Проблема изучения карбонатных отложений и их коллекторского потенциала относится к числу важнейших. Открытие крупных и уникальных месторождений нефти и газа в карбонатных толщах различного возраста и генезиса, значительная изменчивость фильтрационно-емкостных свойств, неоднозначность установления эффективных толщин - поставили перед исследователями задачу более достоверной оценки сложных типов коллекторов.
Особенность карбонатных отложений: ранняя литификация, склонность к трещинообразованию, избирательная растворимость - обусловливают разнообразие морфологии и генезиса пустот, развитие широкого спектра типов коллекторов. К числу сложных и недостаточно решенных вопросов относятся трещиноватость и кавернозность пород, которые оказывают решающее влияние на формирование пустотного пространства пород.
Принципиальное отличие применяемой методики при изучении керна карбонатных пород заключается в проведении экспериментов на большом образце кубической формы (грань 5 см).
Метод капиллярного насыщения горных пород люминесцирующими жидкостями был разработан и использован для оценки особенностей строения сложного пустотного пространства карбонатных коллекторов (Багринцева К.И., 1977; 1999). Метод простой, не требует дорогостоящего оборудования, основан на использовании нескольких физических явлений: капиллярное насыщение, эффект сорбции и люминесценция вещества в источнике ультрафиолетового света.
Метод включает ряд операций:
изготовление ориентированного кубика с гранью 5 см;
насыщение под вакуумом образца люминофором, снятие фона с граней кубика;
обработка поверхности граней сорбентом для проявления различных видов открытых пустот, имеющихся в коллекторе;
последовательное фотографирование каждой грани образца и его общего вида в источнике ультрафиолетового света;
определение количественных параметров: ориентировка раскрытости и поверхностная плотность трещин по полученным фотоснимкам.
Особенно важно использование этого метода для качественной и количественной характеристик трещиноватых пород, дифференциации заполненных ("минерализованных") и открытых трещин, выявления кавернозности и оценки значимости каверн и трещин в емкости и проницаемости. Преимущество метода заключается в возможности контрастного выявления открытых зияющих трещин, установлении их морфологии и взаимосообщаемости, определении различного соотношения пор, каверн и трещин в общем объеме пустот.
По своей сущности капиллярная пропитка карбонатных пород жидкостями, состоящими из ОВ, аналогична природному явлению заполнения горных пород УВ. Преимущество метода заключается в том, что насыщающая жидкость, проникая под вакуумом внутрь пустотного пространства, заполняет лишь открытые трещины, каверны и поры и удерживается внутри образца кубической формы под действием молекулярно-поверхностных сил. Емкость различного вида пустот определяется аналогично пористости.
Метод основан на капиллярном проникновении индикаторной жидкости - люминофора - в мельчайшие открытые полости трещин или каверн, сохранении ее внутри образца, а после снятия фона проявлении люминесцирующей жидкости за счет эффекта сорбции. Чем больше суммарный объем внутренних пустот, тем интенсивнее проявляется люминофор под действием сорбента на гранях кубика. Естественно, что движение жидкости происходит по пустотам и трещинам, которые сообщаются с поверхностью. В источнике ультрафиолетового света пустоты светятся ярко-зеленым цветом.
Трещиноватость и пористость выделяются по интенсивности свечения, так как имеется резкий контраст между темным фоном непроницаемых участков породы и нарушенными участками. Карбонатные породы отличаются значительной плотностью матрицы, а поры, каверны или трещины характеризуются очень значительной сложностью строения, извилистостью, поэтому люминесцирующая жидкость хорошо удерживается внутри породы.
Для получения более четкой фотографии необходимо снять поверхностный слой, покрывающий образец, поскольку кубик насыщался люминофором под вакуумом; после удаления внешней пленки с граней образца люминофор за счет эффекта сорбции "вытягивается на поверхность" по зияющим трещинам, проявляются следы всех пустот, которые имеют связь с внутренним объемом.
Наилучший эффект выявления особенностей пустотного пространства получается при использовании нориола-А в смеси с керосином и бензином. Нориол-А отличается высокой концентрацией люминесцирующих веществ и большей чистотой зеленого тона. К достоинствам, благодаря которым именно его применяют для насыщения карбонатных пород, относятся: свечение в ультрафиолетовых лучах зеленым цветом в наиболее чувствительном для глаз спектре; большая яркость, насыщенность тона при освещении ультрафиолетовыми лучами; устойчивость свечения в течение длительного срока; хорошая растворимость в УВ-растворителях.
Удаление поверхностной пленки достигается за счет применения петролейного эфира. Грани кубика при съемке протираются ватным тампоном, сильно смоченным в растворителе. Происходит мгновенное уничтожение поверхностного фона люминофора с грани образца. Предложенный способ снятия поверхностной пленки бензином позволяет получать более четкие контуры трещин и пористых участков на фотографиях, предупреждает резкое вытекание жидкости из крупных трещин.
Образец фотографируется в натуральную величину, обязательно в полной темноте и при наличии сильного источника ультрафиолетового света. Верхняя грань 1 и нижняя 6 перпендикулярны оси керна; грани 2-5 параллельны напластованию.
Основное преимущество метода капиллярной пропитки заключается в возможности дифференциации пустотного пространства: выявляются поры, каверны и открытые трещины, зияющие с поверхности и имеющие внутренний объем пустот, заполненный люминофором. Одновременно на ненасыщенном кубике выделяются минеральные заполненные трещины, которые недоступны для проникновения люминофора, поэтому они после пропитки не светятся. Очень важным моментом является выявление ориентировки и раскрытости трещин (рис. 1, А-Г см. на цветной вкладке).
Сравнение фотографий позволяет выявить особенности строения пустот. Насыщенные участки зеленого цвета соответствуют открытым трещинам, порам и кавернам. Фотоснимки шести граней кубика дают более полное представление об изменчивости структуры пустотного пространства, позволяют более достоверно оценить тип коллектора, выявить наличие зияющих и заполненных трещин, характер их взаимосвязи, морфологию и протяженность трещин, а также преобладающее развитие фильтрации. Для каждого образца определяется ориентированная газопроницаемость по трем направлениям. На приведенных фотоснимках видна резкая анизотропия проницаемости по всем трем направлениям, она меняется на 1-2 порядка в зависимости от ориентировки фильтрующих трещин (таблица).
Выявление морфологии трещин и определение количественных параметров
Обработка полученных фотоснимков позволяет определить по каждой грани число вертикальных и горизонтальных трещин, замерить курвиметром их общую длину, рассчитать поверхностную плотность трещин и определить среднюю раскрытость трещин. По фотографиям описываются морфология и сообщаемость пустот, наличие трещин.
Раскрытость зияющих трещин измеряется по большему числу точек, поскольку вдоль трещин она меняется весьма значительно за счет выщелачивания. К числу важных характеристик трещиноватости относятся ориентировка трещин, морфология и протяженность, так как именно эти параметры обусловливают фильтрационные свойства пород. Очень важно оценивать взаимосвязь трещин между собой. При развитии системы взаимосвязанных трещин проницаемость по всем трем направлениям одного порядка и сравнительно высокая - тысячные доли квадратных микрометров. Емкость трещин в этих породах 1,9-2,2 %, а при наличии каверн > 3,0-4,5 % (рис. 2 см. на цветной вкладке).
Одним из основных параметров, который во многом определяет емкость трещин и проницаемость, является раскрытость открытых трещин. Относительную характеристику ширины раскрытия трещин можно получить визуально на фотоснимках по ширине светящихся полос. Наиболее широкие полосы соответствуют трещинам наибольшей раскрытости. Выявление трещин, участвующих в фильтрации, подтверждается определением проницаемости в этом направлении. Резкая анизотропия фильтрационных свойств отмечена в доломитизированном известняке Ардалинского нефтяного месторождения (см. рис. 1, Б, В на цветной вкладке) и Астраханского газоконденсатного (рис. 3 см. на цветной вкладке).
Истинная ширина трещин измеряется по каждой грани непосредственно на гранях кубика при помощи бинокулярной лупы. Накопленный опыт позволяет считать более правильным измерение раскрытости трещин проводить непосредственно по кубику под бинокулярной лупой. Определение раскрытости трещин производится до насыщения кубика люминофором либо после экстракции люминофора. Замеры ширины трещин проводятся на каждой грани так же, как в шлифе. Около каждой трещины наносится ее раскрытость. Раскрытость трещин, не измеренных под бинокулярной лупой, мы условно принимаем равной 5 мкм. Затем на фотоснимках выделяются трещины, участвующие в фильтрации. Это подтверждается замером проницаемости в трех направлениях. Подсчитывается средняя раскрытость трещин и определяется преобладающее направление фильтрации. Вычисляется также среднее значение раскрытости с учетом всех трещин, выявленных в образце.
Выявление вторичных пустот выщелачивания
В создании вторичной пустотности главную роль играют интенсивность растворения отдельных форменных компонентов и преобладание выноса растворенного материала. При изучении вторичной пустотности необходимо дифференцировать образование каверн по генезису, поскольку они оказывают различное влияние на формирование емкости и проницаемости. Необходимо выделять два принципиально различных типа кавернозности: "вновь образованная" и "унаследованная".
"Вновь образованная" кавернозность развивается в плотных низкопористых породах за счет движения растворов по трещинам и существенного расширения полостей трещин до крупных пустот. Это четко видно в каверново-трещинном типе коллекторов месторождения Северное Хоседаю (рис. 4 см. на цветной вкладке). Абсолютные значения ширины трещин изменяются в широких пределах - от 5 до 500 мкм за счет развития каверн вдоль полостей трещин.
"Унаследованная" кавернозность развивается в пористо-проницаемых породах, в которых происходят выщелачивание и растворение по первичным седиментационным порам. Этот процесс приводит к увеличению радиусов поровых каналов и обеспечивает их хорошую взаимосообщаемость. Как правило, это высокоемкие породы с высокой проницаемостью, т.е. коллекторы I-II класса (рис. 5 см. на цветной вкладке). Эти два типа каверн имеют существенно различное значение для оценки коллекторов и подсчета запасов.
Высокие значения раскрытости присущи трещиноватым породам, полости которых расширены выщелачиванием. Одна и та же трещина часто имеет различную раскрытость вдоль длины. Она может изменяться без учета расширений выщелачивания по длине трещины почти в 2 раза: от 16 до 40 и от 80 до 160 мкм. На участках интенсивного выщелачивания раскрытость трещин достигает нескольких миллиметров и сопровождается развитием пористых зон.
"Вновь образованная" кавернозность характеризуется развитием пористых зон, которые плохо сообщаются между собой. В таких породах остаются лишь следы трещин (кавернозность пород Королевского нефтяного месторождения, Прикаспий).
Таким образом, использование метода капиллярной пропитки пород люминофором позволяет установить:
соотношение пустот различного вида, а именно долевое содержание пор, каверн и трещин, т.е. оценить сложный тип коллектора;
развитие трещин, определяющих направление фильтрации - горизонтальных (см. рис. 1, А на цветной вкладке) или наклонных;
развитие взаимопересекающихся трещин различной ориентировки определяет изотропность проницаемости пород (см. рис. 2 на цветной вкладке);
морфологию и генезис пустот - развитие каверн вдоль полостей трещин, т.е. наличие "вновь образованной" кавернозности и обоснование дополнительной емкости (см. рис. 4 на цветной вкладке);
преобладающее развитие каверн, хорошо сообщающихся между собой. Они обеспечивают высокие емкость и проницаемость, т.е. развитие "унаследованной" кавернозности (см. рис. 5 на цветной вкладке);
сложный тип коллектора, где одновременно развиты пустоты различного вида;
характеристику изменчивости трещин с глубиной, различную интенсивность развития трещиноватости и обосновать закономерности изменения трещиноватости пород в природном резервуаре.
Закономерности изменения трещиноватости в коллекторах поровых и сложных типов в природных резервуарах
Полученная информация о характере трещиноватости и кавернозности карбонатных пород переносится на литолого-геофизический разрез скважин, что позволяет выявить основные закономерности изменения этих параметров в нефтегазонасыщенных пластах.
В качестве примера обработки результатов комплексного изучения карбонатных отложений можно привести нефтегазоконденсатное месторождение Карачаганак. Это месторождение приурочено к крупному рифовому массиву субширотного простирания. Современная амплитуда поднятия в сводовой части по кровле подсолевых отложений достигает 1600 м. Над сводом мощность соленосных отложений уменьшается до 60 м. Продуктивная толща подсолевого комплекса вскрыта большим числом скважин на глубине от 3750 до 5500 м. Нефтегазоконденсатная залежь приурочена к палеозойским отложениям.
Продуктивные отложения палеозоя сильно изменены постседиментационными процессами, направленность и интенсивность проявления которых обусловлены литогенетическими типами пород, погружением на глубину. Каменноугольные отложения карбона по сравнению с пермскими более перекристаллизованы и доломитизированы вплоть до полного уничтожения первичной структуры. Значительное проявление процессов растворения и выщелачивания привело к формированию крупных пористо-кавернозных зон мощностью от 10 до 20 м.
Обобщение результатов комплексного изучения керна продуктивных отложений показано на примере скв. 10 и 16 (рис. 6 см. на цветной вкладке), которые вскрыли различные фациальные зоны. На разрезах скважин приведены данные литологического состава, постседиментационных изменений, выделены типы пустот - "вновь образованная" и "унаследованная" кавернозность, а также параметры трещиноватости. Приведены значения пористости и проницаемости в скв. 10 и 16 в интервалах глубин 3900-4260 и 4650-4950 м соответственно. Автором статьи принята методика совмещения значений пористости и проницаемости по граничному значению (6 % и 0,1 Ч 10-3 мкм2 соответственно), что позволяет дифференцировать разрез продуктивных отложений и выделить интервалы распространения поровых и сложных типов коллекторов.
На этот же разрез наносятся значения поверхностной плотности, раскрытости и ориентировки трещин. Изменчивость оценочных параметров и трещиноватости приведены в таблице. Установлено, что трещины присутствуют как в сложных, так и пористо-проницаемых разностях карбонатных пород. В скв. 10 выделяется мощная 150-м толща плотных низкоемких пород с интенсивным развитием трещин различной морфологии. При изучении месторождения Карачаганак важно было обосновать, что трещины обеспечивают сообщаемость пластов и массивное строение залежи.
В скв. 16 в продуктивных отложениях карбона вскрыты типичные рифовые фации, в разрезе преобладают высокоемкие и высокопроницаемые породы. Трещиноватость в скв. 16 развита столь же повсеместно, но в известняках преобладают извилистые вертикальной ориентировки трещины с раскрытостью более 20 мкм. Эта трещиноватость была выделена нами под термином "биогермная". Сравнение скв. 10 и 16 позволило сделать вывод, что трещины сохраняются на глубине более 4500 м даже в типично пористо-проницаемых разностях известняков. Исследования показали необходимость учета влияния интенсивной трещиноватости в типично рифогенных отложениях, где развит преимущественно поровый тип коллекторов.
Трещиноватость каменноугольных карбонатных отложений месторождения Карачаганак столь же высока, как пермских: ориентировка и раскрытость трещин сохраняются на глубине свыше 5 км, характерен рост числа вертикальных трещин. Следует подчеркнуть, что пористо-проницаемые разности в скв. 16 отличаются высокой интенсивностью развития трещин. Несмотря на значительную изменчивость геометрии трещин по отдельным образцам, выявляется общая тенденция их ориентировки, раскрытости и густоты в выделенных интервалах продуктивных отложений. Закономерного уменьшения раскрытости трещин с глубиной не наблюдается. Мы считаем, что фактор гравитационного уплотнения в карбонатных толщах не играет решающей роли. Диапазон раскрытости трещин составляет 10-60 мкм, единичные значения достигают 140 мкм и более в разностях, подвергшихся выщелачиванию. Поверхностная плотность трещин варьирует от 0,5 до 3,5 см/см2. Емкость трещин по отдельным образцам изменяется от 0,5 до 2,8 % за счет образования каверн вдоль трещин и достигает 5,7 % и более. Поскольку трещины присутствуют в разностях, обладающих различным значением пористости с одновременным развитием пор, каверн и трещин, то вклад емкости собственно трещин в суммарный объем различен. В плотных породах емкость создается только трещинами, матрица содержит поры радиусом < 0,1 мкм. Среднее значение емкости трещин по скважинам составляет: скв. 10 - 1,8; скв. 2 - 1,2; скв. 4 - 1,1; скв. 5 - 0,8, а средняя по всем скважинам - 1,2 %.
В разрезе продуктивных отложений месторождения Карачаганак интенсивно развита генетически связанная с трещинами кавернозность, которая увеличивает емкостные характеристики пород. Относительно высокая пористость отдельных низкопроницаемых разностей (5,5-7,0 %) обусловлена емкостью пустот расширения, образовавшихся вдоль трещин. Интервалы пород, содержащие вновь образованную кавернозность, показаны на разрезе скв. 10 и 16 (см. рис. 6 на цветной вкладке).
Мощность интервалов, сложенных преимущественно плотными низкоемкими породами, в разрезах скв. 4, 5, 10 варьирует от 100 до 300 м, они представлены коллекторами каверново-трещинного и трещинного типов. Эти карбонатные породы не являются локальным флюидоупором. Их особенностью служит повсеместное развитие разноориентированной трещиноватости, которая и определяет анизотропию проницаемости. За счет снижения интенсивности развитых трещин фильтрационные свойства образцов изменяются по направлениям на 1-2 порядка.
К последнему этапу использования полученных материалов относится составление моделей природных резервуаров с выделением поровых и сложных типов коллекторов по нескольким скважинам и оценкой изменения трещиноватости с глубиной. Следует подчеркнуть, что детальность оценки трещиноватости продуктивных отложений в большой степени зависит от выхода керна и задач, поставленных при разведке месторождения.
Размещение поровых и сложных типов коллекторов месторождения Карачаганак проведено на основании интерпретации геологических и промыслово-геофизических материалов. Изменчивость количественных параметров: поверхностной плотности, морфологии и ориентировки трещин, полученых по фотоснимкам образцов, насыщенных люминофором. Размещение коллекторов имеет пятнистый, "линзовидный" характер.
Принципиальная модель размещения коллекторов различных типов (рис. 7 см. на цветной вкладке) отражает неоднородное соотношение пористо-проницаемых и плотных пластов в скважинах, вскрывших различные фациальные зоны рифового массива. Пространственное размещение коллекторов имеет сложный линзовидный характер и вызвано влиянием седиментационного облика пород, несмотря на существенные вторичные изменения. Сохранение признаков первично благоприятной структуры наблюдается в породах даже на глубине 5 км и более. К числу главных факторов, определяющих формирование высокоемких коллекторов на месторождении Карачаганак и сохранение их при погружении, можно отнести рифогенную природу отложений, интенсивное унаследованное выщелачивание и значительное развитие трещиноватости, обеспечивающей возможность движения УВ-флюидов в резервуаре.
Следует подчеркнуть, что трещиноватость в карбонатных отложениях развита повсеместно, но она неоднозначно проявляется в породах различного генезиса, значительно усложняет строение пустотного пространства пород и влияет на сообщаемость пластов в резервуаре. По мере погружения резко возрастает число секущих вертикальных и горизонтальных трещин. Число извилистых и расщепляющихся уменьшается, снижается значение поверхностной плотности трещин.
В настоящее время при исследовании керна весьма незначительное внимание уделяется изучению трещиноватости, кавернозности и оценки их роли в общем объеме УВ. К сожалению, в ряде регионов изучение карбонатных отложений проводится на маленьком образце цилиндрической формы, что не позволяет выявить трещиноватость пород, а тем более оценить роль трещин при оценке сложных типов коллекторов.
В заключение следует подчеркнуть, что трещины определяют не только фильтрационные свойства и сообщаемость пластов между собой, но и их наличие очень сильно влияет на выбор рациональной разработки месторождений.
Источник: Геология нефти и газа № 5/2007
Автор: К.И.Багринцева (ВНИГНИ), Г.В.Чилингар (Южно-Калифорнийский университет)
