Технология повышения информативности данных ГИС с целью выделения зон наложенного эпигенеза в песчаниках-коллекторах

И.А. Мельник

ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ ДАННЫХ ГИС С ЦЕЛЬЮ ВЫДЕЛЕНИЯ ЗОН НАЛОЖЕННОГО ЭПИГЕНЕЗА В ПЕСЧАНИКАХ-КОЛЛЕКТОРАХ

Показан алгоритм вычисления концентраций железа, бора, калия и кремния, по данным ГИС, в песчаниках-коллекторах Западно-Сибирской провинции. Обоснована возможность выделения зон наложенного эпигенеза на границе раздела нефть - вода на основе корреляционного анализа концентраций железа, бора, калия, кремния и данных общей пористости и УЭС.

Миграционные процессы флюидов в осадочном бассейне на поздних, инверсионных этапах развития обусловливают процессы наложенного эпигенеза, являющиеся индикатором условий образования продуктивных отложений. В случае заполнения коллектора углеводородами (УВ) с последующим вытеснением вод, на границе раздела нефть - вода меняются окислительновосстановительные условия, происходит битуминизация, карбонатизация и глинизация пласта. На водонефтяных контактах всегда образуются трехслойные глинистые минералы (гидрослюды) [1].

Согласно традиционной технологии, по данным геофизических исследований скважин (ГИС), удельное электрическое сопротивление (УЭС) водонефтенасыщенных пластов определяется минерализацией, характером и степенью насыщения флюидов, температурой, пористостью, глинистостью и текстурно-структурным строением изучаемых коллекторов. Характерно, что на УЭС исследуемых коллекторов оказывают влияние токопроводящие минералы (пирит), часто образующие в зоне наложенного эпигенеза, к тому же электрическое сопротивление пласта зависит от содержания калиевых гидрослюд и степени их деградации, в процессе которой ионы калия участвуют в проводимости пласта. В свою очередь, наличие в породе тонкодисперсных деградированных гидрослюд, окисленных хлоритов и гидратированных биотитов обусловливает понижение УЭС пласта [2, 3].

Известно, что некоторые петрофизические величины, например карбонатность и глинистость, связаны с кальцием, железом (при седиритизации) и бором. Прохождение таких эпигенетических процессов, как ок-ремнение, пелитизация и каолинизация обусловлено изменением содержания кремния, калия и натрия.

Соответственно, если определить концентрации железа, калия, кремния и бора, а также УЭС и пористость пласта-песчаника, то можно, применив корреляционный анализ перечисленных параметров, определить вероятность того либо иного процесса, обусловленного наложенным эпигенезом, происходящим в исследуемом интервале.

Для этой цели на базе данных ГИС, а именно нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (НКТ), гамма-каротажа (ГК), метода потенциалов собственной поляризации (ПС), общей пористости, плотности, минерализации пластовых вод и среднего содержания химических элементов песчаников исследуемого района Западно-Сибирской провинции, разработан математический алгоритм вычисления концентраций железа, бора, кремния и калия в разрезе скважины исследуемых пластов-песчаников [4, 5].

Краткое описание математической модели

определения концентраций железа, бора, калия и кремния на базе данных ГИС

Известно, что нейтронные методы хорошо коррелируют с водородсодержанием (общей пористостью) вследствие аномально замедляющих способностей водорода (малое отличие масс нейтрона и ядра водорода). Если смоделировать процесс взаимодействия излучения и вещества с учетом влияния общей пористости (т^) и плотности (р), то появляется возможность определить коэффициент влияния химических элементов на показание НКТ. Длина замедления быстрых нейтронов в большей степени зависит от общей пористости, а длина диффузии тепловых нейтронов L¿ для песчаника еще зависит и от поглощающей способности вещества. Для коллекторов-песчаников определяют полуэмпирические зависимости [6]:

ь=р^,

а длину диффузии, зависящую и от температуры (Т) и макроскопического сечения поглощения тепловых нейтронов (Еа), определяют уравнением:

-7ЕЖ

где И, g, р, у - эмпирические коэффициенты, зависящие от литологии пласта.

В двухгрупповом диффузионном приближении (Д.А. Кожевников), при описании пространственного распределения тепловых нейтронов от точечного источника быстрых нейтронов, уравнение зависимости потока от расстояния (г) принимает следующий вид:

Щ

где г - расстояние от источника быстрых нейтронов до детектора тепловых нейтронов, К - калибровочный коэффициент. Макроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов вычисляют по формуле:

2а =рЩд ^аД/А,,

І

где р - плотность породы, ЩА - число Авогадро, а, -микроскопическое сечение поглощения г-го химического элемента, С, - концентрация ,-го химического элемента, А, - атомный вес ,-го химического элемента.

Расчеты показали (Д.А. Кожевников), что химические элементы песчаника, влияющие на показания нейтронных методов, ограничиваются небольшим количеством (табл. 1). Пусть С, - концентрация ,-го химического элемента, в этом случае степень влияния элементов на показания НКТ описывается зависимостью:

Sm = dN/dC;,

где N - показание НКТ (при w = const и Т = const), d -дифференциал.

Т а б л и ц а 1 Коэффициенты влияния химических элементов на показания НКТ

Коэффициент Химический элеменГ,,,,'*....„^ <о, % Sm, усл. ед. Snci, % Si, %

в 4.00E-03 462 33,6 41,7

№ 1,5 0,14 3,8 1,7

Mg 1 0,016 0,3 0,2

А1 2,5 0,053 2,4 3

Б1 36,8 0,037 24,8 1,9

Б 1 0,103 1,9 -

С1 0,01 3,12 0,6 5,3

к 1,3 0,307 7,3 7,4

Са 3,9 0,066 4,7 1,9

И 0,15 0,8 2,2 3,2

Мп 0,01 1,411 0,3 1,6

Бе 1 0,332 6,0 22,5

Бт 3.00E-04 176 1,0 1

оа 4.00E-04 1535,1 11,2 8,7

Степень влияния среднего (кларкового) значения концентраций (С,) на НКТ равно произведению

8псг = (ОБ*,

В процентном отношении степень влияния кларка вычисляется согласно выражению:

п

£^%)=100х Бпс1 / £ Бпск /=1

где суммирование происходит по всем элементам, показанным в табл. 1 (п=14).

В последнем столбце табл. 1 показаны коэффициенты отклонения химических элементов 8,, характеризующие меру отклика нейтронных методов в определении концентрации элементов (по аналогии с функцией отклика детектора). Они вычисляются по формуле:

п

8/=100хф1 8п,/ф/ Sn/,

/=1

где ф, - стандартное отклонение концентрации /-го элемента в песчанике, определяющее степень разброса содержания данного элемента вдоль оси скважины исследуемого пласта. По существу, произведение ф, Бп1 -есть мера отклика показаний нейтронного метода на изменение концентраций химических элементов.

В начале предлагаемого способа проводят калибровку по среднему значению величины показания НКТ (Ы), т.е. определяют калибровочный коэффициент. Для этого используют среднее содержание химических элементов песчаников данного района. Затем значения концентрации химических элементов подставляют в уравнение (2) и вычисляют макроскопическое сечение поглощения нейтронов. Используя полуэмпирические зависимости длин замедления и диффузии от средних значений общей пористости и температуры пласта (Д.А. Кожевников) Ьл = Е(Т, w, Еа) и = Е(м>), определяют длину замедления и длину диффузии нейтронов и, по формуле (1), вычисляют среднее значение Ы(г).

Величина калибровочного коэффициента определяется согласно следующему отношению: К=(Ы)/Ы(г).

Калибровочный коэффициент связывает показание диаграммы НКТ (Ы) с вычисленным теоретическим значением Ы(г), т.е. его величина учитывает мощность и тип источника нейтронов, длину зонда и эффективность регистрации детектора.

Далее, используя стандартные геофизические методы, определяют общую пористость ^), плотность (р), коэффициенты глинистости (кг) и карбонатности (кс) исследуемого пласта. Затем, применив линейные эмпирические зависимости концентрации элементов от определенных коэффициентов глинистости и карбонат-ности (С/=д/к±у/), находят их величину и подставляют в уравнение (2). Используя известные зависимости Ьй = Е(Т, w, Еа) и Ьх = ^У)? по формуле (1) вычисляют значение Ы(г), причем концентрация железа не привязана ни к глинистости, ни к карбонатности. Она подбирается из условия КЫ(г) = N. Хотя мера отклика по железу и остается достаточно большой величиной (после водорода и бора), но на точность определения его концентрации может значительно повлиять неверное вычисление содержания бора. В данном случае бор «играет первую скрипку», поэтому необходимо ввести еще один сравнительный параметр, относительно которого будут сравниваться содержания элементов. Данной характеристикой обладает весовой коэффициент, равный сумме массовой доли окиси каждого элемента, нормированный на единицу:

р = £ {С/+С/} = 1,

i

где ^ - весовой коэффициент кислорода. Понятно, что весовой параметр представляют только породообразующие элементы. В этом случае бор влияет только на Ы(г), а железо - как на поток нейтронов, так и на весовой параметр.

Введя дополнительные условия линейной зависимости концентраций элементов от глинистости и кар-бонатности, определенными геофизическими методами, и априори считая неизвестными содержания железа и бора, можно, решив системы уравнений (2) (при условии ЫиКЫ(г)) и (3) с двумя неизвестными, вычислить их концентрацию.

В реальных условиях в определенном пласте-песчанике колебания элементов (кроме железа и бора), связанных с глинистостью и карбонатностью, относительно их средних концентраций, незначительны и могут компенсировать друг друга таким образом, что их суммарное макроскопическое сечение поглощения нейтронов останется почти неизменным. А т. к. влияние и мера отклика железа и бора являются определяющими, то и точность вычисления изменения их содержания по разрезу скважины может полностью удовлетворять поставленной задаче.

Если при вычислении весового коэффициента (т.е. Р Ф 1) содержание железа выходит за Стт <С,< Стах, где Стт - предел обнаружения элемента либо минимально возможная концентрация в песчанике, Стах - максимально возможная концентрация, то производится «подгонка» весового коэффициента с помощью изменения концентрации кремния.

Данный выбор обусловлен следующими свойствами. Кремний является основным породообразующим элементом песчаника и присутствует как в песчанике, так и в глинистых минералах. В свою очередь, равенство атомных весов (А81/АО2=0,9) приводит к тому, что у кремния степень влияния на весовой коэффициент максимальная, но его колебание концентрации относительно среднего значения для каждого пласта-песчаника незначительно и не превышает ±2%. После определения содержания железа, кремния и бора, по формуле (4) вычисляют концентрацию калия.

Широко известен факт, что в зоне гипергенеза бор интенсивно адсорбируется глинистыми минералами, в особенности калиевыми гидрослюдами (иллит), где его содержание может достигать 0,045% в иллите, а в минерале каолинит - 0,017% [7]. В чистых песчаниках, при глинистости менее 5-6%, содержание бора колеблется в пределах 0,003-0,006%. В свою очередь, сопоставление глинистости и концентрации бора позволяет выделить типы глинистых минералов (рис. 1).

Рис. 1. Сопоставление глинистости с концентрацией бора

Единственные глинистые минералы, содержащие калий, - гидрослюды (до 15%). При малом содержании калиевых полевых шпатов и каолинита в песчанике между калием и бором существует прямая корреляционная зависимость. Но, как правило, в песчаниках-коллекторах Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции присутствует смесь полиминерального глинистого состава и калиевого полевого шпата. Из рис. 1 видно, что при постоянном коэффициенте глинистости с увеличением бора содержание калия уменьшается, т.к. гидрослюды переходят в каолинит. Следовательно, концентрации калия и бора будут иметь обратную корреляцию. С другой стороны, известно, что вклад калия, выраженный в единицах уранового эквивалента, в общую радиоактивность песчаников Западно-Сибирской провинции составляет 55-75% [8]. Аналогично бору, содержания тора и урана в песчаниках повышаются с увеличением глинистости. Таким образом, для песчаников концентрацию калия можно представить следующей пропорцией:

Ск~//Св,

где I - показания гамма - каротажа, Св - концентрация бора.

В случае изменения содержания калиевых гидрослюд, прямо пропорционально будут меняться концентрации бора и калия. Поэтому для понижения этого эффекта предлагаемую пропорцию умножаем на I. В силу того, что вклад калия значителен (1к>1и+ть), то возведение в квадрат показания гамма-каротажа увеличит отношение

1к/1и+ть Соответственно, введя коэффициент пропорции-ональности т, можно концентрацию калия для песчаников прировнять к следующему выражению:

СК=т/2/Св.

Естественно, применение предлагаемого выражения ограничено, во-первых, /к>50%, во-вторых, относительное содержание каолинитов и калиевых полевых шпатов в песчанике должно быть гораздо больше содержания гидрослюд, т.к. в этом случае изменение содержания бора будет прямо пропорционально изменению концентрации тория и урана, а Ск~1/Св.

Коэффициент корреляции между лабораторным нейтронно-активационным анализом песчаника и программным определением содержания железа >0,85, а для калия >0,63, что подтверждает высокую точность предложенного метода.

Результаты исследований песчаников юрских отложений

В качестве примера приведем результаты исследований скважины № 128 Тайлаковского месторождения в песчаных отложениях Тюменской свиты (системы Ю2 и Ю3). В лаборатории прикладной ядерной геохимии ТФ ФГУП «СНИИ1Г иМС» были проведены петрографические и литогеохимические виды исследований песчаных пластов, позволяющие сопоставить их с результатами, полученными на основе предлагаемого алгоритма [9].

После вычисления в песчаниках концентраций железа, бора, кремния и калия проводился корреляционный анализ, а также между общей пористостью и УЭС (табл. 24). На основании полученных коэффициентов (Л>|0,6|) определялись эпигенетические процессы, происходящие в заданных интервалах. Интервалы задавались по следующим соображениям: во-первых, эпигенетические

процессы приводят к пиритизации, седиритизации, окислению хлоритов и дегидрации биотитов, что связано с изменением содержания железа; во-вторых, пелитизация и деградация гидрослюд приводит к изменению концентрации калия. Поэтому перечисленные процессы отразятся на корреляционной зависимости УЭС с железом и калием, а те интервалы, где данная корреляция проявляется, и будут представлять интервал с эпигенетическим процессом.

Т а б л и ц а 2

Ю2, интервал 2686,4-2689,0

УЭС в 8І К Бе

УЭС 1

в -0,49 1

8І 0,13 -0,36 1

К 0,30 -0,40 0,65 1

Бе -0,88 0,84 -0,18 -0,11 1

0,11 -0,45 0,94 0,44 -0,29 1

Т а б л и ц а 3

Ю2, интервал 2695,6-2699,6

УЭС в 8І К Бе

УЭС 1

в -0,57 1

8І 0,60 -0,03 1

К 0,93 -0,70 0,67 1

Бе 0,78 -0,51 0,62 0,78 1

0,77 -0,48 0,87 0,90 0,67 1

Т а б л и ц а 4

Ю3, интервал 2738,6-2741,0

УЭС в 8І К Бе

УЭС 1

в -0,55 1

8І 0,43 -0,43 1

К -0,01 -0,27 -0,12 1

Бе -0,90 0,59 -0,57 -0,09 1

0,46 -0,72 0,72 -0,12 -0,54 1

Таким образом, рассмотрим результаты вычисления и анализа исследуемых пластов-песчаников.

Песчаники в разрезе пласта Ю2 многочисленны и сосредоточены в основном в средней части. Породы по разрезу меняют и чередуют свои цвета - от светлосерых с зеленоватым оттенком до серых и светлосерых с неравномерным буроватым оттенком. Структуры пород в верхней части пласта мелкозернистые, ниже по разрезу наблюдается уменьшение зернистости до тонкомелкозернистых. Обломочный материал песчаников хорошо и среднесортированный (средняя часть пласта). По текстурам породы в основном слоистые - волнисто-слоистые и косопологоволнистослоистые. Слоистость подчеркивается многочисленными слойками углефицированного рассеяного ора-ганического вещества, чешуйками слюдистых минералов и сидерита. Участками в породах наблюдается пятнистая текстура, обусловленная пятнистым нефте-насыщением.

Приведем петрографическое описание шлифов.

Шлиф с глубины 2686,6 м. Песчаник крупносреднезернистый, размер обломков - 0,5 мм. Состав породы: кварц - 40%, полевые шпаты - 30%, обломки пород - до 30%. Порода подвержена интенсивным преобразованиям в процессах наложенного эпигенеза: кварц корродирован, полевые шпаты замещены глинистыми минералами, цементирующий пелитовый материал перекри-сталлизован в слюдистые, компактные минералы. Седи-ментационная пористость увеличена наложенными процессами. Новообразованная пористость представлена мелким разрозненным пустым пространством. Образованная повышенная пористость заполнена бурыми углеводородами, которые окислились местами до тёмнобурого УВ вещества. Карбонатизации нет.

Шлиф с глубины 2697,5 м. Песчаник среднезернистый. Текстура однородная ориентированная. Состав породы: кварц - 40%, полевые шпаты - 20%, обломки пород - 40%. Видно сильно окисленное чёрное битуминозное вещество в порах породы. Обломки кварца корродированы, полевые шпаты частично серицитизи-рованы. Порода карбонатизирована.

Шлиф с глубины 2698 м. Песчаник мелкозернистый. Текстура тонкослоистая, косослоистая. Структура мелкопсаммитовая. Состав породы: кварц 30-40%, полевые шпаты 20-30%, обломки пород до 30%. Много УВ. В цементе находятся бурые, окисленные до чёрного, пятна битуминозного вещества. Видны мелкие зёрна мусковита. Слоистость параллельная. Новообразованная вторичная пористость обильная и пустая.

Песчаники в разрезе пласта Ю3 занимают большую часть и залегают в основном в средней и нижней его части. Породы в верхней части пласта имеют светлосерую окраску, меняющуюся вниз по разрезу на серую

и светло-серую с неравномерным буроватым оттенком. Структура песчаников мелкозернистая и мелкосреднезернистая, часто с примесью крупнозернистой фракции. Обломочный материал песчаников чаще хорошо сортированный, участками средней сортировки. Текстуры исследуемых пород в основном прерывисто косослоистые, пологоволнисто-слоистые, косогоризонталь-но-слоистые, неясно пятнистые, реже встречаются прослои пород с однородной текстурой.

Цементируются песчаники каолинит-гидрослюдистым и гидрослюдистым, с примесью сидерита, цементом. В нижней части пласта отмечены прослои песчаников с гидрослюдисто-карбонатным цементом. По разрезу пласта можно отметить чередование пород средней плотности и плотных. Как правило, там, где они сцементированы као-линит-гидрослюдистым цементом, породы менее плотные, а где отмечена примесь сидерита - наиболее уплотнены. Породы пласта Ю3 средне- и слабомикропористые.

Шлиф с глубины 2739 м. Песчаник псефито-псаммитовый. Псефитовые образования представлены обломками алевроуглеродистых пород и пятнами. Состав породы: кварц 30-40%, полевые шпаты 10-20%, обломки пород до 40%. В межзерновых промежутках много бурых окисленных УВ. Вторичная пористость мелкая. Поры разрозненные и пустые.

Породы пронизаны слойками углистых образований с пятнами керогена. В них развита интенсивная новообразованная пористость. Размеры пор до 0,5 мм. Количество пор от 10 до 15%.

Рассмотрим интервал 2686,4-2689,0 м (табл. 2). Железо, кроме обратной зависимости с УЭС, положительно коррелирует с бором (глинизация). В описании шлифа данная зависимость объясняется замещением полевых шпатов глинистыми минералами (хлоритом). Окисление битумов подтверждает процесс окисления хлоритов, что объясняет обратную корреляцию УЭС и железа. В свою очередь, пористость тесно связана с кремнием, это подтверждает наличие вторичного процесса окремнения. Отсутствие связи УЭС и пористости предполагает пустое поровое пространство и незначительное содержание УВ.

Интервал 2695,5-2699,6 м (табл. 3). Здесь наблюдается положительная корреляция железа и калия с УЭС. Данное явление объясняется такими процессами, как гидрослюдизация, частичная серитизация, седиритиза-ция (карбонатизация) и одновременное разуплотнение породы (каолинизация), что приводит к прямой корреляции железа и калия с пористостью и отсутствием обратной зависимости с сопротивлением. В данном случае гидрослюды не деградированные (калий не влияет на проводимость пласта), что подтверждает факт незаконченности эпигенетических процессов. Прямая тесная связь УЭС с пористостью предполагает наличие определенного количества УВ (табл. 3).

Интервал 2738,6-2741,0 м (табл. 4). Обратные корреляции железа с УЭС и пористости с бором говорят о гидрослюдно-хлоритовой цементации порового пространства с незаконченным эпигенетическим процессом. Признаки прямой зависимости бора и железа и обратной корреляцией железа и пористости подтверждают наличие этого процесса.

Таким образом, петрографические описания шлифов, выбранных с интервалов, соответствующих ин-

тервалу, в которых был проведен корреляционный анализ, полностью подтверждают описываемую методику выявления зон наложенного эпигенеза.

Сопоставления петрографических, петрофизических и литогеохимических исследований горной породы с теоретически выявленными интервалами понижения УЭС послужили доказательной базой соответствия полученных теоретических результатов с лабораторными исследованиями. Соответственно, результаты проведенной работы сводятся к следующим выводам:

1. Разработанный математический алгоритм, после введения в программу данных НКТ, ГК, ПС, общей пористости, плотности и минерализации исследуемого интервала, а также после калибровки данных ГИС со средним содержанием химических элементов коллектора-песчаника изучаемого района, позволяет вычислять концентрацию таких элементов, как бор, железо и кремний в исследуемом коллекторе.

2. Полученная эмпирическая зависимость концентрации калия от ГК и содержания бора, после определения коэффициента пропорциональности, позволяет адекватно оценивать концентрацию калия в исследуемом коллекторе-песчанике.

Обозначим области применения разработанного метода определения, обусловленного параметра УЭС, при интерпретации результатов ГИС:

- поиск нефтегазонасыщенных пластов, пропущенных ГИС в случае традиционной интерпретации;

- выделение зон наложенного эпигенеза в песчаниках-коллекторах, т.е. определение пластов-песчаников, в которых произошли постседиментационные процессы, связанные с воздействием флюидов;

- выявление основных геохимических процессов, происходящих в интервале наложенного эпигенеза (пиритизация, деградация гидрослюд, седиритизация и глинизация);

- определение зоны водонефтяного контакта и выявление водонысыщенных и нефтегазонасыщенных интервалов;

- определение обусловленного параметра УЭС в низкоомных коллекторах при подсчете запасов УВ сырья.

Таким образом, предлагаемый метод позволяет получать геохимическую информацию при геофизических исследованиях, значительно повышает надежность интерпретации ГИС, а при подсчете запасов увеличивает точность определения подсчетных параметров.

ЛИТЕРАТУРА

1. ЛебедевБ.А. Геохимия эпигенетических процессов в осадочных бассейнах. Л.: Недра, 1992. 239 с.

2. Зарипов О.Г., Сонич В.П. Влияние литологии пород-коллекторов на удельное электрическое сопротивление пластов // Геология и геолого-

разведочные работы. 2001. № 9. С. 18-21.

3. PirsonS.J. Elements of Oil Reservoir Engineering, 1 st. ed. Inc. N.Y.: McGraw-Hill Book Company, 1950.

4. Мельник И.А. Способ определения неучтенного удельного электрического сопротивления в низкоомных коллекторах // Заявка на патент

№ 2007103650. 2007.

5. Семенов В.В., Мельник И.А., Питкевич В.Т., Сокова К.И. и др. Исследование низкоомных коллекторов с использованием данных кернового

материала // Геофизика. 2006. № 2. С. 42-47.

6. КожевниковД.А. Нейтронные характеристики горных пород и их использование в нефтепромысловой геологии. М.: Недра, 1982. 220 с.

7. ВалиевЮ.Я. Геохимия бора в юрских отложениях Гиссарского хребта. М.: Наука, 1977. 150 с.

8. Варварин Г.Б., Урманов Э.Г. Состояние и перспективы применения спектрометрического гамма-каротажа глубоких скважин // Развед. гео-

физика. Обзор ВИЭМС. М., 1991.

9. Выявление зон высокоемких продуктивных коллекторов Тайлаковского и Чистинного месторождений: Отчет по НИР, ТФ ФГУП «СНИИГ-

ГиМС»; дог. № 12-06 (НПЦ) от 03.04.2006; руководитель Ю.М. Столбов.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 9 ноября 2007 г.