Предисловие

Дисциплина "Петрофизика" является базовой для дальнейшего изучения специальных дисциплин студентами специальности «Технология геологической разведки», специализации «Геофизические методы исследования скважин».

В этой дисциплине изучаются физические свойства горных пород, которые используются при исследованиях скважин.

Целью освоения дисциплины является формирование набора компетенций будущего специалиста в области обучения, воспитания и развития, соответствующим целям ООП ВПО специальности «Технология геологической разведки».

Задачи дисциплины – изучить петрофизические основы изучения геологических разрезов скважин; неоднородности горных пород; моделирование естественных условий залегания; упругие и необратимые деформации; глинистость, пористость, влажность, нефте- и газонасыщенность, проницаемость горных пород; параметр пористости, поверхностная проводимость, параметр насыщения, диффузионно-адсорбционная активность, фильтрационные и окислительно-восстановительные потенциалы; вызванная электрохимическая активность гор­ных пород; петрофизические связи и их использование для геологической интерпретации на стадии разведки, подсчета запасов и проектирования разработки; использование петрофизических исследований для комплексной интерпретации данных разведочной геофизики и ГИС.

Настоящее издание обобщает многолетний опыт автора чтения лекций по данной дисциплине.

Автор благодарит своих коллег и учителей за помощь в подготовке учебного пособия.

1 Предмет, методы и задачи петрофизики

Петрофизика (греч. petra камень + греч. physics природа), т.е. физика камня или физика горных пород – это наука о свойствах горных пород как функции их состава и структуры, об изменении этих свойств под воздействием геологических, физико-химических или технологических факто­ров, а также о взаимосвязях между физическими свойствами пород.

Петрофизика сформировалась к началу 60-х годов 20-го века, когда появились обобщающие труды по вопросам изучения физических свойств пород и возникло основное содер­жание петрофизики как науки.

Развитие петрофизики связано с именами В. Н. Дахнова, А. С. Семенова, А. И. Заборовского, Н. Б. Дортман, В. М. Доб­рынина, Е. И. Леонтьева, М. Л. Озерской, С. Г. Семеновой и др.

В трудах названных выше ученых закладывались основы петрофизики, доказывалось особенно важное значение петрофизики при геофизи­ческих исследованиях скважин, когда по комплексу измеряемых в скважине физических величин определяют вскрытые породы, выделяют среди них полезные ископаемые и оценивают их за­пасы.

За рубежом вопросам петрофизики также придается серь­езное значение. Крупные исследования проведены Арчи, Гассманом, Вилли, Феттом и многими другими.

Как любая наука, петрофизика имеет свой предмет, задачи и методы ис­следования. Кроме того, петрофизика связана с другими науками: литологией, геологией, физикой, коллоидной и физической химией, математической стати­стикой и использует в своей практике их методы получения и анализа экспе­риментальных данных. Предметом (или объектом познавательной деятельности) в петрофизике является горная порода, ее литологические и физические свойства.

Задачи петрофизики – определение изменения физических свойств горной породы в зависимости от:

литологической характеристики;

условий исследования (пластовых или атмосферных);

изменения литологических свойств под воздействием скважинных флюидов.

Рисунок 1.1 – Схема петрофизического обеспечения различных направлений нефтегазовой отрасли

Методами петрофизических определений, т.е. системой приемов и спосо­бов в исследовательской деятельности, являются экспериментальные методы определения физических свойств, математические методы анализа получаемой базы данных.

В своем развитии петрофизика прошла несколько этапов:

1. изучение взаимосвязей между вещественным составом и физическими свойствами пород;

2. построение модели коллектора с учетом глинистой компоненты как особо активной составляющей горной породы;

3. широкое применение линейно-регрессионного анализа;

4. поиск универсальных многомерных связей;

5. изучение характера физико-химического взаимодействия в системе по­рода-нефть-вода;

6. поиск методов учета факторов, характеризующих геометрию и индиви­дуальные свойства компонентов и изменения последних при их взаимодействии.

Рисунок 1.2 – Схема системного подхода к воздействию скважинных флюидов на водонефтесодержащую породу

Служба исследования физических свойств кернового материала для реше­ния задач по петрофизическому обеспечению бурения скважин, интерпретации материалов ГИС, новых геофизических методов, вскрытия и интенсификации пластов, петрофизическому обеспечению подсчета запасов формирует пять взаимосвязанных направлений:

• прием и хранение кернового материала;

• проведение профильных измерений на полноразмерном керне;

• проведение стандартных и специальных литолого-петрографических ис­следований керна;

• проведение стандартных и специальных петрофизических исследований керна;

• проведение исследований нефтеотдачи на керне и моделях породы.

Структурные и функциональные связи между указанными направлениями (подразделениями) обеспечивают полный комплекс исследования горных по­род.

Литолого-петрографические исследования кернового материала включают в себя стандартные и специальные определения строения (структуры) и состава (фракционного, элементного и минерального) горной породы.

Стандартные литолого-петрографические исследования включают:

1. Макролитологическое описание пород, проводимое литологом с использованием бинокулярного стереоскопического микроскопа, включающее в себя визуальное определение литотипа породы, ее структуры и текстуры.

2. Определение карбонатности (общей и раздельно кальцита, доломита, си­дерита) с использованием либо установки для определения общей карбонатно­сти, либо карбонатометра, либо титровальной установки.

3. Определение гранулометрического состава породы:

методом лазерной дифракции (с использованием лазерного анализа­тора размеров частиц) – определяются песчаная, алевритовая и глинистая фракции как сухого, так и влажного образца;

ситовым методом (с использованием набора сит) - определяются пес­чаные и алевритовые фракции;

пипеточным методом – определяются глинистые фракции.

4. Микролитологическое описание шлифов и аншлифов пород, которое проводится с использованием поляризационых микроскопов для изучения литолого-петрографических характеристик пород в шлифах:

уточнение литологического типа породы, т.е скелетной части;

описание состояния пустотного пространства (тип цемента, процент­ное соотношение различных типов цемента, наличие и распределение глини­стых минералов в пустотном пространстве, наличие карбонатного цемента);

наличие вторичных минералов и т.д.

Специальные литологические исследования состава и строения породы включают:

1. Изучение минерального состава цемента и обломочной части породы (рентгеноструктурный анализ) с использованием дифрактометров отечественно­го производства «РЕАН» или ДРОН-7 или импортного (например, фирмы RI- GAKU MultiFlex (Япония)), т.е. проведение качественного и количественного минералогического фазового анализа.

2. Изучение элементного состава пород (рентгенфлюоресцентный (рентге- носпектральный) анализ) с использованием, например, спектрометров отечест­венного производства «Спектроскан» или СПАРК-1-2М.

3. Рентгеноспектральный анализ микрообъемов вещества (анализ поверх­ности шлифа) - распределение химических элементов на поверхности шлифа.

4. Определение водородосодержания и минерального состава карбонатов в породах методом термовесового анализа (дериватография).

5. Изучение состояния пустотного пространства с использованием растро­вого электронного микроскопа (РЭМ).

6. Определение концентраций элементов в отдельных минералах под ска­нирующим электронным микроскопом (СЭМ) в шлифе без покровного стекла.

7. F-радиография – определяется содержание урана по площади шлифа, т.е. оценивается хаотично ли распределение урана или уран концентрируется в ка­ком-либо минерале.

8. 3D-грануломинералогический анализ – образец диспергируется и под микроскопом определяется размер зерен, строится кривая распределения в трех направлениях.

Проведение стандартных петрофизических исследований на керновом ма­териале в производственных условиях можно сравнить с работой на конвейере, поскольку очередность выполнения тех или иных действий достаточно четко предопределена необходимостью подготовки образцов к исследованиям и про­ведением непосредственно самих исследований.

К подготовительным мероприятиям относятся:

• экстракция образцов спиртобензолом или хлороформом в аппаратах Сокслета;

• высушивание образцов при температуре 105 °С в специальных сушиль­ных шкафах;

• хранение высушенных образцов в эксикаторах с хлористым кальцием, который не позволяет высушенным образцам адсорбировать пары воды из воздуха;

• очистка пресной воды от солей для проведения лабораторных исследо­ваний с помощью дистиллятора и бидистиллятора;

• очистка керосина от примесей;

• подготовка модели пластовой воды с определением ее минералогической плотности с использованием пикнометра и водяной бани;

• вакуумирование и насыщение образцов флюидом с использованием вакуумного и форвакуумного насосов;

• хранение контрольных образцов.

В настоящее время в стандартный комплекс петрофизических исследова­ний включены:

1. определение открытой пористости по жидкости и расчет объемной плотности;

2. выборочные замеры минералогической плотности;

3. определение абсолютной проницаемости для газа;

4. определение остаточной водонасыщености прямым (экстракционно-дистиляционным) методом или косвенными (с использованием центрифуги или капилляриметра) методами.

Кроме того, в атмосферных условиях проводятся:

5. определение удельного электрического сопротивления водо- и нефтенасыщенных образцов с помощью системы для измерения удельного сопротивления, представляющей собой современный программируемый RCL-метр;

6. определение скорости продольных (реже и поперечных) волн.

Таким образом, совокупность стандартных литолого-петрографических и стандартных петрофизических исследований позволяет получить не только представление о коллекторских характеристиках изучаемых литотипов, но и подсчетные параметры и граничные значения фильтрационно-емкостных свойств горных пород.

Однако стандартные исследования не всегда позволяют решить все возни­кающие проблемы, поэтому в комплекс петрофизических методов включены специальные методы изучения горных пород, к которым относятся определе­ния:

1. проницаемости для газа и для жидкости в пластовых условиях;

2. естественной радиоактивности образца породы, т.е. измерение концен­трации урана, тория, калия методом масс-спектрометрии;

3. акустических и электрических свойств пород в пластовых условиях;

4. определение физических параметров породы, свободной и связанной воды и нефти методом ЯМР;

5. диэлектрической проницаемости пород;

6. поверхностных свойств пород:

• степени гидрофобизации поверхности;

• емкости катионного обмена;

• электро-химических свойств пород (диффузионно-адсорбционной актив­ности, окислительно-восстановительного потенциала, фильтрационного потен­циала, вызванного потенциала);

• удельной поверхности пород с использованием анализатора удельной поверхности по методу БЭТ;

7. структуры пустотного пространства горной породы методами либо ртутной порометрии, либо капилляриметрии, либо рентгеновской томографии;

8. упругих свойств пород (модуль Юнга и коэффициент Пуассона, сжи­маемость пород) статическими или динамическими методами

9. геохимических свойств пород с использованием таких приборов, как пиролизатор (например, ROCK EVAL) и люминоскоп;

10. тепловых свойств пород, например, методом оптического сканирова­ния;

11. магнитных свойств пород с использованием каппаметра;

12. механических свойств пород с использованием системы для измерения прочностных свойств пород.

Специальные петрофизические методы исследования керна используются для петрофизического обоснования интерпретации материалов сейсморазведки, новых промысловых геофизических методов, петрофизического обеспечения проходки ствола скважины, вскрытия и интенсификации пласта.