Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Преимущественное влияние структуры порового пространства на поведение относительных фазовых проницаемостей было выявлено в результате многочисленных экспериментальных исследований в области многофазной фильтрации [1, 2]. Аспекты влияния литологических параметров на фильтрационно-емкостные и петрофизические свойства пород рассмотрены в работах таких исследователей, как R. Weibel [3], K. Bjørlykke [4], L. Liu [5] и др. Установлено, что сложная поровая структура является решающим фактором, оказывающим воздействие на особенности фильтрации флюида в пластах-коллекторах, и создает определенные сложности при разведке и разработке месторождений [6]. Однако подробное изучение строения порового пространства продуктивных песчаников с акцентом на литологию открывает возможности для построения максимально точных геологических моделей многопластовых залежей углеводородов. Для разработки методики прогнозирования проницаемости терригенных коллекторов с учетом структурно-вещественных параметров пород авторами был использован керновый материал и петрографические шлифы по Лодочному нефтегазоконденсатному месторождению. Административно объект расположен на территории Туруханского района Красноярского края и входит в состав Ванкорской группы месторождений Пур-Тазовской нефтеносной области. В орографическом отношении изучаемая территория приурочена к центральной части Нижне-Енисейской возвышенности Западно-Сибирской низменности. С тектонической точки зрения Нижне-Енисейская возвышенность является отражением в рельефе положительных линейных тектонических структур мезозойско-кайнозойского платформенного чехла – Сузунского и Лодочного валов, осложняющих Большехетскую структурную террасу. В геологическом строении изучаемой территории принимают участие метаморфические образования архейско-среднепротерозойского возраста, осадочные образования палеозойского и мезозойско-кайнозойского возраста. Разрез мезозойско-кайнозойских отложений изучен по материалам глубокого бурения и представлен отложениями юрско-мелового и четвертичного возраста. Продуктивные пласты месторождения относятся к нижнехетской, малохетской, суходудинской и яковлевской свитам нижнего мела.

Целью исследования являлось определение и численная оценка влияния процессов седиментогенеза и постседиментационного преобразования пород на фильтрационно-емкостные параметры продуктивных песчаников Пур-Тазовской нефтеносной области на примере Лодочного месторождения углеводородов.

Материалы и методы исследования

Исследовались образцы песчаных пород продуктивных пластов нижнехетской и яковлевской свит. Определение фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) проводилось на ста пяти цилиндрических образцах диаметром 30 мм, из торцевой части которых изготавливались прокрашенные синей эпоксидной смолой шлифы.

Коэффициенты открытой пористости и газопроницаемости определялись анализатором пористости и газопроницаемости пород АP-608. Петрографический анализ проводился на поляризационном микроскопе Olympus BX-53 с дальнейшим детальным изучением размерных характеристик пустотного пространства с помощью специализированной программы «Керн С7». Полное петрографическое описание шлифов терригенных пород включало в себя: определение вещественного состава образцов с подсчетом содержания и описания основных породообразующих компонентов, цементов, пустотно-порового пространства; измерение гранулометрических параметров обломочного материала; анализ проявленных постседиментационных изменений в песчаниках.

Результаты исследования и их обсуждение

При петрографическом изучении шлифов, помимо характеристики структурно-вещественного состава пород, устанавливаются также особенности пустотно-порового пространства (характер пористости, форма, распределение, степень сообщаемоcти пор) и особенности проявления цементирующего материала в породе; фиксируется степень уплотнения обломков в породе. Авторы предприняли попытку учесть все вышеперечисленные данные в единой формуле, описывающей математическую модель песчаника, путем подбора коэффициентов для определения степени влияния тех или иных литологических параметров на фильтрационно-емкостные характеристики пород.

Представляется, что в идеальных песчаниках существует зависимость пористости от проницаемости. Однако в реальности к нарушению такой зависимости приводят: непостоянство формы зёрен и их контактов, различная степень уплотнения пород, формирование в поровом пространстве песчаника аутигенных цементов, наличие включений, текстурная неоднородность породы и т.д. В связи с тем, что количество измеряемых литологических параметров, оказывающих влияние на проницаемость, может измеряться десятками, создание единой функции, связывающей их воедино, представляется достаточно сложной задачей (по крайней мере, на данном этапе исследования). Поэтому в работе подбиралась зависимость, построенная с использованием всего лишь нескольких, наиболее весомых на основании практического опыта авторов, литологических параметров, а именно:

- содержаний пяти основных типов цементов по минеральному составу (каолинитовый, иллитовый, хлоритовый, сидеритовый и кальцитовый);

- параметров гранулометрического распределения зёрен (медианный диаметр);

- параметров распределения пор по размерам (использовался тот же подход, что и для гранулометрии).

В условно идеальной модели песчаных формирований без учета цементирующей части и при условии хорошей сортированности материала размер пор будет напрямую зависеть от размера обломков и степени их уплотнения, а проницаемость будет иметь экспоненциальную зависимость от пористости. На рис. 1 на графике зависимости медианного диаметра зерен от проницаемости породы (Кпр) (на примере образцов из скважины № 445 Лодочного месторождения) отмечается, что ряд песчаников не подчиняется экспоненциальному распределению и величина достоверности аппроксимации составляет всего 0,1041.

Для выявления причины такого распределения авторами был проанализирован вещественный состав образцов, выделенных оранжевым цветом. Все указанные образцы представлены известковистыми и известковыми песчаниками с содержанием кальцита выше 12 %. Предположим, что для учета влияния карбонатности на ФЕС возможно подобрать коэффициент, отражающий содержание карбонатов в песчанике, и по аналогии это возможно сделать и для других видов аутигенного цемента.

Чтобы подтвердить выдвинутое предположение, обратимся к графикам зависимости проницаемости песчаника от содержания цементов разного состава (рис. 2). На приведённых графиках видно, что существующие в породе зависимости сложно описать простыми функциями. Это указывает на необходимость создания комплексного коэффициента, способного учитывать сразу ряд параметров:

1) состав цементирующего материала и его количество;

2) размер обломков;

3) степень уплотнения или вторичного разуплотнения породы;

4) размер и форму пор, степень их сообщаемости и однородность распределения;

5) однородность состава породы (текстурно-структурные характеристики).

Для анализа зависимостей вещественный состав песчаников был сопоставлен с данными гранулометрического анализа, а также данными по пористости и проницаемости образцов по гелию. Решение поставленной задачи сводилось к подбору поправочных коэффициентов, таким образом, чтобы максимально приблизить вид графика Кп(Кпр) к экспоненциальному виду. Полученные таким способом значения пористости были названы Кп (лит) (пористость с поправкой на литологию), а для оценки степени приближения зависимости к идеальному (экспоненциальному) виду использовался показатель достоверности аппроксимации R2, рассчитываемый автоматически в MS Excel. Для расчёта пористости с поправкой на литологию использовалась следующая формула:

Кп(лит) = Кп + A*Vкаол + B*Vил +

+ C*Vхл + D*Vкал + E*Vсид + M, (1)

где Кп (лит) – пористость с поправкой на литологию;

Кп – пористость по гелию ( %);

V – содержание соответствующих минералогических типов цемента;

A, B, C, D, E – поправочные коэффициенты для содержаний каолинита, иллита, хлорита, кальцита и сидерита соответственно;

М – коэффициент, отражающий соотношение среднего размера пор к среднему размеру зерен (поправка на степень уплотнения); содержание цементов считалось в % от площади шлифа. Пример содержания цемента в изучаемых породах представлен в таблице.

Физический смысл поправочных литологических коэффициентов состоит в определении объёма порового пространства, который соответствующие типы цементов исключают из процессов фильтрации. Учет влияния литологии на ФЕС путем введения поправочных коэффициентов позволил численно оценить степень влияния структурно-вещественных параметров породы на зависимость ее пористости от проницаемости.

На рис. 3 и 4 приведено сравнение графиков с данными образцов до введения поправочных коэффициентов и после. В результате исследования установлено, что в песчаниках верхнеяковлевской подсвиты, наибольшее влияние на ФЕС оказали каолинит и гидрослюда (иллит) (рис. 3, А). Это вполне закономерно, поскольку для изученных пород характерна активная каолинизация, связанная с процессами растворения зерен полевых шпатов. Иллит с литологической точки зрения связан с процессами образования гидрослюдистых минералов в результате гидратации биотита, которым наиболее сильно обогащены неоднородные по своей текстуре разности изученных верхнеяковлевских песчаников. Формула для расчета пористости с поправкой на литологию в песчаных породах верхнеяковлевской подсвиты имеет вид

Кп(лит) = Кп – 0,60*Каол – 2,30*Ил –

– 0,20*Хл + 0,23*Кал – 0,10*Сид + 0*М. (2)

Здесь и далее: Кп (лит) – пористость с поправкой на литологию, Кп – пористость по гелию в %; содержание цементов в % от площади шлифа, Каол – каолинит, Ил – иллит (гидрослюда), Хл – хлорит, Кал – кальцит, Сид – сидерит, М – медианный диаметр зерен по данным гранулометрии, мм.

В песчаных породах нижнеяковлевской свиты наибольшее влияние на ФЕС оказали каолинит и хлорит (рис. 3, Б). Каолинизация здесь также связана с активным растворением полевых шпатов, а хлоритизация – с наличием прослоев, обогащенных чешуйками хлоритизированного биотита. С учетом петрографического изучения пород в шлифах, для песчаных пород нижнеяковлевской подсвиты формула имеет вид

Кп(лит) = Кп – 0,35*Каол – 0,10*Ил –

– 0,30*Хл + 0,10*Кал – 0,10*Сид + 0*М. (3)

Исходя из того, какую крупную поправку в данные вносит медианный диаметр зерен (рис. 4, А), в песчаных породах нижнехетской свиты наибольшее влияние на зависимость Кпр от Кп оказала размерность обломков и степень их сортированности. Связано это, прежде всего, с фациальными условиями. Песчаники пласта Нх-I, сформированные в условиях гребней вдольбереговых валов, отличаются наилучшей степенью сортированности и крупным размером зерен, на рис. 4, А, они отмечены красным. Наибольшую поправку из цементов внесли каолинит и хлорит, в то время как карбонаты и иллит (гидрослюда) не оказали заметного влияния.

Кп(лит) = Кп – 1,20*Каол – 0*Ил –

– 0,15*Хл + 0*Кал – 0*Сид + 25*М. (4)

Из цементов максимальное воздействие на изменение ФЕС в песчаниках пласта Hx-III-IV нижнехетской свиты внесли каолинит, хлорит и сидерит, чуть менее заметное – иллит (гидрослюда) и кальцит.

А Б

Рис. 3. Графики зависимости пористости от проницаемости для образцов из отложений яковлевской свиты без учёта поправки на литологию и с учётом поправки

А Б

Рис. 4. Графики зависимости проницаемости от пористости для образцов из пластов Hx-I (А) и Hx-III-IV (Б) нижнехетской свиты без учёта поправки на литологию и с её учётом

Сидерит в изученных образцах отмечен в тонких сильно сидеритизированных глинистых прослоях со следами биотурбации осадка. Пелитоморфный сидерит активно развивался в песчаниках, обогащенных глинистым материалом, первым из карбонатов оседал в породе и активно формировал стяжения и микроконкреции, которые впоследствии привели к снижению проницаемости пород.

В песчаных породах пласта Нx-III-IV нижнехетской свиты незначительное положительное влияние на зависимость Кп от Кпр оказали невысокие содержания (до 10 %) кальцита – выступающие маркером вторичного растворения карбонатов. Исходя из значений медианного диаметра зерен существует разграничение образцов, связанное с фациальными условиями формирования песчаников. Наибольшую поправку из цементов внесли каолинит и хлорит, чуть менее заметную – сидерит. Таким образом, для песчаных пород пласта Нх-III-IV нижнехетской свиты были полученные следующие закономерности (рис. 4, Б):

Кп(лит) = Кп – 0,60*Каол – 0,15*Ил –

– 0,75*Хл + 0,03*Кал – 0,30*Сид + 4*М. (5)

О влиянии размерности зерен можно судить, если сравнить графики распределения гранулометрической размерности для образцов с низкой и высокой проницаемостью представленных на рис. 5. Видно, что распределение, характерное для хорошо сортированных крупно-среднезернистых песчаников гребней вдольбереговых песчаных баров из пласта Нх-I (рис. 5, А) сильно отличается от распределения в плохо сортированных тонко-мелкозернистых песчаниках межбаровых ложбин нижнехетской свиты (рис. 5, Б).

Заключение

Все типы цементов, за исключением невысоких содержаний (до 10 %) фрагментов вторично растворенного кальцита, ожидаемо уменьшают пористость. На данном этапе исследования можно полагать, что цементы либо содержат изолированные микропоры, не участвующие в фильтрации, либо имеют плёночный тип распределения и могут перекрывать сообщение между относительно крупными порами. Первый тип влияния, как показывает петрографическое изучение цементов под микроскопом, типичен для каолинита, второй – для иллита и хлорита. Иллит и хлорит, благодаря плёночному характеру своего распределения, обычно не оказывают существенного влияния на проницаемость, однако в некоторых случаях могут перекрывать сообщение между порами, исключая их из процессов фильтрации. Вероятно, в случае перекрытия иллитом и хлоритом щелевидных пор объём перекрытых межзерновых пор может превышать содержание соответствующего цемента в породе, на что указывают превышающие 1 значения поправочных коэффициентов, наблюдающиеся в некоторых случаях (Каол – Нх-I, Иллит – ВЯк). Аналогичный механизм влияния на проницаемость имеет, по-видимому, и сидерит.

Интересным представляется факт улучшения проницаемости от содержания кальцита, в то время как хорошо известно, что его наличие в породе может только снижать пористость и, соответственно, проницаемость [7, 8]. Данное обстоятельство можно объяснить наличием во многих изученных песчаниках включений кальцита, несущих на себе признаки растворения. Как правило, такой кальцит находится в наиболее тупиковых частях пор или внутри зёрен. Очевидно, что осаждение кальцита, начинающееся из-за изменения pH среды, будет охватывать поры по мере ухудшения их связности. Обратный процесс растворения кальцита будет идти в противоположном направлении, т.е. начинаться в наиболее крупных из оставшихся пор и заканчиваться в наиболее мелких, включая тупиковые и внутризерновые. В связи с вышесказанным обнаружение в песчаниках кальцита в упомянутых местах авторы интерпретируют как результат растворения зон карбонатизации. Существование таких зон – не редкость в нефтяных залежах, они могут образовываться в разных частях залежей по мере миграции ВНК, в том числе с наложением друг на друга и при этом многократно подвергаться растворению за счет изменения pH фильтрующихся через породу флюидов. Образование кальцита в зонах карбонатизации после того, как он занял всё свободное пространство, продолжается за счёт растворения обломочных зёрен, прежде всего кварца и полевого шпата. В случае последующее полного растворения такого кальцита в песчанике возникнет дополнительная пористость, которая может существенно превышать первичную (седиментационную). Реликты кальцита в этом случае будут иметь положительную корреляционную связь с пористостью и проницаемостью.