгрессия	Трансгрессивные комплексы

Примечание: кодировка показана на рис. 11.

 

Хлоритовые покрытия зерен присутствуют практически во всех песчаниках дюнового комплекса и, несмотря на значительные температуры – в заливе Мобил 160–220°С, – обеспечивают сохранение первичного пустотного пространства, в первую очередь, блокируя вторичную кварцевую цементацию. Эти выводы оказались справедливы не только для свиты Норфлет, но и для разрезов тренда Тускалуса и свиты Дьюпуи (Xiao, 2020 [25]). Есть все основания полагать, что при обнаружении эоловых комплексов в разрезах Прикаспийского бассейна они также будут сохранять хорошие коллекторские свойства при погружении на большие глубины.

Песчаники, связанные с временными флювиальными потоками смыва, обладают наиболее низкими значениями пористости и проницаемости. В ряде продуктивных разрезов свиты их проницаемость оказалась настолько низкой, что капиллярного давления сгенерированных УВ оказалось недостаточно для миграции. При разбуривании таких интервалов на шламмометрии отсутствуют нефте- и газопроявления, несмотря на близкое соседство со зрелыми нефтематеринскими комплексами, находящимися к тому же в зоне аномально высокого пластового давления. На ранних этапах разведки в этом комплексе основное внимание уделялось исключительно общей и эффективной пористости – понимание критичной роли проницаемости для нисходящей миграции нефти пришло значительно позднее, после бурения объекта Петербург (Godo, 2019 [13]).

Основываясь на серии разрезов² мелководья Алабамы (залив Мобил) с глубинами 6126–6645 м и температурами до 215°С, была предложена модель формирования хлоритовых каемок для прогноза ФЕС Норфлет (Ajdukiewicz, 2010 [20]). Эти результаты были успешно использованы при оценке рисков и перспектив сверхглубоких объектов каньона ДеСото.

Для разрезов этой территории было характерно присутствие в кровле участка обильной кварцевой цементации мощностью от 3 до 58 м, где пористость падала ниже 8%, а проницаемость, соответственно, составила менее 1,0 мД. Состав обломочной части указывал, что песчаники были сформированы из расположенных на севере, разрушенных участков Аппалачского горного массива. Их отложение происходило в условиях расширяющегося в широтном направлении (запад – восток) грабена. На континентальных участках этим отложениям соответствуют плохо отсортированные песчаники и конгломераты аллювиальных конусов выноса и временных русел – вади, которые поставляли этот материал на засолонённую равнину побережья. В дальнейшем они перерабатывались ветром и в меньшей степени вдольбереговыми течениями и отлагались в виде комплексов дюн, проградационно выдвигающихся в юго-западном направлении, перекрывая соль.

По результатам скважин и объемной сейсморазведки выявилось, что продуктивные песчаники формируют узкие, вытянутые с севера на юг, субпараллельные полосы мощностью до 250 м и длиной до 1520 м, разделенные участками менее 90 м. (рис. 9). По данным керна и микросканнеров, эоловые комплексы были интерпретированы как дюны звездчатого строения и барханы-сеифы³. Эта морфология юрских дюн оказалась исключительно близкой к современным отложениям побережья Намибии (рис. 8). В современных пустынях интервалы в понижениях между барханами стабилизированы близко расположенными поверхностными водами. Аналогично этому междюновые участки свиты Норфлет были «привязаны» к зеркалу прибрежных вод, которое двигалось в зависимости от трансгрессий и регрессий.

Геолокация отложений современных пустынь показала, что поверхность вод под активными дюнами в засушливых условиях расположена практически горизонтально. Однако в более влажные периоды она выгибается вниз, располагаясь параллельно топографической поверхности песчаного комплекса (Busch, 2020 [21]). Такие же эффекты могут наблюдаться в случае покрытия песчаных зерен глинистыми минералами, повышающими площадь удельной поверхности и, соответственно, капиллярное давление

Одной из характерных особенностей глинистых покрытий песчаников Норфлет, являются хорошо оформленные, вытянутые кристаллы диагенетического хлорита. Ориентировка кристаллов перпендикулярно поверхности зерна указывает на их образование из поровых флюидов. В разрезах Мобил Бей коллекторы характеризуются необычными, обогащенными магнием, разностями. В то время как для морских осадков более типичным является хлорит, обогащенный железом (Xia, 2020 [25]). Это, вероятно, связано с замещением первичного покрытия, представленного сапонитом⁴ (обогащенной магнием разности смектита), который выпадает в условиях сухого климата из солончаковых рассолов. По мере погружения и повышения пластовых температур этот минерал мог переходить в обогащенный магнием хлорит (Ryan, 2002 [26]). В современных эоловых условиях такие «предшественники» хлорита начинают формироваться на поверхности или чуть ниже поверхности грунтовых вод, при погружении на глубину около 1 м.

Коллекторские свойства сверхглубоких разрезов свиты Норфлет определяются типом глинистого покрытия поверхности зерен, происходящего на ранней стадии преобразования осадка в породу. Активные участки дюнового комплекса оказываются не лучшими разностями, если перед погружением они не проходили этап стабилизации и промывки поверхностными водами. В песчаниках выделяются 3 типа хлоритовых покрытий, соответствующих различным участкам пустынного палеокомплекса и определяющих возможность сохранения ФЕС на больших глубинах (табл. 3).

 

Таблица 3. Модели диагенетических изменений песчаников свиты Норфлет в СГ-разрезах севера Мексиканского залива (по материалам Ajdukiewicz, 2010 [20], и Douglas, 2010 [23])

Литофации	Условия отложения	Изменения		ФЕС
		Начальной фазы, при низких Т	Последующие, при высоких Т
WRC WRP	Сухая, вадозная часть в кровле дюны	Переотложение исходных покрытий, перекристаллизация высоко-Т глин	Абразия, кварцевая цементация	Низкие К, Φ
			Вытянутый иллит, усиление растворения давлением	Низкие К, Φ
GA-GW RW ?	Средняя часть дюны, разбавленные метеорные воды	Исходные покрытия, КПШ – переходят в каолинит; угловатый хлорит → углистый иллит; каолинит + КПШ → диагенетический иллит	Пленочное выполнение пор, кварц цементация остановлена	Высокие К, Φ
			Волокнистый иллит, кварц цементация остановлена	Высокие Φ Низкие К
DI ? WI	Нижняя часть дюны, грунтовые солоноватые воды (Фр)	Протяженные хлоритовые покрытия; диагенетические покрытия	Хлоритовое покрытие, кварц цементация остановлена	Высокие К, Φ
Т = температура; К – проницаемость, Φ – пористость КПШ = калиевые полевые шпаты; Фр = фреатические воды

 

К первому типу относится раннедиагенетический хлорит, вероятнее всего, образовавшийся из сапонита в нижней части дюны, которая находилась под или очень близко к уровню пересоленных грунтовых вод. Во время дальнейшего захоронения полностью покрывающая обломочные зерна, хлоритовая каемка препятствует образованию вторичного кварца, сохраняя первичную межгранулярную пористость (до 22%) и проницаемость (сотни мД).

Второй тип представлен наклонными почвенными натеками и пленками, полностью покрывающими песчаные зерна. Он сформировался на приподнятых участках, которые периодически подвергались воздействию пресных вод – временных потоков или дождей. Образовавшиеся при этом кристаллы хлорита при высыхании налипали на поверхности; такой процесс повторялся многократно, что приводило к нескольким слоям или натекам. В стабилизованных дюнах этот хлорит полностью покрывал внутренние поверхности и предотвращал последующее новообразование кварца, сохраняя большую часть первичной пористости. Однако пресные воды также растворяли зерна полевых шпатов, образуя каолинит, который на более поздних стадиях диагенеза вступал во взаимодействие с остатками калиевых полевых шпатов и образовывал нитевидный иллит. В результате пористые песчаники оказывались низкопроницаемыми.

Третий тип покрытия – это нарушенные абразией, прерывистые корки, сложенные смесью диагенетического хлорита и наклоненного под углом иллита. Такие покрытия образовывались при ремобилизации, переносе и многократном переотложении изначально покрытых глинистой коркой зерен. Эти условия соответствуют наиболее активным участкам эолового комплекса, когда последующая кварцевая цементация практически полностью заполняла межгранулярное поровое пространство.

Характеристика коллекторов песчаников Норфлет

Хлоритовые покрытия позволяют сохранять пористость при погружении и повышении температур в различных разрезах Тускалуса, Дьюпуи и многих других (Xia, 2020 [25]). Однако их влияние на ФЕС глубоких и сверхглубоких разрезов Норфлет оказалось в достаточной мере уникальным явлением.

В ряде месторождений, расположенных на континентальной части штата Алабама, были вскрыты мощные песчаные интервалы свиты, в которых, несмотря на хорошие значения общей пористости, абсолютная проницаемость, по сравнению с оффшорными и прибрежными разрезами, снижалась в разы (табл. 4; значения показаны в соответствии с плотностью вероятности 90, 50 и 10%). Эта разница связана с развитием тонкого нитевидного иллита, блокирующего поровое пространство и перекрывающего каналы. Современные залежи в заливе Мобил содержат сухой газ, однако в кровле продуктивной толщи отмечаются следы палео-водонефтяного контакта (далее – ВНК), представленные пиробитумами на поверхности некоторых зерен и пузырькообразными включениями в кварцевом цементе.

 

Таблица 4. Распределение абсолютных проницаемостей свиты Норфлет в пластовых условиях (рассчитанных из мобильности с учетом вязкости), по результатам испытаний и отбора проб некоторых месторождений

Площадь	Количество образцов	Интервал, м		Проницаемость, мД
				P90	P10	P50
Аппоматокс	19	7872,27	7886,87	0,26	27,83	1,88
Баллимор	36	8656,02	8862,49	37,90	314,77	97,87
Коринф	33	7438,68	7839,71	4,60	215,56	61,16
Форт Самтер	105	8598,42	9024,17	1,80	142,83	10,12
Предатор	26	6023,57	6247,21	0,10	90,67	24,82
Рутберг	44	7656,00	7953,52	0,43	139,12	2,07
Виксбург «B»	58	7456,91	7538,80	0,04	7,95	0,25
ВСЕГО	321	6023,57	9024,17	0,21	162,73	8,75

 

Практически во всех низкопористых участках кровельной части Норфлет отмечалось присутствие хорошо раскристаллизованного хлорита. Детальный анализ результатов электронной микроскопии показал, что для них характерны нарушения сплошности покрытия, и при достижении породами экстремальных значений (давление – температура), при погружении на глубины более 5500 м этого оказывается достаточно для формирования вторичного кварца (рис. 11).

 

На основании выборки из 16 образцов песчаников (три свиты - Тускалуса, Норфлет и Дюпуи), были предложены зависимости микропористости хлорита (%) от его объема (%). для обогащенных железом разностей: $Фmicro=\frac{7,08\times Vclay}{0,39\times Vclay+2,26}+0,927$ для обогащенных магнием: $Фmicro=\frac{7,08\times Vclay}{1,88\times Vclay+7,83}+0,927$

Рисунок 11. Анализ структуры порового пространства кровельной части свиты Норфлет в проходящем свете

Красными стрелками указаны корочки хлоритового состава, покрывающие большую часть кварцевых (Q) и полевошпатовых (F) зерен, и окатанного метаморфизованного обломка (Rf). В центральной части открытой поры (голубое), где отсутствовал хлорит – появляется вторичный кварц (Qo).

 

Наиболее типичными литофациями глубоких оффшорных коллекторов являются зерновые потоки (оползни) и интервалы ветровой ряби (переноса). Текстура песчаных разностей, в первую очередь, а также сортировка и окатанность на начальном этапе контролируют структуру межгранулярного пространства, его пористость и проницаемость. Через энергию процессов осадконакопления эти текстуры связаны с фациальными обстановками. В продуктивных разрезах Норфлет верхние и нижние зоны сложены различными литофациями, связанными с ветровым переносом и зерновыми потоками соответственно. При повышении содержания диагенетического цемента кварцевого состава ФЕС становятся исключительно низкими, что характерно для плотных зон верхней части разреза, связанных с себкхами и междюновыми покровами.

Генерация и насыщение УВ

Моделирование УВ-системы верхнеюрского интервала указывает, по крайней мере, на 2 фазы образования нефти: в верхнемеловое время (~65 млн лет) и в среднем миоцене (15 млн лет). Оба пика связаны с быстрым и существенным увеличением мощности вышележащих отложений (Godo, 2019 [13]). На весьма сходные условия указывали и работы, выполненные для южной части залива – складчатого пояса Пердидо (Davison, 2017 [27]). Анализ изменений пластового давления и температур для теоретической сверхглубокой скважины указывает на начало генерации нефти при опускании на глубину от 4800 м до, по крайней мере, 7600 м, жидкого газа и конденсатов – до 9300–9800 м (Wang, 2020 [28]).

В каньоне ДеСото 4 вскрытых объекта Норфлет получили нефть в меловое время: Антиетам, Шилох, Титан и Лизбург. В первых трех подвижные УВ присутствуют и сегодня, а в Лизбурге отмечена только остаточная нефть. Во всех четырех объектах предполагалось присутствие значительно большей колонны УВ, которая в дальнейшем из-за нарушения покрышки была расформирована. Во всех случаях наиболее вероятной причиной стало медленное капиллярное просачивание.

Остальные ловушки с нефтями более поздней (миоценовой) генерации оказались заполнены полностью и без следов остаточной нефти или расформирования залежи (Godo, 2019 [13]). Об этом свидетельствует отсутствие изменения окраски песчаных пород и нефте- и газопроявлений ниже установленного ВНК. Более современные структурные нарушения, вероятно, позволяют некоторую утечку УВ из ловушек, однако со скоростями, позволяющими сохранить коммерческие залежи. Проанализировав выборку из 350 крупнейших месторождений, Д. МакГрегор предположил, что все эти залежи являются «динамичными и коротко живущими» явлениями со средней (медианной) протяженностью существования в 35 млн лет (Macgregor, 1996 [29]). В случае со сверхглубокими залежами свиты Норфлет это время составляет, по крайней мере, 15 млн лет.

Ряд открытий в песчаниках верхней юры оказались не полностью заполнены по отношению к последней замкнутой отметке антиклинальной ловушки. К таким относятся залежи Геттисбург, Рудберг, и вероятно, Виксбург «А» и «В».

 

¹ В оригинале используется термин «флювиально-зандровый» (от термина «зандр» (исл. sandur — буквально «песочник», от sand – «песок») — пологая волнистая равнина, расположенная перед внешним краем конечных морен – «wiki»), который рекомендован к применению при описании ледниковых осадков.

² Использовались данные керна, испытаний и каротаж из 60 скв.

³ Крупные вытянутые песчаные гряды.

⁴ Ca_0,25(Mg, Fe)₃(OH)₂∙n

Об авторах

Курмангазы Орынгазиевич Исказиев

АО «Разведка и Добыча «КазМунайГаз»

Автор, ответственный за переписку.
Email: k.iskaziyev@kmgep.kz

канд. геол.-мин. наук, профессор, Генеральный директор, Председатель Правления

Казахстан, Нур-Султан

Павел Евгеньевич Сынгаевский

Noble Energy

Email: shadow63raven@yandex.ru

канд. геол.-мин. наук, старший советник, петрофизик

США, Хьюстон

Сергей Фаизович Хафизов

РГУ нефти и газа им. Губкина

Email: khafizov@gubkin.ru

докт. геол.-мин. наук, профессор, заведующий кафедрой поисков и разведки нефти и газа

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы