К оглавлению

О методике исследований трещиноватых пород и их коллекторских свойств

Е.М. СМЕХОВ, Л.П. ГМИД, М.Г. РОМАШОВА, Е.С. РОММ, В.Н. КАЛАЧЕВА, Т.В. ДОРОШЕЕВА и В.К. ГРОМОВ

Тематические исследования ВНИГРИ по изучению коллекторских свойств трещиноватых пород в настоящее время ведутся в районах Присаянья (нижний кембрий), Южно-Минусинской впадины (девон), Башкирского Приуралья (пермь) и в юго-западных отрогах Гиссарского хребта (юра). Работы эти в основном направлены к разработке методики исследований, и ведутся они комплексно группой научных работников - геологов, петрографов и физиков.

Объектами исследований служат макротрещины, изучение которых производится плавным образом по обнажениям, и микротрещины, изучаемые в основном по кернам. По результатам исследований производятся «накладка» и анализ полученных данных для различных геологических условий.

При изучении кернового материала используются имеющиеся промысловые данные. Исследования сопровождаются также экспериментальными и теоретическими работами по изучению движения нефти и газа в трещиноватых породах.

Ниже излагаются некоторые результаты указанных исследований, имеющие практическое и теоретическое значение.

Как известно, методика статистико-графической обработки замеров макротрещин, разработанная в основном Е.Н. Пермяковым и Ю.А. Каравашкиной (1949, 1953 гг.), является важным разделом исследований макротрещиноватости. Подробные описания этой методики содержатся не только в трудах Е.Н. Пермякова и его сотрудников, но опубликованы позднее А.Е. Михайловым (1956 г.) и Г.В. Чарушиным (1957 г.). В связи с указанным обратимся лишь к тем дополнениям, которые внесены нами в методику статистико-графической обработки замеров трещин. Так, в частности, устанавливается надобность применения метода «приведения» пласта к горизонту при падении слоев >10°, что существенно влияет на ориентировку систем трещин (Необходимо отметить, что к подобному выводу ранее пришла И.В. Кириллова (1945 г.) при анализе данных о трещиноватости на структуре Триалетской складчатой области, что последующими исследователями не было должным образом оценено.).

Так как трещины замеряются на участках с самыми различными элементами залегания пород, сравнение их друг с другом оказалось весьма затрудненным. Для сопоставления систем трещин между собой и изучения их ориентировки по отношению к слою совершенно необходимы «приведение» пласта в горизонтальное положение и фиксирование расположения трещин в координатах «приведенного» слоя, что, кстати, не всегда учитывается исследователями.

Сопоставление диаграмм-роз трещиноватости, построенных с учетом «приведения» трещин к горизонтальному пласту и без такового, показывает, что ориентировка систем трещин меняется азимутально. Так, например, на диаграммах-розах трещиноватости, построенных без «приведения» к горизонтально ориентированному пласту, выделяется отчетливо, допустим, система трещиноватости северо-восточного направления. На диаграмме же, построенной после «приведения» трещин к горизонтально ориентированному пласту, фиксируется лишь система трещиноватости широтного простирания или близкое к нему (рис. 1, а).

Сравнение диаграмм-роз трещиноватости, составленных по «неприведенным» и «приведенным» замерам трещин для одной и той же станции, показывает, что системы трещин на приведенной диаграмме располагаются значительно «упорядоченней» и более закономерно, чем на «неприведенной» (рис. 1, а и б).

Кроме того, для исключения влияния ошибок при механической «достройке» по определению всей совокупности трещин по методу «график-квадрату» Е.Н. Пермякова (1949 г.), ведущего в некоторых случаях к непомерному увеличению числа трещин, предложена методика, основанная на применении тригонометрической (метод М.Г. Ромашовой) и ряда эмпирических (метод Т.И. Дорофеевой) формул.

М.Г. Ромашовой при рассмотрении зависимости числа замеренных трещин от угла между линией экспозиции станции наблюдения и простиранием трещин построен график (рис. 2). На графике «исправленное» количество трещин в «квадрате» определяется при помощи «углового коэффициента»; из него же видно, что наибольшего несоответствия достигает число визуально замеренных и «достроенных» трещин при углах от нуля до 15°.

Метод тригонометрических вычислений, а также указанный выше график применялись при углах между линией экспозиции и простиранием трещин от 5 до 15°, исходя из того, что при углах от 1 до 5° и от 45 до 90° практически не происходит увеличения числа замеренных трещин. В остальных румбах использовались эмпирические формулы, согласно которым увеличение числа замеренных трещин происходит в 3 раза при углах от 15 до 30°, в 2,5 раза при углах от 30 до 35°, а в 2 раза при углах от 35 до 45° (Детальное рассмотрение указанной методики и примеры практического ее применений приведены в работе Е. М. Смехова и др. (1957 г.).).

Весьма интересные данные были получены при анализе участковых и сводных роз-диаграмм и круговых диаграмм трещиноватости, построенных по предлагаемой методике. Так, например, анализ сводных роз-диаграмм трещиноватости по ряду структур Присаянья (и в различных литологических разностях пород - песчаники, доломиты), несмотря на их сравнительную отдаленность друг от друга (Введенская, Боханская, Ново-Воскресенская), показал преобладание в них общих простираний (северо-западного и северо-восточного) трещин, что указывает на региональный характер ориентировки трещиноватости, свойственный платформенным структурам.

По данным участковых и сводных роз-диаграмм трещиноватости (рис.3) устанавливается, что так называемые трещины первого порядка (секущие группу пластов) и второго порядка (секущие в основном один пласт) обладают общими простираниями и принадлежат, видимо, к одному общему типу трещин тектонического происхождения.

Анализ участковых и сводных роз-диаграмм, произведенный В.Н. Калачевой и В.К. Громовым по ряду структур в тех же платформенных условиях Присаянья, кроме того, позволил по этим структурам произвести расчет их строения. Результаты расчета уточнили простирания осей Введенской и Ново-Воскресенской складок, углы падения крыльев на Боханской складке и амплитуды поднятий, что до сих пор не было точно установлено вследствие плохой обнаженности и весьма пологих углов падения пород.

Интересно также отметить, что анализ сводных роз-диаграмм трещиноватости в складчатых юрских известняках юго-западных отрогов Гиссарского хребта (Кугитанг), несмотря на местные отклонения в простираниях трещин в связи с влиянием мелкой складчатости и плойчатости пород, показал распространение господствующих меридионального и северо-западного простираний трещиноватости (при меридиональном и северо-восточном простираниях структур). Примечательно, что трещиноватость в гранитоидных породах (палеозой - юра), развитых в том же районе, а также в известняках и доломитах бухарского яруса палеогена, залегающих выше по разрезу, обладает теми же простираниями, что и трещиноватость юрских известняков. Указанная закономерность позволяет усматривать «унаследованность» ориентировки трещиноватости для значительной части осадочного покрова даже в условиях наличия перерывов между отдельными его стратиграфическими подразделениями (мел - юра, юра-палеозой).

Сравнительное сопоставление круговых диаграмм трещиноватости с розами-диаграммами трещиноватости показало, что они хорошо согласуются между собой, так как на них отчетливо выделяются основные системы трещиноватости. Круговые диаграммы позволили установить степень плотности (интенсивности) трещиноватости для различных систем трещин по разным элементам структур. Такой опыт подсчета интенсивности трещиноватости, например, для Ново-Воскресенской структуры (Присаянье) показал, что наибольшей плотностью обладают нижнекембрийские доломиты на южном крыле и восточной периклинали складки.

Вычисление удельной плотности (длина трещин в пределах «квадрата», поделенная на его площадь) и удельной густоты (количество трещин в пределах «квадрата», поделенное на его площадь) производилось по методу Е.Н. Пермякова (график-квадрат). Результаты по рассматриваемым структурам оказались примерно те же, что и по круговым диаграммам и розам - диаграммам трещиноватости. Параллельное применение указанных методов оказывается целесообразным в связи с надобностью проверки устанавливаемых закономерностей в распределении трещиноватости.

О приуроченности зон более интенсивной трещиноватости к крыльям и периклиналям поднятий указывают и данные о распределении дебитов и пластовых давлений по Башкирскому Приуралью. Так, здесь по ряду структур кинзебулатовского типа (Кинзебулатово, Салихово, Цветаево, Буруново, Карлы, Малышево) видно, что скважины с максимальными дебитами нефти располагаются не на сводах поднятий, а на их крыльях и периклиналях.

Данные исследований позволили различить определенные связи макротрещиноватости с положением ее на структуре. Так, Т.В. Дорофеева указывает, что если характеристика трещиноватости девонских пород, свойственная Биджинской складке, типична также и для структур центральной части Южно-Минусинской впадины, то наиболее интенсивные зоны трещиноватости оказываются приуроченными к крыльям поднятий, хотя количество систем трещин, обладающих разными простираниями, возрастает на сводах. В связи с указанным при бурении скважин, видимо, должна учитываться ориентировка систем трещин, так как возможны случаи (при направлении трещин почти параллельно стволу скважины), когда скважина и не пересечет зону трещиноватости.

Этими же исследованиями в Южно-Минусинской впадине (девон) отмечено возрастание интенсивности трещиноватости вниз по разрезу. Так, песчаники тубинской свиты имеют пять трещин на 1 м². Возрастает и количество трещин с удалением от сводов поднятий (Илеморовокое, Биджинское). Например, в известняках илеморовской овиты на своде насчитывается 40 трещин на 1 м², а на крыльях 170 трещин на 1 м².

Для разных подразделений разреза девонских пород Южно-Минусинской впадины характерна различная ориентировка основных систем трещин (без учета положения их на структуре). В доживетских (таштыпская свита) породах распространены трещины с широтными и меридиональными простираниями, в живетских (абаканская, сарагашская и бейская свиты) преобладают трещины с северо-западным и северо-восточным направлениями и в верхнем девоне (ойдановская, кохайская и тубинская свиты) трещины почти широтного простирания.

Для северо-западной части этой впадины типично совпадение простираний основных систем трещин с простиранием структур (Сользаводская, Биджинская складки), тогда как в юго-западной части трещины ориентированы перпендикулярно к простиранию структур (Илеморовская, Миланская складки).

Из приведенных данных об ориентировках основных систем трещиноватости относительно простираний структур и по разрезу рассматриваемых стратиграфических подразделений видно, что в различных геологических условиях наблюдаются разные закономерности. В платформенных условиях (Присаянье) и, возможно, в некоторых складчатых районах простирание основных систем трещин, видимо, сохраняется на значительных территориях, тогда как в условиях межгорных впадин (Южно-Минусинская впадина) они изменяются не только по различным структурам в зависимости от положения последних на общем тектоническом плане рассматриваемого региона, но также в пределах отдельных стратиграфических комплексов.

По данным петрографических исследований пород девона Южно-Минусинской впадины, нижнекембрийских отложений Присаянья и нижнепермских пород Башкирского Приуралья Л.П. Гмид разработана схема классификации микротрещин, в которой выделено 10 подразделений.

Микротрещины подразделяются по величине раскрытости (ширина), по густоте, по форме, по степени и характеру выполнения, по отношению к структуре и текстуре породы, по возрасту и по происхождению.

Относительный возраст микротрещин устанавливается по характеру пересечения их между собой. Так, к первой более ранней генерации отнесены микротрещины, заполненные битумом (нефтью), ко второй - выполненные минеральным веществом и секущие трещины первой генерации. К третьей генерации отнесены микротрещины, заполненные битумом (нефтью) и пересекающие трещины второй генерации, и к четвертой - открытые трещины, секущие трещины более ранних генераций или проходящие внутри последних.

По своему генезису микротрещины подразделяются на два типа: тектонические и диагенетическо-тектонические. Трещины, которые можно отнести к типу механоклазов, не рассматриваются, поскольку этот тип трещин при определении коллекторских свойств трещиноватых пород никакой роли не играет. Выделение тина диагенетическо-тектонических микротрещин обусловлено тем, что в трещиноватых породах сохранение чисто диагенетических трещин почти исключается, так как первоначальные микротрещины, образующиеся в условиях диагенеза, при последующих процессах литогенеза и диастрофизма теряют свой облик и преобразуются в обычный распространенный тип тектонических трещин. Признаком их прошлого диагенетического происхождения служат сутурные швы и инкрустационная микроструктура породы.

По данным минералогического состава, структурно-текстурных особенностей и характеристик микротрещин трещиноватые породы изученных разрезов подразделены на восемь петрографических типов: песчаники и алевролиты, глины и аргиллиты, мергели, органогенные доломитовые известняки, неравнозернистые доломиты с пятнистой или пятнисто-инкрустационной микроструктурами, доломиты и известняки разнозернистые, ангидрито-доломитовые породы и соли.

Из указанных петрографических типов выделяются неравнозернистые доломиты с пятнистой и инкрустационной микроструктурами и органогенные доломитовые известняки, в которых широко развиты сутурные швы и микротрещины, заполненные битумом (нефтью) и обладающие повышенной проницаемостью.

Для указанных типов трещиноватых пород типично угасание битуминизации межзернистой среды породы от микротрещин, заполненных битумом (нефтью), к периферии шлифа, что ставит под сомнение наличие каких-либо связей между нефтью в микротрещинах и окружающей средой породы.

Все известные типы коллекторов предлагается объединить в основном в семь групп (типов). Это коллекторы нормального типа, кавернозные, трещинного типа, коллекторы I смешанного типа (сочетание трещинного и нормального типов), коллекторы II смешанного типа (сочетание трещинного и кавернозного типов), коллекторы III смешанного типа (сочетание трещинного, нормального и кавернозного типов) и коллекторы IV смешанного типа (сочетание коллекторов нормального и кавернозного типов).

Трещинный тип коллекторов по признаку проницаемости может быть подразделен по схеме Г.И. Теодоровича (1942 г.), данной им для нормального («пористого») типа коллекторов, на пять классов. Соответственно с его схемой ко II классу (проницаемость 100-1000 миллидарси) могут быть отнесены, в частности, трещинные коллекторы Башкирского Приуралья (27% от общего количества коллекторов) и Присаянья (8,8%); к III классу (проницаемость 10-100 миллидарси) - Башкирское Приуралье (54%), Присаянье (33%) и Южно-Минусинская впадина (34%).

Сравнительный анализ петрографических данных палеозойских пород рассматриваемых районов позволил выяснить соотношения отдельных типов микротрещин для каждого из рассматриваемых районов. Так, в артинских породах Башкирского Приуралья преобладают (60%) микротрещины, заполненные битумом (нефтью), в девонских породах Южно-Минусинской впадины более 50% открытых микротрещин, тогда как трещин, заполненных битумом, насчитывается здесь только 15%. Соотношение разных типов трещин для нижнекембрийских пород Присаянья таково: битумных трещин 50%, открытых 23%, трещин, заполненных минеральным веществом, 20%.

Указанные соотношения позволяют при определении проницаемости трещиноватых пород методом шлифов (о котором будет сказано ниже) в нефтеносном районе (Башкирия) учитывать главным образом микротрещины, заполненные битумом, в газоносном (Южно-Минусинская впадина) - открытые трещины и в газонефтеносном - те и другие.

В артинских породах Башкирского Приуралья наибольшая трещиноватость приурочена к органогенным доломитовым известнякам, наименьшая - к известнякам и мергелям. По ряду месторождений этого района замечено, что с уменьшением степени доломитизации породы происходит уменьшение количества микротрещин, заполненных битумом (нефтью), и соответственное уменьшение в них проницаемости (от 523 до 0,14 миллидарси). Для открытых микротрещин средние значения уменьшения проницаемости следуют в обратном направлении - от мергелей и известняков к доломитовым органогенным известнякам.

В девонских породах Южно-Минусинской впадины наибольшее количество открытых трещин, являющихся здесь преобладающими, приурочено к терригенным и карбонатным породам аскизской и илеморовской свит, для которых характерны и наибольшие значения проницаемости (31-40 миллидарси). Сравнительно со средними значениями проницаемости открытых трещин в органогенных доломитовых известняках Башкирского Приуралья указанные выше значения проницаемости пород Южно-Минусинской впадины превышают их в 3-4 раза, что позволяет рассматривать открытые микротрещины разреза девонских пород этого района как критерий при определении коллекторских свойств.

Для разреза нижнекембрийских отложений Присаянья и главным образом для усольской и бельской свит характерны низкие значения проницаемости открытых микротрещин при сравнительно высокой проницаемости трещин, заполненных битумом, что может служить косвенным признаком наличия благоприятных условий дренирования нефти по системам последних.

Для определения проницаемости трещиноватых пород Е.С. Роммом и Л.П. Гмид предложен новый метод, основанный на визуальном исследовании микротрещин и окружающей среды породы в плоскопараллельных шлифах под микроскопом (Как известно, при исследованиях П.П. Авдусина и М.А. Цветковой (1940, 1947 гг.) и других литологов и петрографов возможность определения проницаемости трещиноватых пород на основании указанной формулы не рассматривалась.). Сущность этого метода заключается в применении известной формулы проницаемости трещиноватых пород (П.Дж. Джонс, 1947 г.; Ф.И. Котяхов, 1956 г.)

где k - проницаемость в дарси; b - раскрытость трещин в мм; l - длина трещин в мм; S- площадь фильтрующей породы в мм².

При этом методе производятся замеры всех параметров, входящих в формулу, и по полученным значениям вычисляется проницаемость.

Необходимо учесть, что предлагаемый метод является статистическим и что для получения данных, близких к объективным, необходимо исследовать максимальное количество шлифов.

Для проверки этого метода определения проницаемости трещиноватых пород методом обработки результатов опробования скважин были привлечены данные по газовым скв. 1-Р на Быстрянской структуре (Южно-Минусинская впадина) и скв. 2-Р на Осинской складке (Присаянье) (см. таблицу).

№ скважины	Интервал, м	Количество шлифов	Дебит скважины при открытом забое, м^3/сутки	Проницаемость по методу шлифов, миллидарси	Проницаемость по промысловым данным, миллидарси
1-Р (Быстрянка)	1844-1881	25	200 000	0,65	0,55
2-Р (Оса)	1647-1696	45	2 000	2,3	5,0

Ввиду статистичности метода определения проницаемости трещиноватых пород по шлифам результаты его применения не могут претендовать на абсолютную точность. В данном случае по ним можно получить приближенную оценку фильтрационных свойств коллектора. В связи с этим сравнительные данные, приведенные в таблице, говорят об удовлетворительном их совпадении, так как здесь отмечается равенство порядков полученных цифр.

Окончательное решение вопроса о целесообразности указанных сравнений может быть достигнуто дальнейшими исследованиями в этом направлении.

Е.С. Ромм произвел исследование возможностей дальнейшего использования метода пропускания газа через образец трещиноватой породы в аппарате типа Келтона в сравнении с методом шлифов. Результаты этого анализа показали, что в первом случае (в аппарате типа Келтона) величина вероятности обнаружения трещины в образце, имеющем обычные размеры, будет в 10 раз меньше величины вероятности обнаружения трещины в шлифе, изготовленном из того же образца. Из указанного следует, что методом шлифов в 10 образцах будут обнаружены трещины, тогда как в аппарате типа Келтона трещина обнаружится лишь в одном образце.

Если учесть, что данные проверки метода шлифов методом обработки промысловых данных показали относительно удовлетворительные результаты, целесообразность использования аппарата типа Келтона для определения проницаемости малых образцов трещиноватых пород становится сомнительной.

Применение этого метода, широко используемого для определения проницаемости обычных, нетрещиноватых пород, в случае трещиноватых пород возможно при условии, если длина (высота) керна в несколько раз (4-5) превышает его диаметр. Так как это условие очень резко ограничивает круг образцов, пригодных к определению проницаемости в приборе типа Келтона, становится очевидным вероятное преимущество нового метода Е.С. Ромма и Л.П. Гмид, дающего более надежные результаты.

Исследованиями многих авторов установлено, что раскрытие трещин, обусловливающих перемещение флюидов в горной породе, колеблется в пределах от 10 до 100m. Для установления наличия или отсутствия возможных отклонений от известных гидродинамических законов при таких малых раскрытиях трещин Е. С. Роммом была проведена серия теоретических и экспериментальных исследований, описание и результаты которых будут освещены в специальной статье. Здесь можно только указать, что при теоретическом рассмотрении этой задачи исследовалась лишь область ламинарного движения жидкости в щели, так как эта область представляет наибольший интерес для большинства случаев движения нефти (газа) в трещиноватых породах.

Экспериментальная часть исследований, производившаяся на специальной модели, заключалась в том, что при известных параметрах трещины (раскрытие, ширина, длина), при определенном градиенте давления, вязкости и плотности жидкости определялась величина расхода, сравниваемая с расходом, вычисленным по формуле Буссинека.

В целом результаты экспериментальных исследований показали, что при изучении движения нефти в трещиноватых породах можно уверенно пользоваться формулой Буссинека и ее важным для практики следствием - соотношением для проницаемости трещиноватой породы

( Подробный вывод этой формулы ранее был дан Ф.И. Котяховым (1956 г.).)

если, разумеется, величина раскрытия (b) трещин не менее 10m. Этим самым обосновывается возможность применения метода определения проницаемости трещиноватых пород в плоско-параллельных шлифах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдусин П.П., Цветкова М.А. Структура порового пространства коллекторов нефти как один из факторов промышленной оценки нефтяных залежей. Изв. АН СССР, 1940.

2. Авдусин П.П. и Цветкова М.А. Строение нефтеносных пород и их фильтрующие способности. ДАН СССР, т. 57, 9, 1947.

3. Парк Дж.Джонс. Механика нефтяного пласта. Гостоптехиздат, 1947.

4. Кириллова И.В. Опыт анализа трещиноватости в слоистых толщах восточного погружения Триалетской складчатой области. ДАН СССР, нов. сер., т. 50, 1945.

5. Котяхов Ф.И. Приближенный метод определения запасов нефти в трещиноватых породах. Нефт. хоз., № 4, 1956.

6. Котяхов Ф.И. Основы физики пласта Гостоптехиздат, 1956.

7. Михайлов А.Е. Полевые методы изучения трещин в горных породах. Госгеолтехиздат, 1956.

8. Пермяков Е.Н. Тектоническая трещиноватость Русской платформы. Изд. БМОИП, 1949.

9. Пермяков Е. Н. и Каравашкина Ю.А. Поиски и изучение платформенных структур методами исследования тектонической трещиноватости. БМОИП, отд. геол., т. 28(6), 1953.

10. Смехов Е.М., Гмид Л.П., Ромашова М.Г. и Ромм Е.С. Вопросы методики изучения трещиноватых пород в связи с их коллекторскими свойствами. ВНИГРИ, 1957.

11. Смехов Е.М. Трещиноватые породы как возможные коллекторы нефти и газа и их значение при поисково-разведочных работах в Сибири. Геология и геохимия, 1 (VII), Гостоптехиздат, 1957.

12. Теодорович Г.И. О коллекторах нефти Ишимбаево-Стерлитамакского района. ДАН СССР, № 4-5, 1942.

13. Чарушин Г. В. Тектоническая трещиноватость слабо дислоцированных осадочных пород юго-востока Иркутского амфитеатра БМОИП, отд. геол., т. 32(3), 1957.

ВНИГРИ

Рис. 1. Диаграммы-розы трещиноватости, построенные по „приведенным" и „неприведенным" данным. Ново-Воскресенская структура, Иркутский район. Масштаб 1%-10 мм.

1 - „приведенные" данные; 2 - „неприведенные"^данные

Рис, 2. График зависимости между “исправленным" количеством трещин от угла (а) между линиями экспозиции обнажения и простиранием трещин. Сост. М. Г. Ромашова.

К-«угловой коэффициент", показывающий, во сколько раз необходимо увеличить число наблюденных трещин.

Рис. 3. Участковые диаграммы розы трещин I и II порядка. Введенская антиклиналь. Масштаб 1%-10 мм.

1 - I порядок (583 замера); 2 - II порядок (360 замеров).