WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 27 ZESZYT 12 2010 Ludwik Zawisza*, Wac³awa Piesik-Bu**, Micha³ Maruta*** ROLA WYNIESIENIA WOLSZTYÑSKIEGO W ROZMIESZCZENIU Z£Ó¯ WÊGLOWODORÓW W UTWORACH CZERWONEGO SP¥GOWCA MONOKLINY PRZEDSUDECKIEJ**** 1. WSTÊP Dla lepszego przybli¿enia warunków migracji i akumulacji wêglowodorów istotnym zagadnieniem jest okrelenie wielkoci i kierunków przep³ywu wód wg³êbnych w wyró¿nionych kompleksach ska³ zbiornikowych. Rozmieszczenie regionalne i lokalne z³ó¿ ropy i gazu, które ulega ci¹g³ym zmianom w czasie, determinowane jest warunkami równowagi wystêpuj¹cymi w poziomach zbiornikowych po ka¿dej przebudowie strukturalnej basenu. Po³o¿enie akumulacji wêglowodorów wyznaczaj¹ wobec tego warunki równowagi zachodz¹ce pomiêdzy statyczn¹ faz¹ ska³y zbiornikowej a dynamiczna faz¹ p³ynów z³o¿owych, istniej¹ce we wspó³czesnym uk³adzie przestrzennym basenu naftowego, bez wzglêdu na to, gdzie znajdowa³y siê wêglowodory w poszczególnych etapach rozwoju tego basenu [3, 4, 5]. Doskona³ym narzêdziem dla oceny potencja³u zasobowego oraz perspektyw poszukiwawczych basenów naftowych jest zatem analiza hydrodynamiczna. Analizê tak¹ zastosowano dla analizy i oceny basenu permskiego monokliny przedsudeckiej. 2. ZARYS BUDOWY GEOLOGICZNEJ BASENU PERMSKIEGO MONOKLINY PRZEDSUDECKIEJ Monoklina przedsudecka jest megastruktur¹ zbudowan¹ z kilku kompleksów strukturalnych: kaledoñskiego, waryscyjskiego, laramijskiego oraz pokrywy polaramijskiej. * ** *** **** Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków Instytut Nafty i Gazu, Kraków o/ Krosno Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony rodowiska, AGH, Kraków Praca wykonana w ramach badañ statutowych w roku 2010 485 Z punktu widzenia rozpoznania warunków akumulacji interesuj¹ce s¹ kompleksy waryscyjski oraz laramijski. Kompleks waryscyjski, stanowi¹cy pod³o¿e dla utworów permu zbudowany jest w swej najwy¿szej czêci z fliszowych utworów dolnokarboñskich wykazuj¹cych wysoki stopieñ zaanga¿owania tektonicznego. W zasiêgu monokliny, w rejonie jej po³udniowej czêci, zaznacza siê wystêpowanie kilku elementów strukturalno-erozyjnych [8]: blok przedsudecki; zapadlisko zielonogórskie wype³nione osadami saksonu; wa³ wolsztyñski o d³ugoci oko³o 200 km i szerokoci 3050 km, w wiêkszoci pozbawiony osadów saksonu; zapadlisko poznañskie wype³nione klastycznymi osadami saksonu. Elementy te mia³y istotny wp³yw na warunki tworzenia osadów permskich, szczególnie czerwonego sp¹gowca, których sedymentacja rozpoczyna³a siê w najwiêkszych obni¿eniach i przechodzi³a stopniowo na obszary po³o¿one wy¿ej. Osady czerwonego sp¹gowca (saksonu) pokryte s¹ seri¹ utworów anhydrytowo-solnych cechsztynu, a nastêpnie triasu i jury oraz kredy. Najm³odsz¹ pokrywê na ca³ym obszarze tworz¹ utwory trzecio i czwartorzêdu reprezentuj¹ce kompleks polaramijski. Rys. 1. Mapa strukturalna stropu czerwonego sp¹gowca monokliny przedsudeckiej 486 Uk³ad przestrzenny utworów czerwonego sp¹gowca jest z³o¿ony. Wp³ynê³y na to takie czynniki jak: ukszta³towanie podpermskiej powierzchni morfologicznej, facjalno-litologiczne warunki powstania osadów oraz ruchy górotwórcze g³ównie fazy saalskiej. W strefach okalaj¹cych obszary alimentacyjne (wyniesienie wolsztyñskie) powstawa³y fluwialne utwory autunu. Utwory te wykazuj¹ du¿e zró¿nicowanie mi¹¿szoci zwi¹zane z sedymentogenez¹ na zró¿nicowanym morfologicznie obszarze pod³o¿a (rys. 1 i 5). Profil utworów czerwonego sp¹gowca reprezentowany jest, id¹c od stropu, przez szare piaskowce drobnoziarniste w ró¿nym stopniu zwiêz³e oraz ni¿ej le¿¹ce czerwono-rdzawe piaskowce drobno i rednioziarniste, które partiami s¹ rozsypliwe. 3. METODYKA ILOCIOWEJ OCENY WARUNKÓW MIGRACJI I AKUMULACJI WÊGLOWODORÓW Dla potrzeb modelowania hydrodynamicznego basenów naftowych opracowano metodykê ilociowej oceny warunków migracji i akumulacji wêglowodorów [4–10]. Metodyka ta polega na wykonaniu kilkunastu map, które obejmuj¹: 1. Mapy strukturalne poziomów wodo-ropo-gazononych z(x, y). 2. Mapy izopachytowe poziomów wodo-ropo-gazononych m(x, y). 3. Mapy parametrów zbiornikowych, t.j. mapê wspó³czynnika filtracji Kws(x, y) oraz mapê wspó³czynnika przewodnoci hydraulicznej T(x, y). 4. Mapy mineralizacji wód z³o¿owych poziomów wodo-ropo-gazononych M(x, y). 5. Mapy potencjometryczne wód z³o¿owych w przeliczeniu na s³up wody s³odkiej Hws(x, y). 6. Mapy wartoci bezwzglêdnych równych prêdkoci filtracji wód z³o¿owych v ( x, y ). 8. Mapy wartoci bezwzglêdnych równych przep³ywów jednostkowych wód z³o¿owych q ( x, y ). 9. Mapy potencjalnych pu³apek hydrodynamicznych dla ropy Hr(x, y) i gazu ziemnego Hg(x, y). Mapa potencjometryczna wód z³o¿owych Hws(x, y) przedstawia rozk³ad pola hydrodynamicznego. Zagadnienie rozk³adu powierzchni potencjometrycznej wód wg³êbnych sprowadza siê do rozwi¹zania uogólnionego równania Laplacea, które dla rodowiska heterogenicznego o zmiennej mineralizacji wód z³o¿owych oraz dla przep³ywu stacjonarnego (ustalonego), dwuwymiarowego bêdzie mia³o postaæ [5, 6]: ∇K ws ∇H ws ( x, y ) = 0 (1) Warunkami brzegowymi dla rozwi¹zania powy¿szego równania s¹ wartoci potencja³u Hws wyznaczone w otworach wiertniczych wed³ug wzoru: Hws = z + p/γws (2) 487 W równaniu (2) γws oznacza ciê¿ar w³aciwy wody s³odkiej, N/m3; p oznacza cinienie z³o¿owe, Pa; natomiast z oznacza wysokoæ po³o¿enia punktu pomiaru cinienia z³o¿owego w stosunku do poziomu morza (lub wysokoæ po³o¿enia stropu poziomu wodno-ropno-gazowego w stosunku do poziomu morza), m. Mapy wartoci bezwzglêdnych równych prêdkoci filtracji wód z³o¿owych v ( x, y ) zdefiniowane s¹ równaniem: v ( x, y) = K ws ( x, y)∇H ws ( x, y) (3) Mapa wartoci bezwzglêdnych równych prêdkoci filtracji pozwala na okrelenie kierunków i prêdkoci przep³ywu wód z³o¿owych w dowolnym punkcie przestrzeni porowej. Mapy wartoci bezwzglêdnych równych przep³ywów jednostkowych wód z³o¿owych q ( x, y ) mog¹ byæ skonstruowane w oparciu o równanie: q ( x, y ) = T ( x, y )∇H ws ( x, y ) (4) Mapa wartoci bezwzglêdnych równych przep³ywów jednostkowych wód z³o¿owych pozwala na okrelenie objêtoci wody z³o¿owej, w przeliczeniu na wodê s³odk¹, przep³ywaj¹cej w jednostce czasu przez jednostkowy przekrój o szerokoci 1 m i wysokoci równej ca³kowitej mi¹¿szoci analizowanego profilu warstw, w dowolnym punkcie obszaru. Metodyka konstrukcji map potencjalnych pu³apek z³o¿owych dla ropy Hr(x, y) i gazu ziemnego Hg(x, y) sprowadza siê do wykonania kilku stosunkowo prostych operacji algebraicznych, jak dodawanie, odejmowanie, mno¿enie wartoci przedstawionych na poszczególnych mapach, zgodnie z równaniami (5) i (6) [5, 6, 10]: H r ( x, y) = H ws ( x, y ) − z ( x, y ) H g ( x, y ) = H ws ( x, y ) − z ( x, y ) γ w ( x, y ) − γ r ( x, y ) γ ws γ w ( x, y )− γ g ( x, y ) γ ws (5) (6) Wyra¿enia Hws , Hr i Hg oznaczaj¹ potencja³y dla wody, ropy i gazu, wyra¿one w metrach s³upa wody s³odkiej, okrelone dla tego samego punktu z³o¿a. 4. INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAÑ HYDRODYNAMICZNYCH BASENU PERMSKIEGO MONOKLINY PRZEDSUDECKIEJ Przedstawiona metodyka ilociowej oceny warunków migracji i akumulacji wêglowodorów zosta³a zastosowana do analizy hydrodynamicznej basenu permskiego monokliny przedsudeckiej (rys. 1–6). Mapa strukturalna stropu utworów czerwonego sp¹gowca (saksonu) zosta³a przedstawiona na rysunku 1. 488 Mapa potencjometryczna wód z³o¿owych w utworach czerwonego sp¹gowca (rys. 2) przedstawia rozk³ad pola hydrodynamicznego, g³ówne kierunki przep³ywu, a tak¿e po³o¿enie obszarów zasilania i drena¿u oraz wzglêdnego zastoju. Wartoci naporów hydraulicznych w utworach czerwonego sp¹gowca s¹ bardzo wysokie i wynosz¹ od 150 do 530 metrów s³upa wody s³odkiej n.p.m. Wody podziemne p³yn¹ od centralnej czêci basenu dolnopermskiego w kierunku jego wychodni, tj. z pó³nocnego wschodu na po³udniowy zachód, napotykaj¹c na swej drodze na przeszkodê w postaci wyniesienia wolsztyñskiego. Wyniesienie olsztyñskie stanowi barierê hydrauliczn¹ na drodze przep³ywu tych wód i ma istotny wp³yw na rozmieszczenie z³ó¿ wêglowodorów w utworach czerwonego sp¹gowca. Rys. 2. Mapa potencjometryczna wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca monokliny przedsudeckiej Z mapy równych prêdkoci filtracji dla wody z³o¿owej (rys. 3) wynika, ¿e prêdkoci filtracji wód podziemnych s¹ stosunkowo wysokie i wynosz¹ od kilku do 190 cm/rok. Liczne akumulacje z³o¿owe wystêpuj¹ w strefach o obni¿onej prêdkoci filtracji, poni¿ej 100 cm/rok. Zmniejszenie prêdkoci filtracji nastêpuje w rejonie wyniesienia olsztyñskiego (po obydwu jego stronach), które stanowi niejako zaporê dla przep³ywaj¹cych wód wg³êbnych. Z mapy przep³ywów jednostkowych wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca (rys. 4) wynika, ¿e wielkoci przep³ywów jednostkowych wahaj¹ siê w przedziale od 1,0 do 60,0 m2/rok. Z³o¿a wêglowodorów wystêpuj¹ w strefach o obni¿onych wartociach przep³ywów tj. poni¿ej 12 m2/rok. 489 Rys. 3. Mapa wartoci bezwzglêdnych równych prêdkoci filtracji wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca monokliny przedsudeckiej Rys. 4. Mapa przep³ywów jednostkowych wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca monokliny przedsudeckiej 490 Na tle przekroju hydrogeologicznego I–I' (rys. 5) przedstawiono rozk³ad naporów hydraulicznych oraz kierunki przep³ywu wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca. Z danych przedstawionych na rysunku 5 wynika, ¿e cinienia z³o¿owe s¹ równe cinieniom hydrostatycznym lub s¹ wy¿sze od hydrostatycznych oraz ¿e przep³ywy wód wg³êbnych s¹ odrodkowe. Rys. 5. Przekrój hydrogeologiczny II' przez monoklinê przedsudeck¹ 491 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Sumuj¹c wyniki rozwa¿añ hydrodynamicznych przeprowadzonych dla basenu permskiego monokliny przedsudeckiej, mo¿na stwierdziæ, ¿e: cinienia z³o¿owe s¹ równe cinieniom hydrostatycznym lub s¹ wy¿sze od hydrostatycznych (rys. 5); kierunki przep³ywu wód wg³êbnych s¹ odrodkowe (rys. 25); prêdkoci przep³ywu wód wg³êbnych s¹ stosunkowo wysokie i wynosz¹ od 0,05 do 1,90 m/rok (rys. 3); wielkoci przep³ywów jednostkowych wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca s¹ równie¿ wysokie i wynosz¹ od 1,0 do 60,0 m2/rok (rys. 4); licznym akumulacjom z³o¿owym towarzysz¹ wody o lokalnie obni¿onych wartociach prêdkoci przep³ywu wód wg³êbnych (rys. 3) i lokalnie obni¿onych wartociach przep³ywów jednostkowych tych wód (rys. 4). Na tle przedstawionej hydrodynamicznej klasyfikacji basenów naftowych [1, 2, 510] mo¿na stwierdziæ, ¿e dolnopermski basen monokliny przedsudeckiej jest basenem odrodkowym (m³odym) (rys. 6) i nale¿y do basenów o wysokiej perspektywicznoci dla wystêpowania wêglowodorów. Potencjalne pu³apki z³o¿owe w utworach czerwonego sp¹gowca zwi¹zane s¹ ze strefami o podwy¿szonej mineralizacji wód wg³êbnych oraz obni¿onej prêdkoci filtracji i obni¿onej wymianie tych wód. Zasadniczy wp³yw na rozmieszczenie z³ó¿ wêglowodorów ma wyniesienie wolsztyñskie. Z³o¿a wêglowodorów wystêpuj¹ w strefach stagnacji wód z³o¿owych, tj. przed wyniesieniem wolsztyñskim w niecce poznañskiej i za wyniesieniem wolsztyñskim w niecce zielonogórskiej. Rys. 6. Basen m³ody [2] 492 LITERATURA [1] Coustau H. i in.: Classification hydrodynamique des bassins sedimentaires utilisations combinee avec dautres methodes pour rationaliser lexploration dans des bassins non-productifs. IX World Petroleum Congress, Tokio 1975 [2] Dahlberg E.C.: Applied hydrodynamics in petroleum exploration. Second Edition. Springer-Verlag, New York, Berlin, Heidelberg, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona, Budapest 1995 [3] Hubbert M.K.: Entrapment of petroleum under hydrodynamic conditions. Am. Assoc. Pet. Geol. Bull., vol. 37, no. 8, 1953, 19542026 [4] Jucha S., Weinar R., Zawisza L.: Polish method of digital mapping of potential hydrodynamic traps for oil and gas deposits exploration. Sci. de la Terre, Sér. Inf., Nancy, vol. 27, 1988 [5] Zawisza L.: Hydrodynamic condition of hydrocarbon accumulation exemplified by the Carboniferous formation in the Lublin Synclinorium, Poland. Society of Petroleum Engineers Formation Evaluation, vol. 1, no. 3, 1986, 286294 [6] Zawisza L.: Hydrodynamic conditions of hydrocarbon accumulation exemplified by the Carboniferous Formation in the Lublin Synclinorium, Poland. AAPG Treatise of Petroleum Geology Reprint Series No. 6, Traps and Seals I, USA, 10, 1988 [7] Zawisza L.: Hydrodynamic condition of hydrocarbon accumulation exemplified by the Pomorsko and Czerwieñsk oil fields in the Polish Lowland. SPE Paper 90586, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas, USA, 2629 September 2004 [8] Zawisza L.: Hydrodynamiczne modelowanie basenów naftowych dla oceny ich perspektyw z³o¿owych. Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ Polskiej Akademii Nauk Kraków, Studia, Rozprawy, Monografie 140, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków 2007 [9] Zawisza L.: Methodics of mapping hydrodynamic petroleum traps in sedimentary basins with groundwater of variable density. Archiwum Górnictwa, t. 31, z. 1, Kraków 1986 [10] Zawisza L.: Warunki hydrodynamiczne dla akumulacji wêglowodorów w karbonie i dewonie synklinorium lubelskiego. Wroc³aw Warszawa Kraków Gdañsk £ód, Prace Geologiczne Komisji Nauk Geologicznych PAN, nr 134, Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, 1988 493
