К оглавлению

УДК 550.822.3[552 + 53]

Применение метода Мелчера для исследования пористости слабосцементированных пород

А. М. ВЕРХОВСКИЙ (ЗапСибВНИИгеофизика)

Высокопродуктивные интервалы разреза газовых месторождений севера Западной Сибири сложены слабосцементированными и рыхлыми породами. Обоснование их пористости при подсчете запасов осложняется неполным выносом керна, его плохой сохранностью, а также ограниченными возможностями традиционных методов лабораторных анализов.

Исследование методом Мелчера выполнялось параллельно с определительскими работами для подсчета запасов Бованенковского месторождения, чтобы полнее изучить керн песчаных интервалов разреза, проверить правильность оценки пористости, а также установить влияние условий сушки и хранения керна на пористость. Основным исследованиям подвергся керн из скв. 111, бурившейся на глинистом растворе с полным отбором из интервала 540-690 м (отметка кровли сеноманских пород -556 м, уровень ГВК -690 м). Изучался также керн из других скважин, отбиравшийся в кернохранилище Карской экспедиции Главтюменьгеологии. Определительские работы в небольших объемах проводили и на керне Ямбургского месторождения.

Известно, что основной метод определения пористости - метод насыщения (Преображенского). Применение его для исследований слабосцементированных песчаников затруднено тем, что, по крайней мере, в трех операциях (насыщение, извлечение из жидкости и взвешивание в ней) может разрушиться (осыпаться) твердая фаза образцов даже при использовании в качестве рабочей жидкости керосина. В методе же Мелчера только одна операция - взвешивание сухого образца в воздухе - требует осторожного с ним обращения.

При опробовании этого метода для массовых определений были внесены некоторые изменения в методику В.Н. Кобрановой и др. (1977 г.). Чтобы избежать осыпания образцов при взвешивании, эта операция проводилась после его подвески на леске, затем образец сразу же покрывался парафином. Использовали леску сечением 0,1 - 0,15 мм, массой которой при расчетах можно пренебречь. Большое внимание уделяли качеству покрытия парафином, поскольку наличие в нем пузырей, трещин, как же как и проникновение его в поры, может вносить большие погрешности в расчеты. Была выбрана температура 60±1 °С, при которой наилучшее качество покрытия обеспечивается в один прием. Стабилизация указанной температуры парафина осуществляется путем подбора напряжения питания электронагревателя, на котором устанавливается емкость с расплавом достаточно большой массы (около 2 кг).

При проведении определений на влажных образцах при снятии парафина происходит потеря твердой фазы. Для устранения ее после снятия парафина дополнительно взвешивается образец, и масса сухого образца рассчитывается по формуле

где Р₁ и P₄ - массы влажного образца до парафинирования и после снятия парафина; Р₅ - масса образца после сушки при 105 °С. Пористость влажного образца рассчитывается по формуле

где Р₂ и Р₃ - массы парафинированного образца в воздухе и в воде;- плотности твердой фазы и парафина. Плотность парафина определяли для каждой новой партии, а минеральную плотность породы - в 30 % выборки для каждого литологического типа и, учитывая ее малую изменчивость, принимали среднюю величину для всех образцов данного литологического типа. Пористость сухих образцов рассчитывалась по формуле (2) с заменой Р₆ на Р₁, для простоты была опущена плотность воды, принятая за 1 г/см³.

Как известно, методом Мелчера определяют общую пористость пород. Однако для слабосцементированных терригенных отложений (из-за отсутствия в них закрытых пор) ее можно считать равной открытой пористости (В.Н. Кобранова и др., 1977 г.). Для экспериментальной оценки достоверности значений открытой пористости, полученных методом Мелчера, проводили сопоставление результатов измерений, выполненных на одних и тех же образцах разными методами и в различных лабораториях (ЦЛ Главтюменьгеологии и сектор петрофизики ЗапСибВНИИГеофизики). Сначала одна половина коллекции исследовалась методом Преображенского, другая - методом Мелчера, затем лаборатории обменивались образцами. На рисунке (а) показано, что расхождение результатов определений по большинству образцов в среднем составляет допустимую погрешность измерений (±0,5 %). По семи образцам расхождение данных не превышало 1 %; было установлено, что они проходили повторную механическую обработку (обточку ножом). При передаче образцов из лаборатории в лабораторию, их транспортировке, подготовке к замерам они частично разрушились, что потребовало повторной обточки. При этом наиболее слабые и высокопористые кусочки породы были утеряны, поэтому результаты заметно отличались. В целом проведенное сопоставление показывает достаточно высокую точность метода Мелчера и его тождественность методу Преображенского. Оно позволило установить, что появление погрешностей при определении пористости слабосцементированных пород в основном связано со значительными деформациями керна при отборе, которые возникают главным образом вследствие вибрационного воздействия керноприемной трубы снаряда «Недра». Она жестко не закреплена относительно нижней части корпуса, поэтому возникает радиальное переуплотнение керна. При этом в наружной зоне толщиной около 10 мм он значительно уплотнен за счет смещения и даже дробления зерен; в промежуточной зоне толщиной 10-15 мм керн также может быть уплотнен, но в меньшей степени; в центральной зоне при благоприятных условиях отбора он может иметь незначительные деформации, при неблагоприятных, как правило, разрыхлен. Образцы для анализа обычно берут из промежуточной и центральной зон. Поскольку деформации их часто носят скрытый характер, объективных критериев для выделения ненарушенных участков породы практически нет.

Достоверность определений пористости слабосцементированных пород с учетом влияния деформаций керна оценивалась путем сопоставления результатов измерений, проведенных на примыкающих кусках керна. Обычно образец длиной 10-20 см делили на две части, из которых в каждой лаборатории выпиливали вручную по три-четыре образца. Пористость их определяли методами Мелчера и Преображенского. На рисунке (б) показано сопоставление средних значений пористости для каждой части образца. Для слоистых разностей разброс данных значителен, среднеквадратическое отклонение для них составляет ±2,2 %, для песчаников ±1,2 %. Кроме того, для песчаников наблюдается смещение средних величин пористости, т. е. пористость, определенная методом Мелчера, на 0,6 % выше, чем значение пористости, полученное по методу Преображенского. В слоистых разностях такое смещение отсутствует. На рисунке (а) показано сопоставление пористости однородных песчаников, отобранных из скв. 41 Ямбургского месторождения. Здесь среднеквадратическое отклонение наибольшее (±2,3 %).

Расхождение результатов измерений разными методами одинаковой точности, значительно превышающее погрешность методического характера (±0,5 %), очевидно, объясняется особенностями сравниваемых методик и объекта исследований. При использовании метода насыщения наиболее слабые кусочки керна разрушаются, поэтому при отборе образцов они исключаются из определений. Кроме того, в одной из лабораторий образцы из скв. 111 Бованенковской готовили из влажного керна, который не только менее прочен, но в нем при ручной обработке труднее выделить уплотненную зону. В другой лаборатории образцы готовили в основном из керна в воздушно-сухом состоянии и отбирали преимущественно центральную зону. Расхождение пористости слоистых разностей обусловлено как литологическими неоднородностями, так и более значительной деформированностью керна микрослоистых пород, имеющих различные свойства песчаных и алеврито-глинистых прослоев.

Однородные песчаники Ямбургского месторождения претерпели наибольшие деформации (см. рисунок, в). В основном это связано с их высокими коллекторскими свойствами и очень слабой цементацией. По данным специальных измерений, полное изменение пористости по радиусу керна составляет здесь 10-12% . Поэтому даже при отборе керна из промежуточной и центральной зон возможно расхождение единичных определений на 3-5 %. Однако на рисунке (в) приведены усредненные значения пористости по примыкающим кускам. В этом случае существенное расхождение данных объясняется также различиями в методике отбора образцов. В одной из лабораторий их отбирали преимущественно из промежуточной зоны, в другой - из центральной при хорошей ее сохранности, а при плохой - из промежуточной зоны. В результате, по данным первой лаборатории, пористость коллекции варьирует от 33 до 39 %, по данным второй - от 32 до 40 %. В то же время смещения средних значений не наблюдается, как в бованенковских песчаниках.

По обоим месторождениям в сопоставления не вошло около 20 % образцов: их очень слабая цементация не позволила выполнить измерения методом Преображенского. Поскольку эти образцы имели наилучшие коллекторские свойства, учет данных по ним повысил величину средней пористости по Бованенковскому месторождению на 0,35 %, по Ямбургскому - на 0,5 %. Занижение средней пористости керна из-за недоисследованности слабосцементированных песчаников минимально, потому что они получены для базовых скважин, где обеспечивался максимальный вынос керна и принимались все меры для его сохранности. Там, где этого не сделали, обычно разрушалась большая часть его и соответственно значительнее занижалась средняя пористость.

На образцах керна из скв. 111 Бованенковской, которые парафинировали сразу после отбора на буровой, и керна других скважин, не подвергавшегося сушке, были проведены измерения пористости во влажном и сухом состояниях пород. Во всех образцах пористость уменьшается в результате сушки. Наибольшее изменение (в среднем около 1,5 %) отмечается в слоистых разностях верхней части разреза, представленных линзовидно-слоистым прерывистым чередованием глинистого и песчаного материала (текстура типа «рябчик»). Для песчаников скв. 111 с сохраненной влажностью пористость изменилась в среднем на 0,8 %, для образцов с произвольной водонасыщенностью (вплоть до воздушно-сухих) она уменьшилась на 0,49 % по скв. 111 и на 0,6 % по другим скважинам, керн которых имел худшую сохранность. Изменение пористости пород при сушке происходит в результате эффекта расклинивающего давления водных пленок и вполне очевидно, что его влияние максимально для пород со слабой цементацией. Однако, как было показано выше, попытка учета влияния сушки на среднюю пористость осложняется низкой прочностью влажной породы и менее достоверным выделением уплотненной зоны керна, что может приводить к занижению данных. При построении петрофизических зависимостей этот эффект должен учитываться, поскольку измерение удельного электрического сопротивления проводится на влажных образцах.

По двум скважинам керн отбирали в кернохранилище Карской экспедиции дважды - в 1979 и в 1982 гг. Помещение не отапливалось, поэтому керн неоднократно промерзал и оттаивал. Наиболее глинистые микрослоистые интервалы за три-четыре года хранения практически рассыпались. Песчаники в основном остались целыми. Сопоставление данных по примыкающим образцам показало, что пористость наиболее чистых песчаников увеличилась с 37- 39 до 41-43 %. Изменение ее, вероятнее всего, связано с неоднократными промерзаниями и колебаниями влажности керна. На остальные образцы с более низкой пористостью длительное хранение не повлияло.

Проведенные исследования показали, что метод Мелчера может быть рекомендован для массовых определений открытой пористости слабосцементированных пород. Он расширяет возможности их исследований, позволяя проводить измерения на влажных образцах, а также на образцах со слабой цементацией, которые не удается изучить методом Преображенского. Значительная деформированность керна пород сеномана Западной Сибири отрицательно влияет на достоверность определения пористости и может привести к смещению ее средней величины для залежи преимущественно в сторону занижения. Установлено, что при высушивании керна его пористость уменьшается от 0,5 до 1,5%, а при хранении в неотапливаемом помещении может увеличиваться на 2-3 %.

Поступила 21/VI 1984 г.

Рисунок Графики сопоставления пористости керна, определенной методами Преображенского и Мелчера на одних и тех же образцах (а), на смежных кусках керна скв. 111 Бованенковской (б), на смежных образцах керна скв. 41 Ямбургского месторождения (в).

1- однородные песчаники; 2 - микрослоистые песчаники и алевролиты