ДЖ. ЭСПИТАЛЬЕ, С. ДРОУЕТ, Ф. МАРКУИС (ФИН)*

I. Введение

При проведении научных работ по оценке нефтеносности необходимо решить главный вопрос - протекал ли процесс формирования скоплений УВ в осадочном бассейне. Для образования скоплений УВ требуется несколько условий:

Оценка материнских пород производится постоянно, начиная с общей разведки бассейна, и продолжается по мере разбуривания новых скважин. Характеристика материнских пород устанавливается посредством простых анализов, которые часто называют "ситовым анализом", подобно определению ТОС или пиролизу по Rock-Eval. Однако информация, полученная при помощи этих методов, не позволяет определять временные режимы генерации и эмиграции УВ.

Основная цель моделирования генерации нефти и газа - воссоздать в соответствии с математической логикой эволюцию созревания УВ на протяжении геологического времени. Моделирование - эффективный путь понимания того, как работает "нефтяная система", где и когда нефть и газ образовались, эмигрировали и аккумулировались.

Рабочая станция по оценке нефти ФИН представляет собой прибор Rock-Eval, подсоединенный к компьютеру со специфической памятью, предназначенной для обеспечения:

информации о коллекторах (количество легких и тяжелых нефтей, компонентов NSO) и локализации отложений битума;

II. Описание рабочей станции

Упрощенная диаграмма принципиальной схемы рабочей станции представлена на рис. 1. Она состоит из прибора Rock-Eval (модели 2-5), который подсоединен к компьютеру, оснащенному специфической памятью.

1 - Rockdat. Позволяет атрибутировать (вводить данные) каждый пиролизованный образец для детальной идентификации (бассейн, страна, скважина, глубина, стадия, природа образца, пиролиз и номер образца). Далее предполагается перевод в компьютер параметров, рассчитываемых Rock-Eval - S0, S1, S2, S3, Тmax, TOC, HI, OI, оцифрованных кривых S1, S2, S3, S4 и условий пиролиза (начальная и конечная температуры, скорость нагрева, время изотерм). Используя Rockdat, можно установить действительный интервал температуры пиролизованного образца калибровкой инструмента по стандартным породам. Такая калибровка позволяет определить кинетические параметры по кривым пиролиза.

2 - Rockint. Данное программное обеспечение предназначено для интерпретации данных пиролиза по Rock-Eval, вводимых в компьютер посредством Rockdat. Все эти данные затем можно обработать в памяти Rockint, что делает возможным:

б) корректировку данных, а именно для каждого анализируемого образца моделируются результаты пиролиза и идентификационные параметры и, возможно, вводятся новые, не включающиеся в Rock-Eval (неорганический углерод, отражательная способность витринита). Некоторые параметры, такие как Тmax и S2, могут быть определены механически из пиролизных кривых S2;

в) расчет количества УВ и тяжелых продуктов (смолы, асфальтены), заключенных в коллекторах, ранее пиролизованнных в определенных условиях (изотерма 180 ^oС как минимум 15 мин с последующей запрограммированной температурой до 600^o С при скорости нагрева менее 10^o С/мин);

г) расчет по кривым S2 двух факторов формы (F1 и F2), отражающих основные характеристики типов ОВ. Известно, что по форме пиков S2 можно судить о типе ОВ, имеющегося в породах (Дж. Эспиталье, Борденов, 1993). Специалисту даже простое наблюдение пика S2 по-могает идентифицировать тип ОВ. Для неспециалиста это не так просто. Вот почему была сделана попытка разработать "факторы формы", предназначенные для упрощенной характеристики формы пиков S2 (Крумьер, Эспиталье, 1989). Факторы формы F1 и F2 определяют, используя площадь S2, расположенную между реальными параметрами пиролиза 480 и 530^o С.

Представленные в виде каротажной диаграммы (рис. 2) эти факторы формы помогают интерпретировать изменения состава ОВ как функцию глубины залегания или возраста толщ, пересекаемых стволами скважин. Они совершенно необходимы для характеристики генетического типа ОВ, которое имеет низкий HI (менее 350), что может быть связано с континентальным ОВ или измененным ОВ морского происхождения.

д) распечатку полученных результатов, вычерчивание геохимических диаграмм (рис. 3) и просто диаграмм (рис. 4) с отбором нужных параметров из 9 идентификационных, 27 - полученных из стандартного пиролиза по Rock-Eval и 30 - пиролиза коллектора.

Для вычерчивания диаграмм и корреляции геохимических диаграмм разных скважин образцы должны быть отобраны механически (вручную) или автоматически в соответствии с критериями пиролиза (ТОС, Тmax, S2) или идентификационными критериями (глубина, стадия, природа, образец). Несколько таких выборок, относящихся к одной или нескольким скважинам, можно вычертить на одной и той же диаграмме.

3 - Optkin 1. Данное математическое обеспечение является моделью оптимизации, которая определяет кинетические параметры (набор энергий активизации, арренитовая константа) ОВ в некоторых материнских породах. Такая оптимизация требует для данного образца от 2 до 10 пиролизных кривых, полученных при разных скоростях нагрева (Унгерер, 1984).

4 - Matoil и Genex. Математическое обеспечение Matoil представляет собой цифровую программу для данной скважины, моделирующую историю погружения, термической эволюции и созревания материнских пород относительно глубины и геологического времени. На компьютере рассчитывается количество генерированных УВ (нефть и газ) и временные рамки их генерации. Математическое обеспечение Matoil использует информацию о разуплотнении осадков для реконструкции истории погружения формаций. Рассчитывается вертикальный перенос тепла через колонну осадков. Можно получить автоматическую калибровку теплового потока по отношению к температуре на сегодняшний день. Расход ОВ описывается моделью типа Tissot-Espitalie (параллельно реакциям 1-го порядка), которая рассчитывает первичный крекинг керогена при переходе в нефть, используя результаты Optkin 1. Вторичный крекинг нефти в газ и нерастворимый осадок рассчитывается компьютером с использованием одной кинетической реакции.

Gencx также является одномерной моделью бассейна, включающей погружение толщ, пиротермическую реконструкцию, формирование состава нефтей и их эмиграцию. Состав нефти и газа рассчитывается посредством кинетических распределений состава с учетом способности керогена крекировать первым (первичный крекинг) на четыре класса УВ, где имеются C1, C2-С5, С6-С15 и С15⁺ (Эспиталье и др., 1988). Вторичный крекинг нефти, не эмигрировавшей из некоторых материнских пород, реализуется посредством трех кинетических реакций. В Genex эмиграция нефти моделируется коэффициентом порога насыщения, специфичного для данной материнской породы и который определяется ранее. Результаты, выданные Genex, могут быть сопоставлены с исследуемыми геохимическими данными на Rock-Eval (Tmax, HI, S1/TOC, коэффициент трансформации) и отражательной способностью витринита. Один из наиболее важных результатов Genex связан с историей материнских пород, в которых генерация и эмиграция нефти, рассчитанные на протяжении геологического времени, могут быть сопоставлены со временем образования ловушки.

III. Примеры применения

Эти отложения могут быть причиной содержания воды в продуктивных горизонтах. Вертикальное местоположение уровней таких битумов и их латеральное простирание по коллектору - очень важно при извлечении захваченных в ловушки УВ. Данные битумы обычно растворяются в органических растворителях (хлороформ). В этом случае их обнаружение требует предварительного извлечения из породы растворителем. Полученный экстракт затем разделяют на крупные группы УВ компонентов (УВ, смолы, асфальтены), которые помогают определить количество битума, имеющегося в породе коллектора.

Стандартные методы извлечения обычно трудоемки и дороги. Гораздо быстрее обнаружить компоненты УВ, извлеченные методом "Ятроскен" (извлечение вещества посредством отложения его растворителем на алюминиевых электродах и обнаружение методом пламенной ионизации). Однако для этого требуется несколько операций. Поэтому было сделана попытка создания более быстрого метода (ситового), основанного на использовании пиролиза Rock-Eval.

Принцип метода (пиролиз насыщенной породы-коллектора). Пиролизный анализ на Rock-Eval в умеренных условиях температур (пологая часть изотермы 180 С в течение 15 мин с последующим медленным поднятием температуры при скорости 10°С/мин или менее до 600°С) обеспечивает проведение количественного анализа по всем компонентам УВ (нефть и битум), содержащимся в породе-коллекторе. В таких условиях нагрева насыщенная порода-коллектор, содержащая битум, в момент пиролиза дает S1 пик (здесь обозначенный S1r) и сдвоенный S2 пик (первый обозначен S2a, второй - S2b), показанный ниже (рис. 5). Пики S1r и S2a соответствуют термическому испарению УВ ниже, чем С40 данного образца коллектора, в то время как S2b пик в основном соответствует крекингу смол и асфальтенов (компоненты битумов) пиролизом. Разумеется, что порода-коллектор, не содержащая битума, будет характеризоваться низкими пиками S1r и S2a.

Из рис. 5 видно, что пиролиз тяжелых компонентов (в основном асфальтенов) всегда сопровождается образованием кокса. Его сжигают во 2-й печи окисления Rock-Eval, а производные СO₂ (S4) используют для определения процента остаточного органического углерода в образце (RC), остающегося после пиролиза.

Определение битума на Rock-Eval. Для каждого пиролизного образца математическое обеспечение Rockint определяет полное количество тяжелых продуктов (битумов), содержащееся в образце, включая, помимо УВ компонентов, содержащихся в пике S2b (в мг УВ/г породы), УВ компоненты, представленные образовавшимся коксом; эти компоненты получены из остаточного органического углерода, выделенного из пика S4 (СO₂). Простейшие анализы, проведенные на этом коксе, показывают, что среднее содержание углерода в нем 90%. Количество (Q) смол и асфальтенов (в мг/г породы) равно:

Q = S2b + 10RC/0,9,

где Q - количество NSO (смолы и асфальтены), мг УВ/г породы; 0,9 - средняя пропорция органического углерода в коксе; RC - остаточный углерод (вода), %.

Модель Rockint затем просчитывает все другие результирующие параметры, которые используются для изучения коллектора. Объем битумов, накопленных в коллекторе, может быть определен из количества рассчитанного NSO (рис. 6).

Порода-коллектор, включающая материнские породы. В коллекторах могут присутствовать остатки нерастворимого ОВ (например, обломки углей в коллекторах-песчаниках) или прослои материнской породы, В этих условиях кероген (нерастворенное ОВ) таких остатков или прослои материнской породы могут смешаться с битумами, находившимися в процессе пиролиза, так как компоненты термического крекинга существуют на уровне пика S2b.

В этом случае предполагается, что индекс продуктивности PI = (S1r + S2a)/(Slr + S2a + + S2b), который низок (менее 0,4), указывает на наличие керогена. В этих условиях количество "тяжелых продуктов", полученное из пика S2b кокса, рассматривается Rockint не как количество NSO, а как количество керогена.

Проверка метода. Метод можно проверить, проведя сравнение количества тяжелых компонентов (смолы + асфальтены), извлеченных из керна с помощью такого растворителя, как дихлорметан (табл. 1). Содержание компонентов NSO (смолы + асфальтены), полученное пиролизом, обычно очень близко к количеству, извлеченному стандартным методом (растворитель + сепарация на колонках). Тем не менее в некоторых коллекторах (Элгин, Северное море) мы можем наблюдать битум, который не извлечен стандартными растворителями.

Преимущества метода пиролиза. Метод пиролиза для определения битума имеет два преимущества по сравнению со стандартными методами (растворитель + сепарация): повышенная скорость (автоматика самого инструмента); анализ УВ ниже С15, которые обычно теряются при испарении растворителя. Поэтому этот метод может рассматриваться как быстрый ситовой метод, но тем не менее в сомнительных случаях (наличие керогёна) необходим дальнейший анализ посредством экстрагирования.

Определение кинетических параметров. Математические модели ID (Matoil, Genex), применяемые для моделирования катагенеза и миграции УВ в осадочных бассейнах, в настоящее время широко используются геофизиками, оснащенными персональными компьютерами. Обычно они основываются на кинетических моделях, представленных соответствующими уравнениями 1-го порядка. В них закладывается информация о кинетических параметрах, соответствующих первичному крекингу ОВ материнских пород, а также геологических условиях (погружение и термическая история), в которых эти материнские породы находились.

Методы, используемые для определения этих кинетических параметров, обычно основаны на искусственной зрелости материнских пород в открытой системе со специфическим обнаружением УВ, полученных в процессе пиролиза (Унгерер, 1984; Браун, Берхам, 1982). Но мы знаем, что условия пиролиза и алгоритм, используемый для математической оптимизации, могут отразиться на распределении полученных энергий активации (Джерви, 1981; Нилсен, Даль, 1991; Эспиталье и др., 1993). Эти исследования основаны на результатах, полученных в процессе использования модели Optkin 1, и изучении зрелости материнских пород - при помощи различных типов Rock-Eval (RE2, OSA, RE5). Цель этой статьи дать следующие рекомендации.

1. По условиям пиролиза, для определения кинетических параметров, минимизации их колебаний.

2. Применение этих кинетических параметров для разведки на нефть.

Определение реальных температур пиролиза. Определение кинетических параметров прежде всего потребует знания реальных температур пиролиза образцов (Эспиталье и др., 1993), которое может быть получено путем калибровки инструмента относительно стандартных пород (угли), температуры которых на вершине их пиков S2 определялись заранее посредством термопары, введенной в тигель в период пиролиза.

В табл. 2 даны величины реальных температур трех образцов угля. Эти величины были получены в процессе пиролиза, проведенного при 25 ⁰С/мин в Rock-Eval 5. Стандартизация установления реальных температур проводится при 25 ⁰С/мин с использованием функции "калибровки реальной температуры". Пиролизуются двухкратно 10 мг от каждого угольного стандарта. Программа затем рассчитывает коэффициенты а и b - отношения между реальными температурами этих стандартов и теми, которые выделяются программистом (запрограммированная температура), такие как:

реальная температура = а (запрограммированная температура) + b.

Коэффициент а и, главное, коэффициент b зависят от инструмента и варьируют в соответствии с положением пробы в печи в случае Rock-Eval 2 и инструмента "анализатор нефтяных проявлений".

В приборе Rock-Eval 5 программное обеспечение размещается в стенке печи на уровне образца. Разница в температуре образца и печи (запрограммированная температура) снижается, так же как и температурный градиент в тигле, Микропроцессор также помогает компенсировать разницу температур, которая может появиться в процессе нагрева. В этих условиях коэффициент а выше обозначенного соотношения и практически равен 1, а b - 0. Но со временем необходимо проводить калибровку реальной температуры по принятым стандартам. Измерения, проведенныед при различных скоростях нагрева (30, 15 и 5 ⁰С/мин) посредством термопары, введенной в тигль Rock-Eval 5, показали, что параметры a и b не зависят от скорости нагрева, что позволяет калибровать реальную температуру только при одной скорости нагрева.

Влияние ошибочной калибровки реальной температуры пиролиза на кинетические параметры, В программе Optkin 1 посредством варьирования первоначальной и окончательной реальное температуры кривых S2 в интервале -5 - +5 С, но без изменения скорости нагрева этих кривых, становится возможным проанализировать влияние ошибочных измерений реальных температур пиролиза на сдвиг кинетических параметров (Эспиталье и др., 1993). Результаты для II типа анализируемого керогёна показывают, что параметры распределения энергий активации (величины режима энергии активации и константа А) не подвергаются изменениям температур пика S2, хотя такие изменения достаточно значительны в пределах ± 2 С.

1. Скорость нагрева и вектор газа могут влиять на определение кинетических параметров, изменяя источник и природу УВ, обнаруженных в процессе пиролиза: при скорости нагрева ниже 2 ⁰С/мин тяжелые продукты, сформированные пиролизом, остаются в образце, где они подвергаются вторичному крекингу. Напротив, при повышенных температурах нагрева (> 30° С/мин) УВ улетучиваются, образуя более широкие пики S2. Улетучивание более заметно в условиях вектора азота, чем гелия (пиролиз некоторых керогенов).

2. Масса образца важна для случая Rock-Eval 2 и Анализатора нефтепроявлений, так как имеет место температурный градиент в тигле от основания к корпусу. В целом пиролиз образца происходит при повышенной "запрограммированной температуре" печи, когда масса образца меньше 50 мг. Такое явление не происходит в Rock-Eval 5, где температура в тигле постоянна.

скорости нагревания выбираются в интервале 2-30 С/мин. Комбинация кривых S2, полученных при разных скоростях нагревания при определении кинетических параметров, показывает, что трех скоростей нагревания (30, 15, 5 С/мин) обычно достаточно для их надежного определения (табл. 3). В начале каждого цикла пиролиза образец будет нагреваться при 270 С в течение 10 мин для устранения свободных УВ образца (или оставшихся после извлечения).

Масса образца 10 мг устанавливается для угля и керогена, для пород - 50-100 мг. Во избежание такой значительной разницы в массе между керогеном и образцом пород (Rock-Eval 2 и Анализатор нефтепроявления) 10 мг керогена должны быть перемешаны в тигле с 40 мг инертного минерала (песок, карбонаты). Предпочтительнее вектор гелия, чем азота.

б) степень зрелости, если возможно, должна быть сходной с началом нефтяного окна (Тmax - 420-435 С, Ro - 0,5-0,7%) в основном для серии углей;

в) образцом может служить кероген или порода, если ТОС как минимум выше 1,5%. Для извлечения рекомендуется органический растворитель. Причем образцы пород более предпочтительны, чем кероген.

Контроль результатов. Возможным контролем надежности полученных кинетических параметров может быть распределение энергий активации стандартного образца 55000 (рис. 7). Хотя "абсолютное" кинетическое распределение одного образца неизвестно, в .статье, рассматривается как приемлемое любое распределение, чье Emax находится в пределах 50-52 Ккал/молекул, а постоянная А - 1,3*10¹³ - 1,4*10¹⁴.

Применение для разведки на нефть. 1. В условиях осадочных бассейнов использование кинетических распределений в моделях Matoil и Genex может при отсутствии контроля привести к расхождению около ± 800 м на глубине генерации УВ.

2. . По этой причине необходимо, если возможно, сопоставить результаты, полученные с помощью моделей Matoil и Genex (для заданной материнской породы), с наблюдениями геохимических данных (УВ индекс, коэффициент трансформации) .

Моделирование эмиграции нефти. В модели Genex эмиграция нефти контролируется коэффициентом порога насыщения, который соответствует проценту перового объема, заполненного нефтью непосредственно перед эмиграцией (Унгерер, 1993). Как только достигается величина насыщения, начинается эмиграция и содержание остаточной нефти в материнской породе уменьшается из-за общего влияния уменьшения пористости и плотности.

В действительности наблюдения за остаточными УВ (S1/TOC) относительно глубины для серии материнских пород показали, что для заданного интервала коэффициент эффективности эмиграции (отношение эмигрировавшей нефти к общей генерированной нефти) не зависит от количества генерированной нефти (Эспиталье и др., 1988). Это указывает на то, что эмиграция начинается, как только кероген материнской породы "насыщается" генерированными УВ (Пеппер, 1991). В этих условиях коэффициент порога насыщенности зависит от количества керогена, содержащегося в материнской породе, и должен быть откалиброван под изученные серии. Такая калибровка возможна, если для изучаемых серий эволюция с глубиной остаточных УВ (S1/TOC или содержание битума/ТОC) позволяет достигнуть максимального количества УВ, удерживаемых в керогене перед эмиграцией (рис. 8). Порог насыщения можно определить, используя величину пористости 10 % (обычно достигаемую в начале эмиграции) и среднюю из величин, соответствующих максимальным количествам остаточных УВ (около 10 мг/г ТОС, см. рис. 8). Простой расчет для ТОС средней величины 3% (масса образца) в данном случае дает порог насыщения порядка процента общей пористости. Величины остаточных УВ можно использовать для контроля результатов эмиграции и модификации коэффициента порога насыщения, ранее определенного.

Оценка материнской породы, моделирование временных рамок, генерации и эмиграции нефти и газа, локализация и количественное обоснование отложений битумов в коллекторе - все это важно при проведении разведки на нефть.

Оценка нефтеносности в осадочном бассейне обычно улучшается при использовании комплексного прибора рабочей станции, обеспечивающей применение стандартной техники (Rock-Eval), интерпретацию их результатов, а также моделирование генерации и эмиграции УВ. Определение кинетических параметров ОВ и количества битумов в коллекторах возможно посредством пиролиза Rock-Eval на модифицированном инструменте.

*Статьи из этой рубрики печатаются по материалам докладов русско-французского семинара по новейшим технологическим разработкам в области поиска, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений, проходившего во ВНИГНИ 2-4-марта 1993 г.

Nielsen S.B. and Dahil В., 1991. Confidence limits on kinetic models of primary cracking and implications for the modelling of gydro-carbon generation. Marine Petr. Geology, 8(4):483-492.

Максимальное количество УВ, "удержанных" в керогене перед эмиграцией (в среднем 150 мг/г ТОC), позволяет определить величину порога насыщения, используемого в Genex.