petrophysics2004

К о м п о н е н т н у ю н е о д н о р о д н о с т ь породы характеризу­ ют составом твердой, жидкой и газообразной фаз. Ее можно проил­

люстрировать на следующих примерах: доломитизированный изве­

стняк имеет в составе твердой фазы два минераладоломит и каль­ цит; нефтеводоносный коллектор содержит в составе жидкой фазы нефть и свободную воду.

Примерамитекстур ной н е однородно с т и являютсяраз­ новидности глинистого песчаника, содержащие глинистый матери­

ал, распределенный по объему в виде прослоев, чередующихся с про­

слоями песчаника, линзачек или гнездовидных включений.

Масштабынеоднородностей зависятот их генезиса, иобразуютраз­

личные уровни неоднородности. Рассмотрим эти уровни в порядке их

возрастания в соответствии с изучаемыми составляющими породы.

Составпые части породы и их при.мерпые размеры, .м1С.м

При экспериментальном изучении горной породы необходимо учитывать одновременно разрешающую способность используемо­ го для изучения физического или физико-химического метода, раз­

меры исследуемого образца породы и масштабы его неоднороднос­

ти на разных уровнях. При изучении породы в лаборатории обычно имеют дело с образцами размером примерно от 1 см (кусочки шла­ ма) до 10 см (образцы правильной формыцилиндры, прямоуголь­ ные параллелепипеды). Размеры объектов, выделяемых в разрезах скважин геофизиками и изучаемых с помощью полученных петро­ физических связей и критериев, составляют от нескольких санти­ метров до нескольких единиц и десятков метров. Это необходимо учитывать при получении и использовании петрафизических свя­ зей типа кернкерн и геофизикакерн (см. разд. 13).

Различные физические методы изучения породы в лаборатории и соответствующие им геофизические методы изучения пород в ус­

ловиях естественного залегания исследуют и отражают разные

уровни неоднородности исследуемых геологических объектов. Так,

ядерные методы, например нейтронно-активационный анализ, «ра­

ботают» на ядерном уровне и соответственно дают информацию о

наличии и количественном содержании того или иного элемента.

Определив элементный состав породы комплексом ядерных мето­ дов, при благоприятных условиях можно приближенно оценить ми­

неральный состав скелета породы и молекулярный состав жидкой

и газообразной фаз в порах. Электрические и электромагнитные методы «работают» на уровне зерен минерального скелета и пор,

10

nоэтому изучаемые ими физические nараметры дают информацию, nрежде всего, о соотношениях объемов твердой фазы и флюидов в nороде, а также о соотношениях объемов nолярных и неnолярных или nроводящих и неnроводящих фаз в емкостном nространстве nороды. Электрохимические и отчасти электромагнитные методы (в оnределенном диаnазоне частот) nозволяют nолучить информацию

о nрисутствии и содержании в nороде nограничных слоев с аномаль­

ными свойствами, что nозволяет судить о стеnени дисnерсности

твердой фазы, наnример, nри изучении диффузионно-адсорбцион­

ной активности осадочных пород, или о стеnени дисnерсности вклю­ чений с электронной проводимостью в массиве породы диэлектри­

ка (nолиметаллические руды).

Изучение фильтрацианно-емкостных nараметров nороды в соче­

тании с изучением ее акустических, электрических и электрохими­

ческих nараметров nозволяет, находясь на уровне пор и скелетных

зерен, уделить основное внимание исследованию геометрии пор и

минерального скелета nороды.

Уровни неоднородности более высокогопорядка исследуют обыч­ но комплексом геофизических методов в разреЗах скважин или, если они не выходят за пределы 1 мм-1 см, на крупных образцах nра­ вильной формы также комnлексом физических и физико-химичес­ ких методов в лаборатории.

Важными характеристикаминеоднородности породы являются степень дисперсности твердой фазы и соответствующая ей nоверх­ ность раздела твердой и жидкой и газообразной фаз, которые рас­

смотрены ниже.

2.2. глинистость

Фильтрацианно-емкостные свойства, водаудерживающая способ­ ность, многие другие физические свойства терригеиных коллекторов, изучаемые методами rис (удельное электрическое соnротивление,

диэлектрическая проницаемость, естественная и вызванная поляри­

зация, естественная радиоактивность, уnругие nараметры, нейтрон­

ные свойства и т.д.) зависят, в nервую очередь, от содержаний в по­ роде глинистых минералов, их состава, свойств (табл. 1) и морфоло­ гии расnределения в объеме породы.

При отсутствии или незначительном содержании в коллекторе карбонатного, силикатного и железистого цемента, что характерно для большей части терригеиных разрезов, содержание глинистого материала является решающим фактором nри разделении nород на

коллекторы и неколлекторы, а коллекторов - на пласты с различ­

ными фильтрацианно-емкостными свойствами.

Глинистые минералы по своим физическим свойствам резко от­ личаются от минералов скелетной матрицы. С изменением содержа­

ния глинистого материала закономерно изменяются nористость, nро­

ницаемость, остаточная флюидонасыщенность. Содержание в поро­

де глинистого материала является одним из основных факторов,

определяющих сnособность породы быть промышленным коллекто-

11

Т а б n и ц а 1. Свойства rлив раЗJiичвоrо минерапоrичсскоrо состава

'без учета межпакетной воды.

ром, и одновременно существенно влияет на петрафизические связи,

лежащие в основе интерпретации данных ГИС.

Для характеристики содержания глинистого материала исполь­

зуют параметры массовой Сrя• объемной krя и относительной ТJrя гли­

нистости, которые рассчитывают по величине массового содержания

в породе высокодисперсного глинистого материала (размер частиц dз< 0,01 мм), состоящего преимущественно из глинистых минералов.

Объективной характеристикой присутствия в породе глинистых

и других высокодисперсных минералов являются параметры, харак­

теризующие полную поверхность породы, отнесенную к единице

объема породы (полная удельная поверхность); к единице массытвер­ дой фазы породы (адсорбционная поверхность минерального скеле­ та); к единице объема пор (величина, пропорциональная присутствию

в породе обменных катионов). Параметры, характеризующие пере-

12

численные виды поверхностей, рассчитаны на основе эмпирического

определения адсорбционной способности породы с помощью различ­ ных агентов -воды, азота, инертных газов, обменных катионов, по­

лучая изотермы адсорбции нейтральных молекул (воды, газа) или

выполняя катионный обмен определенного катиона (например cu+2)

на природвый комплекс обменных катионов породы.

В карбонатном разрезе основными факторами, формирующими породу-коллектор, и определяющими ее фильтрацианно-емкостные

и другие свойства являются вторичные процессы, связанные с тек­ тоническими перемещениямиучастков фундамента иосадочного чех­

ла, ведущие к образованию системы трещин, и процессы выщелачи­ вания карбонатного скелета с образованием емкостей выщелачива­

ния от небольших каверн до мегакарста. Трещины формируют пути фильтрации и, следовательно, -фильтрационные свойства, а емко­ сти выщелачиванияемкостные свойства коллектора.

В формировании карбонатных коллекторов роль глинистого ма­

териала и его свойств менее значительна, чем в терригенных, хотя

относительное содержание глинистого материала Т'lно оказывает оп­

ределенное влияние на возникновение емкостей выщелачивания: чем

больше величина Т'lно• тем меньше вероятность протекания процессов

выщелачивания и возникновения вторичных пустот. В то же время,

карбонатные породы с высоким относительным содержанием НО спо­

собны быть надежным литологическим экраном нефтяной или газо­

вой залежи при отсутствии в ней вертикальных и субвертикальных

трещин.

В карбонатном разрезе глинистые минералы ассоциируются с не­ растворимым остатком (НО) и некоторым аналогом параметров гли­

нистости в терригеином разрезе являются соответствующие парамет­

ры, характеризующие содержание НО.

Наиболее сложными объектами являются коллекторы, приуро­

ченные к вуJIКаноrенамэффузивным, метаморфическим породам,

а также к породам вулканагенно-осадочного происхождения. Фильт­

рационно-емкостные и другие параметры этих коллекторов форми­ руются, в первую очередь, за счет вторичных процессов (тектоrенез и выщелачивание), в ходе которых, прежде всего в результате вы­ щелачивания происходит не только образование эффективной емко­ сти (трещины, пустоты выщелачивания), но и существенное иреоб­ разование минерального состава твердой фазы с появлением компо­ нент, обладающих высокой адсорбционной, в частности, водаудерживающей способностьюцеолиты, глинистые минералы.

Гранулометрическая глинистость c.JI осадочных горных пород

характеризуется содержанием в минеральном скелете породы час­

тиц с эффективным диаметром менее 10 мкм. Величина Сrп устанав­

ливается по данным гранулометрического анализа и рассчитывает­

ся по формуле

13

где Сrлмассовая глинистость в долях единицы; mтвмасса сухой

навески анализируемого порошка-твердой фазы минерального ске­

лета породы; m<0,01- масса фракции с dзФ< 10 мкм. Достоверность определения Сгл зависит от технологии выполнения

стандартного гранулометрического анализа в лабораториях петрогра­

фии и физики пласта: исследуемый образец экстрагируют в аппарате Сокслета, далее его размельчают, иревращая в порошок, и обрабаты­ вают 5-10 %-ным раствором соляной кислоты, после чего отмывают

полученный порошок в дистиллированной воде, высушивают в термо­

стате при температуре 105 ·с и приступают к гранулометрическому

анализу. Отметим по крайней мере два существенных недостатка ме­ тодики, обусловливающих погрешность в определении Сгл·

1.Размельчение (истирание) образца не гарантирует переход в

порошок всех частиц с d3Ф< 10 мкм, поскольку часть их находится в

зернах полевых шпатов и других минералов, частично преобразован­

ных и содержащих в себе частицы с dзФ< 10 мкм.

2.Обработка изучаемого объекта концентрированным раствором HCl необратимо изменяет первоначальную массу образца, его мине­

ральный и гранулометрический составы, поскольку растворяются не

только карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния, но и ряд сме­

шапослойных глинистых минералов - лептохлориты, гидроксиды

железа и алюминия и другие высокодисперсные компоненты мине­

рального скелета породы, которые, не будучи растворены НС1, ока­ зались бы при гранулометрическом анализе во фракции с dзФ< 10 мкм.

Указанные недостатки стандартной методики определения Сrл

могут вносить существенные погрешности.

В петрафизической и геофизической практике используют пара­ метры ГЛИНИСТОСТИ, ПрОИЗВОДНЫе ОТ маССОВОЙ ГЛИНИСТОСТИ Crn -

объемную kгп и относительную Тlrn глинистость.

При равенстве плотности скелетных зерен породы и глинистой

фракции (Sск=Sгп> коз ф ф иц иен т объемной гл и н и с тост и

где kпкоэффициент общей пористости.

ЕслиSск*Sгп•

Параметр kгп характеризует долю объема породы, занимаемую

глинистым материалом; его удобнее использовать при построении

различных моделей породы и для сопоставления с геофизическими

параметрами.

Коэффициент от но с и тельной глинисто с т и, или

просто относительная глинистость, Тlrn характеризует степень запол­

нения глинистым материалом пространства между скелетными зер­

нами:

(2.4)

14

С Тlrn тесно связан коэффициент диффузионно-адсорбционной ак­ тивности Ада.

В породе-коллекторе глинистый материал присутствует в виде

агрегатовскоплений глинистого цемента, занимающих обособлен­

ные объемы с присущей им внутренней пористостью kn.rn· Объемное

содержание в породе таких агрегатов характеризуется коэффици­ ентом агрегатной глинистости

Очевидно, что всегда k.п.arp> k.n• посколькуko.rn> О. Знаяko, k.n• kш-п•

можно оценить предельное значение коэффициента эффективной

пористости kи.эф.предглинистого коллектора:

Рассмотренные параметры характеризуют так называемую р а с­

с е я н н у ю г л и н и с т о с т ь породы, равномерно распределенную в

объеме и характернуюдля достаточно однородных песчаников и алев­ ролитов преимущественно кварцевого состава. В полимиктовых пес­

чаниках и алевролитах часть глинистого материала содержится в ча­

стично или полностью преобразованных зернах полевых шпатов и об­ ломков других пород. Характерно, что если глинистый цемент,

контактный или типа заполнения пор, расположенный между скелет­

ными зернами кварцевых и полимиктовых песчаников и алевролитов,

приводит к снижению их эффективной пористости и проницаемости,

глинистый материал преобразованных зерен и обломков пород мало влияет на фильтрацианно-емкостные свойства коллектора.

Наряду с рассеянной различают слоистую глинистость, характе­

ризующую содержание в породе прослоев глинистого материала, че­

редующихся с прослоями коллектора. С л о и с т у ю г л и н и с т о с т ь

характеризуют параметром Xrn• выражающим долю толщины слоис­

той породы, приходящуюся на прослои глины.

В общем случае, если коэффициенты пористости песчано-алев­

ритовых и глинистых прослоев неодинаковы (ko.n~ko.rn>• параметры

Если kn.rn=ko.n=k0 , используя соотношения (2.4) и (2.7), петрудно

показать, что Xrn=Crn• если бск=бrп·

В карбонатных породах собственно глинистость не определяется.

Для них находят содержание перастворимого остатка Сн.о• характе­

ризующее весовую долю минерального скелета, остающуюся после

обработки породы 5-1 О %-ным раствором HCl. Величину Сн.о можно лишь условно рассматривать как Crn• поскольку значительная, не­ редко большая часть перастворимого остатка (НО) представлена

кремнеземом. Так же, как при гранулометрическом анализе терри­

геиных пород, благодаря воздействию HCl из анализируемой навес­ ки карбонатной породы уходят в раствор и выпадают из дальнейше-

15

го анализа лептохлоритьх, гидроксиды железа и алюминия. В лите­

ратуре параметр Сн.о и производные от него kн.о=Сн.0(1 - k0 ) и'У'\н.о=kн.of

(kн.о+~) передко используют в качестве аналогов Сгл• kгл• 'У'\гл приме­

нительно к карбонатным породам.

Тонкодисперсная составляющая осадочной породы с размером ча­

стиц менее 10 мкм имеет сложный минеральный составкроме гли­

нистых минералов она может содержать кварц, опал, халцедон, био­

тит, мусковит, лимонит, перидотит, роговую обманку, титаномагнетит,

пирит. Однако основной составляющей этой фракции являются обыч­

но глинистые минералы, что и позволяет, хотя и с определенной ого­

воркой, называть эту фракцию глинистым компонентом породы.

К глинистым минералам относят минералы алюмосиликатного со­ става, образующие группы гидрослюд, каолинита, монтмориллонита. Воснове строенияэтихминералов лежиткристаллическаярешетка, об­

разованная алюмосиликатными тетраэдрами, включающая также ато­

мы кислорода, гидроксильные группы, катионы натрия, калия, магния,

кальция и т.д. Частицы (мицеллы) глинистых минералов характеризу­

ются размерами от нескольких миллимикрон до нескольких микрон.

Благодаря высокой дисперсности частиц глинистых минералов в оса­ дочных породах они обладают огромной адсорбционной поверхностью,

способной удерживать полярные молекулы воды и обменные катионы. Все глинистые минералы благодаря высокой дисперсности и на­

личию обменных центров обладают высокой способностью сорбиро-

16

тость и проницаемость. С ростом глинистости фильтрационно-емко­

стные свойства коллектора обычно ухудшаются.

2. Огромная поверхность глинистых частиц обусловливает связь содержания в породе физически связанной воды с глинистостью и

увеличение коэффициента остаточного водонасыщения: с одновре­ менным снижением коэффициента эффективной пористости с рос­

том глинистости. Образование пленок адсорбированной воды с ано­

мальными физическими свойствами, занимающих значительную долю объема глинистой породы, ведет к возникновению аномальных физических и физико-химических свойств глинистых пород, кото­

рые необходимо учитывать при анализе материалов ГИС.

3. Содержание и минеральный состав глинистого материала -

главные факторы, определяющие способность породы играть рольли­

тологического экрана нефтяной или газовой залежи.

В петрофизике нефтегазовых коллекторов информация о глини­

стости изучаемых объектов необходима для решения следующих

вопросов: а) выбора петрофизических уравнений и их констант,

адекватных изучаемому объекту, геологической интерпретации ре­

зультатов ГИС на стадиях подсчета запасов и проектирования: раз­ работки месторождений нефти и газа; б) прогноза поведения кол­ лекторов нефти и газа в прискважинной зоне при вскрытии разре­

за бурением на пресном РВО; в) проrноза динамики продуктивности

коллекторов нефти и газа при заводнении их пресной водой, зака­

чиваемой в нагнетательные скважины в процессе эксплуатации.

Для: эффективного учета влияния глинистости породы-коллекто­

ра на значения подсчетных параметров и параметров, используемых

при проектировании и анализе разработки, для правильного выбора

петрофизических уравнений и констант, входящих в эти уравнения,

18

необходимы сведения о глинистости в виде величины Сrл• получае­ мой при стандартном гранулометрическом анализе. Специалисту в

области интерпретации результатов ГИС и физики нефтяного и га­ зового пластов требуются следующие сведения о содержании в по­ роде, составе и свойствах высокодисперсных компонентов скелета

породы, в частности, глинистого материала.

1.Полная адсорбционная поверхность ненарушениого образца по­

роды, установленная одним из способов, рассмотренных ниже.

2.ДолИ поверхности, приходящиеся на зерна скелетной фракции

(dЭФ> 1О мкм) и цементдля полимиктовых песчаников и алевролитов,

ивулканогеиио-обломочиых пород.

3.Объемные содержания в породе глинистых минералов и других

высокодисперсных компонентов, растворяемых при подготовке об­

разца к анализу раствором соляной кислоты.

4. Состав глинистых минералов в анализируемом образце; распре­ деление их в цементе, обломках пород и преобразов~ииых скелетных зернах полимиктовых песчаников, алевролитов и вулкаиогенно-об­ ломочиых пород. Состав и доля глинистых материалов во фракции

< 10 мкм терригеиных и в верастворимом остатке карбонатных по­

род.

5. Доли глинистого материала, характеризующегося рассеянной и

слоистой глинистостью, в микрослоистом образце, представленном

чередованием тонких прослоев коллектора и глины.

1.3. УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ. ЕМКОСТЬ КАТИОННОГО О&МЕНА

Под удельной поверхностью пористой среды понимают полную

поверхность твердых частиц, образующих твердую фазу этой сре­

ды, или полную поверхность поровых каналов среды, отнесенную к

единице массы твердой фазы или к единице объема пористой среды. В инженерной геологии, петрографии, почвоведении удельную

поверхность Sтв относят к единице массы твердой фазы и выражают

вм2/г. В петрофизикепринято относитьудельную поверхность к еди­

нице объема породы, выражая ее в м-1 или см-1• Для перехода от зна­

чения sтв в м2/г к значению sn и м-1 пользуются формулой

Удельную поверхность 8 0 можно определять на неиарушеином об­ разце, Sтвна порошке, приготовленном путем размельчения мине­

рального скелета образца без нарушения его первоиачальиой диспер­ сности. В каждом случае исследуемый объект отмывают отминераль­ ных солей и органических примесей и высушивают при температуре

140 ·с. Определение удельной поверхности основано на результатах

адсорбции молекул иейтрального вещества, не вступающего в хими­ ческую реакцию с веществом адсорбента. Величину Sтв рассчитыва­

ют по формуле

19