Зависимость коллекторских свойств от глубины залегания и литологического состава пород
Б.К. ПРОШЛЯКОВ
Пористость и проницаемость считаются одними из самых важных показателей при оценке коллекторских свойств терригенных осадочных пород. Значения этих параметров, как известно, зависят от целого ряда факторов, таких как вещественный и гранулометрический состав, степень отсортированности, характер упаковки обломочных частиц, глубина залегания, степень уплотнения и других.
В настоящей статье излагаются результаты изучения терригенных мезозойских пород (нижнемеловых и юрских) Центрального и Восточного Предкавказья как возможных коллекторов нефти и газа. Глубина залегания этих пород изменяется от нескольких сотен метров (район Промысловского месторождения) до 3500-4000 м (месторождения Прикумского района). Были использованы результаты определения пористости 736 образцов, плотности 844 образцов, проницаемости 582 образцов и данные механического анализа свыше 1000 образцов.
Пористость изучаемых образцов меняется от 1,5 до 35%, плотность - от 1,81 до 2,78 г/см3, проницаемость - от 0 до 4000 миллидарси.
Основными составными компонентами описываемых пород являются песок, алеврит, глина и растворимая в 10-процентной соляной кислоте часть, представленная преимущественно кальцитом. Влияние указанных компонентов на значения пористости и проницаемости неодинаково.
В соответствии с этим при исследовании связей коллекторских свойств с составом пород выделялись следующие составные части, различно влияющие на изучаемые параметры.
1. Фракция песка и крупного алеврита (фракция крупнее 0,05 мм). Ее присутствие благоприятно отражается на коллекторских свойствах.
2. Фракция глин, средне- и мелкозернистого алеврита (фракция мельче 0,05 мм). Она относительно слабо влияет на значения пористости, (но резко снижает проницаемость.
3. Растворимая в 10-процентной соляной кислоте часть, представленная главным образом кальцитом. Она снижает и пористость и проницаемость.
В Прикумском районе (Озек-Суат, Величаевка, Зимняя Ставка, Камыш-Бурун, Ачикулак и другие) сравнительно высокой пористостью (18- 24%) отличаются песчано-алевритовые породы с низким содержанием (до 20-25%) частиц мельче 0,05 мм. При более высоком содержании этих частиц пористость снижается до 5-15%. В случае присутствия свыше 15% кальцита пористость снижается до 3-7%, исключение составляют породы с высокой степенью отсортированности терригенного материала. При коэффициенте отсортированности (S0) более 0,8 пористость пород достигает 15%.
Цементирующая часть песчано-алевритовых пород (кальцит+частицы мельче 0,05 мм) резко снижает их проницаемость. Породы, содержащие свыше 8% цемента, как правило, непроницаемы. Отклонения от этой закономерности наблюдаются лишь в хорошо отсортированных породах (при S0 >= 0,8), с неравномерно распределенным, преимущественно кальцитовым цементом. Предельное содержание цементирующего материала, при котором такие породы в данном районе проницаемы, составляет 17,5%.
На Промысловском месторождении высокопористы породы, содержащие одновременно менее 8-10% карбонатов и менее 40% фракции мельче 0,05 мм (пористость в большинстве случаев свыше 15%). При содержании 8-10%. кальцита, но при глинистости свыше 40% пористость пород ниже 10-15%. Если карбонатов свыше 20%, пористость, как правило, ниже 10% при любых соотношениях глинисто-песчаного материала.
Породы, содержащие не больше 12,5% глинисто-карбонатного материала, обязательно проницаемы. Если обломочная часть (крупнее 0,05 мм) хорошо отсортирована, проницаемыми могут быть породы, содержащие до 37,5% глинисто-алевритового (мельче 0,05 мм) и карбонатного материала.
На Ставрополье (Расшеватская площадь, Ипатовская и Кавминводская опорные скважины), а также в районе Черкесской и Фроловской структур пористость изменяется по тем же закономерностям, что и на Промысловском месторождении.
Во всех случаях проницаемы терригенные породы, содержащие менее 12% цементирующего вещества (фракция <0,05 мм+ карбонаты). При содержании глинисто-карбонатного материала от 12 до 27% и высокой степени отсортированности обломочных частиц породы также могут быть проницаемыми.
Из изложенного выше следует, что максимальное количество глинисто-карбонатного материала, при котором породы еще проницаемы, для разных районов неодинаково. Это расхождение, как выяснилось, связано с различной степенью уплотнения, а следовательно, и глубиной залегания пород. Литологические разности пород уплотняются в различной степени при одинаковых геологических условиях. С погружением, вначале очень быстро, затем в замедленном темпе, уплотняются глины. Песчаники и крупнозернистые алевролиты, содержащие менее 15% других компонентов, уплотняются в меньшей степени, а пористость их сокращается в среднем на 7-9% на каждые 1000 м (рис. 1). Именно этим чаще всего объясняются различные значения пористости пород одного литологического состава.
Следует отметить, что существенное влияние на пористость пород оказывают процессы эпигенеза. Известно, что в верхних горизонтах земной коры углекислота более активна по сравнению с кремнекислотой, на глубине же наоборот [3]. Опыты показали, что относительное содержание иона хлора в порциях воды, отжимаемой из осадочных горных пород при последовательно возрастающем давлении, увеличивается [1]. Такое же явление, видимо, наблюдается и в природных условиях с увеличением давления и глубины залегания.
При достижении определенного предела содержаний ионов хлора в воде должны возникнуть условия, благоприятные для растворения кальцита и выпадения кремнезема. Именно этим можно объяснить то обстоятельство, что в изучаемых отложениях примерно до глубины 2500 м хемогенная часть представлена исключительно кальцитом. В образцах, отобранных с больших глубин, под микроскопом видны следы растворения кальцита, наблюдается регенерация зерен кварца, а в цементе появляется хемогенный кремнезем. Такие изменения характерны для проницаемых песчано-алевритовых пород. В глинистых непроницаемых породах, где практически не происходит циркуляции вод, подобные явления не отмечаются. Процессами эпигенеза можно объяснить широкий диапазон (от 3 до 28%) изменения пористости песчано-алевритовых пород на глубинах свыше 3000 м (см. рис. 1). Пористость глинистых пород на больших глубинах варьирует очень мало.
Связь проницаемости пород с глубиной залегания менее отчетлива, но в общем виде закономерность сохраняется - чем больше глубина залегания, тем ниже проницаемость терригенных пород (при прочих равных условиях).
Существуют различные взгляды на характер связей между пористостью и проницаемостью. Некоторые исследователи [4, 5] считают, что между этими параметрами существует прямая зависимость, другие же отрицают ее. Несомненно, что пористость и проницаемость терригенных пород зависят от литологического состава последних [2, 4], поэтому при выяснении связей между отмеченными параметрами необходимо прежде всего учитывать состав пород и структуру порового пространства. В песчано-алевритовых породах мезозоя Северного Предкавказья при высоком содержании цементирующего материала (свыше 20%) проницаемость не зависит от пористости, так как эти породы в большинстве случаев практически непроницаемы даже при высокой (20% и выше) общей пористости. При более низком содержании цемента (менее 15%) меняется структура породы. Вместо цемента, заполняющего поры, обычно встречается контактовый или пленочный, соответственно при этом возрастает и диаметр поровых каналов. Графические построения показывают, что при различных содержаниях цемента связь между пористостью и проницаемостью неодинакова. Чем ниже содержание цемента при равной пористости, тем выше проницаемость. Наиболее отчетливо связь проявляется при сравнении однотипных песчано-алевритовых пород, содержащих примерно равное количество цемента.
Существенно сказывается на характере связей между пористостью и проницаемостью глубина залегания коллекторских толщ. Например, песчано-алевритовые породы, состоящие на 95% и более из частиц крупнее 0,074 мм, на малых глубинах (до 1500-2000 м) практически проницаемы только при высокой пористости (более 20%). Менее пористые породы оказываются непроницаемыми. По мере увеличения глубины залегания пористость таких пород понижается и на глубине 3000-3500 м составляет 6-12%, при этом породы остаются высокопроницаемыми. Исключение составляют слабо отсортированные песчано-алевритовые породы (S0 = Q1/Q3 < 0,5) и разности, состоящие преимущественно из мелкозернистой части фракции крупнее 0,074 мм (крупнозернистого алеврита и мелкозернистого песка). В этих породах диаметры поровых каналов (и без того малые) сокращаются до такой величины, что вследствие молекулярного притяжения стенок капилляров исключается возможность миграции жидкости.
Такие отношения между пористостью и проницаемостью на различных глубинах могут быть объяснены тем, что диаметр поровых каналов (от величины которого в значительной степени зависит проницаемость), как величина линейная, при уплотнении сокращается медленнее, чем пористость, являющаяся величиной объемной (при сокращении линейной величины в n раз, объемная сокращается в n3 раз).
Величина общей пористости, не дает однозначной оценки коллекторских свойств. Нередко встречаются непроницаемые породы с высокой пористостью и наоборот. Более объективную оценку можно получить, ориентируясь на литологический состав и глубину залегания пород (рис. 2).
При построении диаграммы по вертикальной оси координат откладывалась глубина отбора исследуемого образца, по горизонтальной - процентное содержание в образце фракции крупнее 0,05 мм.
Все образцы расположились на диаграмме таким образом, что оказалось возможным выделить три зоны, протягивающиеся почти параллельно вертикальной оси. Все образцы пород, располагающиеся в левой зоне, непроницаемы при самых различных соотношениях между составными компонентами породы, любой степени отсортированности обломочного материала и при всевозможных глубинах залегания. С уменьшением глубин залегания зона непроницаемых пород сужается. В средней зоне располагаются и проницаемые и непроницаемые образцы. Последние характеризуются низкой отсортированностью (S0 < 0,5), проницаемы образцы с коэффициентом отсортированности свыше 0,5. Образцы правой зоны отличаются наиболее высоким содержанием фракции крупнее 0,05 мм; они всегда проницаемы. Ширина этой зоны постепенно увеличивается снизу вверх. Обычно на глубине около 3400 м проницаемы образцы, содержащие не свыше 4% цементирующего вещества, а на глубине 800-1000 м обязательно проницаемы все образцы, содержащие до 18% цемента. Иначе говоря, чем глубже залегают породы, тем меньше должно быть в них цементирующего материала, для того чтобы они были проницаемыми (имеются в виду нетрещиноватые породы).
Предлагаемая диаграмма позволяет без определений пористости и проницаемости, основываясь на данных механического анализа и глубине залегания, выделить из общей массы терригенных пород:
а) породы-коллекторы, из которых возможно извлечение нефти и газа (правая зона);
б) породы, которые могут быть проницаемыми при высокой степени отсортированности (средняя зона);
в) породы заведомо непроницаемые, не коллекторы (левая зона).
Диаграмма составлена применительно к мезозойским породам. Для отложений иного возраста, а также в других районах возможность ее использования должна быть проверена.
Подводя итоги изучения коллекторских свойств мезозойских терригенных осадочных пород Центрального и Восточного Предкавказья, можно сделать следующие выводы.
1. Существенное влияние на пористость и плотность пород оказывает давление, возрастающее с глубиной. С увеличением глубины залегания пористость всех терригенных пород понижается, плотность соответственно возрастает. Уплотнение различных типов пород происходит с неодинаковой интенсивностью.
2. На больших глубинах (свыше 3000 м), в связи с процессами эпигенеза в песчано-алевритовых отложениях, наблюдается очень широкий диапазон изменения пористости и проницаемости даже в однотипных породах. Это обстоятельство необходимо учитывать при оценке перспектив газо- нефтеносности.
3. Зависимость между пористостью и проницаемостью наблюдается только в литологически однотипных песчано-алевритовых породах, находящихся в одинаковых геологических условиях и залегающих примерно на равных глубинах.
4. С увеличением глубины залегания пористость сокращается быстрее, чем проницаемость. Вследствие этого при сравнении пород, отобранных с различных глубин, зависимость между пористостью и проницаемостью проявляется очень слабо даже для литологически одинаковых пород.
5. Цементирующий материал очень сильно влияет на проницаемость терригенных пород, причем на различных глубинах неодинаково. Чем больше глубина залегания пород, тем меньше должно быть в них цемента для того, чтобы они были проницаемы.
6. По диаграмме (см. рис. 2), не имея данных о пористости и проницаемости, зная лишь глубину залегания и литологический состав пород, можно определить, проницаема ли порода практически и представляет ли она интерес как коллектор нефти и газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бунеев Н.А., Крюков П.А. и Ренгартен Е.В. Опыт отжимания растворов из осадочных горных пород. ДАН СССР, т. LVII, № 7, 1946.
2. Прошляков Б.К. К вопросу о связи коллекторских свойств с вещественным составом пород. Нефть и газ, Изв. ВУЗ, № 5, 1958.
3. Рухин Л.Б. Преобразование осадков и осадочных пород. «Справочное руководство по петрографии осадочных пород», т. 1. Гостоптехиздат, 1958.
4. Xанин А.А. К вопросу о влиянии содержания цемента в песчаных породах на значения проницаемости и пористости. Сб. «Вопросы добычи, транспорта и переработки природных газов». Гостоптехиздат, 1951.
5. Levorsen A.I. Geology of petroleum. W.H. Fruman and Company. San Francisco, 1954.
МИНХ и ГП им. Губкина
Рис. 1. График зависимости пористости нижнемеловых и юрских пород от глубины залегания.
1- песчано-алевритовые породы (содержание фракций крупнее 0,01 мм> 85%); 2- глинистые породы (содержание глин > 50%).
Рис. 2. Диаграмма зависимости проницаемости от состава и глубины залегания пород.
1 - проницаемые образцы (> 1 миллидарси); 2 - непроницаемые образцы ( < 1 миллидарси); 3 - зона проницаемых пород; 4 - зона возможно проницаемых пород; 5 - зона непроницаемых пород.