Ludwik Zawisza*, Wac³awa Piesik-Buœ**, Micha³ Maruta***

WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 27 ZESZYT 1 2 2010 Ludwik Zawisza*, Wac³awa Piesik-Buœ**, 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 okreœlenie wielkoœci 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 pó³czesnym 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 Œrodowiska, 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 czêœci z fliszowych utworów dolnokarboñskich wykazuj¹cych wysoki stopieñ zaanga owania tektonicznego. W zasiêgu monokliny, w rejonie jej po³udniowej czêœci, zaznacza siê wystêpowanie kilku elementów strukturalno-erozyjnych [8]: blok przedsudecki; zapadlisko zielonogórskie wype³nione osadami saksonu; wa³ wolsztyñski o d³ugoœci oko³o 200 km i szerokoœci 30 50 km, w wiêkszoœci 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 potania osadów oraz ruchy górotwórcze g³ównie fazy saalskiej. W strefach okalaj¹cych obszary alimentacyjne (wyniesienie wolsztyñskie) potawa³y fluwialne utwory autunu. Utwory te wykazuj¹ du e zró nicowanie mi¹ szoœci 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 œrednioziarniste, które partiami s¹ rozsypliwe. 3. METODYKA ILOŒCIOWEJ OCENY WARUNKÓW MIGRACJI I AKUMULACJI WÊGLOWODORÓW Dla potrzeb modelowania hydrodynamicznego basenów naftowych opracowano metodykê iloœciowej oceny warunków migracji i akumulacji wêglowodorów [4 10]. Metodyka ta polega na wykonaniu kilkunastu map, które obejmuj¹: 1. Mapy strukturalne poziomów wodo-ropo-gazonoœnych z(x, y). 2. Mapy izopachytowe poziomów wodo-ropo-gazonoœnych m(x, y). 3. Mapy parametrów zbiornikowych, t.j. mapê pó³czynnika filtracji K (x, y) oraz mapê pó³czynnika przewodnoœci hydraulicznej T(x, y). 4. Mapy mineralizacji wód z³o owych poziomów wodo-ropo-gazonoœnych M(x, y). 5. Mapy potencjometryczne wód z³o owych w przeliczeniu na s³up wody s³odkiej H (x, y). 6. Mapy wartoœci bezwzglêdnych równych prêdkoœci filtracji wód z³o owych v( x, y). 8. Mapy wartoœci bezwzglêdnych równych przep³ywów jednostkowych wód z³o owych qxy (, ). 9. Mapy potencjalnych pu³apek hydrodynamicznych dla ropy H r (x, y) i gazu ziemnego H g (x, y). Mapa potencjometryczna wód z³o owych H (x, y) przedstawia rozk³ad pola hydrodynamicznego. Zagadnienie rozk³adu powierzchni potencjometrycznej wód wg³êbnych sprowadza siê do rozwi¹zania uogólnionego równania Laplace a, które dla œrodowiska heterogenicznego o zmiennej mineralizacji wód z³o owych oraz dla przep³ywu stacjonarnego (ustalonego), dwuwymiarowego bêdzie mia³o postaæ [5, 6]: K H ( x, y ) = 0 (1) Warunkami brzegowymi dla rozwi¹zania powy szego równania s¹ wartoœci potencja³u H wyznaczone w otworach wiertniczych wed³ug wzoru: H = z + p/γ (2) 487

W równaniu (2) γ oznacza ciê ar w³aœciwy wody s³odkiej, N/m 3 ; p oznacza ciœnienie z³o owe, Pa; natomiast z oznacza wysokoœæ po³o enia punktu pomiaru ciœnienia z³o owego w stosunku do poziomu morza (lub wysokoœæ po³o enia stropu poziomu wodno-ropno-gazowego w stosunku do poziomu morza), m. Mapy wartoœci bezwzglêdnych równych prêdkoœci filtracji wód z³o owych v( x, y) zdefiniowane s¹ równaniem: v( x, y) = K ( x, y) H ( x, y) (3) Mapa wartoœci bezwzglêdnych równych prêdkoœci filtracji pozwala na okreœlenie kierunków i prêdkoœci przep³ywu wód z³o owych w dowolnym punkcie przestrzeni porowej. Mapy wartoœci bezwzglêdnych równych przep³ywów jednostkowych wód z³o owych q( x, y ) mog¹ byæ skonstruowane w oparciu o równanie: qxy (, ) = Txy (, ) H ( xy, ) (4) Mapa wartoœci bezwzglêdnych równych przep³ywów jednostkowych wód z³o owych pozwala na okreœlenie objêtoœci wody z³o owej, w przeliczeniu na wodê s³odk¹, przep³ywaj¹cej w jednostce czasu przez jednostkowy przekrój o szerokoœci 1 m i wysokoœci równej ca³kowitej mi¹ szoœci analizowanego profilu warstw, w dowolnym punkcie obszaru. Metodyka konstrukcji map potencjalnych pu³apek z³o owych dla ropy H r (x, y) i gazu ziemnego H g (x, y) sprowadza siê do wykonania kilku stosunkowo prostych operacji algebraicznych, jak dodawanie, odejmowanie, mno enie wartoœci przedstawionych na poszczególnych mapach, zgodnie z równaniami (5) i (6) [5, 6, 10]: γ H ( x, y) = H ( x, y) z( x, y) r γ Hg( x, y) = H( x, y) z( x, y) w γ ( x, y) ( x, y) w γ ( x, y) γ ( x, y) r γ g (5) (6) Wyra enia H, H r i H g oznaczaj¹ potencja³y dla wody, ropy i gazu, wyra one w metrach s³upa wody s³odkiej, okreœlone dla tego samego punktu z³o a. 4. INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAÑ HYDRODYNAMICZNYCH BASENU PERMSKIEGO MONOKLINY PRZEDSUDECKIEJ Przedstawiona metodyka iloœciowej 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. Wartoœci 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 czêœci basenu dolnopermskiego w kierunku jego wychodni, tj. z pó³nocnego chodu 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 prêdkoœci filtracji dla wody z³o owej (rys. 3) wynika, e prêdkoœci filtracji wód podziemnych s¹ stosunkowo wysokie i wynosz¹ od kilku do 190 cm/rok. Liczne akumulacje z³o owe wystêpuj¹ w strefach o obni onej prêdkoœci filtracji, poni ej 100 cm/rok. Zmniejszenie prêdkoœci 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 wielkoœci przep³ywów jednostkowych wahaj¹ siê w przedziale od 1,0 do 60,0 m 2 /rok. Z³o a wêglowodorów wystêpuj¹ w strefach o obni onych wartoœciach przep³ywów tj. poni ej 12 m 2 /rok. 489

Rys. 3. Mapa wartoœci bezwzglêdnych równych prêdkoœci 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 ciœnienia z³o owe s¹ równe ciœnieniom hydrostatycznym lub s¹ wy sze od hydrostatycznych oraz e przep³ywy wód wg³êbnych s¹ odœrodkowe. Rys. 5. Przekrój hydrogeologiczny I I' przez monoklinê przedsudeck¹ 491

5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Sumuj¹c wyniki rozwa añ hydrodynamicznych przeprowadzonych dla basenu permskiego monokliny przedsudeckiej, mo na stwierdziæ, e: ciœnienia z³o owe s¹ równe ciœnieniom hydrostatycznym lub s¹ wy sze od hydrostatycznych (rys. 5); kierunki przep³ywu wód wg³êbnych s¹ odœrodkowe (rys. 2 5); prêdkoœci przep³ywu wód wg³êbnych s¹ stosunkowo wysokie i wynosz¹ od 0,05 do 1,90 m/rok (rys. 3); wielkoœci przep³ywów jednostkowych wód wg³êbnych w utworach czerwonego sp¹gowca s¹ równie wysokie i wynosz¹ od 1,0 do 60,0 m 2 /rok (rys. 4); licznym akumulacjom z³o owym towarzysz¹ wody o lokalnie obni onych wartoœciach prêdkoœci przep³ywu wód wg³êbnych (rys. 3) i lokalnie obni onych wartoœciach przep³ywów jednostkowych tych wód (rys. 4). Na tle przedstawionej hydrodynamicznej klasyfikacji basenów naftowych [1, 2, 5 10] mo na stwierdziæ, e dolnopermski basen monokliny przedsudeckiej jest basenem odœrodkowym (m³odym) (rys. 6) i nale y do basenów o wysokiej perspektywicznoœci dla wystêpowania wêglowodorów. Potencjalne pu³apki z³o owe w utworach czerwonego sp¹gowca zwi¹zane s¹ ze strefami o podwy szonej mineralizacji wód wg³êbnych oraz obni onej prêdkoœci 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 d autres methodes pour rationaliser l exploration 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, 1954 2026 [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, 286 294 [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, 26 29 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 ódÿ, Prace Geologiczne Komisji Nauk Geologicznych PAN, nr 134, Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, 1988 493