книги из ГПНТБ / Смехов Е.М. Теоретические и методические основы поисков трещинных коллекторов нефти и газа

роль трещиноватости, обусловливающая проницаемость рассмат­ риваемых пород. Кроме того, в свете современных представлений пористость горной породы в 5% и даже меньше при достаточной мощности пластов вовсе не является низкой.

Зависимости между пористостью и проницаемостью горных по­ род весьма сложны; между этими параметрами часто отсутствует прямая связь (табл. 24). Так, например, доломиты и известняки

Таблица 24

Характеристика коллекторских свойств различных типов горных пород [208]

24 мд. Низкой межзерновой проницаемостью обладают микрозернистые известняки с пористостью 4—10%. О емкости и фильтра­ ционных свойствах указанных пород свидетельствуют данные о распределении межзерновых пор по своим размерам. Так, микрозернистые известняки характеризуются порами размером ме­ нее 0,0002 мм; их процент от общего объема составляет до 40%. И наоборот, в доломитах поры размером менее 0,0002 мм состав­ ляют 1—8%, а более 0,02 мм — до 50%.

Известное представление о наиболее вероятных величинах межзерновой пористости и трещинной проницаемости для тре­ щинных коллекторов некоторых районов СССР дают сведения об их встречаемости (табл. 25).

Можно указать также на то, ито по результатам изучения фи­ зико-механических свойств карбонатных пород в связи с их ору­ денением установлено, что последнее приурочено к горным поро­ дам с пористостью 2% и пределом прочности ниже 2500 кгс/см2. В указанных условиях в горных породах возникает порово-тре- щинное пространство, в котором локализуется оруденение.

Зависимость предела прочности от ряда параметров горных пород иллюстрирует рис. 35.

122

Таблица 25

Встречаемость значений основных параметров трещинных коллекторов в некоторых районах СССР, %

Рис. 35. Зависимость пре­ дела прочности от порис­ тости горных пород по И. П. Тимченко (1968 г).

/ — открытые трещины; // — «залеченные» трещины; / — родонитовые скарны; 2 —пи­ роксен-гранатовые скарны; 3 — волластонит-пироксено-

вые породы; 6 —геденберги-

товые скарны; / — известняк верхнего девона; 8 —извест­

няк нижнего карбона.

123

Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Е М Е Т О Д Ы

Лабораторные методы определения коллекторских свойств тре­ щиноватых горных пород до настоящего времени являются недо­ статочно разработанными. Определение общей пористости трещи­ новатых горных пород существующими стандартными лаборатор­

Объяснить это можно тем, что величина трещинной пористости, являющейся одной из составляющих общей пористости трещинова­ тых пород, как правило, невелика. Сравнительно с величиной межзерновой пористости она всегда много меньше.

Известно, что пористость горных пород никогда не равна нулю. Каждый элементарный объем породы пронизан множеством тон­ ких капиллярных каналов, в совокупности образующих общее но­ ровое пространство горной породы. Из общей пористости трещино­ ватой горной породы величина трещинной пористости не превы­ шает 10—15%- Так, например, если принять раскрытие трещин b равным 30 мкм, а плотность трещин Т равной 0,5 1/см (величины, типичные для трещиноватых пород), то трещинная пористость бу­ дет равна [209]: т т= 6Г= 0,003-0,5= 1,5-10-3 = 0,15%. Отсюда следует, что даже в том случае, когда общая пористость трещино­ ватой горной породы составляет ,1,5% (чаще 3—5%), величина трещинной пористости не будет превышать 10% от последней.

Однако в случае необходимости раздельного определения ве­ личины межзерновой и трещинной пористости решение подобной задачи существующими стандартными лабораторными методами становится затруднительным. Меж тем в практике такие задачи возникают при оценке извлекаемых запасов нефти и газа, содер­ жащихся в трещинных коллекторах, и в тех случаях, когда за­ пасы в трещинах оказываются сопоставимыми с таковыми в межзерновых порах.

Из известных лабораторных методов для решения подобной задачи могли бы быть, в частности, привлечены методы капил­ лярных давлений и вдавливания ртути в образец горной породы [54]. Однако в этих случаях определение трещинной пористости по порометрическим данным возможно лишь по большому количе­ ству образцов с последующим статистическим анализом получен­ ных данных или при условии, что линейные размеры исследуемых образцов должны быть много больше средних расстояний между трещинами. Так как последнее условие на практике редко осуще­ ствляется, то преимущественное значение придается первому ус­ ловию.

Сущность норометрических измерений сводится к тому, что благодаря большому гидравлическому радиусу микротрещин (сравнительно с гидравлическим радиусом пор) на порометрических кривых фиксируется участие трещиноватости; по таким кри-

124

вым представляется возможность определить величину трещинном пористости. Здесь величина трещинной пористости и погрешность измерения общей пористости стандартными лабораторными мето­ дами будут являться величинами одного порядка.

Для изучения структуры порового пространства карбонатных

зультате такой обработки скелет породы растворяется в кислоте, а затвердевший материал жидкости принимает форму порового пространства [187].

Литологическая неоднородность карбонатных пород-коллекто­ ров нефти и газа часто вызывает несоответствие величин пористо­ сти, определенных методами керосинонасыщения и больших шли­ фов. Обычно величина пористости, определенная в шлифах, мень­ ше значений, полученных методом керосинонасыщения. Объяснить это можно тем, что в шлифах не всегда удается измерить очень малые поры с неясно выраженной просветностью.

Лабораторные исследования по определению величины трещин­ ной пористости известняков верхнего мела Грозненского района методом инъекции ртути [15] под давлением до 70 кгс/см2 пока­ зали, что раскрытие трещин не превышает 0,14 мкм (при пористо­ сти пород 2—4%). По указанным данным значения трещинной пористости не должны превышать 1%.

При лабораторном изучении структуры порового пространства и параметров трещиноватости пород под микроскопом большую роль сыграло применение синтетических смол. Так, в частности, использование эпоксидной смолы ЭД-5 для пропитки исследуе­ мой горной породы позволило детально изучать под микроскопом [94] морфологию и структуру заполненных пластмассой пор, пус­ тот и трещин. При этом межзерновые поры и вторичные полости, заполненные пластмассой, отчетливо выделяются благодаря ее яркой окраске и высокому показателю преломления. Находящие­ ся в пустотах битумы рельефно выделяются под люминесцентной лампой, так как эпоксидная смола сама не люминесцирует.

Как известно, основой существующих стандартных методов (и их модификаций) определения проницаемости горных пород служит моделирование (в лабораторных условиях) процесса фильтрации через образец. Многочисленные измерения величины проницаемости образцов керна, выполненные подобным стандарт­ ным методом, показывают, что они во много раз (в десятки и сот­ ни) меньше, чем таковые, полученные по результатам гидродина­ мических исследований скважин. В чем же дело? Чем объясня­ ются такие существенные расхождения в определении одного и того же параметра различными методами? Видимо, при принятых стандартных лабораторных методах моделирования процесса фильтрации для трещиноватых горных пород используются об­ разцы, размеры которых сравнимы со средними расстояниями между трещинами. В таких условиях в процессе фильтрации уча­

125

ствуют только единичные фильтрационные каналы (несколько тре­ щин), тогда как фильтрация в пористой среде происходит в тыся­ че поровых каналов. Очевидно, величина проницаемости трещино­ ватой горной породы, определенная стандартным лабораторным методом, будет находиться в зависимости от размеров и формы

исследуемого образца породы и избранного направления фильтра­ ции.

Несмотря на указанные ограничения в практике лабораторных исследований продолжались попытки разработать такие методики определения проницаемости трещиноватых горных пород. К ним относятся исследования Ф. Келтона [111] и др., а также разра­ ботка приборов, основанных на моделировании радиальной фильт­ рации в образце горной породы [81]. Однако ввиду того, что в ла­ бораторных условиях не представляется возможным получить ста­ тистическое осреднение данных о фильтрации по многочисленным трещинам породы, величины проницаемости, получаемые методом моделирования, не будут соответствовать истинным значениям трещинной проницаемости пород.

Для определения трещинной проницаемости используется ме­ тод шлифов ВНИГРИ. Этим методом до гидродинамических ис­ следований скважин определяются приближенные количественные величины трещинной проницаемости и трещинной пористости ис­ следуемого пласта (условие — не менее одного образца с 1 м мощ­ ности и в сумме не менее 15—20 образцов). Для получения отно­ сительной (качественной) характеристики трещинной проницаемо­ сти пород определяются ее значения в породах равномерно по все­ му разрезу (примерно через 3—5 м). Эти данные используются для выделения в разрезе скважин соответствующих интервалов (зон) с отдельными повышенными значениями трещинной прони­ цаемости, каждое из которых является случайной величиной.

Метод шлифов в настоящее время является единственным ла­ бораторным методом визуального определения коллекторских свойств трещиноватых горных пород. Рациональность его исполь­ зования доказывается широким практическим его применением и данными сравнительного анализа результатов определения тре­ щинной проницаемости методом шлифов и методами гидродинами­ ческого исследования скважин (кривые восстановления давления и испытания скважин). В табл. 13 (III глава) указаны только те скважины, по которым определение проницаемости методом шли­ фов производилось по тем же интервалам продуктивных пластов, что и гидродинамические исследования. Из рассмотрения пред­ ставленных данных можно заключить об их сопоставимости друг с другом.

Интересные сравнительные данные о величинах проницаемо­ сти пород, определенных по керну (стандартные лабораторные исследования) и по кривым восстановления уровней пластовой воды для ряда нефтеносных площадей Волгоградского Поволжья [195] приведены в табл. 26. Из таблицы видны значительные рас-

126

Таблица 26

Сопоставление проницаемостей, определенных по керну и по кривым

восстановления пластового давления (Волгоградское Поволжье) [195]

хождения величин проницаемости, определенных этими двумя ме­ тодами. Наиболее достоверным результатом, разумеется, следует считать данные гидродинамических исследований. Расхождение между результатами этих методов объясняется тем, что лабора­ торные данные характеризуют только межзерновую проницае­ мость пород без учета их трещинной проницаемости.

При рассмотрении лабораторных методов исследования зна­ чительный интерес представляют данные о пластичности карбо­ натных пород, поскольку они косвенно указывают на степень их трещиноватости. Так, согласно данным [25], полученным при изу­ чении пластичности карбонатных пород верхней юры Северо-За­ падного Кавказа методом Л. А. Шрейнера (метод вдавливания штампа), прочность микрозернистых известняков в значительной степени меняется. Так, например, с увеличением глинистой состав­ ляющей прочность их снижается почти в 3 раза. Было установле­ но, что для рассматриваемых пород при пористости до 10% коэф­

щей последовательности: микрозернистые глинистые известняки— чистые микрозернистые известняки — биоморфные известняки — оолитовые известняки. При сопоставлении указанных данных с ви­ зуальными данными о трещиноватости этих пород оказалось, что наиболее трещиноваты наименее пластичные известняки.

По результатам исследования верхне.меловых отложений Вос­ точного Предкавказья [41] установлены зависимости коэффици­ ента пластичности известняков от нерастворимого остатка (глини­ стой составляющей) и удельной плотности трещин ог коэффици­ ента пластичности (рис. 36 и 37). При рассмотрении рисунков вид-

127

но, что с увеличением глинистости рассматриваемых пород умень­ шается их коэффициент пластичности, а с уменьшением коэффи­ циента пластичности возрастает удельная плотность трещин.

Некоторые исследователи при определении механических свойств горных пород, залегающих на. глубине, пользуются данными лабо­ раторных испытаний. Согласно [166] механическая неоднород­ ность (анизотропность) горных пород справедливо расценивается в основном как следствие их трещиноватости и пористости (струк­ туры порового пространства). Массив горных пород рассматрива­

ется как состоящий из элементарных частиц. Такими элементар­ ными частицами для трещиноватых горных пород признаются блоки размером не более 30X40 см. Таким образом, для изучения механических свойств трещиноватых горных пород, учитывая указанные размеры блоков, необходимы образцы с диаметром не менее 5—7 м, что практически не осуществимо. Отсюда можно заключить, что малые образцы керна трещиноватых пород, испы­ тываемые в лабораториях на механические свойства, не дают должного представления о механических свойствах блоков этих горных пород, залегающих на глубине.

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

В благоприятных условиях потенциальные геофизические поля (электрическое, гравитационное, магнитное, упругих волн и др.) достаточно чувствительны к изменениям параметров трещинова­ тости горных пород; в связи с указанным они могут быть исполь­ зованы для изучения трещиноватости. Однако степень изученности геофизических методов в применении их к трещиноватым поро­ дам пока еще совсем низкая. Основной причиной указанного яв­ ляется то обстоятельство, что на геофизические потенциальные

128

поля влияет совокупность геологических факторов (литологиче­ ский состав горных пород и его неоднородность, их пористость, кавернозность, трещиноватость и др.), раздельное рассмотрение которых крайне затруднительно. Не менее серьезным затрудне­ нием в развитии геофизических методов изучения трещинных кол­ лекторов нефти и газа является отсутствие четких представле­ ний об аккумуляции и фильтрации флюида в трещиноватых гор­ ных породах. Если определенная роль трещин в фильтрации неф­ ти и газа в трещиноватой горной породе у подавляющего большин­ ства исследователей не вызывает сомнений, то относительно ем­ кости (пористости) трещинного коллектора существуют противо­ речивые представления.

Известно, что геофизические способы изучения горных пород не являются прямыми методами. Заключение о том или ином фи­ зическом свойстве горной породы осуществляется путем перехода от измеренного геофизического параметра к изучаемому свойству пласта-коллектора. Зависимости между геофизическими парамет­ рами и свойствами горных пород устанавливаются с помощью теоретических и эмпирических расчетов как на образцах (кернах) горных пород, так и по промысловым данным. Так, например, по­ ристость определяется по относительному сопротивлению или по водородосодержанию, нефтегазонасыщенность—-по коэффициенту

коллекторских свойств по геофизическим данным, значительным изменениям исследуемого параметра пласта обычно соответст­ вуют весьма малые изменения геофизических величин. При боль­ ших изменениях коэффициента нефтегазонасыщенности коэффици­ ент увеличения сопротивления изменяется мало. В пористых плас­ тах показания нейтронного каротажа мало меняются, хотя из­ менения величины пористости могут быть значительными. Как из­ вестно, наличие хотя бы небольшого количества глинистого мате­ риала в породе-коллекторе оказывает большое влияние на его свойства, однако гамма-каротаж не в состоянии это отметить и т. д.

Исследованиями установлено, что связь между коллекторскими свойствами пласта и геофизическими показаниями может быть установлена лишь для отдельных частных разрезов (данного пла­ ста и реже для месторождения и тем более района). В целом же определение коллекторских свойств пластов основано на использо­ вании усредненных геофизических данных, характеризующих не­ который объем горной породы. Однако использование этих данных в неоднородной среде, каковой является трещиноватая горная по­ рода, может служить источником серьезных погрешностей.

Совершенно очевидно, что при выяснении количественной за­ висимости между геофизическими параметрами и коллекторскими свойствами рассматриваемых горных пород необходимо распола-

гать достоверной информацией о строении пласта-коллектора, не противоречащей геологическим и гидродинамическим данным. В этой связи весьма своевременным является указание В. Н. Дахнова [73] о том, что применение современного комплекса геофизи­ ческих методов для оценки коллекторских свойств горных пород возможно при условии, если использование этих методов предва­ рительно обосновано данными сопоставления физических и кол­ лекторских свойств горных пород, изученных по керну, отобран­ ному из опорных и первых разведочных скважин.

В последние годы значительно расширен диапазон промысло­ во-геофизических исследований трещиноватых горных пород как коллекторов нефти и газа. Однако при этих исследованиях, как справедливо указывается в работе [179], крайне важно установ­ ление типа коллектора и оценка доли в эффективном емкостном пространстве межзерновых пор, трещин и каверн. Меж тем, как из­ вестно, эти задачи стандартным комплексом промыслово-геофизи­ ческих методов не решаются. В практике промысловой геофи­ зики для подобных коллекторов по данным стандартного комп­ лекса относительно удовлетворительно удается выделять в раз­ резе участки с преобладанием первичной межзерновой или вто­ ричной (каверны, трещины и др.) пористости, определять общую пористость по диаграммам НГМ (нейтронный гамма-метод) и выделять в разрезе участки с пониженной и повышенной глинис­ тостью.

Сравнительно более удовлетворительно изучены параметры трещиноватости горных пород при измерении их удельного элект­ рического сопротивления (УЭС). Подавляющее большинство по­ родообразующих минералов, как известно, не проводят электри­ ческий ток. Электропроводность же горных пород обусловлена наличием в них различного рода пустот (поры, каверны, тре­ щины), заполненных водой. Поскольку распределение указанных пустот в породе, как правило, неравномерно, то, естественно, и электрическое сопротивление в различных направлениях оказы­ вается неодинаковым, что позволяет использовать это свойство для изучения параметров трещиноватости.

Обычно в различных геологических условиях применяют раз­ ные комплексы промыслово-геофизических методик. Так, напри­ мер, для грозненских верхнемеловых карбонатных коллекторов в работе [74] предлагается находить коэффициент эффективной пористости по разности между общей пористостью (определенной НГМ) и пористостью блоков, определенной в лаборатории стан­ дартным методом. Сравнительно с методом А. М. Нечая (о кото­ ром будет сказано ниже) предлагаемый метод дает величину эф­ фективной пористости на 50% выше. Однако и эта величина, веро­ ятно, преуменьшенная. Основное затруднение в определении эф­ фективной пористости в карбонатных коллекторах заключается в том, что при низкой их пористости (первые единицы процента) невозможно уловить заметное изменение физических свойств сре-

130

Ды, заполняющей эффективные поры, которое позволяет получить ощутимые изменения физических свойств изучаемого коллектора в целом.

Различные исследователи для установления аналитических за­ висимостей между УЭС и параметрами трещиноватости руковод­ ствовались идеализированными моделями трещиноватой горной породы. Так, А. М. Нечай [180] пользовался моделью чисто тре­ щинного коллектора, в которой трещины составляют одну систему. Для такой же среды, но рассеченной произвольными системами трещин, И. И. Горюнов [63] вывел выражение, в котором учиты­ валось произвольное количество систем трещин, интенсивность трещиноватости для каждой из систем, расстояния между трещи­ нами разных систем и угол между трещиной и направлением из­ мерения. Для расчета величины трещинной пористости указанными исследователями в последующем были предложены идентичные формулы. Применение этих формул базируется на том, что УЭС породы без трещин больше УЭС минерального вещества, запол­ няющего трещину.

Опыт промыслово-геофизических исследований в юго-восточной части Аравийского полуострова показал, что в условиях карбонат­

а также уверенно определять коллекторские свойства рассматри­ ваемых пород. В этих условиях не дает положительных результа­ тов и симметричный сдвоенный градиент-зонд. В связи с этим предлагается применение следующего рационального комплекса промыслово-геофизических исследований, при условии бурения скважин с раствором на нефтяной основе, с отбором керна (для лабораторных определений водонасыщенности) и последующей смены раствора на известковый [65]:

—- стандартный каротаж для корреляции разрезов;

—экранированный зонд для определения удельного сопротив­ ления пласта (а по нему водонасыщенности);

—микрозондирование для качественного выделения прони­ цаемых интервалов;

—экранированный микрозонд, нейтронный и акустический ка­ ротаж для определения пористости;

—гамма-каротаж (вместо ПС) для выделения глинистых участков;

—каверномер для учета влияния диаметра скважины.

Для интерпретации вначале определялись проницаемые уча­ стки, затем пористость, в которую вносились поправки на влияние глинистости (ГК). В целом результаты интерпретации показали, что значения пористости по АК скважин оказались завышенными, а по НГМ — заниженными. Поскольку продуктивность пластов была обусловлена трещиноватостью, связь между проницаемостью и пористостью не удалось установить. Обращает на себя внимание