В настоящее время традиционные запасы углеводородов истощаются во всем мире, в связи с чем все больший интерес представляют нетрадиционные ресурсы. В России самым крупным нетрадиционным резервуаром нефти является баженовская свита, расположенная в Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. Залежи нефти в отложениях этой свиты рассматриваются как один из самых важных объектов для восполнения ресурсной базы углеводородов в России [1, 2].
Главной особенностью баженовской свиты является сложное геологическое строение, связанное с высокой степенью неоднородности как вещественного состава самой толщи, так и коллекторов в ней [3]. Многообразие литотипов пород приводит к формированию сложной структуры порового пространства (пористость редко превышает 5 %), определение объема которого является актуальной научной и экономической задачей для оценки ресурсов нефти баженовской свиты.
Применение стандартных общепринятых методик определения пористости пород баженовской свиты согласно ГОСТ 26450.1-85 [4] некорректно из-за мелкозернистой текстуры, ультранизкой проницаемости и высокого содержания органического вещества. Для оценки пористости сланцевых коллекторов (аналогов баженовской свиты) в мире широко применяются методы: ядерно-магнитного резонанса [5], ртутной капиллярной порометрии [6], насыщения деионизированной водой [7] и метод Gas Research Institute (GRI) [8–10]. Несмотря на то, что метод GRI на текущий момент является общепринятым методом для оценки петрофизических свойств сланцевых формаций, наиболее обсуждаемыми и спорными вопросами остаются размер частиц и степень дробления керна [7, 10, 11].
Целью данной работы являлась разработка методики определения открытой пористости ультранизкопроницаемых пород баженовской свиты на дезинтегрированном керне.
Материалы и методы исследования
Характеристика образцов
Лабораторные эксперименты проводились на образцах керна баженовской свиты одного из месторождений Томской области. Исследуемые образцы были представлены кремнисто-глинистыми, глинисто-кремнистыми и карбонатными породами, характеризующимися разными значениями проницаемости. Для определения открытой пористости были отобраны навески дробленого керна массой от 10 до 60 г разной фракции 0,5 – 1 мм (оптимальная согласно методу GRI [9]), 1–2 мм, 2–5 мм и 5–10 мм.
Все дезинтегрированные образцы керна баженовской свиты подвергались экстракции спирто-бензольной смесью в аппарате Сокслета в течение 3–5 дней. Экстракцию прекращали после того, как растворитель становился прозрачным, а общее содержание органического вещества, измеренное с помощью пиролизатора Rock-Eval в контрольных образцах, уменьшалось до установленного порогового значения. Затем образцы сушились в вакуумном термошкафу при температуре 70 °С до постоянного веса.
Метод исследования и оборудование
Открытая пористость, объемная и минералогическая плотность определялась газоволюметрическим методом на дезинтегрированных образцах керна в рабочей камере пермеаметра SMP-200 (рис. 1), разработанного компанией Core Lab Reservoir Optimization.
В основе работы прибора лежит закон Бойля, по которому происходит калибровка референтного и «мертвого» объема с помощью калибровочных дисков (рис. 1). Объемная (ρоб) и минералогическая (ρмин) плотность рассчитывается по падению давления, обусловленному проникновением газа в межзерновое пространство и микропоры отдельных частиц соответственно.
Рис. 1. Техническая схема пермеаметра SMP-200
Второй метод позволяет определять открытую пористость дезинтегрированных образцов керна модифицированным методом жидкостенасыщения. Основное отличие предложенной методики от стандарта [4] заключается в расчете объема пустотного пространства раздробленного керна, используя разность масс сухого образца, погруженного в насыщающую жидкость и насыщенного образца, погруженного в насыщающую жидкость. Модификация метода обусловлена некорректным определением веса насыщенного дезинтегрированного керна в воздухе, так как остается жидкость насыщения между отдельными частицами.
Вычисление объемной и минеральной плотности ультранизконизкопроницаемых пород модифицированным методом жидкостенасыщения осуществляется согласно (1):
где Р1 – вес сухого образца в воздухе («сухой вес»), г; Р2 – вес сухого образца, погруженного в рабочую жидкость, г; Р3 – вес насыщенного образца, погруженного в рабочую жидкость, г; ρж – плотность рабочей жидкости, г/см3. В качестве рабочей жидкости применялся керосин и слабоминерализованная вода (минерализация 10 г/л NaCl в дистиллированной воде).
Экспериментально установлено, что время необходимое для измерения веса P2 составляет около 10–15 с. Минимизация времени взвешивания позволяет избежать насыщения навески рабочей жидкостью при погружении. Также требуется тщательное перемешивание частиц образца в рабочей жидкости для удаления воздуха из межгранулярного пространства.
Результаты исследования и их обсуждение
Апробация предложенных методов определения открытой пористости на песчаниках
Чтобы убедиться, что метод измельчения образцов горных пород обеспечивает достоверное определение открытой пористости, а предложенные методики дают корректные результаты, были проведены эксперименты на традиционных песчаных коллекторах. Для этого 2 образца цилиндра с одинаковыми значениями петрофизических свойств, определенных стандартными методами, были измельчены и просеяны на ситах для исследования влияния размера фракции и массы навески на значения объемной и минералогической плотности. В работе для каждой фракции было проведено по два эксперимента и рассчитано среднее значение. В табл. 1 представлены результаты определения петрофизических свойств на дезинтегрированном керне модифицированным методом жидкостенасыщения, на рис. 2 – газоволюметрическим методом.
Рис. 2. Влияние массы навески и размера фракции дезинтегрированного песчаника на значения минералогической плотности. Сплошная линия – среднее значение плотности, полученное для 3 фракций; пунктирные линии – границы изменения значений плотности, определяемые среднеквадратичным отклонением внутрилабораторной прецизионности
Определение объемной плотности высокопроницаемых песчаников модифицированным методом жидкостенасыщения на раздробленном керне некорректно из-за быстрого проникновения минерализованной воды в крупные поры песчаника, поэтому предложенный метод может применяться только для определения объемной плотности низко и ультранизкопроницаемых пород.
Определение минералогической плотности газоволюметрическим методом для всех фракций песчаников показывает хорошую воспроизводимость результатов ρмин = 2,663 ± 0,005 г/см3 (рис. 2). Среднеквадратичное отклонение (СКО) повторяемости определения минералогической плотности составляет ± 0,001 г/см3 (размер фракции частиц 2–5 мм, масса 30 грамм). Оптимальные массы навесок керна для определения минералогической плотности составляют 25–50 грамм. Также стоит отметить, что среднее значение минералогической плотности, полученное газоволюметрическим методом, практически полностью совпадает с модифицированным методом жидкостенасыщения (разница 0,001 г/см3) и сходится со значением, полученным на цилиндрических образцах (разница 0,005 г/см3).
Определение открытой пористости на дезинтегрированных образцах баженовской свиты
Статистические данные минералогической плотности, полученные газоволюметрическим методом для разных фракций при изменении массы навесок образца представлены на рис. 3. Результаты определения объемной плотности имеют схожую картину. В работе для каждой массы навески определенной фракции было проведено по два эксперимента и рассчитано среднее значение искомых параметров. Стоит отметить, что время между двумя последовательными экспериментами с одной и той же фракцией должно быть не меньше продолжительности эксперимента, так как необходимо определенное время для дегазации образца.
Таблица 1
Определение объемной, минералогической плотности и открытой пористости песчаников на цилиндрических образцах и дезинтегрированном керне
|
№ образца |
Объемная плотность, г/см3 |
Минералогическая плотность, г/см3 |
Открытая пористость, % |
|||
|
Геометрический метод |
Метод жидкостенасыщения |
Газово-люметрический метод |
Метод жидкостенасыщения |
Газово-люметрический метод |
Метод жидкостенасыщения |
|
|
1 |
2,130 |
2,472 ± 0,009* |
2,668 |
2,662 ± 0,005* |
20,16 |
7,14 ± 0,18* |
|
2 |
2,163 |
2,669 |
18,96 |
|||
Примечание. * Определение средних значений петрофизических свойств песчаников на дезинтегрированном керне (фракции 2–5 и 5–10 мм).
а) б) в)
Рис. 3. Статистические данные минералогической плотности образцов керна разного литологического состава при изменении массы навески: а) кремнисто-глинистая порода (образец 15891); б) глинисто-кремнистая порода (образец 15837); в) карбонатная порода (образец 26GRI)
а) б)
Рис. 4. Значения объемной и минералогической плотности образцов керна разного литологического состава в зависимости от размера фракции и типа насыщающего флюида: а) образец 15837; б) образец 15891
Рис. 3 демонстрирует стабильные значения минералогической плотности ультранизкопроницаемых образцов при изменении массы навески от 25 до 45 г и высокую воспроизводимость результатов определения газоволюметрическим методом для разных фракций (СКО внутрилабораторной прецизионности не превышает 0,005 г/см3).
Сравнение результатов определения объемной и минералогической плотности, полученных газоволюметрическим методом и модифицированным методом жидкостенасыщения на исследуемых ультранизкопроницаемых образцах керна баженовской свиты представлено на рис. 4. На графике указаны средние значения объемной и минералогической плотности, полученные для разных фракций.
Из рис. 4 видно, что объемная плотность образцов, определенная газоволюметрическим методом, уменьшается при увеличении размера фракции. Этот эффект объясняется увеличением удельной поверхности образца при уменьшении размера частиц, в результате чего газ быстрее попадает во все открытые поры на поверхности. Объемная плотность, определенная модифицированным методом жидкостенасыщения водой на 0,02 г/см3 меньше, чем по керосину, для всех исследуемых фракций в связи с гидрофобностью большинства горных пород баженовской свиты. Стабильные значения объемной плотности модифицированным методом насыщения водой получены для фракций 2–5 мм и 5–10 мм (разница менее 0,006 г/см3).
Минералогическая плотность образцов, определенная газоволюметрическим методом и модифицированным методом жидкостенасыщения керосином, имеет близкие значения для всех фракций частиц (разница не более 0,009 г/см3) кроме фракции 5–10 мм (рис. 4, а и б). Минералогическая плотность, полученная насыщением водой, меньше чем керосином, что также объясняется гидрофобностью образцов баженовской свиты.
Результаты определения объемной, минералогической плотности и открытой пористости исследуемых образцов баженовской свиты на дезинтегрированном керне предложенными методами представлены в табл. 2.
Таблица 2
Определение объемной, минералогической плотности и открытой пористости исследуемых образцов баженовской свиты на дезинтегрированном керне
|
Номер образца |
Объемная плотность, г/см3 (модифицированный метод жидкостенасыщения) |
Минералогическая плотность, г/см3 (газоволюметрический метод) |
Открытая пористость, % |
|
15891 |
2,622 ± 0,008 |
2,714 ± 0,006 |
3,41 |
|
15837 |
2,379 ± 0,004 |
2,531 ± 0,004 |
6,00 |
|
26GRI |
2,785 ± 0,008 |
2,814 ± 0,005 |
1,01 |
Выводы
Для достоверного определения открытой пористости ультранизкопроницаемых пород баженовской свиты на дезинтегрированном керне необходимо:
– Объемную плотность образцов определять модифицированным методом насыщения слабоминерализованной водой. Масса навески 20–25 грамм, размер фракции 2–5 мм или 5–10 мм.
– Минералогическую плотность определять газоволюметрическим методом. Масса навески 25–50 грамм, размер фракции 0,5–1 мм, 1–2 мм и 2–5 мм. Необходимо учитывать, что увеличение размера фракции приводит к увеличению продолжительности эксперимента в несколько раз.
Данные методические рекомендации могут быть использованы для исследования ультранизкопроницаемых горных пород, приуроченных к другим нетрадиционным резервуарам нефти типа доманиковых отложений и т.д.