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

Таблица 13

Сопоставление величин проницаемости, определенных методом исследования промысловых данных и методом шлифов

Величина проницаемости подсчитана по кривым восстановления давления в скважинах.

В настоящее время ведущую роль микротрещин в процессах фильтрации в трещинном коллекторе следует считать общеприз­ нанной. Большинство исследователей, работающих в области под­ земной гидродинамики [22, 130 и др.] разделяют эти представле­ ния. На основании этого положения для исследования микротре­ щин и, в частности, для определения величины основного их пара­ метра— раскрытия был разработан метод изучения их в шлифах, под микроскопом [223].

Многочисленные измерения (десятки тысяч шлифов из образ­ цов горных пород различных районов нашей страны и некоторых зарубежных стран) показали, что раскрытия трещин колеблются для различных литологических разностей пород от 5 до 100 мкм,

Раскрытия трещин в карбонатных породах в интервале глубин от 0 до 500 м характеризуются кривой, свидетельствующей о сни­ жении значения величин раскрытия с глубиной от 40 до 15 мкм (рис. 27). Это, очевидно, первый критический интервал в измене­ нии раскрытое™ трещин. Последующему интервалу глубин, от 500 до 750 м, на котором происходит (благодаря горному давле­ нию) сближение стенок трещин, свойственны раскрытия 15—

20 мкм. В интервале глубин 750—3000 м наблюдается стабилиза­ ция раскрытий трещин 10—15 мкм. Ниже 3000 м, где роль стаби­ лизирующего фактора выполняет кристаллическая структура гор­ ной породы, преобладающие раскрытия трещин (открытых и би­ тумных) не превышают 5—8 мкм (Северное Предкавказье и др.).

Значительный интерес представляют кривые встречаемости значений трещинной проницаемости по различным типам карбо­

мерений. Ьказанные данные свидетельствуют о том, что в рассмат­ риваемом случае наиболее распространенная величина эффектив­ ной проницаемости не превышает 25 мд (90% всех измерений). От­

дельные резко повышенные значения проницаемости исключались при подсчетах как случайные.

Соотношения значений трещинной проницаемости по открытым и битумным трещинам иллюстрируются кривыми вероятности на примере для карбонатных пород артинского яруса ряда месторо­ ждений Восточной Башкирии (рис. 29). Из рассмотрения указан­ ных кривых видно, что кривые вероятных значений трещинной проницаемости совпадают в области как малых, так и больших значений. 70% всех измерений трещинной проницаемости распо­ лагаются в интервале 15—25 мд. Из указанного следует, что наи­

более распространенная величина эффективной трещинной прони­ цаемости здесь также не превышает 25 мд.

Интенсивность трещиноватости горных пород характеризуется объемной плотностью трещин, являющейся общим количествен­ ным критерием оценки степени растресканности пород. Объемная плотность трещиноватости (Т) в данной точке трещиноватой среды определяется отношением половины площади (AS) поверх­ ности всех трещин в некотором элементарном объеме (AV) к ве­

84

Применение этого критерия основано на тех же представле­ ниях о трещинной среде как среде, обладающей непрерывными свойствами. Эти представления в принципе аналогичны известным представлениям о пористой среде с той лишь разницей, что мас­ штаб осреднения здесь несколько

стной плотности трещиноватости (Р); она измеряется отношением суммы длин следов трещин (Д/), выходящих на элементарную пло­ щадку, к величине последней (AS):

Поскольку большинство трещин в горной породе группируются в определенные системы, степень растресканности пород можно выразить также величиной густоты трещин (Г) ; эта величина определяется отношением количества трещин (Дм), секущих нор­ маль их плоскостей, к элементу длины (AL) этой нормали:

д Г *

Необходимо учесть, что при определении величин поверхност­ ной плотности (Р) и густоты (Г) трещин важно принимать во внимание, как и в случае определения величины объемной плотно­ сти (Т), масштаб осреднения. В тех случаях, когда трещинова­

86

тость как по разрезу, гак и по площади однородна, разумеется, нет надобности в рассмотрении элементарных объемов блоков по­ роды, их длины и площади. В этих случаях объемная плотность трещин, поверхностная плотность трещин и густота трещин опре-

между трещинами в системе).

При геологических исследованиях в полевых условиях обычно определяют величины густоты трещин и поверхностной плотности. Соотношения, связьшающие эти величины с величиной объемной плотности трещиноватости (при распределении трещин по систе­ мам), согласно [209] будут такими: .

где N — количество систем трещин, 0 ; —-угол между плоскостью трещины системы номера i и плоскостью площадки, на которой измеряется величина Р.

При хаотической «бессистемной» трещиноватости пород соот­

ности трещин горных пород, полученных в результате геологиче­ ских наблюдений в обнажениях на дневной поверхности и при микроскопическом изучении образцов керна, показало, что они являются величинами одного порядка. Так, объемная плотность

87

микротрещин в рассматриваемом диапазоне литологического сос­ тава горных пород (табл. 15) колебалась от 23 до 70 1/м.

В работе [68] на примере отложений среднего карбона Вос­ точной Башкирии показано на кривой распределения в породах величин объемной плотности трещин, что более 50% всех измерен­ ных величин располагается в интервале 28—54 1/м (рис. 30).

Элементы ориентировки трещин в пространстве являются не менее важным параметром, чем их раскрытие и густота. Эти эле­ менты, как известно, определяются относительно сторон света азимутом падения и углом падения. Ориентировку плоскости в пространстве можно произвести и векторным способом. В этом

случае ориентировка опреде­ ляется единичным вектором ее

углы между единичным векто­ ром и осями системы коорди­ нат). Несколько подробнее на векторном методе мы остано­ вимся ниже.

Установленные закономер­ ности в развитии трещинова­ тости горных пород (регио­

нальное, повсеместное распространение; системность трещин и др.) оказали большое влияние на постановку и решение ряда задач гидродинамических исследований фильтрации в чисто трещинова­ тых и трещиновато-пористых средах. Полученные данные позволи­ ли рассматривать трещиноватую горную породу как непрерывную среду, обладающую «особым классом фильтрационных каналов — трещинами» [209]. Результаты геологических исследований трещи­ новатости способствовали осуществлению нового подхода к изуче­ нию процессов фильтрации в трещиноватых горных породах, при котором появилась возможность построения гидродинамических моделей последних, близких к реальным трещиноватым средам.

В изучении процессов фильтрации в трещиноватых горных по­ родах важное и принципиальное значение имеют представления [22] о трещинном коллекторе как о сложной среде, состоящей из вложенных одна в другую пористой и трещиноватой сред. Такие представления позволяют изучать процессы фильтрации в упру­ гих трещиновато-пористых средах с учетом процессов перетока флюидов между порами блоков горной породы (матрицы) и сис­ темами трещин. В целом такие процессы представляют собой своеобразный механизм двухфазной фильтрации, в котором боль­ шое значение приобретает противоточная капиллярная пропитка.

Исследование законов движения флюидов в сложных средах (смешанные типы коллекторов), каковыми обычно и являются

88

реальные трещинные коллекторы, представляет собой одну из самых трудных проблем в изучении фильтрации в трещиноватых горных породах. Значительный теоретический и практический ин­ терес имеют исследования радиуса действия поверхностных сил при движении жидкости в субкапиллярных щелях (микротрещи­ нах). Известно, что капиллярные и сверхкапиллярные каналы об­ ладают сравнительно большим гидравлическим радиусом, а суб­ капиллярные каналы (микротрещины)— малым. Полагают, что в таких микротрещинах (каналах) вследствие влияния жидкости, находящейся вблизи стенок канала, на процесс ее фильтрации происходит уменьшение сечения каналов. Некоторые исследовате­ ли [246, 130, 54], исходя из указанных соображений, считают, что по этим причинам (малые величины гидравлического радиуса) фильтрация жидкости в субкапиллярных пустотах или крайне затруднительна, или вообще невозможна. Меж тем таких пустот (поры, трещины) в горной породе может оказаться значительное количество.

Согласно гипотезе о связанной воде часть погребенной воды в пласте-коллекторе не может быть ни извлечена из межзерновых пор, ни замещена нефтью, вследствие того что эта часть пластовой воды находится в пленочном состоянии и связана молекулярными силами с поверхностью минерального скелета горной породы.

Согласно данным исследования течения жидкости в сверхтон­ ких щелях [209] значительные количества связанной воды в пус­ тотах пласта-коллектора обусловлены не силами молекулярного притяжения, а наличием капиллярных сил (в основном) и «тупи­

замещения воды нефтью). Уместно привести пример по известно­ му месторождению Спраберри (Пермский бассейн в Западном Техасе), где в фильтрации флюидов огромную роль играют не поддающиеся измерению капиллярные трещины, наличие которых доказано в хрупких алевролитах, составляющих до 90% разреза продуктивной формации

С другой стороны, известны также случаи, когда пористость глинистых сланцев достигает 13—15%, но пластовые жидкости из-за субкапиллярности межзерновых пор не могут свободно про­ ходить через эти породы, так как силы прилипания удерживают жидкость.

Должного физического объяснения известным фактам умень­ шения гидравлического радиуса в субкапиллярных каналах пока еще не найдено. Однако результаты экспериментальных исследо­

89

ность оценить влияние шероховатости стенок щелей (трещин) на процесс фильтрации. Установлено, что если величина относитель­ ной шероховатости стенок трещин меньше 0,065, то ее роль в про­ цессах фильтрации в трещиноватых горных породах крайне не­ значительна.

Полученные данные о движении различных жидкостей в тре­ щинах с раскрытиями до 0,2 мкм (щелях) имеют большое значение при исследованиях фильтрации в упруго деформируемом трещин­ ном коллекторе. Так, известно, что зависимость гидродинамиче­ ской проводимости одной трещины от куба ее раскрытия может быть распространена и на весь рассматриваемый трещинный кол­ лектор. Поскольку раскрытие трещин в упруго деформируемом пласте-коллекторе зависит линейно от давления находящихся в них жидкостей, то для трещинного коллектора будет, вероятно, справедлива зависимость его трещинной проницаемости от третьей степени величины давления пластовой жидкости.

При экспериментальных исследованиях движения двухфазной жидкости в единичных тонких щелях (трещинах) были получены такие результаты, которые допускают вероятность линейного ха­ рактера зависимости фазовых проницаемостей от насыщенности в трещиноватых средах. Такое допущение возможно благодаря тому, что в реальных трещиноватых горных породах двухфазная жидкость циркулирует по системе соединяющихся друг с другом трещин, имеющих различные величины раскрытий.

Ранее указывалось, что трещины в горной породе распределя­ ются согласно определенно ориентированным системам. Это об­ стоятельство приводит к существенной анизотропности трещинных коллекторов. Исследованиями фильтрации в анизотропных средах установлены преимущественные направления, по которым при одних и тех же перепадах давления наблюдаются наиболее интен­ сивные фильтрационные перетоки. Такая фильтрующая среда мо­ жет рассматриваться как анизотропная относительно коэффи­ циента проницаемости.

Принципиальное отличие трещиноватых горных пород от пори­ стых сред с точки зрения их анизотропности заключается в том, что распределение параметров трещиноватости в горных породах носит не хаотичный, а закономерный характер. Хаотичное распре­ деление фильтрационных каналов пористых сред является част­ ным случаем для трещиноватых горных пород. Это положение подтверждается многими геолого-промысловыми и промыслово­ геофизическими данными. Так, по данным первоначальных деби­ тов ряда месторождений Башкирии была выявлена четкая анизот­ ропия продуктивных горизонтов и доказана обусловленность ее характером трещиноватости горных пород. Наличие в последних особых направлений, вдоль которых электрическое сопротивление принимает экстремальные значения, установлено изучением зако­ номерностей распределения кажущихся удельных электрических сопротивлений в трещиноватых горных породах. Такие направле­

90

ния были найдены из анализа карт изоом [59]; они оказались тесно связанными с простираниями основных систем трещин.

Достаточно широко известны также данные об избирательной интерференции буровых скважин. Такие примеры, когда скважи­ ны, отстоящие друг от друга на расстояния в многие сотни мет­ ров, оказываются гидродинамически связанными, а другие — близко расположенные ведут себя как независимые друг от друга, можно объяснить только анизотропией продуктивного пласта-кол­ лектора. Методы решения задач о фильтрации в анизотропных трещиноватых средах достаточно подробно рассмотрены в работе

[209].

Значительный интерес представляет оценка параметров искус­ ственной трещиноватости. Многие исследователи [184 и др.] отме­ чают, что в процессе гидроразрыва горная порода растрескивает­ ся по уже существующим системам микротрещин. Это представле­ ние, очевидно, наиболее близко к действительности. Отсюда мож­ но заключить, что геометрия систем трещин, возникшая в резуль­ тате гидроразрыва, должна в общем случае совпадать с моделью трещиноватой породы, отвечающей реальным условиям. Исследо­ ваниями установлено, что наблюдаемый рост продуктивности пласта после гидроразрыва обусловлен совокупностью естествен­ ной и искусственной трещиноватости, составляющих единую дре­ нажную систему. Диапазон величин раскрытия трещин при этом заключается в пределах от десятков микрон до 0,2 мм. Однако поскольку диаметр зерен песка, закачиваемого в пласт-коллектор, обычно превышает 0,5 мм, следует признать, что увеличение про­ дуктивности последнего обусловлено не столько возрастанием раскрытия трещин, сколько увеличением величины радиуса зоны искусственной трещиноватости.

Большой интерес представляют вопросы фильтрации в дефор­ мируемых средах (пористых и трещиноватых). Эти вопросы особо важны при разработке залежей нефти и газа. Здесь речь идет об исследовании явлений сжимаемости в трещиноватых горных поро­ дах, тесно связанном с изучением структуры порового простран­ ства последних. Результаты исследований показали, что между процессами фильтрации в пористых средах при их деформации и соответствующими процессами в трещиноватых средах существует аналогия. Указанная аналогия обосновывалась допущением щеле­ видного характера поровых пустот [93].

Для изучения анизотропии трещиноватых сред может быть привлечен метод сейсморазведки и сейсмокаротажа [143], по­ скольку анизотропия горной породы относительно ее упругих свойств обусловлена трещиноватостью. В общем случае характе­ ристика анизотропии трещиноватой горной породы относительно ее упругих свойств должна быть подобна анизотропии относитель­ но фильтрационных свойств рассматриваемой горной породы.

Возможность определения анизотропии трещиноватых горных пород по данным сейсморазведки (КМПВ) была установлена

91