Икон Е.В., Конюхов В.И., Мороз М.Л. (ГП НАЦ РН им. В.И.Шпильмана)

Среди насущных геологических вопросов выяснения особенностей пространственного размещения коллекторов, их физического состояния немаловажным считается установление закономерностей изменения ёмкостно­фильтрационных свойств (ФЕС) пород по разрезу.

В Западной Сибири изучением поведения ФЕС пород с глубиной их погружения занимались различные исследователи. Познание шло как по пути выяснения общего характера изменения пород, так и изучения влияния тех или иных факторов.

В работе [11] для центральных и северных районов Западно-Сибирской низменности (ЗСН) были построены такие графики. Они подтвердили известную тенденцию снижения пористости Кп и проницаемости Кпр пород по разрезу. Помимо создания общей модели их изменения было обращено внимание на некоторые особенности поведения этих параметров. Так, на приведенных графиках было выделено две зоны: верхняя, до глубины 2300 м, характеризуется развитием коллекторов преимущественно I-III классов по проницаемости, а нижней зоне (>2300 м) свойственны коллекторы IV-V классов (по классификации А.А. Ханина). Ухудшение свойств обусловлено главным образом эпигенетическим уплотнением пород с широким развитием вторичных выпукло­вогнутых межзерновых контактов, количество которых значительно возросло именно с такого переломного момента.

Сходная зональность с разделяющей границей на 2400 м, где с постепенного изменения свойств наблюдается скачок, установлена для отдельных площадей Нижневартовского свода [6].

Изучение влияния фактора глубины на степень изменения ФЕС пород и специфики проявления этого процесса продолжалось другими исследователями, что позволило лучше понять закономерности поведения керновых параметров в различных типах разрезов [1, 2, 5, 7, 10, 12]. Например, для полимиктовых песчаников мелового возраста Самотлорского и Уренгойского месторождений такая характерная граница (ступень) резкого уменьшения Кп, Кпр, а также остаточной водонасыщенности Ков и глинистости видна на приведенных рисунках в работе [1], начиная примерно с глубины 2150 м.

Ступенчатый характер изменения ФЕС, а также плотности σ песчаных пород нижнемелового возраста Новопортовского месторождения и в юрско-меловых отложениях на большей части ЗСН отмечается в работах [2, 10]. Ступени выделяются на уровне 2000, 2500 и 2750 м.

Некоторыми исследователями предпринимались попытки получить взаимосвязи между керновыми параметрами и глубиной для различных литотипов пород [5, 12]. В первой из указанных работ их авторами по результатам таких построений даже сделан вывод о том, что в разрезе Западной Сибири исчезновение гранулярной пористости будет происходить примерно на глубине 5000 м.

Степень изменения пород во многом зависит от процентного соотношения песчаников, алевролитов, глин, а также переменного их вещественного состава обломочного материала и особенностей строения разрезов. По литературным данным известно, что песчаные и глинистые породы в пачках переслаивания уплотняются быстрее по сравнению с песчаниками в мощных песчаных толщах. Кроме того, заметим, что в упоминавшихся работах изучались главным образом крупные месторождения, расположенные на высокоамплитудных поднятиях I и II порядков. В купольных частях поднятий коллекторы, как правило, лучше, чем на погруженных частях. Следовательно, закон их поведения с глубиной и теснота связей будут неодинаковыми. Относительно характера изменения ФЕС пород по мере их погружения для отрицательных тектонических структур I порядка каких­либо сведений мы не нашли.

Поэтому в качестве примера рассмотрим одну из таких структур – Фроловскую мегавпадину, расположенную западнее Сургутского свода.

Цель этого – создать образное модельное представление геологического пространства, отвечающего в первом приближении адекватному и легко воспринимаемому (узнаваемому).

Информация отбиралась по 283 поисково-разведочным скважинам, пробуренным в различных участках данной депрессии и включающей пласты от АС₁ до отложений ачимовской пачки. При статистической обработке учитывались образцы керна, значения открытой пористости, проницаемости которых превышали критические величины коллектор­неколлектор. При исследовании было использовано более 2800 анализов.

Закономерность изменения ёмкостных свойств песчано­алевритовых пород с глубиной Н (м) описывается уравнением (рис.1А)

коэффициент корреляции r равен – 0,57.

Проницаемость с возрастанием глубины меняется согласно выражению (рис.1Б)

Разброс точек на графике, как видим, намного больше, чем для Кп, поскольку Кпр более чувствительна к изменению структуры порового пространства. Подходя к оценке r с позиций технических приложений, можно сказать даже об отсутствии зависимости. Однако, если вспомнить, что на вероятностную связь Н и Кпр наряду с общими факторами влияют неодинаковые для обоих параметров случайные факторы (о чем пойдет речь ниже) и что данная связь носит завуалированный характер, то полученную оценку тесноты рассматриваем низкой, но установленную зависимость для данных условий можно считать вполне приемлемой для последующих геологических рассуждений.

Следует отметить, что для отдельно взятой локальной структуры она будет усиливаться. Так, для Бованенковского месторождения (п­ов Ямал) по данным работы [10] для параметров Кп, Кпр и Ков коэффициент корреляции с глубиной варьирует в пределах 0,61-0,69.

 

Рис. 1. Изменение пористости (А), проницаемости (Б), плотности (В), остаточной водонасыщенности (Г) с глубиной

 

Обычно при установлении закономерностей изменения ФЕС пород с глубиной изучают параметры: Кп и реже Кпр. Однако не менее важно исследовать поведение в пространстве объемной плотности и остаточной водонасыщенности, поскольку они корреляционно связаны с Кп и Кпр. Чем меньше плотность, тем больше емкость и фильтрационная способность породы. Остаточная водонасыщенность дает возможность судить о количественном соотношении в продуктивном горизонте нефти (газа) и воды. В этой связи были построены подобные зависимости для этих параметров (рис.1 В, Г)

Видно, что несмотря на сравнительно невысокую тесноту связей Кпр и Ков, общая картина изменения всех рассмотренных параметров с глубиной не вызывает сомнений. Так, с возрастанием глубины от 1880 до 2970 м пористость уменьшается в среднем на 1,3% через каждые 200 м, проницаемость – в 2,63 раза, объемная плотность увеличивается на 0,04 г/см³ и остаточная водонасыщенность – 5,7%.

Детальное рассмотрение графиков показало ожидаемое наличие глубинной зональности пород и в разрезах Фроловской мегавпадины. Такие «сюрпризы» реальных скачков привлекают внимание и требуют своего осмысления.

Так, пористость коллекторов при сравнительно постепенном ее снижении по разрезу резко уменьшается (на 3% абс.), начиная с глубины 2460 м. Следующая ступень ухудшения приходится на глубину 2660 м, затем 2740 и далее 2820 м. Заметим, что одни и те же уровни скачкообразного изменения Kп наблюдаются и для других параметров (Kпр, σ, Kов). Поскольку они фиксируются не только по пористости, то правомерно говорить о влиянии определенных процессов, механизм которых в общих чертах представляется следующим.

С ростом глубины породы испытывают возрастающее давление залегающих выше отложений и в какой­то момент, достигнув предела упругой деформации, в них происходит значительное сближение зерен, их механическое приспособление друг к другу [3, 9]. Это ведет к увеличению в породе контактирующих между собой зерен и как следствие – развитию выпукло­вогнутых контактов. Специальные исследования в шлифах показали, что для коллекторов неокома и юры Среднего Приобья число таких контактов (в процентах от общего количества контактирующих зерен) составило на глубинах 2000 – 2200 м в среднем 14,5, ниже 2400 – 2500 ~ 37 и 2900 – 3000 м ~ 60%. В результате поровое пространство песчаников постепенно уменьшается и, соответственно, ухудшаются их коллекторские свойства.

Тем самым, на некоторой глубине литификации при достижении определенной «критической массы» происходит резкий скачок, при этом песчаники опять на какую-то долю снизят свои ФЕС по отношению к предыдущему интервалу относительной стабилизации физических свойств до отмеченной глубины, т.е. каждый раз порода приобретает новое качественное состояние.

Итак, наличие определённых зон уплотнения, отмечавшееся различными исследователями по другим районам, подтверждается и во Фроловской мегавпадине. Соответствующие указанным глубинам предельные значения использованных параметров можно рассматривать пороговыми или критическими (табл. 1).

 

Таблица 1. Пороговые величины физических характеристик на уровне ступеней

 

Поведение этих характеристик было исследовано отдельно и по различным стратиграфическим комплексам, в частности, группам пластов АС, БС, Ач. Выяснилось, что отмеченные пороговые глубины по тому или иному параметру весьма хорошо, особенно для групп пластов АС и Ач, согласуются между собой. Это обстоятельство лишний раз свидетельствует о превалирующем влиянии на качество коллекторов, прежде всего, фактора глубины, возраст отложений в данном случае принципиального значения не имеет.

Глубинная зональность видоизмененных микрохарактерных песчано­алевритовых пород с глубиной определенным образом отражается и на взаимосвязях различных физических параметров. С этой целью нами были изучены некоторые такие зависимости (табл.2).

 

Таблица 2. Геолого-математические модели связи коллекторских свойств пород по глубинным зонам

 

Как видим, между приведенными параметрами устанавливаются корреляционные связи, которые несколько усиливаются с глубиной. Наибольшие коэффициенты r (0.49–0.73) характерны для интервала глубин 2660-2820 м. Возрастание тесноты связи может свидетельствовать о неоднократной перестройке структуры емкостного пространства под воздействием геолого­физических факторов, уменьшающихся с погружением пород. При глубинах более 2820 м теснота связи параметров между собой, видимо, ослабевает из-за вступления этих структур в своеобразную фазу сравнительной устойчивости (равновесия), когда влияние некоторых факторов на ФЕС снижено.

Указанные зоны характеризуются различными величинами коллекторских свойств, литолого-петрографическими особенностями и т.д. Это наводит на мысль, что изменение в них тех или иных параметров подчиняется единым для каждого конкретного слоя законам.

Ясно, что представленным конструкциям разрезов требуются пояснения. Ниже этим зонам дается краткое содержательное описание с анализом факторов, в той или иной степени влияющих на качество коллекторов (табл.3).

 

Таблица 3. Литолого-структурные и петрофизические характеристики пород-коллекторов по глубинным зонам

 

Первая зона (1,88 – 2,46 км) в разрезе представлена по Кпр в основном коллекторами IV класса (10 – 100 мД), доля их в общей генеральной выборке составляет 24%. По литологическому составу преобладают песчаники до 39%, значительно меньше алевролитов – 7,7%. Средние значения плотности и карбонатности сравнительно небольшие: 2,13 г/см³ и 1,69%. Отсортированность пород S₀ оценивалась по шлифам (материалы ЦЛ Главтюменьгеологии) исходя из следующей градации: 1 – хорошая, 2 – средняя и 3 – плохая. Оказалось, что средняя S₀составила 1,63 при среднем медианном размере зерен Мd, равном 0,11 мм. Заметим, что гранулометрическая отсортированность является весьма сильным литологическим признаком, образующим структуру порового пространства пород, с одной стороны, и позволяющим вкупе с другими факторами судить о динамике их формирования и расположении источников сноса обломочного материала, с другой стороны.

Наиболее распространенным цементирующим минералом является каолинит (КаО), затем хлорит (Х) и гидрослюда (ГСЛ). Поровый каолинит улучшает ФЕС пород, тогда как хлорит имеет обратное влияние. Для отложений Сургутского свода это показано в работе [4]. Наши исследования согласуются с этими выводами. Так, между содержанием КаО и проницаемостью для шельфовых пластов АС, БС была выявлена положительная зависимость с коэффициентом корреляции 0.4, в то же время с содержанием Х-цемента она оказалась отрицательной (r = -0.33). Тип цементации преимущественно плёночно­поровый (ПлП) и порово-пленочный (ППл). Для порового типа характерно развитие глинистого цемента в промежутках между соприкасающимися зернами породы, остальной объем пространства приходится на пористые участки. При пленочном типе вещество цемента обволакивает обломочные зерна, что ведет к уменьшению сечения фильтрующих канальцев и в результате – к снижению проницаемости. Для подтверждения отмеченного положения были проанализированы ФЕС пород раздельно для образцов с ПлП и ППл типами. Если в первой группе сочетания двух видов цемента основным является поровый, то во второй – пленочный. Средние коллекторские показатели по этим группам оказались следующими: Кп =19,6% (219), Кпр =36мД (184), Ков = 47% (182) и Кп =18,6%(216), Кпр = 26мД (187), Ков =50% (144 определения), соответственно. Как видим, лучшим является ПлП тип цемента. Процессы карбонатизации обломков, сидеритизации слюд и регенерации кварца проявляются незначительно. По наблюдениям в шлифах фиксировалось также наличие пустых пор, т.е. лишенных глинистости, что, вполне понятно, ведет к улучшению ФЕС.

По вещественному составу обломков преобладают эффузивы (Э) и сочетание их с осадочными (О) и кремнистыми (Кр). Оценка их влияния на коллекторские свойства очень сложная. Нами была сделана попытка выяснить, хотя бы в первом приближении, характер таких проявлений. В итоге распределение свойств выглядит следующим образом. Коллекторы, в которых обломки пород представлены главным образом кварцем, средняя проницаемость составила 63 (15), кремнистыми – 55 (9), эффузивами – 33(45) и сланцами – 17мД (15 определений).

Для пористости имеем аналогичную последовательность: 20,5; 19,8; 19,7 и 18,5%, соответственно. Как видим, даже по небольшой выборке напрашивается вывод о том, что улучшенные свойства присущи песчаникам с обломками первых трех видов. Наиболее отрицательное влияние на ФЕС оказывает сланцевая компонента обломочного материала. При возрастании ее доли Кпр породы заметно снижается в сравнении с практически мономинеральным составом обломков.

Нетрудно видеть, что приведённый набор различных параметров (признаков) характеризует данную зону как лучшую по качеству коллекторов. Слагающие ее песчаники связаны с шельфовыми образованиями, прежде всего, пластов группы АС (30), менее – БС (17%).

Вторая зона (2,46-2,66 км) включает песчано­алевритовые породы, которые по многим параметрам заметно отличаются от вышезалегающей первой зоны. По модальным значениям Кпр они относятся уже к четвертому и пятому (1-10 мД) классам. Доля песчаников сократилась (28), а алевролитов увеличилась (8,2%). По своим физическим и литологическим параметрам последние существенно отличаются от песчаников. Анализ показал, что алевролиты характеризуются средними значениями пористости, медианного размера зерен на 1,7% и 0,035 мм меньше и плотности, остаточной водонасыщенности, глинистости и карбонатности на 0,05 г/см³, 15%, 3,5%, и 1,45% соответственно больше, чем в песчаниках. Изменение соотношения количества отмеченных литотипов отразилось на ФЕС пород этой зоны.

Содержание КаО понизилось до 58,4, тогда как Х и ГСЛ возросло (40,6%). Доминирующим типом цемента становится ППл, а в цементе пор наряду с чистым каолинитом существенно возросла его доля в сочетании с карбонатным цементом (14%). Количество карбонатизированных обломков полевых шпатов, сидеритизированных слюд и регенерационного кварца увеличилось вдвое и больше (средние значения 10, 15 и 26%), а пустых пор уменьшилось (9%). Интенсивность проявления эпигенетических процессов, как известно, чаще всего отрицательно сказывается на ФЕС пород.

Претерпел изменения и состав обломков пород. Из них, представленных чисто эффузивами, не наблюдается и в то же время возросла доля сочетания кварцевых и кремнистых, добавилась сланцевая составляющая.

Вышеотмеченное позволяет заключить, что в породах этой зоны произошло новое переформирование порового пространства, обусловившее иную их характеристику. Коллекторы связываются с глубинными шельфовыми образованиями пластов групп АС(12), БС(12) и верхними частями клиноформных тел ачимовского комплекса (13%).

Третья зона имеет толщину 80 м, нижняя граница расположена на глубине 2740 м. Рассматриваемые характеристики залегающих здесь пород также отличаются от предыдущей зоны. Они относятся к собственно V классу коллекторов. Относительная доля песчаников, преимущественно мелкозернистых, снизилась до 7%, еще больше возросли , Крб, So, и уменьшились зернистость породы и количество пустых пор (табл.3).

Наметились различия и в структуре цемента – появление конформно­регенерационно пленочного типа. В таких случаях обломочные зерна обрастают новообразованными каемками, что, вполне понятно, сужает диаметр поровых капилляров. Обращает на себя внимание существенное снижение процесса регенерации кварца (9%) по сравнению с верхней зоной, хотя, казалось бы, с глубиной он должен усиливаться. Объяснение находим в работе [8]. Оказывается, что после достижения некоторого максимума регенерация прекращается и первостепенную роль начинает играть процесс растворения на контактах сближенных зерен под возросшим давлением. По­видимому, по этой причине имеем сокращение карбонатизации обломков полевых шпатов, сидеритизации слюд и др. Коллекторы рассмотренной части разреза представлены главным образом отложениями ачимовского возраста.

Четвертая зона (2,74-2,82 км) отличается дальнейшим уменьшением проницаемости, относительной доли песчаников, увеличением плотности и т.п. В коллекторах эффективное поровое пространство становится еще меньше. Песчаные породы ачимовской пачки тяготеют в основном к средним частям бортов локальных поднятий.

Пятая зона (2,82-2,97 км) характеризуется еще более уплотненными осадками. По Кпр основное их количество приходится на VI класс (<1 мД). Качество коллекторов подтверждают соответствующие литологические и структурные показатели. Породы­коллекторы связываются с песчано­алевритовыми наиболее погруженными телами, накопившимися, прежде всего, у самых подножий палеосклонов.

Наряду с отмеченными характеристиками различных новообразований в целом по разрезу имеют место и другие, по-видимому, меньшего воздействия. Например, процесс хлоритизации и гидратизации слюд проявляется в разбухании (в 2-3 раза) первоначально тонких чешуек биотита и заполнении вновь образованной массы соседних со слюдой поровых объемов. Проведенное нами обобщение по описанию шлифов показало, что если в пластах АС (зоны 1 и 2) доля затронутых этим процессом составляет примерно 52%, то в ачимовских пластах (зоны 3 и 4) он проявился полностью (100%).

Таким образом, из вышеизложенного следует важный вывод: отдельные факторы могут влиять на разные параметры пород столь различно, что в конкретных районах их изменение не только не происходит одинаково, но и с переменной интенсивностью. Ясно, что в той или иной области необходимо выделять рассматриваемые зоны отдельно по комплексу изменения петрофизических свойств пород, поскольку каждое из них может по-своему влиять на размещение нефтегазоносности.

Отметим, что многое из сказанного перекликается с пока еще малочисленными исследованиями и по данным геофизических методов изучения разрезов.

Так, в упоминавшихся работах [1, 10] связи «геофизика­глубина» идентифицируются с конструкцией «керн-глубина», т.е. на тех же характерных уровнях выделяем ступени изменения кажущегося сопротивления по индукционному методу, истинного сопротивления и интервального времени пробега акустических волн. Тем самым, появляется возможность трассирования границ физических параметров, полученных в скважинах, вне скважин.

Можно также постулировать наличие на таких разноглубинных срезах горизонтальных площадок, которые при интерпретации сейсмических модификаций МОГТ, ВСП могут оказаться отражающимися границами. При четкой их латеральной прослеживаемости вполне реально более дробное выделение самостоятельных сейсмогоризонтов. Причем эти отражающие поверхности могут сечь разновозрастные отложения, т.е. не быть одномоментными в геологическом понимании времени, а зависимы в большей степени от процессов уплотнения. Именно плотность пород «правит бал» в сейсморазведке. Если ввести в генеалогических пространствах эти законы ее изменения, то открывается возможность воссоздания геоморфологии и обстановки формирования различных типов перспективных в нефтегазоносном смысле ловушек.

В заключении перечислим наиболее существенные полученные результаты:

Для неокомского разреза Фроловской мегавпадины впервые получены общие зависимости коллекторских и других свойств песчаных пород при их захоронении в недра. Данные модели могут быть использованы при прогнозе ФЕС коллекторов на новых поисковых структурах, уточнении отдельных вопросов геологической интерпретации материалов промысловой и разведочной геофизики.

Выяснено, что в разрезе выделяются глубинные зоны, ограниченные ступенями резкого изменения тех или иных свойств и развитием по простиранию вплоть до регионального распространения. Каждая из зон представляет самостоятельную систему со своим качеством коллекторов, характером взаимосвязей тех или иных параметров.

На конкретном фактическом материале показана роль и приблизительно разделены эффекты от различных компонент среды по этим литолого-физическим системам, т.е. даются некие рамки, в которых возможен учет особенностей взаимодействия геофизических полей и пород.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахияров В.Х. Методика выделения продуктивных коллекторов по каротажу в глинистых полимиктовых отложениях. – Труды ЗапСибНИГНИ, вып. 151, Тюмень, 1980.
2. Гайворонский И.Н., Леоненко Г.Н., Замахаев В.С. Коллекторы нефти и газа Западной Сибири, их вскрытие и опробование. – М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2000.
3. Зарипов О.Г. Влияние эпигенеза на структуру межзернового порового пространства обломочных пород //Литология и коллекторские свойства нефтегазоносных толщ Западной низменности. – №1, ВИЭМС. – 1969.
4. Зарипов О.Г., Матигоров А.А., Гарифуллин Д.Х. Минералогия глинистого цемента мезозойских терригенных коллекторов и некоторые вопросы увеличения нефтеотдачи продуктивных пластов (Широтное Приобье) //Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО/ Материалы 2-й научно-практической конференции. – Ханты-Мансийск. – 1999.
5. Ирбэ Н.А., Шестакова Л.Ф. Закономерности изменения пористости и проницаемости осадочных пород Западной Сибири. – Труды ЗапСибНИГНИ, Тюмень, 1986.
6. Кондрина К.С. Изменение коллекторских свойств пород в зависимости от глубины их залегания //Литология и геохимия мезозойских отложений Сибири. – Труды СНИИГГиМСа, вып.149, Новосибирск, 1972.
7. Кутырев Е.Ф., Никулин Б.В., Шишканова Л.В. Особенности литолого-геофизического изучения пластов­коллекторов разрезов Надым-Тазовского междуречья. – Труды ЗапСибНИГНИ, Тюмень, 1989.
8. Перозио Г.Н. О привносе вещества при эпигенезе // Вопросы литологии и палеогеографии Сибири. – Труды СНИИГГиМСа, вып.106, Новосибирск, 1970.
9. Перозио Г.Н., Предтеченская Е.А. Особенности преобразований обломочного скелета терригенных пород в эпигенезе //Литология и геохимия мезозойских отложений Сибири.– Труды СНИИГГиМСа, вып.149, Новосибирск, 1972.
10. Померанец И.Э. Петрофизическое районирование на этапе ранней разведки нефтегазовых месторождений. – Труды ЗапСибНИГНИ, Тюмень, 1989.
11. Прозорович Г.Э. Покрышки залежей нефти и газа. – М. : Недра. – 1972.
12. Сонич В.П., Черемисин Н.А., Батурин Ю.Е. Влияние снижения пластового давления на фильтрационно­емкостные свойства пород. – Нефтяное хозяйство. – №9, 1997.