Харченко С.И. (ООО КогалымНИПИнефть)

При разработке нефтяных месторождений значительное количество нефти (до 60-80%) остается неизвлеченным. Распределение в поровом пространстве углеводородных флюидов и воды и характер их фильтрации во многом зависят от петрофизических свойств пород. Коллекторские свойства имеют сложные взаимосвязи с литологическими особенностями пород. Одни параметры способствуют улучшению коллекторских свойств, другие – их ухудшению.

Для изучения зависимостей фильтрационно-емкостных свойств от структурно-вещественных параметров пород пласта Ю₁ Восточно-Придорожного месторождения было исследовано 142 образца комплексом методов (петрографические шлифы, гранулометрический, рентгеноструктурный анализы и др.).

Восточно-Придорожное месторождение тектонически приурочено к южной части Ярсомовского прогиба Сургутского НГР. Пласт Ю₁ на этом месторождении представлен коллекторами преимущественно порового типа, песчаниками мелкозернистыми, реже средне-мелкозернистыми, пологоволнисто-слоистыми за счет редких присыпок углисто-слюдистого материала и растительного детрита. Они характеризуются низкими фильтрационно-емкостными свойствами. Их пористость изменяется в диапазоне 12-18.6%, проницаемость 1.02-67.7·10-3мкм², объемная плотность 2.14-2.34 г/см³, остаточная водонасыщенность 25.41-70.95%. По вещественному составу коллекторы пласта преимущественно граувакково-аркозовые (по классификации Шутова). Некоторые, особенно слюдистые разности, относятся к кварцево-полевошпатовым грауваккам. Содержание кварца в породах изменяется в пределах 29-45%, полевых шпатов 33-47%, обломков горных пород 15-26%, слюд 1-12%. Хорошо развиты процессы регенерации кварца (от 1 до 18%, в среднем 6-10%). Пелитизация полевых шпатов слабая и незначительная (до 12%). Цемент преимущественно поровый, реже пленочно-поровый, кварцево-реге нерационный. Пленки сплошные и прерывистые, толщиной до 0.01 мм, по составу лейкоксеново-хлоритовые. Поровый цемент глинистый, преимущественно каолинитовый, в меньшей степени карбонатно-глинистый.

Основной фактор, определяющий пористость и проницаемость терригенных коллекторов, – это размерность зерен породообразующих минералов.

По определению пористость породы отвечает пространству породы, свободному от твердой минеральной фазы, т.е. теоретически размер зерен не должен влиять на пористость. Для пористости пород принципиальное значение имеет степень сортировки обломочных частиц. Следовательно, между распределением зерен по размеру и пористостью не существует прямой связи. Различные по гранулометрическому составу породы могут обладать одинаковой пористостью [1]. Коэффициент пористости связан с удельной поверхностью породы. Чем меньше удельная поверхность, тем больше коэффициент пористости. Крупнозернистые породы имеют относительно небольшую удельную поверхность и, следовательно, больший коэффициент пористости (рис.1). Уравнение регрессии имеет линейный вид с коэффициентом корреляции 0.52.

Рис.1. Связь открытой пористости и медианного диаметра зерен

На коэффициент проницаемости обломочных пород влияют: гранулометрический состав пород, сортировка, форма зерен и упаковка.

В песчаниках устанавливается сравнительно тесная прямая связь между проницаемостью и гранулометрическим составом (рис.2). Коэффициент корреляции R² равен 0.65.

Рис.2. Связь проницаемости с медианным диаметром зерен

На коллекторских свойствах отражается также состав и содержание цементирующего материала. Количество глинистого цемента зависит от размеров обломочных зерен, их отсортированности и постседиментационных преобразований и изменяется в изученных породах от 2.2 до 17.4%. На рис.3 приведен график зависимости проницаемости от содержания глинистого цемента в породе. Связь выражается уравнением логарифмического вида с коэффициентом корреляции, равным – 0.61.

Рис.3. Зависимость проницаемости от содержания пелитовой фракции

Более тесная зависимость прослеживается при изучении связи проницаемости с карбонатным цементом (рис.4). Она также имеет логарифмический вид. Коэффициент корреляции равен 0.65. Из графика хорошо видно, что наиболее высокие значения проницаемости (>1×10^-3 мкм²) коллекторы имеют при содержании карбонатного материала от 5-7 до 10%. При увеличении количества карбонатов в породах свыше 20-25% порода перестает быть коллектором, и дальнейшее увеличение карбонатности уже практически не сказывается на ухудшении фильтрационных свойств.

Рис.4. Зависимость проницаемости от карбонатности

Большое влияние на проницаемость оказывает состав глинистых минералов. В изученных коллекторах количество каолинита в цементе колеблется от 72 до 99%, хлорита от 1 до 11%, гидрослюды от 1 до 16%. Основная закономерность высокопроницаемых коллекторов — преобладание в составе глинистого цемента эпигенетического порового каолинита. С понижением проницаемости коллекторов количество каолинита падает, а других минералов (гидрослюды, хлорита) увеличивается. Эпигенетический каолинит имеет низкие сорбционные свойства по отношению к воде (3-5 мг-экв на 100 г вещества), крупные (до 10 мк и более) размеры, четкие, гладкие, кристаллизационные грани частиц, беспорядочно расположенных в поровом пространстве коллекторов (рис.5). Частицы каолинита и их агрегаты по существу играют роль мелкоалевритовых зерен. Каолинит оказывает наименьшее влияние на снижение проницаемости (рис.6).

Рис.5. Глинистый цемент

Рис.6. Связь между проницаемостью и составом глинистых минералов (по данным рентгеноструктурного анализа)

Процесс хлоритизации приводит к формированию крупных (до 5мк), хорошо окристаллизованных частиц аутигенного хлорита (сорбционная емкость 10-40 мг-экв на 100 г вещества) в поровом пространстве за счет трансформации сорбционно-емкостных и набухающих монтмориллонитовых и смешанослойных образований, что способствует увеличению объема и сообщаемости порового пространства [3]. В исследованных образцах содержание такого хлорита составляет около 1%. С другой стороны, образуясь в виде пленок и крустификационных оторочек на песчано-алевритовых зернах (рис.5,9), он суживает сечение поровых каналов и резко снижает их проницаемость для флюидов. В образцах хлорит преобладает в виде крустификационной разности, он обволакивает каждое зерно тонкой, прерывистой или сплошной каймой толщиной до 0.01 мм. На рис.6 представлена зависимость проницаемости от относительного количества хлорита в глинистом цементе. Коэффициент корреляции – 0.66, в пласте Ю1 содержание хлорита выше в низкопроницаемых коллекторах.

Отрицательно влияет на проницаемость высокое содержание гидрослюды в глинистом цементе (рис.6). Мелкие размеры (0.2-0.4 мк) и пластинчатая форма частиц способствуют формированию упорядоченного по строению, низкопроницаемого типа цемента, что отражается на тесной связи с проницаемостью (R² = 0.70). Наблюдается четкая связь медианного диаметра с составом глинистого цемента (рис.7).

Рис.7. Связь медианного диаметра зерен и состава глинистых минералов (по данным рентгеноструктурного анализа)

С увеличением медианного диаметра зерен увеличивается и поровое пространство коллектора, а значит повышается и вероятность вторичных изменений в порах. Эпигенетический каолинит образуется двумя путями: синтетическим из растворов и преобразованием глинистых минералов; связь содержания зерен прямая, тесная. Коэффициент корреляции равен 0.79. В то же время с уменьшением медианного диаметра количество хлорита и гидрослюды в цементе коллекторов увеличивается. Это связано с понижением порового пространства, а следовательно, и проницаемости. Отсюда степень химического воздействия пластовых вод снижается, аутигенные преобразования замедляются, а исходные глинистые минералы в цементе отличаются большей сохранностью [3]. Коэффициенты корреляции равны – 0.58 для хлорита и – 0.64 для гидрослюды (рис.7). Кроме того, на медианном размере зерен значительно сказываются эпигенетические процессы в породе (рис.8).

Рис.8. Эпигенетические изменения в породах

Рис.9. Влияние эпигенетических процессов на медианный диаметр зерен

На рис.9 показана степень влияния регенерации кварца на медианный диаметр зерен. Уравнение регрессии имеет линейный вид. Коэффициент корреляции высокий (R²=0.90). При растворении в песчано-алевритовых породах минеральных обломков на стыках и при их разложении освобождается кремнезем, который, претерпев те или иные процессы перераспределения, частично отлагается на обломочных зернах в виде новообразованных регенерационных каемок, что способствует увеличению диаметра.

Обломки ПШ одновременно с растворением на межзерновых контактах подвергаются в зоне эпигенеза дальнейшей пелитизации и каолинитизации. При более интенсивной пелитизации полевые шпаты легко деформируются и, выжимаясь в поровое пространство, переходят в цемент. Такая перестройка первоначального строения обломочного скелета может сопровождаться значительными осложнениями структуры межзернового пустотного пространства и уменьшением объема пор, что в конечном итоге влияет на проницаемость [1] (рис.8).

Все это при прочих равных условиях (гранулометрический спектр, минеральный состав скелетной части, количество глинистого цемента и т.д.) предполагает наличие связи между содержанием сильно измененных шпатов в породах и объемной плотностью. Увеличение сильно пелитизированных ПШ должно вести к уменьшению объемной плотности коллектора. Такие исследования возможны лишь на объектах с широким диапазоном величины сильно измененных ПШ при незначительном содержании глинистого цемента. В исследуемых нами образцах содержание сильно пелитизированных ПШ невелико и не превышает 5%, а количество глинистого цемента достигает 2.2-17.4%. Поэтому корреляционная зависимость практически отсутствует (коэффициент корреляции равен –0.18) (рис.9).

Рис.10. Связь пелитизации полевых шпатов с объемной плотностью

Рис.11. Связь медианного диаметра с остаточной водонасыщенностью

Сильно глинизированные составные части скелета пород коллекторов, главным образом полевые шпаты, так же как и глинистый цемент, повышают их влагоемкость. Это связано с резким увеличением толщины слоя связанной воды вокруг глинизированных зерен. Заслуживает внимания изучение влияния на остаточную воду самих сильно измененных полевых шпатов. Кроме того, в изучаемом пласте хорошо развит пленочный хлоритовый цемент. Пленочный хлорит образует на обломочных зернах каемки прерывистые или сплошные, толщиной 0.01 мм и менее. Чешуйки хлорита располагаются базальной плоскостью перпендикулярно поверхности обломочных зерен, тем самым резко увеличивая их удельную поверхность. В свою очередь, такое его распределение обусловливает большую чувствительность удельной поверхности пород-коллекторов к изменению размера зерен. Именно поэтому уменьшение их диаметра влечет за собой увеличение содержания остаточной воды (рис.10) [2]. В изученных нами коллекторах содержание остаточной воды варьирует от 29.9 до 70.95%.

Степень нефтенасыщенности определяется гидрофильностью или гидрофобностью породы. В минералогическом отношении гидрофильность породы обусловлена степенью развитости процессов пелитизации полевых шпатов (1-12%), гидратации биотита (1-4%), наличия на зернах лейкоксеновых и хлоритовых пленок, преобладания в глинистом цементе гидрослюдистых (1-44%) и хлоритовых (1-53%) минералов. Гидрофобность породы определяется наличием регенерированных зерен кварца (1-18%), хорошо раскристаллизованного каолинита (24-99%) и растительного детрита (до 3%). Чем более гидрофобна порода, тем она должна быть более нефтенасыщенной. И наоборот, чем гидрофильнее порода, тем она более водонасыщенная.

Выводы

1. Между открытой пористостью и медианным диаметром зерен существует положительная корреляционная связь, но не прямая, а опосредованная через удельную поверхность породы. Чем более крупнозернистыми породами сложен коллектор, тем меньше удельная поверхность пород и выше коэффициент пористости.
2. Более тесная положительная связь наблюдается между проницаемостью и медианным размером зерен с коэффициентом корреляции, равным 0.65. Более близкая связь (с R²~0.8 и выше) наблюдается для интервала проницаемости 0.8-12×10^-3 мкм², ухудшается для проницаемости больше 12×10^-3 мкм² и практи чески отсутствует для проницаемости ниже 0.8×10^-3 мкм². Коллекторы пласта Ю₁ представлены преимущественно песчаниками мелкозернистыми более или менее однородными по гранулометрическому составу. Низкие фильтрационные свойства их обусловлены повышенным содержанием карбонатно-глинистого или глинистого цемента.
3. Каолинит меньше влияет на снижение проницаемости по сравнению с другими глинистыми минералами. Состав глинистых минералов необходимо учитывать и при подборе минерализации закачиваемой в пласт воды.
4. Содержание остаточной воды в коллекторах пласта Ю₁ определяется постседиментационными изменениями пород; регенерация кварца способствует уменьшению, в то время как пелитизация и гидратация зерен — увеличению остаточной водонасыщенности.

Литература

1. Сахибгареев Р.С. Вторичные изменения коллекторов в процессе формирования и разрушения нефтяных залежей.- Л.: Недра.- Ленинградское отделение.- 1989.
2. Ушатинский И.Н., Зарипов О.Г. Минералогические и геохимические показатели нефтегазоносности мезозойских отложений Западно-Сибирской плиты.// Труды ЗапСибНИГНИ.- Вып. 96. — Свердловск: Средне-Уральское книжное изд-во.- 1978.
3. Ушатинский И.Н., Зарипов О.Г. Постседиментационные изменения минералогии и фильтрационных свойств коллекторов нефти и газа Западной Сибири.// Труды Зап-СибНИГНИ.- Вып. 35.- Тюмень.- 1970.