К оглавлению

УДК 624.131.54:551.263.037:552.5

Деформационная неоднородность вулканогенно-осадочных пород и их реологические особенности

В.Б. АЛЕКСАНДРОВ, А.О. НАНАДЗЕ (Грузнефть), И.Г. МЕЛИКИДЗЕ (ИГМ АН ГССР), М.Э. ГРИНБЕРГ (Грузнефтегеофизика)

Для решения некоторых важных геолого-промысловых задач при разработке нефтяных месторождений необходимо знать деформационную неоднородность пород-коллекторов [1]. При высоких давлениях и температурах, соответствующих большим глубинам залегания многих нефтяных месторождений, особенно, когда напряжения превосходят предел упругости пород, неоднородность деформационных свойств последних в значительной мере усиливается явлениями вязкого и квазивязкого течений диффузионного и разрывного характера. Поэтому математическое описание процессов деформирования неоднородных пород наряду с законами упругости учитывает их реологические особенности [5].

Результаты геолого-геофизического изучения условий вскрытия вулканогенно-осадочных пород-коллекторов среднего эоцена в Притбилисском районе свидетельствует о том, что на качество вскрытия существенно влияет изменение деформационных свойств пород, и в частности их реологические особенности [9].

В настоящее время свойства вулканогенно-осадочных пород-коллекторов среднего эоцена достаточно полно изучены по их литологическому составу и эффективной емкости. Петрофизическая модель среднеэоценового коллектора, представленного туфами, туффитами, туфогенными песчаниками, туфо-аргиллитами и т. д., характеризуется наличием низкопроницаемой матрицы, рассеченной преимущественно вертикальной системой трещин на отдельные блоки [12]. Матрица сложена как пирокластическим материалом, представленным вулканическим стеклом и полевыми шпатами, так и осадочным, содержанием кварц и глинистые минералы. При микроскопическом исследовании, установлено, что по матрице развиты открытые микротрещины, как правило, слабоизвилистые, ветвящиеся, прерывистые. Ширина их в блоках 8-16, реже 30 мкм. Важная особенность матрицы - значительные вторичные изменения, наблюдаемые в вулканическом стекле и полевых шпатах почти во всех литологических разностях пород, при этом преобладают вторичные минералы группы хлоритов и цеолитов, содержащие большое количество связанной воды. Проявление вторичного минералообразования (хлоритизация, цеолитизация и т. д.) определяет особенности петрофизической модели вулканогенноосадочных пород среднего эоцена, которые в свою очередь влияют на изменчивость их деформационных параметров.

Известно, что горные породы деформируются главным образом хрупко и квазихрупко, когда материал проявляет пластические свойства. Общее разрушение материала среды в этом случае происходит при достижении средним напряжением «местной» прочности самого «дефектного» участка, каким может оказаться объем породы с наличием микротрещин. Согласно статистической теории прочности [2], такие микротрещины стохастически распределены по всему объему горных пород, что обычно бывает вызвано неоднородностью их структуры, последствиями тектонических явлений и вторичными изменениями пород.

В теории хрупкого разрушения [11] прочность хрупкого тела с трещиной диаметром d определяется по формуле

Значения модуля упругости Е и коэффициента Пуассонаа также плотность средыхарактеризуют скорости распространения объемных упругих волн. Если использовать методы динамической теории упругости и механики сплошных сред [10], то для однородной и изотропной упругой среды (керн при акустических исследованиях) скорость распространения продольных волн vp может быть выражена уравнением

При совместном решении равенств (1) и (2) прочность пород теоретически можно выразить через vp

)

где- коэффициент сжимаемости пород.

Выражение (3) свидетельствует о том, что- комплексная функция, зависящая как от акустической жесткости так и отряда деформационных параметровдля определения которых также используется vp.

Поскольку теоретически сложно учесть влияние большого количества рассмотренных случайных факторов, существующих в реальных природных условиях, на функциональную зависимость (3), для изучения связи использовали аппарат теории вероятностей и математической статистики. В работе [3] показано, что при отсутствии прямой функциональной связи между существует достаточно тесная корреляционная связь типа. Для выявления последней между vp и пределами прочности вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена при одноосном сжатиирастяжении и сдвигебыли использованы значения этих параметров, определенные в Институте горной механики АН ГССР по керну разведочных скважин в Притбилисском районе [6].

Скорость vр и пределы прочности исследовали по стандартным методикам на одних и тех же, взятых в одинаковых условиях разновидностях пород. Всего для указанных параметров выполнено 442 определения. С целью исключения неизбежных ошибок при испытаниях за окончательный результат измерений принималось среднее арифметическое значение параметров по каждой разновидности пород.

Сводные результаты измерений приведены на рис. 1 в виде полей корреляции средних значений. Анализ указанных полей подтверждает надежную линейную корреляционную связь между этими параметрами . Методом наименьших квадратов выведены уравнения регрессии (табл. 1), графики которых также приводятся на рис. 1. Большинство экспериментальных точек расположилось в пределах четко выраженных узких полос, которые ограничены пунктирными линиями, проведенными на уровне. Эти полосы в пределах доверительных границ ±d (см. табл. 1), рассчитанных по среднему квадратическому отклонению, отражают наличие экспоненциальной модели изменения прочностных свойств для всей совокупности вулканогенноосадочных пород среднего эоцена. Теснота приведенных связей в модели оценивается коэффициентами корреляции 0,907, 0,878 и 0,981 соответственно для уравнений регрессии (1)-(3) (см. табл. 1).

При определении генетического единства модели деформационных свойств горных пород важное значение имеют критерии прочности Попарное решение уравнений (1) и (2), (3) и (2) (см. табл. 1) применительно к указанным критериям дает их значения для вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена:= 13,10±0,28, а=2,32±0,04. Относительно малые величины пределов их изменения (2,13 % дляи 1,76% для) свидетельствуют о генетическом единстве экспоненциальной модели деформационных свойств вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена. В качестве статистического критерия адекватности и надежности полученной модели использовали критерий Стьюдента, который указывает на реальность установленных связей на уровне значимости 0,01.

Таким образом, результаты исследований позволяют рассматривать корреляционную связь междувулканогенно-осадочных пород как вполне достоверную и использовать подобные связи в качестве основы для оценки деформационной неоднородности пород среднего эоцена и их реологических особенностей. Однако следует учитывать, что в этих породах будут проявляться и некоторые отклонения от приведенных в табл. 1 уравнений связи, которые могут зависеть от различных условий бурения и технологии отбора керна. Например, при исследовании 31 образца в оценочной скв. 32 на месторождении Телети получили зависимость, по которой (см. уравнение (4), табл. 1) можно судить о некотором снижении  вулканогенно-осадочных пород в пределах разреза среднего эоцена, пройденного со сплошным отбором керна в интервале 655-1142 м.

В скв. 32 был проведен акустический каротаж с замером интервальных vp на тех же глубинах, где были отобраны образцы пород для испытания на прочность при одноосном сжатии и лабораторных измерений vр. Это позволило выявить характер кумулятивного распределения vр в пределах вскрытой толщи и сопоставить их с корреляционной зависимостью (4) - путем построения сдвоенной номограммы (рис. 2), которая помогает проанализировать деформационную неоднородность вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена. Расчет можно выполнить по номограмме путем горизонтального переноса значений  на прямую зависимости (4), а затем по вертикали на кумулятивную кривую распределения vр, по которой и находят вероятность присутствия в разрезе пород, относящихся к тому или иному классу с характерными деформационными свойствами.

По данным сопоставления и анализа прочностных свойств вулканогенноосадочных пород среднего эоцена и результатам исследований параметров пластичности [6] уточнена классификация основных деформационных и реологических свойств. По последним (табл. 2) разрез отложений среднего эоцена обладает существенной неоднородностью, особенностью которой является наличие группы пород с ярко выраженными пластическими характеристиками. Это туффиты пелитовые и кристаллические туфы с глинистым цементом, туфы литокристаллокластические с хлоритизированным цементом, туфы цеолитизированные, т.е. породы, подверженные постседиментационному изменению эффузивного материала с образованием повышенной концентрации минералов, в состав которых входит кристаллизационная и конституционная вода, способствующая образованию прочностных дефектов [8]. Присутствие таких минералов повышает условную глинистость (УГ) пород указанной группы [9]. Она способствует проявлению вязкого и квазивязкого течений диффузионного и разрывного характера, в результате чего породы имеют высокую степень пластичности и небольшие пределы текучести (см. табл. 2). Им соответствуют низкие величины пределов прочности при одноосном сжатии .

Значение последнего показателя может быть использовано для количественного анализа деформационной неоднородности вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена. Проведенный по номограмме (см. рис. 2) такой анализ свидетельствует о том, что вероятность наличия пластичных пород в разрезе среднего эоцена на примере скв. 32 месторождения Телети не превышает 10 %. Следовательно, деформационная неоднородность разреза обусловлена в основном группой упругих пород, что неблагоприятно сказывается на гидродинамической связи пласта с добывающими скважинами в пределах интервалов вскрытия, так как возникающие на контуре выработки дополнительные напряжения приводят к смыканию трещин.

Однако развитие пластических свойств вулканогенно-осадочных пород при деформировании во время вскрытия их скважинами создает предпосылки для проявления эффекта пластического разрыхления [7], которое физически объясняется как процесс образования в породе микропустот, а также уменьшения местных напряжений (горного давления) вблизи ствола скважины [4]. Эта реологическая особенность пород с пластическими свойствами - основной фактор, обеспечивающий увеличение их пористости около открытого ствола добывающей скважины и его эффективную связь с продуктивным пластом. Комплексные геолого-геофизические исследования условий вскрытия вулканогенно-осадочных пород подтверждают [9] такой подход к оценке деформационной неоднородности. В частности, в приведенной работе отмечалось, что формирование зон притоков в добывающие скважины происходит в пределах узких интервалов присутствия пород с повышенной УГ, т.е. с развитыми пластическими свойствами, которые проявляются по толщине пласта в основном в пределах 1,2 - 10%.

Показательны в этом отношении результаты исследования добывающей скв. 67 на месторождении Самгори-Патардзеули. Неоднократные потокометрические замеры в открытом стволе этой скважины термокондуктивным методом фиксируют наличие всего двух интервалов притока (2452-2454 м и 2493-2499 м) при общей толщине вскрытой продуктивной части пласта 234 м. Результаты обработки детальных геофизических исследований (рис. 3) свидетельствуют, что интервал притока 2452-2454 м формируется в пределах развития пластических пород с высокой УГ (Куг=0,75), которые отличаются повышенными значениями вторичной пористости (13%), хотя пористость остальной части разреза, представленной упругими породами, не более 1,3%. Подробнее методика и результаты таких исследований изложены в работе [9].

Таким образом, наличие деформационной неоднородности вулканогенноосадочных пород и проявление их реологических свойств определяют характер формирования зон притока в добывающие скважины, а это дает ценные сведения для понимания естественного процесса формирования гидродинамической связи добывающих скважин с продуктивным пластом. Такая информация в комплексе с результатами интерпретации геолого-геофизических данных создает основу для практических выводов и обоснования технологических решений при вскрытии вулканогенно-осадочных коллекторов в различных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Викторин В.Д., Лыков Н.А. Неоднородность карбонатных коллекторов по упругомеханическим свойствам.- Нефтепромысловое дело, 1975, № 2, с. 12-16.

2.     Волков С.Д. Статистическая теория прочности. Свердловск, Гостехиздат, 1960.

3.     Голубев А.А., Рабинович Г.Я. Результаты применения аппаратуры акустического каротажа для определения прочностных свойств горных пород на месторождениях твердых полезных ископаемых.- Разведочная геофизика. М., Недра, 1976, вып. 73, с. 109-116.

4.     Желтов Ю.П. Деформация горных пород. М., Недра, 1966.

5.     Зубков С.И. Обобщенная реологическая модель горных пород,- ДАН СССР, 1969, т. 185, № 4, с. 813-815.

6.     Исследование физико-технологических свойств горных пород Притбилисского нефтеносного района / И.Г. Меликидзе, В.Б. Александров, М.Т. Ткемаладзе и др.- В кн.: Свойства и разрушение горных пород. Мешниереба, Тбилиси, 1979, с. 55-70.

7.     Новожилов В.В. О пластическом разрыхлении.- Прикладная математика и механика. М., Недра, 1965, т. 29, вып. 4, с. 681-689.

8.     Пархоменко Э.Н., Бондаренко А.Т. Влияние процесса дегидратации на комплекс физических параметров образцов горных пород при высоких давлениях и температурах.- В кн.: Физика очага землетрясения. М., 1975, с. 140-151.

9.     Результаты геолого-геофизического изучения условий вскрытия вулканогенно-осадочных коллекторов / В.Б. Александров, Ю.Л. Жетлухин, А.О. Нанадзе и др.- Геология нефти и газа, 1980, № 9, с. 19-25.

10.     Савин А.И., Ященко 3.Г. Исследование упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М., Недра, 1979.

11.    Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М., Наука, 1974.

12.     Шнурман Г.А., Крылов О.В. Методика определения литологического состава и эффективной емкости вулканогенно-осадочных коллекторов по данным промысловой геофизики.- Нефтегаз, геол. и геофиз., 1981, № 5, с. 21-26.

 

Таблица 1

Количество образцов пород

Количество средних значений параметров

Уравнение регрессии

Коэффициент корреляции

Доверительные границы

202

24

0,907

±0,060+0,138

164

23

0,878

±0,074+0,173

76

14

0,921

±0,091+0,195

31

-

0,877

-

 

 Таблица 2

Классы

Степень пластичности (средний коэффициент пластичности по Шрейнеру Кш)

Характеристика породы (максимальное количество образцов)

Средние значения параметров

, МПа

Кш(по . опытным данным)

Предел текучести Ро. МПа

Показатель вязкости h*106, МПа

II

Хрупкопластичные (2)

Туф кристаллокластический, псаммитовый, туффит литокристаллокластический, алевропелитовый, карбонатизированный (51)

125,5

1,90

-

6,24

2,09

III

Пластичнохрупкие (3)

Туф литокристаллокластический, алевропсаммитовый и кристаллокластический, алевропелитовый, туффит алевропелитовый, туфоаргиллит, туфопесчаник мелкозернистый (54)

112,2

2,37

947

5,83

2,05

IV, V

Пластичные (5)

Туф литокристаллокластический, цеолитизированный или глинистый, туффит пелитовый, туфомергель, туфопесчаник крупнозернистый (45)

61,2

3,56

463

4,00

1,78

VI

Не дающие разрушения

Туф литокристаллокластический цеолитизированный (22)

36,5

∞

162

1,99

1,56

 

Рис. 1. Корреляционная зависимость пределов прочности вулканогенно-осадочных пород на сжатие растяжение и сдвигот значений скорости продольных акустических волн

 

 

Рис. 2. Номограмма количественного определения деформационной неоднородности вулканогенно-осадочных пород в разрезе среднего эоцена для скв. 32

 

Рис. 3. Пример промыслово-геофизического исследования зон притока по добывающей скв. 67.

 

1 - литокристаллокластический туф; 2 - туфомергели, 3 - интервалы туфов с УГ; 4 - интервалы с развитой вторичной пористостью в туфах, 5 - зоны притока