8.4. Карбонатные коллекторы

Карбонатные породы как коллекторы нефти и газа уверенно конкури-руют с терригенными образованиями. По различным данным, от 50 до 60 % современных мировых запасов УВ приурочено к карбонатным образованиям.

Добыча нефти и газа, большая по объему, производится из известня-ков и доломитов, в том числе из палеозоя и докембрия; наиболее крупные месторождения открыты в мезозойских и палеозойских породах, прежде всего в странах Ближнего Востока. Крупные скопления в рифовых соору-жениях мезозойского возраста открыты в бассейне Мексиканского залива (Золотой пояс, Кампече и др.). Из рифовых известняков были получены и рекордные дебиты (десятки тысяч тонн в сутки). Можно отметить некото-рую связь между развитием карбонатных коллекторов и усилением карбо-натонакопления в геологической истории, что связано с общей циклично-стью геотектонического развития и периодичностью осадкообразования.

75

Классификация терригенных коллекторов (по А.А. Хани

Класс

Породы

Эффективная

Проницаемость

коллектора

пористость, %

по газу, мД

Песчаник среднезернистый

> 16,5

> 1000

О

I

Песчаник мелкозернистый

> 20

то же

Т

Алевролит среднезернистый

> 23,5

«

«

Алевролит мелкозернистый

> 29

«

«

II

Песчаник среднезернистый

15–16,5

500–1000

В

Песчаник мелкозернистый

18–20

то же

Т

Алевролит среднезернистый

21,5–23,5

500–1000

Т

Алевролит мелкозернистый

26,5–29

то же

«

III

Песчаник среднезернистый

11–15

100–500

С

Песчаник мелкозернистый

14–18

то же

Т

Алевролит среднезернистый

16,8–21,5

«

«

Алевролит мелкозернистый

20,5–26,5

«

«

Песчаник среднезернистый

5,8–11

1–100

П

IV

Песчаник мелкозернистый

8–14

то же

Т

Алевролит среднезернистый

10–16,8

«

«

Алевролит мелкозернистый

12–20,5

«

«

Песчаник среднезернистый

0,5–5,8

1–10

Н

V

Песчаник мелкозернистый

2–8

то же

Т

Алевролит среднезернистый

3,3–10

«

«

Алевролит мелкозернистый

3,6–12

«

«

Песчаник среднезернистый

< 0,5

< 1

В

VI

Песчаник мелкозернистый

< 2

то же

Алевролит среднезернистый

< 3,3

«

п

Алевролит мелкозернистый

«

76

Карбонатные коллекторы характеризуются специфическими особенно-стями: крайней невыдержанностью, значительной изменчивостью свойств, что затрудняет их сопоставление. В них относительно легко происходят раз-нообразные диагенетические и катагенетические изменения. Фациальный об-лик известняков в большей мере, чем в обломочных породах, влияет на фор-мирование коллекторских свойств. В минеральном отношении карбонатные породы менее разнообразны, чем обломочные, но по структурно-текстурным характеристикам имеют гораздо больше разновидностей. В процессе изуче-ния коллекторских свойств карбонатных толщ многими авторами неодно-кратно подчеркивалась решающая роль генезиса отложений, гидродинамики среды для формирования структуры пустотного пространства, которая может быть более или менее благоприятна для формирования коллекторов и опре-деляет характер последующих преобразований.

целом карбонатные породы легко подвергаются вторичным измене-ниям. Это связано с их повышенной растворимостью. Особенно велико влияние вторичных преобразований в породах с первично неоднородной структурой перового пространства (органогенно-обломочные разности). По характеру постседиментационных преобразований карбонатные поро-ды отличаются от терригенных, прежде всего это касается уплотнения. Ос-татки биогермов с самого начала представляют практически твердые обра-зования, и далее уплотнение идет уже медленно. Карбонатный ил также может быстро литифицироваться, при этом в нем возникают своеобразные фенестровые пустоты за счет выделения пузырьков газа. Мелкообломоч-ные, комковато-водорослевые карбонатные осадки также быстро литифи-цируются. Пористость несколько сокращается, но вместе с тем значитель-ный объем порового пространства «консервируется».

карбонатных породах отмечаются все виды пустот. В зависимости от времени возникновения они могут быть первичными (седиментацион-ными и диагенетическими) и вторичными (постдиагенетическими). В ор-ганогенных карбонатных породах к первичным относятся пустоты внутри-раковинные, в том числе внутри рифовых построек (в широком смысле – внутриформенные), а также межраковинные. Некоторые карбонатные по-роды могут быть хемогенного или биохемогенного происхождения, они образуют резервуары пластового типа. К ним относятся прежде всего оолитовые, а также известняки с меж- или внутриоолитовой пустотностью. Слоистым или массивным известнякам свойственны пелитоморфные или скрытокристаллические, а также кристаллические структуры. В кристал-лических, особенно в доломитизированных, породах развита межкристал-лическая (межзерновая) пористость.

Карбонатные породы в большей мере, чем другие, подвержены вто-ричным преобразованиям (перекристаллизация, выщелачивание, стилоли-тообразование и др.), которые полностью меняют их физические свойства,

иногда и состав (процессы доломитизации и раздоломичивания). В этом состоит сложность выделения природных резервуаров, так как одна и та

77

же порода в одних условиях может рассматриваться как коллектор с очень высокими свойствами, а в других, если нет трещин, может являться по-крышкой. Созданию вторичных пустот способствуют процессы растворе-ния (выщелачивания), перекристаллизации, в основном доломитизации и раздоломичивания или стилолитизации. Те или иные процессы сказывают-ся по-разному в зависимости от генетического типа породы.

Перерывы в осадконакоплении, имеющие региональное значение, иг-рают большую роль при формировании зон высокоемких коллекторов. Под поверхностью размывов и несогласий в массивах карбонатных пород мож-но встретить закарстованные зоны, связанные с выветриванием и выщела-чиванием. В пределах нефтяных месторождений к этим зонам приурочены высокопродуктивные горизонты. Вдоль трещиноватых зон растворение происходит до больших глубин, в Камском Приуралье оно отмечается на глубинах до 1 км.

рифах выделяются «ситчатые», обычно выщелоченные, известняки

пористостью (пустотностью) до 60 %, сложенные кораллами, мшанками, «губчатые» крупнодетритовые известняки (с пористостью 40–45 %), часто кавернозные и малопористые известняки с отдельными порами и каверна-ми, чаще всего выщелачивания. Все разновидности известняков выделяют-ся внутри рифового массива. Ситчатые и губчатые разности группируются в зоны повышенной пористости. Образование ее в этих зонах часто связа-но с выведением пород на поверхность и выветриванием. Дебиты скважин в разных частях рифов резко различаются. Среди явлений выщелачивания следует отметить некоторые особые случаи, имеющие локальное значение, но проявляющиеся иногда в широких масштабах. Таким примером может служить хемобиогенная коррозия, проявляющаяся при развитии микро-флоры на ВНК, которая создает кислую среду, повышает ее агрессивность и способствует растворению карбонатов. Другим примером является раз-витие карста под влиянием углекислоты, образующейся при разрушении нефтяной залежи. В обоих случаях переотложение растворенного карбона-та кальция ниже подошвы залежи приводит к изоляции последней от ос-тальной части пласта. Особую проблему представляет развитие глубинно-го карста (гипокарста), связанного с различными процессами, при которых в глубинных зонах осадочного чехла происходит хотя бы кратковременное раскрытие трещин, в результате чего увеличивается поступление СО₃ с глубин, и, как следствие, развивается глубинный карст с образованием коллекторов. На развитие гипокарста, очевидно, влияет и достижение со-стояния неустойчивости кальцита при погружении.

пределах основных групп пород выделяются определенные струк-турные разности пород. Органогенно-обломочные известняки, как прави-ло, всегда сцементированы и обладают меньшими емкостными возможно-стями по сравнению с биоморфными разностями. Пустоты (поры) органо-генно-обломочных пород называются межагрегатными, так как внутренняя структура составных частей этих пород различна.

78

хемогенных породах пустоты различаются по особенностям структу-ры. В оолитовых породах различается пористое межоолитовое пространство, трещины сокращения между и внутри концентров оолитов и, наконец, отри-цательно-оолитовые пустоты, образующиеся при выщелачивании оолитов.

кристаллических (зернистых) известняках структура порового про-странства (в случае растворения) межзерновая и кавернозная. Пелито-морфные известняки обычно обладают повышенной трещиноватостью по сравнению с другими типами карбонатных пород. В них же наиболее часто развиты стилолитовые швы. Обычно видно все переходы от самых ранних стадий – зародышей и сутурных швов к типичным стилолитам. Образова-ние стилолитов связано с неравномерным растворением под давлением. Глинистая корочка на поверхности стилолитовых швов представляет не-растворимый остаток породы. Часто горизонты развития стилолитов явля-ются наиболее продуктивными в разрезе. Они проницаемы, за счет вымы-вания глинистых корочек может образоваться зияющая пустота.

Обломочные карбонатные породы в структурном отношении отличают-ся от перечисленных групп. В принципе они сходны с обычными кластиче-скими породами, но по характеру преобразований тяготеют к известнякам.

Из числа вторичных процессов в карбонатных породах важнейшее значение имеют цементация, выщелачивание, кальцитизация и сульфати-зация. Цементация может начаться очень рано и происходить быстро, как это хорошо видно на примере бичроков. Кальцитовый цемент выкристал-лизовывается за счет выпаривания морской воды, заливающей пляж, и час-тичного растворения нестойких минералов. Пляжный карбонатный песок может отвердевать за несколько дней. Подобная почти мгновенная лити-фикация происходила и в прошлые времена. Дальнейшая судьба остав-шихся в каркасе такого «литификата» пустот может быть различна.

При перекристаллизации происходит существенное изменение струк-туры и текстуры пород. В целом этот процесс направлен в сторону увели-чения размера кристаллов. Если при перекристаллизации часть вещества выносится, пористость возрастает. Наибольшей вторичной пористостью обладают неравномерно перекристаллизованные породы. Рост крупных кристаллов способствует образованию микротрещин.

Наиболее эффективное влияние на формирование вторичной пустот-ности оказывает выщелачивание и метасоматоз (в основном доломитиза-ция). Растворение при выщелачивании проявляется по-разному в зависи-мости от большей или меньшей дисперсности слагающих породу частиц. Тонкодисперсные компоненты сильнее подвержены этому процессу. Рас-творимость также зависит от состава минералов и вод: арагонит растворя-ется лучше, чем кальцит, сульфатные воды более активно растворяют до-ломит и т.д. Анализ изменения фильтрационно-емкостных параметров, оп-ределяемых в том числе выщелачиванием, устанавливает их весьма отчет-ливую связь со структурно-генетическими типами пород. Примером этого является крупный рифовый массив раннепермского и каменноугольного

79

возраста Карачаганакского месторождения, расположенного в северной бортовой части Прикаспийской впадины.

Месторождение Карачаганак находится под соленосной кунгурской толщей на глубинах от 3 750 до 5 400 м. В продуктивной толще каменно-угольно-раннепермского возраста преимущественно развиты биогермные и биоморфно-детритовые известняки, в меньшей степени – хемогенные и ор-ганогенно-обломочные разности, присутствуют доломиты как продукты за-мещения известняков. По фациальной принадлежности различаются породы ядра рифового массива, склоновых фаций, внутририфовой лагуны и обло-мочного шлейфа. Это обычная схема строения всех рифовых массивов. Наилучшими коллекторскими свойствами обладают породы ядра (особенно

выщелоченном состоянии), а также отложения склоновой фации, зале-гающие на глубине 4,8–4,9 км. Для них характерны значения пористости 10–23 % и проницаемости 100–500 мД. Такие высокие значения на больших глубинах определяются тем, что широко развитые процессы растворения привели к формированию линзовидных крупнопористых зон с унаследо-ванной кавернозностью. В меловых отложениях Золотого пояса и зоны Ре-форма в Мексике рифовые и предрифовые фации, в том числе фация обло-мочного шлейфа, представляют коллекторы с пористостью от 14 до 26 % и проницаемостью в сотни миллидарси.

Иной тип карбонатных пород и пустоты в них можно наблюдать в древних толщах Восточной Сибири в Юрубчено-Тахомской зоне нефтена-копления. Здесь в разрезе продуктивных толщ преобладают вторично из-мененные перекристаллизованные водорослевые, строматолитовые доло-миты. В породах широко развиты стилолитовые швы, часто заполненные глинисто-битуминозным веществом. Широко развиты процессы окремне-ния. Массивы карбонатных пород рифея при выведении на поверхность во время предвендского перерыва подвергались выветриванию и карстообра-зованию, что привело к развитию кавернозности. Карстовые воронки и другие ниши были заполнены делювиально-пролювиальными образова-ниями. Массивы нарушены разломами и трещиноватостью. Таким обра-зом, коллекторы обладают сложной структурой пустотного пространства. Из зон повышенной пустотности получены высокие притоки нефти.

Доломитизация является одним из ведущих факторов при формирова-нии коллекторов. На образование доломита влияет соотношение в воде маг-ния и кальция и общая величина солености. При более высокой концентра-ции солей требуется и большее количество растворенного магния. В процессе диагенеза доломит возникает за счет своих предшественников – таких как магнезиальный кальцит. Первичная диагенетическая доломитизация не имеет существенного значения для формирования коллекторских свойств. Метасо-матическая доломитизация в катагенезе более важна для преобразования коллекторов. Для доломитообразования необходимо поступление магния.

Источники его могут быть различны. При катагенетических процессах

условиях повышенных температур растворы теряют магний, обменивая

80

его на кальций вмещающих пород. На примере Припятского прогиба вид-но, что между составом рассолов и интенсивностью вторичной доломити-зации устанавливается отчетливая зависимость. В тех стратиграфических зонах, где девонские карбонатные породы наиболее сильно доломитизиро-ваны, содержание магния в рассолах резко падает, он используется для об-разования доломита. При метагенетической доломитизации особенно за-метно увеличение пористости, так как процесс идет в породе с жестким скелетом, которая трудно поддается уплотнению. Общий объем породы сохраняется, пустотность в ней за счет доломитизации повышается.

Обратный процесс раздоломичивания (дедоломитизация) особенно рас-пространен в приповерхностных условиях. Наиболее активно он проходит в разрезах, где доломиты содержат прослои сульфатов. При просачивании вод магний доломитов в растворах соединяется с радикалом SO₄^2- и выносится в виде легко растворимого MgSO₄. Происходит увеличение пористости пород.

С точки зрения качества коллекторов, перенос сульфатов водами не-редко приводит и к противоположным результатам. Легко растворимый СаSО₄ также легко выпадает в осадок и запечатывает поры. Так же может влиять и кальцитизация, которая часто выражается в наращивании регене-рационных каемок и сужении порового пространства.

Есть и другие специфические геофизические приемы исследования кар-бонатных коллекторов, в том числе сопоставление данных НГК (дает пред-ставление об общей величине пустотности) и БКЗ (величина пустотности, связанной трещинами, в том числе и каверн), а также другие методы.

Заканчивая рассмотрение карбонатных коллекторов, необходимо еще раз подчеркнуть то, что по сравнению с обломочными породами структура их перового пространства чрезвычайно разнообразна.

Ненарушенная матрица имеет характеристики, которые определяются прежде всего первичной структурой, кавернозность сильно изменяет эти характеристики, а трещиноватость создает как бы две наложенные друг на друга системы пустот. Все это и определяет необходимость особой клас-сификации коллекторов. Такая оценочно-генетическая классификация коллекторов была предложена К.И. Багринцевой (табл. 7).

Определяющим параметром предлагаемой классификации является проницаемость, предельные значения которой взяты из анализов коллектор-ских свойств пород различного генезиса и структурных особенностей. Ми-нимальные и максимальные значения оценочных показателей (пористости, газонефтенасыщенности и др.) получены из корреляционных зависимостей между проницаемостью, пористостью и остаточной водой. Наиболее харак-терна связь остаточной водонасыщенности с абсолютной проницаемостью.

В породах по мере улучшения фильтрационных свойств количество остаточной воды уменьшается. Пористость может быть различной, при этом даже высокие (более 15 %) значения открытой пористости бывают в породах с низкими фильтрационными свойствами. Между открытой по-ристостью и остаточной водонасыщенностыо связь неопределенная.

81

Оценочно-генетическая классификация карбонатных пород-коллекторов, со

Г

К

Абсолютная

Остаточная

Полезная

р

л

Открытая

водонасыщенность,

Потенциальный

Тип

у

а

проницае-

пористость,

% от объема пор

коэффициент

емкость и

п

мость

пределы

коллектора

фильтрацион

с

%

газонасыщенности

п

с

Д (дарси)

нижний

верхний

свойства

а

I

0,1–0,5

25–35

5

10

0,95–0,9

А

кавернополые

высокие

II

0,5–0,3

16–30

10

20

0,95–0,8

III

0,3–0,1

12–28

12

22

0,88–0,78

IV

0,1–0,55

12–25

16

30

0,84–0,7

поровый,

Б

трещино-

средние

поровый

V

0,05–0,01

12–25

20

38

0,08–0,62

0,0–0,001

Параметры матрицы

0,65–0,45

порево-

VI

6–10

35

55

трещинный

VII

0,300–0,02

Параметры трещин

1,0

преимущест-

1–3

–

–

В

венно трещин-

низкие

Параметры матрицы

0,001–0,0001

–

ный

2–5

60

100

0,300–0,02

Параметры трещин

1,0

каверново-

1,0

–

–

трещинный

82

Низкопористые породы всегда отличаются большим содержанием во-ды, а высокопористые имеют двойственную характеристику: хорошо про-ницаемые заключают небольшое количество воды, а плохо проницаемые – значительное (более 50 %). В классификационной схеме все коллекторы подразделяются на три большие группы А, Б, В, внутри которых в свою очередь выделяются классы, характеризующиеся разными оценочными параметрами, литологическими и структурными особенностями. Группы А и Б представлены в основном коллекторами порового и каверново-порового типов, В – трещинного и смешанного типов.

В породах группы А преобладают первичные пустоты, размеры кото-рых увеличены в процессах последующего выщелачивания. В породах группы Б развиты седиментационные поровые каналы; меньшую роль иг-рают пустоты выщелачивания. Строение пустотного пространства в поро-дах группы А значительно проще, чем в группе Б, а наиболее сложно оно в группе В. Здесь преобладают мелкие извилистые, плохо сообщающиеся каналы. Коллекторы I и II классов в группе А обладают в основном унас-ледованными высокими фильтрационными и емкостными параметрами. В III, IV и V классы попадают породы обломочно-органогенные и биохе-могенные с низкими первичными коллекторскими свойствами. Вторичное минералообразование, перекристаллизация, доломитизация, раздоломичи-вание, особенно сопровождающиеся выщелачиванием и выносом материа-ла, улучшают их свойства. В VI и VII классах выделены породы таких хе-могенных и биохемогенных разностей, петрофизические характеристики которых никогда не достигают высоких значений. Но здесь в большей сте-пени, чем в породах высших классов, проявляется другой фактор – трещи-новатость. Тип пустот поровый (для матрицы) и трещинный (в целом для коллектора), поэтому отдельно даются параметры матрицы, которые в ос-новном низкие, особенно проницаемость, и отдельно параметры трещин, по которым проницаемость значительно выше.