К оглавлению журнала

УДК 553.98.061.4

Данная статья основана на обобщении экспериментальных материалов изучения структурных особенностей, кавернозности и трещиноватости карбонатных рифейских коллекторов Юрубченского газонефтяного месторождения. Полученная дополнительная информация может способствовать уточнению влияния емкостных свойств матрицы пород на величину запасов, что до настоящего времени все еще остается предметом дискуссий (Конторович А.А., Конторович А.Э., Кринин В.А., 1988; Трофимук А.А., 1992).

Эксперименты базировались на методологии, разработанной во ВНИГНИ, и проводились на больших образцах кубической формы (грань 5 см). Для обоснования роли матрицы в формировании фильтрационно-емкостных свойств пород были привлечены: метод ртутной порометрии в широком диапазоне давлений и электронная микроскопия в режиме катодной люминесценции. Определение проницаемости на, кубиках по трем взаимно перпендикулярным направлениям дает возможность выявить главное направление фильтрации флюидов и подтвердить это последующим исследованием трещиноватости при насыщении люминофором.

Достоверная оценка параметров — эффективной емкости различных видов пустот и проницаемости, обусловливающей возможность фильтрации флюидов по пластам, является основной задачей изучения карбонатных отложений рифея. Исследования кернового материала рифейских доломитов показали преобладание в разрезе пород со сложным строением пустот. В этих породах вторичная пустотность определяется емкостью каверн или трещин либо их совокупностью, а фильтрационные свойства — микротрещинами. Необходимо подчеркнуть, что сложный тип коллекторов характеризуется преобладающей ролью вторичной пустотности, образовавшейся главным образом в плотных низкоемких разностях за счет интенсивного проявления процессов выщелачивания. В результате формируется сложное строение пустотного пространства, в котором трудно дифференцировать емкости различных видов пустот. Особенностью таких коллекторов является наличие двух типов фильтрации:

Для сложных типов коллекторов характерно формирование вторичных пустот в плотной непроницаемой матрице, в которой преобладают субкапиллярные поры радиусом 0,1 мкм и менее. Определяющим этапом развития сложных коллекторов является процесс трещинообразования. После создания системы взаимосвязанных открытых трещин начинается образование пустот расширения вдоль полостей трещин, растворение отдельных форменных компонентов и развитие сообщающихся или изолированных каверн. Вследствие многообразия видов пустот при оценке вторичной пустотности возникают трудности, поскольку она отличается неоднородностью и изменчивостью даже в объемах отдельных образцов и пласта в целом. К тому же при исследовании керна небольшого размера стандартными методиками определения пористости и проницаемости по цилиндру получаются недостоверные данные для истинной оценки коллекторов.

Естественно, возникает вопрос — знание каких параметров наиболее необходимо при изучении сложных типов коллекторов? Прежде всего требуется определение вторичной пустотности трещин и каверн; обоснование работоспособности матрицы в процессах фильтрации и наличия в ней пор, содержащих УВ; установление морфологии и количественных параметров трещин; изучение структурных особенностей порового пространства.

Рифейские отложения мощностью 175,5 м вскрыты скв. 39 на глубине 2374,5 м. Вышележащие образования венда залегают на размытой поверхности рифея. Породы рифея отнесены к куюмбинской (R₃kmb, интервал 2374,5-2520,3 м) и долгоктинской (R₃dlg, интервал 2520,3-2550,0 м) толщам. К продуктивной части разреза относятся отложения только куюмбинской толщи, а породы долгоктинской толщи водоносны. Газонефтяной контакт установлен на глубине 2450 м, водонефтяной контакт — на глубине 2496 м. Литолого-физический разрез отражает изменчивость вещественного состава, постседиментационных преобразований, типов пустот в доломитах, а также параметров пористости и проницаемости (рис. 1). На разрезе хорошо видно преобладание горизонтальных и наклонных трещин с раскрытостью от 5 до 75 мкм.

Куюмбинская толща верхнего рифея сложена пластово-строматолитовыми доломитами в виде чередующихся различных по мощности пачек от светло-серого до темно-серого цвета. Доломиты микро- и мелкокристаллические, пятнистые, ромбоэдрические, микроволнистослойчатые, узорчатые (строматолитоморфная текстура). Текстурно-структурные особенности пород отчетливо видны на цветных фотографиях срезов керна. Основное отличие толщи — сильная неоднородность вещественного состава и текстурных особенностей. Присутствуют прослои с явной биоморфной структурой. На поверхностях отдельных микрослоев видны микротрещины усыхания, выполненные среднекристаллическим кальцитом. Строматолитовая текстура подчеркивается развитием более позднего кальцита, который выполняет первичные полости, параллельные напластованию. Встречаются обломочные доломиты с тонкими прослоями слоистых известняков.

Доломиты претерпели значительную перекристаллизацию. Кроме того, они осложнены трещинами. Выделяются вертикальные открытые макротрещины, их плотность невысока. В породах видны горизонтальные и наклонные трещины, короткие, секущие слоистость, открытые или выполненные битумом (образец 8899). Отмечается неравномерное распределение кремнистого вещества в виде кремнистых стяжений или в рассеянном состоянии.

Долгоктинская толща в районе скв. 39 имеет преимущественно карбонатный состав и образует с вышележащей куюмбинской толщей единый массив. Породы представлены вторичными, раннедиагенетическими, микроволнистослоистыми, стромалитоморфными доломитами от светло-серого до темно-серого цвета. По первичным пустотам, расположенным параллельно напластованию, в доломитах развит вторичный среднекристаллический кальцит. Нередко наблюдаются стадии приостановок карбонатонакопления в виде тонких прослоев тонкокристаллического доломита. Встречаются поверхности ожелезнения, эрозионные, осложненные микротрещинами проседания.

Фильтрационно-емкостные свойства доломитов в скв. 39 определяются степенью кавернозности и трещиноватости (табл. 1). Емкость пустот в изученных образцах колеблется в пределах 0,24-0,86 %, она формируется в основном за счет трещин и пустот расширения вдоль полостей трещин. Фильтрационные свойства пород отличаются большей изменчивостью, проницаемость изменяется от 0,001*10^-3 до 9,420*10^-3 мкм² (см. табл. 1). Столь высокий разброс значений проницаемости также объясняется развитием микротрещин, обеспечивающих анизотропию фильтрационных свойств. Хотя большая часть исследованных образцов представлена низкоемкими и практически непроницаемыми доломитами, встречаются породы с проницаемостью, достигающей по горизонтальному направлению (2-9)*10^-3 мкм² (образцы 8906, 8893, 8911, 8913, 8914, 8916). В ряде образцов присутствуют вертикальные трещины, за счет которых проницаемость по первому направлению (поперек напластования) достигает 0,02*10^-3 мкм², однако по скв. 39 они развиты реже.

Фильтрационные характеристики продуктивных отложений рифея изучены на большом числе образцов кубической формы при измерении абсолютной газопроницаемости в трех взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. 2 показано изменение газопроницаемости в двухвзаимно перпендикулярных направлениях. Расположение точек вблизи линий равных значений фиксирует изотропию фильтрационных характеристик, обычную для трещиноватых разностей, которые отличаются развитием системы разноориентированных трещин, определяющих проницаемость в горизонтальном и вертикальном направлениях. Смещение точек вниз либо вверх от этой линии указывает на наличие анизотропии фильтрационных свойств, характерной для коллекторов сложных типов. Измеренные значения проницаемости изменяются в широких пределах — от 0,001*10^-3 до (10-20)*10^-3 мкм², реже более. В одном образце проницаемость достигла 1 мкм² за счет развития сквозной каверны. Анализ смещений точек относительно линии равных значений показал, что для образцов из продуктивных отложений типична резкая анизотропия фильтрационных свойств. Большая часть точек легла на ось абсцисс, что объясняется преимущественным сохранением горизонтально ориентированных трещин. В нескольких образцах были установлены существенные значения проницаемости как вдоль, так и поперек напластования.

Изучение структурных характеристик образцов рифейских доломитов проводилось методом ртутной порометрии, который дает объемную характеристику геометрии пустот в породе. Результаты исследований приведены в виде гистограмм и сведены в табл. 2, из которой видно, что в доломитах в основном преобладают субкапиллярные поры радиусом менее 0,1 мкм, их содержание изменяется от 41,7 до 98,2 %. В кавернозных разностях содержание субкапиллярных пор снижается до 35 %, а средний радиус всей совокупности пор возрастает до 0,375 мкм. Для низкоемких образцов из скв. 39, 61 характерно наличие участков, на которых не зафиксированы поры данного размера, гистограмма имеет вид отдельных столбиков, особенно при радиусах поровых каналов более 0,1 мкм. Такой вид кривых типичен для трещиноватых разностей, разрозненные участки соответствуют микротрещинам. По расположению отдельных интервалов на гистограмме можно получить оценку раскрытости микротрещин.

На рис. 3 показаны гистограммы распределения пустотного пространства по образцам 8893 и 8900 (скв. 39), представленным строматолитовыми трещиноватыми доломитами. В образце 8893 диапазон радиусов пор составил 0,007-0,170 мкм, а раскрытость микротрещин — 0,5-2,0 мкм. В образце 8900 трещины более тонкие, раскрытость 0,75-1,00 мкм (см. табл. 2).

По структуре пустотного пространства образцы 8654, 8656 скв. 61 имеют много общего. Фиксируется наличие микротрещин раскрытостью 1,0-13,5 мкм. Диапазон изменения основной массы поровых каналов составляет 0,01-0,05 мкм. Средний радиус всей совокупности пор — 0,0156 мкм, содержание пор радиусом менее 0,1 мкм - 76 %.

Существенно другую картину можно наблюдать на порометрических гистограммах (рис. 4) результатов изучения структуры кавернозных разностей доломитов (скв. 55, 56). В пустотном пространстве преобладают округлые вторичные пустоты выщелачивания. Наличие большого числа пор радиусом более 0,1 мкм позволило построить на гистограммах кривые долевого участия пор в фильтрации и оценить средний радиус фильтрующих каналов. Видно, что фильтрация осуществляется в основном по каналам радиусом более 1 мкм и кавернам размером 5-40 мкм.

В сильно кавернозных разностях за счет интенсивного выщелачивания и трещиноватости создаются пористые зоны, например, в образце 8816 (см. рис. 4) пористость достигает 10 %, а фильтрация по этим пористым участкам протекает за счет хорошей сообщаемости пустот.

Средний радиус всей совокупности пор равен 0,1 мкм, а средний радиус пор, участвующих в фильтрации, достигает 8 мкм при содержании в породе более 24 %. Эти породы аналогичны пористым разностям. Здесь очень важно учитывать особенности распределения радиусов каналов пустотного пространства, выявляемые при насыщении его люминофором, которые доказывают развитие вторичной емкости. По величине пористости и проницаемости эти породы можно отнести к поровым коллекторам, хотя это не отражает их истинную природу.

Каверны продуктивной толщи рифея встречаются нередко, но степень их выявления невелика. Преимущественно развиты целые серии каверн, соединяющиеся сетью хорошо фильтрующих микротрещин, сужений и каналов, так что проницаемость может достигать 0,5 мкм² и выше. Форма каверн разнообразная: от округлых, овальных вплоть до щелевидных, размер — от первых миллиметров до 0,5х10 см. Это максимально возможные размеры, которые можно зафиксировать в керне. Однако в природных пластах вполне могут иметь место пустоты выщелачивания размером более 80 мм, вплоть до уровня крупных пустот. Косвенным доказательством наличия таких пустот могут служить случаи провала бурового инструмента и катастрофические поглощения промывочной жидкости.

Кавернозность, интенсивно развитая в доломитах рифея, имеет очень большое значение для оценки емкостных свойств изучаемых отложений. Она является вторичной пустотностью, образовавшейся за счет выноса кальцитового материала из полостей трещин и селективного выщелачивания отдельных гнезд и стяжений. Каверны присутствуют спорадически, размеры и форма их непостоянны. В некоторых разностях емкость единичных каверн достигает 15 см³, это крупные округлые или удлиненной формы пустоты, приуроченные к широким вертикальным трещинам. В настоящее время наиболее достоверным методом можно считать выделение этих пустот при макроописании керна. Например, в отложениях рифея в нефтенасыщенной части разреза скв. 28 кавернозность развита повсеместно. Однако при изучении керна она сохраняется значительно хуже.

О развитии каверн в продуктивной толще рифея по площади резервуара нельзя сделать однозначный вывод, поскольку при изучении керна в ряде скважин (скв. 39, 61, 106) не встречено разностей с ярко выраженной кавернозностью, тогда как в других (скв. 18, 28, 55 и др.) они широко распространены. В то же время наличие крупных вторичных кристаллов, чаще доломитов, окаймляющих полости палеокаверн, служит доказательством процесса выщелачивания, который протекал многократно на различных этапах преобразования рифейских отложений. Эта особенность, характерная для рифейских доломитов Юрубченского месторождения, на фотографиях шлифов проявляется особенно четко (рис. 5). Средняя величина емкости каверн не менее 2,5 %.

Морфология каверн хорошо видна при использовании сканирующей электронной микроскопии в режиме катодолюминесценции (СМЭк). По данным СМЭк эти каверны отличаются удлиненной, изометричной, но чаще сложной формой с неровными угловатыми очертаниями, что обусловлено инкрустацией стенок пор крупными кристаллами кальцита и доломита. Нередко развиты крупные каверны, размер которых превосходит возможности электронной микроскопии, они занимают все поле снимка (рис. 6). Белым цветом выделяются каверны в плотной непроницаемой матрице. Черный фон доказывает отсутствие пор в матрице. На этом же рис. 6 показано наличие открытых микротрещин в плотной непроницаемой матрице.

Пористо-кавернозные породы отличаются характером связи каверн между собой, приведшим к существенно различной проницаемости. Слабая сообщаемость каверн в образце 8105 (см. табл. 2) обусловила практическое отсутствие проницаемости по всем трем направлениям. Это является особенностью кавернозных разностей. Данные порометрических исследований показывают, что в этом образце 57,3 % занимают поры радиусом менее 0,1 мкм.

Интенсивность развития открытых трещин в доломитах весьма дифференцирована. В отдельных интервалах продуктивных отложений преобладающе развиты плотные разности почти без трещин, в других установлена система взаимосвязанных трещин различной степени раскрытости. Фотографии образцов, насыщенных люминофором, выявляют сложную морфологию трещин (рис. 7).

Раскрытие субкапиллярных трещин радиусом 0,7-1,0 мкм определяется только по порометрической кривой, поскольку минимальные значения выявляемости дефектов при пропитке люминофором равны 1 мкм. Особенно сложно выявить угловые трещины, которые лишь частично видны на фотоснимках образцов, пропитанных люминофором. Они играют большую роль в пластах, обеспечивая фильтрацию и сообщаемость секущих вертикальных трещин (образцы 8894,8902).

Особенности морфологии трещин, развитых в рифейских доломитах, заключаются в развитии системы взаимосообщающихся трещин, обеспечивающих проницаемость в вертикальном и горизонтальном направлениях (см. рис. 7). Вдоль трещин отмечены многочисленные пустоты выщелачивания, что приводит к сильному изменению раскрытости трещин. Протяженные секущие трещины осложнены короткими трещинами чаще наклонной ориентировки. Вертикальные трещины, как правило, длинные, секущие с наличием крупных каверн (более 2,5х2,0 см), внутренние полости которых частично выполнены крупнокристаллическим доломитом последней генерации, что препятствует проявлению процесса смыкания. Длина трещин 12 см и более, раскрытость от 1 до 10 мм. Надо отметить, что наблюдаются два типа трещин вертикальной ориентировки.

Первые — трещины "сжатия" — возникают за счет напряженного состояния массива, обусловливающего растрескивание керна после его подъема. Это выражается в выносе керна в виде мелких и крупных обломков и невозможности в ряде случаев выпилить кубик при обработке доломитов.

Вторая разновидность — это вертикальные широкие, но редкие секущие трещины, которые заполнены углеводородом и являются эффективными. Вдоль полостей трещин развиты крупные каверны. Емкость собственно каверн в ряде случаев превышает 5 см³, в пласте вероятны более высокие значения полезной емкости. Эти протяженные вертикальные и наклонные трещины обеспечивают фильтрацию флюидов. Особенность развития трещин в доломитах рифея заключается в удалении трещин друг от друга, этот "широкий шаг" трещин в 3-5 см определяет сложность их выявления даже на кубиках больших размеров. Это четко проявляется при анализе вертикальных трещин с большой раскрытостью до 1 см. На плоскостях таких секущих протяженных трещин всегда отмечается рост крупных кристаллов доломитов. Это доказывает, что они длительное время были открытыми. Наличие зон поглощения и провалов инструмента, безусловно, связано с развитием карстовых полостей и зон интенсивной трещиноватости.

Горизонтальные трещины выявляются в большом числе образцов, они извилистые, прямолинейные и длинные, характеризуются непостоянством раскрытости от 5-10 до 25 мкм, в среднем фильтрующие трещины имеют раскрытость 10-15 мкм (табл. 3). Их наличие практически во всех образцах проявляется в резком увеличении проницаемости в параллельном направлении. Они также значительно удалены друг от друга, но расстояние сокращается до 1-2 см. Полости трещин, как правило, расширены за счет выщелачивания, что определяет непостоянство раскрытости. Эти трещины можно отнести к трещинам последней генерации. Обычно они осложнены более короткими извилистыми трещинами наклонной ориентировки (см. рис. 1). В доломитах скв. 39 наблюдается резкая анизотропия фильтрационных свойств за счет развития трещин, преимущественно горизонтальных. В большинстве образцов трещины отличаются небольшой раскрытостью 5-10 мкм, а породы обладают низкими емкостными свойствами (см. табл. 3). Поверхностная плотность в единичных образцах достигает в среднем 1,17 см/см². Особенно опасна высокая трещиноватость пород в зоне водонефтяного контакта (образцы 8914, 8916), которую следует учитывать при испытании.

Выявленные трещины имеют различный генезис и формировались в разное время. Вертикальные трещины, на плоскостях скола которых отмечается рост новых крупных кристаллов доломита, без сомнения, относятся к наиболее ранней генерации. На первой стадии возникновения они длительное время оставались открытыми и определяли пути фильтрации флюидов. Несмотря на частичное их заполнение новообразованными кристаллами, они сохраняют фильтрационные свойства и определяют проводимость флюидов в вертикальном направлении.

1. Продуктивная толща рифея представлена широким спектром доломитов с различными текстурными и структурными свойствами. Характерной особенностью являются сильное и неравномерное окремнение пород и высокая степень перекристаллизации доломитов. Крупнокристаллический доломит последней генерации не полностью инкрустирует каверны и полости трещин.

2. Матрица пород плотная, практически непористая и непроницаемая, следовательно, эффективный объем нефти и газа обеспечивается вторичной пустотностью: трещинами, полостями выщелачивания по трещинам и собственно кавернами. В матрице преобладают (50-90 %) субкапиллярные поры радиусом менее 0,1 мкм.

3. Продуктивные отложения Юрубченского месторождения характеризуются интенсивно развитой трещиноватостью; повышенное растрескивание пород в вертикальном и горизонтальном направлениях связано с наличием кремнистого вещества. Большую роль играет развитие кавернозности, за счет которой существенно повышается эффективная емкость доломитов. Особенностью развития трещиноватости доломитов рифея является редкое расположение трещин ("широкий шаг" трещин). Наиболее часто горизонтальные трещины располагаются в 1-2 см друг от друга и более, вертикальные трещины — в 3-5 см.

4. Вся продуктивная толща рифейских отложений является эффективной, поскольку в ней развиты преимущественно трещинныи и каверново-трещинный типы коллекторов, не исключена возможность развития крупных полостей, заполненных нефтью. Среднее значение емкости 1,1 % не является завышенным, так как все трещины отличаются развитием полостей выщелачивания и мелких каверн. Среднее значение емкости с учетом кавернозных разностей — 2,5 %, пределы изменения — 4,5-5,5 %.

Оценка содержания остаточной воды в низкоемких и низкопроницаемых доломитах рифея некорректна, так как в продуктивной толще отсутствует поровый тип коллекторов. Субкапиллярные поры матрицы радиусом 0,1 мкм могут содержать лишь пленочную ("кристаллическую") воду, которая не имеет никакого отношения к оценке полезной емкости коллекторов.

1 — строматолитовые доломиты; вторичные изменения: 2 — перекристаллизация, 3 — кальцитизаиия, 4 — окремнение; 5 — каверны в плотной матрице; б — трещины; 7 — ориентировка трещин: а — вертикальные, б — горизонтальные, в — наклонные; в — морфология трещин: а — прямые, б — извилистые, в — ветвящиеся; 9 — раздробленность керна: а — мелкие обломки, б — средние обломки, в — крупные обломки; кривые: 10 — емкости трещин и пор, 11 — абсолютной газопроницаемости, 12 — поверхностной плотности трещин, 13 — раскрытости трещин

Коллектор: 1 — каверново-трещинный, 2 — трещинный (скв. 4 Выдрешевская, 25, 28), 3 — трещинный (скв. 39, 61, 106)

1 — радиусы поровых каналов, определяющих фильтрацию. Параметры образцов см. в табл. 2, 3 и тексте

Усл. обозначения см. на рис. 3

А — доломит кремнистый, разнозернистый, кавернозный; скв. 25, глубина 2312,5 м; Б — доломит обломочный, перекристаллизованный, трещиноватый; скв. 106, глубина 2421,0 м

Емкость трещин — 1,4 %; проницаемость, 10 мкм : / — 0,62; // — 1,11; ///— 0,73; поверхностная плотность трещин, см/см²: / — 1,28; // — 1,04; /// — 1,72; IV — 1,36; V — 0,92; VI— 0,96; средняя — 1,21; раскрытость трещин, мкм: минимальная — 7; максимальная — 62,5; средняя — 25; фильтрующих трещин — 12,5­; 25 ®