Skalowanie jedno- i dwuwymiarowych modeli ekspulsji wêglowodorów
wed³ug progowych nasyceñ ska³ macierzystych
Dariusz Botor*, Pawe³ Kosakowski**, Jan Kuœmierek**, Tomasz Maækowski**
Scaling of one- and two-dimensional hydrocarbon expulsion models based on source rock expulsion threshold values. Prz. Geol., 50: 72–77.
S u m m a r y. The reliable results of numerical expulsion modeling depend on precision of scaling petroleum system parameters. Of particular importance are adequately selected expulsion threshold values that cannot be measured experimentally. They are estimated by theoretical extrapolation data from oil relative permeability for sandstones with decreasing absolute permeability or/and Rock-Eval pyrolitycal data and bitumen extraction analysis of source rocks. The expulsion efficiency depends indirectly on organic matter contents and its type, as well as on source rock permeability and generation dynamics, whereas the expulsion is determined by values of compactional overpressure, clay mineral dehydratation and degree of organic matter transformations that determine the relationship between hydrocarbon fractions and their total volume. Based on these data, the examples of expulsion modeling in selected areas of the Polish sedimentary basins are shown.
Key words: source rock, hydrocarbon expulsion, numerical modeling, compaction, Flysch Carpathians, Lublin Trough
Zasadniczy postêp w metodach modelowania syste-mów naftowych opiera siê m.in. na wynikach badañ uza-sadniaj¹cych, ¿e: generowanie i migracja wêglowodorów podlega znanym procesom fizykochemicznym, mo¿liwym do skwantyfikowania (Hermanrud, 1993). W odró¿nieniu od technik rekonstruowania procesów generowania wêglowodo-rów, stosowanych ju¿ powszechnie, modelowanie ich migra-cji jest zagadnieniem bardziej z³o¿onym. Wymaga ono m.in. odpowiedniego wyskalowania interakcji systemu ska³a-p³yn, na który oddzia³ywuj¹ ró¿ne potencja³y ciœnieñ i koncentracji mediów, indukowane procesami m.in.: kompakcji, przemian fazowych i deformacji tektonicznych w warunkach zmien-nych cech petrofizyczzmien-nych oœrodka skalnego.
Procesem bezpoœrednio powi¹zanym z generowaniem wêglowodorów jest ich ekspulsja, okreœlana te¿ pojêciami: migracji pierwotnej lub emigracji wêglowodorów, tj. uwal-nianie ciek³ych i gazowych frakcji z kerogenu, a nastêpnie ich przemieszczanie ze ska³ macierzystych, zwykle o niskiej przepuszczalnoœci (< 1 mD) do ska³ zbiornikowych. W porównaniu z migracj¹ wewn¹trzzbiornikow¹ (tzw. wtórn¹) napêdzan¹ si³ami wyporu i nadciœnieniami wód wg³êbnych — procesy ekspulsji, s¹ mniej zrozumia³e i dys-kusyjne. Z drugiej strony zró¿nicowana efektywnoœæ uwal-niania siê wygenerowanych frakcji wêglowodorowych — znajduj¹ca potwierdzenie w analizach geochemicznych próbek dojrza³ych ska³ macierzystych — ma istotne zna-czenie dla iloœciowej oceny potencjalnych „strat” w bilan-sie wêglowodorowym ka¿dego basenu sedymentacyjnego.
W niniejszej publikacji opisano wyniki jedno- i dwuwy-miarowych modelowañ ekspulsji wêglowodorów w kilku wybranych strefach polskich basenów sedymentacyjnych, koncentruj¹c siê na problemach skalowania tego procesu.
Modelowania jednowymiarowe przeprowadzono przy
u¿yciu programów komputerowych GenexTM i
Basin-ModTM, bazuj¹cych na wynikach analizy pirolitycznej
Rock Eval próbek rdzeni z profili odwiertów z rejonu wschodniej czêœci Karpat polskich oraz rowu lubelskego na platformie prekambryjskiej. Modelowania dwuwymia-rowe wykonano przy pomocy oprogramowania Landmark
(program StaraModelTM)***. Obiektem tych modelowañ
by³ regionalny przekrój geologiczny jednostek
ropogazono-œnych wschodniej czêœci Karpat polskich. Mia³y one na celu skalowanie efektywnoœci ekspulsji wêglowodorów w aspek-cie zmiennych nasyceñ progowych ska³y maaspek-cierzystej.
Opis metod i wyników modelowañ jedno- i dwuwy-miarowych poprzedzono wprowadzeniem odzwiercie-dlaj¹cym ró¿norodnoœæ pogl¹dów na mechanizm migracji pierwotnej i fizyczne modele tego procesu.
Mechanizmy pierwotnej migracji wêglowodorów; fizyczne aspekty proponowanych modeli
W celu wyjaœnienia istoty procesu migracji pierwotnej by³y sugerowane dotychczas ró¿norodne mechanizmy fizyczne, opisane poni¿ej.
Migracja wêglowodorów w fazie rozpuszczonej w wodach porowych, wyciskanych z osadów macierzystych
wskutek kompakcji (Magara, 1978; Hunt, 1996); w modelu tym zak³ada siê, ¿e oddzielenie fazy wêglowodorowej nastêpuje w strefach ni¿szych temperatur i ciœnieñ, czyli w trakcie migracji wtórnej, b¹dŸ dopiero w obrêbie pu³apek z³o¿owych. Nale¿y jednak podkreœliæ, ¿e iloœciowy wymiar tego procesu ogranicza stosunkowo niska rozpuszczalnoœæ wêglowodorów w fazie wodnej (szczególnie w wodach sil-nie zmineralizowanych), a ponadto w wielu z³o¿ach sil-nie wystêpuj¹ wody podœcielaj¹ce (np. w Karpatach).
Migracja wêglowodorów w fazie gazowej;
akcepta-cja tego mechanizmu jest oparta na za³o¿eniu, ¿e na du¿ych g³êbokoœciach (rzêdu 3000 m i wiêcej) w gazie ziemnym mog¹ byæ rozpuszczone znaczne iloœci wêglowodorów ciek³ych (Sokolov i in., 1963), tworz¹c medium okreœlane pojêciem p³ynu naftowego. T¹ postaæ migracji te¿ nie mo¿na uznaæ za dominuj¹c¹, gdy¿ wymaga³aby ona roz-proszenia ca³ej iloœci gazu ze z³ó¿ maj¹cych obecnie cha-rakter akumulacji ropnych.
Migracja wêglowodorów wskutek dyfuzji;
mecha-nizm ten mo¿e mieæ prawdopodobnie znacz¹cy wymiar tylko w odniesieniu do lekkich n-alkanów na krótkich dystansach rzêdu 10–100 m (England i in., 1987) i jest nie-zdolny do efektywnego transportu mediów, a¿ do ich stref akumulacji (Thomas & Clouse, 1990).
Migracja w oddzielnej fazie wêglowodorowej;
zak³ada siê, ¿e po przekroczeniu progowej wartoœci
nasy-*Instytut Nauk Geologicznych, Polska Akademia Nauk, ul. Senacka 1, 31-002 Kraków; ndbotor@cyf-kr.edu.pl
**Zak³ad Surowców Energetycznych, Akademia Górni-czo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
***Do modelowañ wykorzystano oprogramowanie firmy Landmark Graphics Corporation, udostêpniony w ramach pro-gramu wspierania badañ naukowych uniwersytetów (umowa nr LG 137 V 166/1419)
cenia ska³ macierzystych, wskutek nadciœnieñ wywo³anych przez procesy generowania i kompakcjê, nastêpuje przemieszczanie fazy wêglowodorowej w kie-runku ska³ zbiornikowych, charakteryzuj¹cych siê ni¿szy-mi ciœnieniani¿szy-mi porowyni¿szy-mi.
Ten ostatni mechanizm migracji jest obecnie prefero-wany i rozwijany w oparciu o nastêpuj¹ce argumenty:
—wiêkszoœæ akumulacji ropnych pochodzi ze ska³ macie-rzystych zawieraj¹cych ponad 2,5% wêgla organicznego, które w stadium generowania wydala³y zbyt ma³e iloœci wody, aby prze-mieœciæ mikroropê w fazie roztworu wodnego, gdy¿ iloœæ mobil-nych wód porowych musia³aby znacznie przekroczyæ objêtoœæ wêglowodorów;
— w stadium ekspulsji stosunek wody mobilnej do wody zwi¹zanej (fizycznie i/lub chemicznie) jest na tyle niski, ¿e wêglowodory uwalniane z kerogenu mog¹ tworzyæ tzw. fazê wewnêtrznie po³¹czon¹, na tyle dynamiczn¹, ¿e mo¿e ona poko-naæ ciœnienia kapilarne przestrzeni porowej w ska³ach macierzys-tych; ponadto je¿eli porowatoœæ ska³y macierzystej spadnie poni¿ej 7% — co odpowiada przeciêtnej œrednicy kapilary rzêdu 4 nm, wówczas prawie ca³a zawartoœæ wody jest zwi¹zana ze struktur¹ ska³y, tj. w migracji bierze udzia³ tylko faza wêglowo-dorowa. Przypuszcza siê, ¿e po³¹czona faza wêglowodorowa tworzy siê, gdy nasycenie wêglowodorami przestrzeni porowej przekracza 10%. W strefach generowania, wskutek przemian fazowych kerogenu (jako cia³a sta³ego) w p³ynn¹ frakcjê wêglo-wodorów a nastêpnie gazow¹, objêtoœæ fazy organicznej mo¿e wzrosn¹æ do 25%; wywo³uj¹c dodatkowe nadciœnienia mog¹ce powodowaæ proces mikroszczelinowania lub rozwierania spêkañ ju¿ istniej¹cych. Jest to prawdopodobne równie¿ z tego powodu, ¿e frakcja ropna i gazowa przy ciœnieniach powy¿ej 28 MPa i temperaturze > 100oC, tworzy jednofazowy p³yn
wêglowodoro-wy o du¿ej prê¿noœci i obni¿onej lepkoœci;
— poniewa¿ ekspulsja nastêpuje w stadium zaawansowane-go generowania wêglowodorów, mog¹ one wykorzystywaæ post-kerogenow¹ sieæ pustek jako drogi migracji.
Powy¿sze argumenty le¿¹ u podstawy iloœciowych modeli migracji pierwotnej, zaproponowanych w ostatnich latach (Palciauskas, 1991; Pepper & Corvi, 1995). Pierw-szy z nich przyjmuje, ¿e przewa¿aj¹ca czêœæ wêglowodo-rów podlega ekspulsji w oddzielnej fazie, pod wp³ywem ró¿nicy ciœnieñ miêdzy szkieletem skalnym a przestrzeni¹ porow¹. Przyjêty mechanizm opiera siê na za³o¿eniu, ¿e rozproszona substancja organiczna jest w istocie czêœci¹ szkieletu a nie przestrzeni porowej, co w szczególnoœci odnosi siê do bogatych ska³ macierzystych. W rezultacie faza wêglowodorowa jest zdolna wyprzeæ pozosta³¹ wodê mobiln¹ lub rozszczelinowaæ ska³ê macierzyst¹, gdy jej przepuszczalnoœæ jest znikoma.
Przepuszczalnoœæ ska³ macierzystych jest sporadycz-nie mierzona. Czêœciej wylicza siê j¹ jako funkcjê porowato-œci, ale iloœciowa relacja tej zale¿noœci mo¿e byæ obarczona b³êdem nawet rzêdu wielkoœci mierzonej (Magara, 1978). Ekspulsja fazy ropnej przez niemieszalne wypieranie cz¹ste-czek wody dominuje w ska³ach macierzystych o przepusz-czalnoœci > 10-1mD, w warunkach akomodacji szybkoœci generowania i uwalniania wêglowodorów. Gdy nie s¹ one spe³nione powstaj¹ wysokie nadciœnienia inicjuj¹ce propaga-cjê mikroszczelin (Palciauskas, 1991). Wp³yw na intensyw-noœæ tego procesu ma równie¿ typ materii organicznej, poniewa¿ kontroluje on objêtoœæ generowanych faz wêglo-wodorowych i ich parametry fizyczne.
Geneza rozwoju mikrospêkañ w ilastych ska³ach macierzystych — u³atwiaj¹cych ekspulsjê wêglowodorów — mo¿e byæ równie¿ zwi¹zane z termiczn¹ przemian¹ wody zwi¹zanej w postaæ wody swobodnej, której towa-rzyszy wzrost objêtoœci medium (Zalajew, 2000). Nale¿y jednak podkreœliæ, ¿e w profilach osadów ilastych charak-teryzuj¹cych siê normalnym trendem kompakcji, ekspulsja p³ynów podporz¹dkowana jest przede wszystkim gradien-tom hydraulicznym i ciœnieniom kapilarnym; tzn. ukierun-kowana jest ku najbli¿szej warstwie zbiornikowej, a wiêc subwertykalnie. Pogl¹d ten wyra¿any w wielu publika-cjach (m.in. Magara, 1978; England, 1994) potwierdzaj¹ równie¿ eksperymentalne badania profili karpackich for-macji ropogazonoœnych (Kuœmierek i in., 1991).
Nowszy model, zaproponowany w pracy Peppera i Corviego (1995) zak³ada, ¿e ekspulsja jest w istocie rezul-tatem dwu nastêpuj¹cych po sobie procesów:
— uwalniania wygenerowanych wêglowodorów z sieci kero-genowej, gdy ich koncentracja przekroczy zdolnoœæ sorbcyjn¹ kerogenu rezidualnego (tj. rz¹d 0,1–0,2 g HC/g wêgla organicz-nego).
— migracji pierwotnej (sensu stricto) jako przep³ywu wêglo-wodorów przez sieæ pustek szkieletu skalnego o niskiej przepusz-czalnoœci z zachowaniem resztkowych nasyceñ rzêdu 10%.
W konsekwencji, efektywnoœæ ekspulsji — przy za³o¿eniu dominuj¹cej roli migracji wêglowodorów w postaci oddzielnej fazy — zale¿y poœrednio od pierwotnej zawartoœci materii organicznej i jej typu, a z drugiej strony od dynamiki generowania i przepuszczalnoœci szkieletu skalnego ska³y macierzystej. Natomiast bezpoœrednio jest warunkowana przez wartoœci nadciœnieñ wywo³anych kompakcj¹ i dehydratyzacj¹ ska³ ilastych oraz wielkoœci¹ przemian fazy organicznej, determinuj¹cych wzajemne stosunki pomiêdzy frakcjami wêglowodorowymi i ich sumaryczn¹ objêtoœæ (Palciauskas, 1991; Pepper & Corvi, 1995; Mann i in., 1997). Czynniki te maj¹ tak¿e wp³yw na straty spowodowane przez sorbcjê oraz rezydualne nasyce-nia wêglowodorami przestrzeni porowej. Mog¹ byæ one minimalizowane, gdy ciek³a faza wêglowodorów pozo-sta³a w skale macierzystej, pod wp³ywem wzrostu paleo-temperatur, podlega konwersji w fazê gazow¹ (kraking wtórny) bardziej podatn¹ na ekspulsjê.
Modelowania jednowymiarowe (1-D)
Jednowymiarowe modele numeryczne, konstruowane przy pomocy programów GenexTMi BasinModTM, umo¿li-wiaj¹ okreœlenie czasu i wielkoœci ekspulsji wêglowodo-rów, a w konsekwencji nasycenia ska³ macierzystych (Ungerer, 1988; Braun & Burnham, 1990; Waples, 1994). W modelach tych zak³ada siê, ¿e proces ekspulsji wêglo-wodorów nastêpuje po przekroczeniu progowego nasyce-nia przestrzeni porowej ska³y macierzystej.
Pierwszym krokiem w modelowaniu procesów genero-wania i ekspulsji jest zestawienie i zinterpretowanie nie-wêglowodory rezydualne residual hydrocarbons czas time iloœæ wêglowodorów amount of hydrocarbons wêglowodory wydalone expelled hydrocarbons etap przed ekspulsj¹
(S<Smax) before expulsion
etap ekspulsji expulsion stage
Ryc. 1. Model procesów ekspulsji metod¹ nasycenia (wg Genex Reference Manual, 1997); S — nasycenie wêglowodorami ska³y macierzystej, Smax — nasycenie progowe dla rozpoczêcia eks-pulsji
Fig. 1. Expulsion model using saturation method (Genex Refe-rence Manual, 1997); S — source rock saturation, Smax — threshold saturation
zbêdnych danych: litostratygraficznych, termicznych, geochemicznych i petrofizycznych, dla skonstruowania przestrzenno-czasowego modelu ewolucji badanych for-macji ropogazonoœnych. Metody rekonstrukcji podstawo-wych elementów tego modelu tj. krzywej pogr¹¿ania ska³ macierzystych, ich historii termicznej i parametrów kine-tycznych kerogenu oraz ich wp³ywu na dynamikê proce-sów generowania wêglowodorów opisano w publikacji Botora i Kosakowskiego (2000). Dla kalibrowania proce-sów ekspulsji szczególnie istotne jest natomiast odwzorowa-nie zmian porowatoœci wydzielonych pakietów ska³ macierzystych i estymacja ich progowych nasyceñ (ryc. 1). W trakcie procesu generowania wêglowodorów i ich ekspulsji nastêpuje zmniejszenie objêtoœci ska³y macierzystej, zarówno z powodu kompakcji przestrzeni porowej, jak i wyciskaniu mediów wêglowodorowych (Palciauskas, 1991).
Powy¿sze problemy zosta³y zilustrowane przyk³adami wyników modelowania procesów generowania i ekspulsji
wêglowodorów (ryc. 2, 3), przeprowadzonych dla odwiertów KuŸmina-1 (p³aszczowina skolska, Karpaty fliszowe) i Bystrzyca-2 (rów lubelski, platforma wschodnioeuropejska).
Modelowania dwuwymiarowe (2-D)
Jedn¹ z szeroko stosowanych metod przestrzennych modelowañ procesów generowania i ekspulsji wêglowo-dorów jest metoda otworów syntetycznych tzw. „pseu-do-wells”. Polega ona na wykonaniu wielu obliczeñ w wariancie jednowymiarowym dla ci¹gu syntetycznych profi-li rozmieszczonych zazwyczaj w wêz³ach równomiernej siatki interpolacyjnej. Krok dyskretyzacji jest uzale¿niony od stop-nia skomplikowastop-nia geometrii struktur wg³êbnych, zmiennoœci parametrów geochemicznych i petrofizycznych oraz za³o¿onej rozdzielczoœci wyników modelowañ. Ten sposób postêpowa-nia pomimo swych ograniczeñ, przejêtych po modelowapostêpowa-niach jednowymiarowych, pozwala uwzglêdniæ zmiennoœæ parame-trów i geometrii kompleksów macierzystych. W wyniku tak prze-prowadzonych modelowañ otrzy-mujemy „ci¹g³e”, przestrzenne (2-D lub 3-D) rozk³ady symulowanych parametrów systemu naftowego.
Ideê metody otworów synte-tycznych zastosowano do mode-lowañ procesów generowania i ekspulsji wêglowodorów wzd³u¿ regionalnego przekroju
geolo-gicznego Szczawne–KuŸmina.
Przeprowadzono je dla poszcze-gólnych bloków siatki
interpola-cyjnej za³o¿onej w obrêbie
rozpatrywanego przekroju i
prze-niesionej na dwuwymiarowe
modele paleostrukturalne. Mode-le te skonstruowane metod¹ prze-krojów bilansowanych, mia³y na celu odwzorowanie geometrii fa³dów i nasuniêæ w trzech
prze-dzia³ach czasowych
obej-muj¹cych wczesny oligocen do póŸnego miocenu. Okres ten
cha-rakteryzowa³ siê najwiêksz¹
intensyfikacj¹ procesów genero-wania i ekspulsji wêglowodorów zanikaj¹c¹ w stadium inwersji tektogenu karpackiego (rek & Maækowski, 1996: Kuœmie-rek i in., 2001).
Dla poszczególnych prze-dzia³ów czasowych odtworzono po³o¿enie elementarnego bloku siatki interpolacyjnej, uzyskuj¹c tym samym krzyw¹ pogr¹¿ania ka¿dego z nich. Wzd³u¿ skon-struowanych syntetycznych krzy-wych pogr¹¿ania przeprowadzono jednowymiarowe modelowania: stopnia transformacji kerogenu, iloœci wygenerowanych
wêglo-wodorów, porowatoœci ska³
macierzystych i ostatecznie
wspó³czynnika efektywnoœci eks-pulsji.
Stopieñ termicznej transfor-macji kerogenu wyliczono na
podstawie zrekonstruowanych 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 C P T J K PEOM wizen grn. (sp¹g) Upper Visean (bottom)
B
wskaŸniktransformacji transforrmationratio 0 100 200 300 400 czas (mln lat) time (Ma) 0 100 200 300 400 0 10 20 30 40 50 60 M P P T J K PEOMPHP iloœæwygenerowanychwêglowodorów mgwêglowodorów/gTOC quantityofhydrocarbonsgenerated mghydrocarbons/gTOC ropa oil gaz gasC
czas (mln lat) time (Ma) wizen grn. (sp¹g) Upper Visean (bottom) 20( C)° 30( C)° 40( C)° 50( C)° 60( C)° 70( C)° 80( C)° 90( C)° 100( C)° 110( C)° 120( C)° 130( C)° 140( C)° 100 200 300 400 0 500 1000 1500 2000 2500 H P P M O E P K J T P P M czwartorzêd Quaternary mastrycht Mastrichtian kampan Campanian santon Santonian koniak; Coniacian turon; Turonian cenoman; Cenomanian kimeryd Kimmeridgian oksford Oxfordian namur B Namurian B namur A Namurian A wizen grn. Visean Upp. czas (mln lat) time (Ma) g³êbokoœæ(m) depth(m)A
Bystrzyca-2wczesna faza generowania (10 - 25%) early phase Fazy generowania
wêglowodorów: Hydrocarbon generation:
g³ówna faza generowania (25 - 65%) main phase póŸna faza generowania
(65 - 90%)late phase 0 60( C)° 60( C)° 70( C)° 80( C)°
Ryc. 2. Wyniki modelowañ numerycznych procesów ekspulsji dla profilu litostratygraficzne-go Bystrzyca-2: A — krzywe pogr¹¿ania wraz z oknami ekspulsji, B — wskaŸnik transforma-cji kerogenu, C — iloœæ wygenerowanych wêglowodorów
Fig. 2. The results of numerical modeling of expulsion for well Bystrzyca-2; A — burial history with expulsion windows, B — kerogen transformation ratio, C — amount of hydrocar-bons generated
gradientów paleotermicznych i parametrów kinetycznych kerogenu, specyficznych dla wydzielonych kompleksów ska³ macierzystych. Ska³y macierzyste o najwy¿szym poten-cjale genetycznym, reprezentowanym przez kerogeny typu II/I i II/III, wystêpuj¹ w profilu litofacji ³upków menilitowych (wczesny oligocen), podczas gdy w pakietach ilastych kredo-wo-paleoceñskich dominuje kerogen typu III (Halat, 1995; Bessereau i in., 1996).
Obliczenia wspó³czynnika ekspulsji przeprowadzono dla dwóch wartoœci progowego nasycenia wêglowodorami przestrzeni porowej ska³ macierzystych: Sp = 0,1 i 0,2 (ryc.
4A, B). Interpolacje parametrów systemu naftowego oraz obli-czenia wykonano przy u¿yciu programu StrataModelTMfirmy Landmark Graphics Corporation. Wyniki modelowañ — ze wzglêdu na koniecznoœæ ograniczenia wielkoœci zamieszczo-nych rycin — przypisano nierozdzielonym kompleksom lito-stratygraficznym bez wyodrêbniania w ich profilu, zazwyczaj cienkich, pakietów ska³ macierzystych.
Analiza i dyskusja wyników modelowañ
Wyniki jednowymiarowych modelowañ procesów generowania i ekspulsji wêglowo-dorów ilustruj¹ ryc. 2 i 3.
Modelowania dla utworów karbonu w odwiercie Bystrzy-ca-2, znajduj¹cym siê w obszarze rowu lubelskiego przeprowadzo-no przy pomocy oprogramowania BasinModTM. Odwiert ten, poni¿-ej osadów kredy i jury,
przewier-ci³ w przedziale g³êb.
1235,0–2159,5 m klastyczne
utwory wêglonoœne karbonu nego oraz wêglanowe wizenu
gór-nego. Dojrza³oœæ utworów
karbonu dolnego, w którym wystêpuje kerogen II i III typu jest na poziomie 0,9–1,0% w skali refleksynjoœci witrynitu. Doj-rza³oœæ utworów karbonu górne-go, gdzie dominuje III typ
kerogenu jest na poziomie
0,7–0,8% Ro (ryc. 2A). Obliczo-ny wskaŸnik transformacji
kero-genu siêga dla poziomów
macierzystych karbonu górnego 14%, a dla II typu kerogenu w poziomie karbonu dolnego nawet 99% (ryc. 2B). Powy¿sze dane wskazuj¹, ¿e w utworach karbo-ñskich nast¹pi³ proces generowa-nia wêglowodorów. Ca³kowita iloœæ wêglowodorów wygenero-wanych przez ska³y macierzyste karbonu górnego wynios³a 65,5 mg HC na gram ska³y, a dla pozio-mów ska³ macierzystych karbonu dolnego ok. 405 mg HC na gram ska³y (ryc. 2C). Jednak proces ekspulsji wygenerowanych wêglo-wodorów jest ograniczony co naj-wy¿ej do poziomu ska³ karbonu dolnego, gdzie wyliczona wielkoœæ wêglowodorów wydalonych mo¿e wynieœæ do 50% potencja³u genera-cyjnego, przy za³o¿eniu 5% progu nasycenia. Brak ekspulsji z utwo-rów górnokarboñskich, potwier-dzony m.in. stosunkiem wskaŸnika S1/TOC wynosz¹cym zero, jest
wynikiem przede wszystkim
zawartoœci III typu kerogenu. Przyk³ady modelowania przepro-wadzonego w dwóch odmiennych regionach wykaza³y, jak istotne jest, nie tylko modelowanie proce-sów generowania wêglowodorów, ale równie¿ i ich ekspulsji. 40 80 120 160 200 240 280 ROCK-EVAL S1/T.O.C SOURCE ROCK ROCK-EVAL S1/T.O.C
Rock-Eval S1/T .O.C (mg HC/g TOC) 0 c e e n M P Source Rock w-wy spaskie III
o.mTYPEIII Initial T.O.C 2,0% Net Thickness 120,0 m Exp.Saturation 20,0%
C
4 8 12 16 20 24 28 czas (mln lat) time (Ma) 0 warstwy spaskie Spas Beds warstwy spaskie Spas Beds warstwy spaskie Spas Beds 0.5% 1.0% 1.3% 2 %.0 utwory fliszowe nasuniêcia karpackiego Carpathians Flysch 10.0 e e k n p e k k P M O E P uC 0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 6 7 8EWOLUCJA OKIEN EKSPULSJI WÊGLOWODORÓW
EXPULSION WINDOWS GEOHISTORY KuŸmina-1
1.3% 10 - 50% 50 - 80% > 80% WydajnoϾ ekspulsji: Expulsion efficiency: refleksyjnoϾ witrynitu vitrinite reflectance
A
czas (mln lat) time (Ma) g³êbokoœæ(m) depth(m) 9 0ILOŒÆ WYDALONYCH WÊGLOWODORÓW SOURCE ROCK EXPELLED HYDROCARBONS
Source Rock w-wy spaskie III
o.mTYPEIII Initial T.O.C 2,0% Net Thickness 120,0 m Exp.Saturation 20,0%
E
4 8 12 16 20 24 28 czas (mln lat) time (Ma) 0 1 2 3 4 5 6 0 STOPIEÑ TRANSFORMACJI KEROGENUKEROGEN TRANSFORMATION RATIO c e e n M P 10 20 30 40 50 60 70 80 90 4 8 12 16 20 24 28 Source Rock w-wy spaskie III
o.mTYPEIII Initial T.O.C 2,0% Net Thickness 120,0 m Exp.Saturation 20,0%
B
wskaŸniktransformacjikerogenu(%) kerogentransforrmationratio(%) 100 0 czas (mln lat) time (Ma) 0 0ILOŒÆ WYGENEROWANYCH WÊGLOWODORÓW SOURCE ROCK TOTAL HYDROCARBONS
1 2 3 4 5 Source Rock w-wy spaskie III
o.mTYPEIII Initial T.O.C 2,0% Net Thickness 120,0 m Exp.Saturation 20,0% coke C1 C2-C5 C6-C15 C15+ coke C1 C2-C5 C6-C15 C15+
D
4 8 12 16 20 24 28 czas (mln lat) time (Ma) 0 il oœ æw yg en er ow an yc hw êg lo w od or ów( m gH C /gs ka ³y ) to ta lh yd ro ca rb on s( m gH C /gi ni ti ald ryr oc k) 6 0 c e e n M P n e M e P c il oœ æw yd al on yc hw êg lo w od or ów( m gH C /gs ka ³y ) to ta lh yd ro ca rb on s( m gH C /gi ni ti ald ryr oc k)Ryc. 3. Wyniki modelowañ numerycznych procesów ekspulsji dla profilu litostratygraficznego KuŸmina-1; A — krzywe pogr¹¿ania wraz z oknami ekspulsji, B — wskaŸnik transformacji kerogenu, C — iloœæ wygenerowanych wêglowodorów, D — wskaŸnik S1/TOC, E — iloœæ wêglowodorów podlegaj¹cych ekspulsji z poziomów macierzystych
Fig. 3. The results of numerical modeling of expulsion for well KuŸmina-1; A — burial history with expulsion windows, B — kerogen transformation ratio, C — amount of hydrocarbons generated, D — indices S1/TOC, E — amount of hydrocarbons expelled from source rocks
Modelowania procesów generowania i ekspulsji wêglowodorów wykonane dla odwiertu KuŸmina-1 za
pomoc¹ oprogramowania GenexTM, pozwoli³y na
wydzie-lenie w jego profilu litostratygraficznym dojrza³ych pozio-mów ska³ macierzystych w obrêbie warstw spaskich (ryc. 3). Odwiert ten, poni¿ej osadów kredy m³odszej–oligoce-nu, przewierci³ w interwale g³êb. 4740–6885 sfa³dowane i nasuniête utwory kredy starszej, reprezentowane przez litofacjê piaskowców i ³upków spaskich wieku apt–alb. Buduj¹ one j¹dra trzech wg³êbnych ³usek tektonicznych. Dojrza³oœæ pierwszego, najp³ycej zalegaj¹cego, komplek-su warstw spaskich jest na poziomie 0,7–0,8% w skali refleksyjnoœci witrynitu (% Ro), drugiego 0,9–1,1%, a trzeciego przekracza 1,3% Ro (ryc. 3A). Wyliczony wska-Ÿnik transformacji kerogenu siêga nawet 90% (ryc. 3B). Pozwala to s¹dziæ, ¿e co najmniej w trzecim, najg³êbiej zalegaj¹cym kompleksie warstw spaskich procesy ekspul-sji wêglowodorów zosta³y zainicjowane. Ca³kowita iloœæ wygenerowanych wêglowodorów przekroczy³a 4 mg HC na gram ska³y (ryc. 3C). Stosunek wskaŸnika S1 do TOC — wyznaczony z analizy Rock-Eval — osi¹gn¹³ maksi-mum (80 mg HC/g wêgla organicznego) ok. 20 milionów lat temu (ryc. 3D), co wskazuje na zainicjowanie procesu ekspul-sji wêglowodorów w trzecim kompleksie warstw spaskich. Analiza iloœciowa tego procesu wykaza³a, ¿e wydaleniu uleg³o jedynie 1,4 mg HC na gram ska³y (ryc. 3E).
Jak to zilustrowano na ryc. 4, modelowania dwuwy-miarowe umo¿liwi³y okonturowanie stref ekspulsji wêglo-wodorów w przekroju Szczawne–KuŸmina. Wykazuj¹ one charakterystyczny uk³ad geometryczny, tj. s¹ zlokalizowa-ne w g³êboko pogr¹¿onych elementach synklinalnych,
zalegaj¹cych w pod³o¿u lokalnych nasuniêæ tektonicz-nych. Takie rozmieszczenie stref ekspulsji wskazuje na rozcz³onkowanie systemu migracji wêglowodorów w obrêbie poszczególnych jednostek tektoniczno-facjalnych wy¿szego rzêdu na integralne modu³y strukturalne (³uski i systemy fa³dów).
Nale¿y równie¿ podkreœliæ zró¿nicowan¹ g³êbokoœæ i krzywoliniowy kontur zalegania stropu stref ekspulsji, co jest warunkowane z jednej strony zró¿nicowan¹ histori¹ pogr¹¿ania poszczególnych elementów strukturalnych, a z drugiej zmiennoœci¹ parametrów paleotermicznych i geo-chemicznych w p³aszczyŸnie analizowanego przekroju. Ponadto obserwuje siê zró¿nicowanie stopnia efektywno-œci ekspulsji dla wydzielonych poziomów macierzystych w obrêbie okonturowanych stref, spowodowane wy¿ej wymienionymi czynnikami, np. starsze kompleksy macie-rzyste (wieku kredowego) wykazuj¹ ni¿szy stopieñ zaawansowania procesów ekspulsji.
Istotne konsekwencje dla modelowanej geometrii stref ekspulsji i iloœci wêglowodorów przemieszczanych do poziomów zbiornikowych mia³o przyjêcie takiej, a nie innej wartoœci progowego nasycenia (Sp). Arbitralne usta-lenie tej wartoœci jest trudne do merytorycznego uzasadnie-nia. W konsekwencji model na ryc. 4A przedstawia bardziej optymistyczn¹ interpretacjê iloœciow¹ ni¿ wersja alternatywna prezentowana na ryc. 4B. Wersja pierwsza (Sp = 0,1) by³aby bardziej zbli¿ona do rzeczywistoœci w przy-padku generowania l¿ejszych frakcji wêglowodorowych o ni¿szej lepkoœci, natomiast wersja druga (Sp = 0,2) odpo-wiada³aby emigracji ciê¿szych rop o wiêkszej lepkoœci.
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 NULL wskaŸnik expulsji expulsion coefficient 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 wskaŸnik expulsji expulsion coefficient 5 4 3 2 1 10000 m 20000 m 30000 m 0 m
Mokre-106 M Paszowa-1 KuŸmina-1
1 0 [m] -2000 -4000 -6000 -8000 -10000 powierzchnie nasuniêæ surface of overthrusts
granice kompleksów litostratygraficznych boundaries of lithostratigraphics complexes
10000 m 20000 m 30000 m
0 m
Mokre-106 M Paszowa-1 KuŸmina-1
0 [m] -2000 -4000 -6000 -8000 -10000 powierzchnie nasuniêæ surface of overthrusts
granice kompleksów litostratygraficznych boundaries of lithostratigraphics complexes 5
4 3
2
NULL
Ryc. 4. Wyniki modelowañ numerycznych procesów ekspulsji dla przekroju geologicznego Mokre 106–KuŸmina 1; A — dla Sp = 0,1, B — dla Sp = 0,2; M — miocen transgresywny, 1 — kompleks nadjasielski, 2 — kompleks podjasielski, 3 — osady eocenu, 4 — osady paleocenu–kredy m³odszej, 5 — osady kredy starszej, 6 — powierzchnie nasuniêæ
Fig. 4. The results of numerical modeling of expulsion for cross-section Mokre 106–KuŸmina 1; A — for Sp = 0.1, B — for Sp = 0.2; M — Miocen, 1 — Supra-Jas³o complex, 2 — Sub-Jas³o complex, 3 — Eocene sediments, 4 — Paleocene–Late Cretaceous sedi-ments, 5 — Early Cretaceous sedisedi-ments, 6 — surface of overthrusts
Zró¿nicowanie wartoœci wspó³czynnika ekspulsji, w zale¿noœci od przyjêtego progu nasycenia, wystêpuje przede wszystkim w strefach charakteryzuj¹cych siê mniejsz¹ objêtoœci¹ wygenerowanych wêglowodorów, determinuj¹c¹ nasycenie ska³ macierzystych. Dotyczy to starszych kompleksów ska³ macierzystych o ni¿szym potencjale genetycznym (III typ kerogenu) w odró¿nieniu od najm³odszego kompleksu reprezentowanego przez lito-facjê ³upków menilitowych o najwy¿szej koncentracji wêgla organicznego i najlepszym typie kerogenu.
Podsumowanie
Uzyskanie wiarygodnych wyników modelowañ jest œciœle zwi¹zane z dok³adnoœci¹ skalowania parametrów wymiaruj¹cych system naftowy. Szczególnie istotnym jest problem doboru progowego nasycenia, maj¹cy bezpoœred-nio wp³yw na szacowan¹ efektywnoœæ ekspulsji ciek³ej fazy wêglowodorów, b¹dŸ te¿ — w przypadku ska³ macie-rzystych o niskim potencjale genetycznym i przeobra¿eniu termicznym — determinuj¹cy inicjacjê tego procesu.
Problem ten jest szeroko dyskutowany w odnoœnej lite-raturze specjalistycznej, równie¿ i z tego powodu, ¿e war-toœci progowego nasycenia nie mo¿na wyznaczyæ eksperymentalnie. Próbuje siê j¹ szacowaæ na drodze roz-wa¿añ teoretycznych poprzez ekstrapolacjê przepuszczal-noœci wzglêdnych fazy ropnej dla piaskowców o malej¹cej porowatoœci absolutnej (Okui & Waples, 1993), lub poprzez analizê danych pirolitycznych i wyników ekstrak-cji próbek ska³ macierzystych.
Wp³yw lepkoœci wygenerowanych wêglowodorów, a tym samym typu kerogenu i stopnia jego przeobra¿enia, na wielkoœæ progowego nasycenia jest oczywisty. Wêglowo-dory o mniejszej lepkoœci wymagaj¹ mniejszego nasycenia szkieletu skalnego (Palciauskas, 1991). W rezultacie wiel-koœæ progowego nasycenia szacowana jest w bardzo szero-kim zakresie: od 0,05 do 0,25, a nawet do 0,5.
Jak ju¿ wspomniano, bardzo istotnym parametrem wp³ywaj¹cym na dok³adnoœæ obliczeñ wspó³czynnika efek-tywnoœci ekspulsji jest porowatoœæ ska³y macierzystej. Zmienia siê ona od 50–60% w strefie przypowierzchniowej do ok. 5% dla g³êboko pogr¹¿onych kompleksów macierzy-stych. Zazwyczaj jest ona szacowana na podstawie krzy-wych kompakcji. Zagadnienie to komplikuje siê w warunkach anomalnych trendów kompakcji wystêpuj¹cych w zamkniêtych uk³adach hydrodynamicznych (czêstych np. w Karpatach), które z kolei inicjuj¹ powstawanie mikrosz-czelin u³atwiaj¹cych migracjê pierwotn¹ wêglowodorów.
Z drugiej strony, wybór konceptualnego modelu eks-pulsji i symuluj¹cego go algorytmu numerycznego mo¿e mieæ wiêksze znaczenie ni¿ cyzelowanie wartoœci progo-wych nasyceñ. Odnieœæ to nale¿y do uwzglêdnienia szeregu czynników fizykochemicznych maj¹cych wp³yw na efektyw-noœæ ekspulsji, opisanych we wstêpie. Uzyskane rozwi¹zania — pomimo wielu zagadnieñ dyskusyjnych wymagaj¹cych dalszych badañ — wnosz¹ istotny postêp w metodach regio-nalnej prospekcji naftowej analizowanych stref.
Niniejsza publikacja jest oparta na wynikach uzyskanych w trakcie realizacji tzw. badañ statutowych (temat nr 11.140.570 — Kuœmierek, Kosakowski, Maækowski, 1997) i prac w³asnych (temat nr 10.10.140.335 — Botor, 1998) wykonanych w
Zak³adzie Surowców Energetycznych na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska AGH.
Literatura
BESSEREAU G., ROURE F., KOTARBA M., KUŒMIEREK J. & STRZETELSKI W. 1996 — Structure and hydrocarbon habitat of the Polish Carpathians. [W:] Zigler P.A., Horvath F., Peri-Tethys Memoir 2: Structure and Prospects of Alpine Basins and Forelands. Mem. Mus. Nat. Hist. Nat., 170: 170–191.
BOTOR D. 1998 — Procesy generowania i ekspulsji wêglowodorów w utworach m³odszego paleozoiku w rejonie Bystrzycy (rów lubelski). Arch.WGGiOŒ AGH.
BOTOR D. & KOSAKOWSKI P. 2000 — Zastosowanie modelowañ numerycznych do rekonstrukcji paleotemperatur i procesów generowa-nia wêglowodorów. Prz. Geol., 48: 154–161.
BRAUN R.L. & BURNHAM A.K. 1990 — Mathematical model of oil generation, degradation and expulsion. Energy Fuels, 4: 132–146. ENGLAND W.A. 1994 — Secondary migration and accumulation of hydrocarbons. [W:] L.B. Magoon, W.G. Dow (red.), The Petroleum System: from source to trap. AAPG Mem., 60: 211–219.
ENGLAND W.A., MACKENZIE A.S., MANN D.M. & QUIGLEY T.M. 1987 — The movement and entrapment of petroleum fluids in the subsurface. Jour. Geol. Soc. London, 144: 327–347.
HALAT Z. 1995 — Rekonstrukcja pierwotnego potencja³u macierzy-stoœci. [W:] Kuœmierek J. (red.), Ewolucja a ropogazonoœnoœæ Karpat polskich. Pr. Geol. PAN, 138: 111–132.
HERMANRUD C. 1993 — Basin modelling techniques: an overview. [W:] Dore i in. (red.), Basin modelling: advances and applications. Elsevier, Amsterdam: 1–34.
HUNT J.M. 1996 — Petroleum Geochemistry & Geology, (2 wyd.). New York.
KUŒMIEREK J., MRUK J. & WYPYCH L. 1991 — Wp³yw piaskow-ców na kompakcjê osadów ilastych w profilach serii ropogazonoœnych fliszu karpackiego. Tech. Posz. Geol., Geos. Geotr., 3–4: 17–28. KUŒMIEREK J. & MAÆKOWSKI T. (red.) 1996 — Dwuwymiarowe modelowanie procesów migracji wêglowodorów: testowanie dynamiki nape³nienia pu³apek z³o¿owych z zastosowaniem stacji interpretacyjnej „Landmark”. Blok V, etap III w temacie pn. Ocena zasobów progno-stycznych polskich Karpat Fliszowych na tle budowy geologicznej i potencja³u wêglowodorowego karpackich jednostek. Arch. Biura Geol. Geonafta PGNiG, W-wa.
KUŒMIEREK J., KOSAKOWSKI P. & MAÆKOWSKI T. (red.) 1997 — Skalowanie procesów ekspulsji wêglowodorów. Sprawozd. z badañ statutowych nr 11.140.570. Arch.WGGiOŒ AGH.
KUŒMIEREK J., MAÆKOWSKI T. & £APINKIEWICZ A.P. 2001 — Wp³yw synsedymentacyjnych nasuniêæ i fa³dowañ na wyniki dwuwy-miarowych modelowañ generowania wêglowodorów w obszarze wschodniej czêœci Karpat polskich. Prz. Geol., 49: 412–417.
MAGARA K. 1978 — Compaction and fluid flow. Elsevier, Amsterdam. MANN U., HANTSCHEL T., SCHAEFER R.G., KROSS B., LEYTHAEUSER D., LITTKE R. & SACHESNHOFER R.F. 1997 — Petroleum migration: mechanisms, pathways, efficienies and numerical simulation. [W:] Welte D.H., Horsfield B. & Baker D.R. (red.), Petro-leum and Basin Evolution. Springer: 403–520.
OKUI A. & WAPLES D. 1993 — Relative permabilities and hydrocar-bon expulsion from source rocks. [W:] Dore i in. (red.), Basin model-ling: advances and applications. Elsevier, Amsterdam: 293–302. PALCIAUSKAS V.V. 1991 — Primary Migration of Petroleum. [W:] Treaties of Petroleum Geology, Handbook of Petroleum Geology, R.K. Merill (red.), Part I: 123–147.
PEPPER A.S. & CORVI P.J. 1995 — Marine and Petroleum. Geol., 12: 291–319.
SOKOLOV V.A., ZHURE T.P., VASSOEVICH N.B., ANTONOV P.L., GRIGORYEV G.G. & KOZLOV V.P. 1963 — Migration processes of
gas and oil, their intensity and directionality. Paper presented at 5th
World Petroleum Congress, 19–26.06, Frankfurt.
THOMAS M.M. & CLOUSE J.A. 1990 — Primary migration by diffu-sion through kerogen. Geochim. Cosmochim. Acta, 54: 2793–2797. UNGERER P., BEHAR M., VILLALBA O.R. & AUDIBERT A. 1988 — Kinetic modelling of oil cracking. Organ.Geochem., 13: 857–868. WAPLES D. 1994 — Maturity modelling — thermal indicators, hydro-carbon generation, oil cracking. [W:] L.B. Magoon & W.G. Dow (red.) Petroleum System: from source to trap. AAPG Mem., 60: 285–306. ZALAJEW N. 2000 — Rola wody zwi¹zanej w powstawaniu kolekto-rów szczelinowatych oraz ekspulsji ropy ze ska³ macierzystych. Pr. IGNiG, 110: 20–41.
