СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ УЛУЧШЕННЫХ КОЛЛЕКТОРСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ ПОРОД
METHOD OF DETECTING IMPROVED RESERVOIR PROPERTIES OF HIGH-CARBON ROCKS

Изобретение относится к геологии, включая поисковую геохимию на нефть и газ, и может быть использовано при проведении геологоразведочных работ на нефть и газ для выявления в разрезе интервалов осадочных пород, представленных доманикитами и сланцами, в которых в зависимости от стадии катагенеза выделяются прослои пород с улучшенными коллекторскими свойствами, определяемыме экспрессно по инфракрасным спектрам образцов пород (керн, шлам). В традиционной нефтяной геологии до сих пор уделялось недостаточное внимание доманикитам и другим высокоуглеродистым породам как низкопроницаемым коллекторам, формирующимся на определенных стадиях катагенеза и соответственного изменения зрелости органического вещества (ОВ) в них.
Известно, что улучшенными коллекторскими свойствами обладают породы на стадиих мезокатагенеза. Катагенетические преобразования пород при сравнительно высоких температурах определяют, с одной стороны, созревание органического вещества и его миграцию из породы в виде битумоидов, в результате чего увеличивается пористость керогена, а с другой стороны, приводят к образованию дополнительного микропустотного пространства за счет процессов выщелачивания и перестройки минеральной матрицы породы. При повышении степени катагенеза происходит уплотнение пород, когда в породах пустотные пространство сокращается и породы становятся почти непроницамыми.
Таким образом, высокоуглеродистые породы (и доманикиты, и сланцы, различные по стадиям зрелости ОВ и преобразованности пород) могут представлять собой толщи с разными свойствами: от пород, не являющихся коллекторами, до пород, которые могут обладать свойствами низкопроницаемых коллекторов. При этом на показатели коллекторских свойств (пористость, проницаемость) могут влиять сопряженные процессы, связанные как с преобразованием минеральной матрицы породы, так и с преобразованием ОВ.
В последние годы экспериментально были исследованы высокоуглеродистые толщи и получены их петрофизические характеристики по пористости и проницаемости, позволившие оценить улучшенные коллекторские свойства пород, формирующиеся на определенных стадиях катагенетического преобразования. Значения показателей пористости и проницаемости в разных образцах были сопоставлены со степенью катагенетической преобразованности содержащегося в породах органического вещества (таблица 1), контролируемой максимальными палеотемпературами.
Определение степени зрелости органического вещества с целью установления палеотемпературных характеристик, важных для оценки стадий образования пород с улучшенными коллекторскими свойствами - весьма трудоемкий процесс. Более простым способом является установление оптимального палеомтемпературного диапазона формирования пород с улучшенными коллекторскими свойствами по степени преобразованности самой минеральной матрицы, характеризующейся определенными градациями катагенеза.
Предлагаемый способ позволяет без сложной пробоподготовки определять степень преобразованности высокоуглеродистых пород на основе сопоставления ИК-спектров образцов минеральной матрицы породы и органического вещества со спектрами из эталонных коллекций из высокоуглеродистых отложений нижнего силура и верхнего девона.
Основная задача экспресс-оценки коллекторских свойств высокоуглеродистых отложений состоит в определении в разрезе скважин интервалов осадочных пород с улучшенными коллекторскими свойствами по данным ИК-спектроскопии и прослеживании их по площади на основе анализа характеристики гамма-активности пород в комплексе с другими видами каротажа.
Известно, что значения гамма-активности, определяемые по радиоактивному каротажу, представляют собой суммарный отклик содержания урана в породе и в органическом веществе. Кроме того, вклад в общую гамма-активность радиоактивного каротажа вносят глинистые породы, содержащие радиоактивные торий и калий.
В глубоководных фациях органическое вещество накапливается в морских карбонатных и кремнистых породах, обедненных глинистой составляющей.
В доманикитах, представленных карбонатными и кремнистыми породами, наиболее четко прослеживается корреляция урана и органического вещества, особенно там, где содержание глинистых частиц и тория минимальны. Коэффициент корреляции органического вещества и урана в слабопреобразованных доманикитах превышает 0,67 [1]. В работе [1] было показано, что при увеличении степени катагенеза уменьшаются значения коэффициента корреляции между содержанием урана и органическим веществом до 0,5. При повышении степени преобразованности пород в них также уменьшается содержание тория в форме примесей. Таким образом, повышение степени катагенеза ведет к уменьшению в ней органического вещества (ОВ), содержащего уран, а последующее увеличение степени преобразованности минеральной части пород способствует уменьшению в них тория. Это приводит соответственно к снижению гамма-активности осадочных порода конце мезокатагенеза, что отражается в уменьшении их значений на каротажных диаграммах и может использоваться для целей расчленения отложений и корреляции разрезов скважин.
Решение задачи задачи состоит в выявлении степени катагенетической преобразованности породы в типовом разрезе и выделении уровней с улучшенными коллекторскими свойствами пород с их последующим прослеживанием по разрезам скважин поданным ГИС.
Существуют разные способы определения степени катагенетической преобразованности ОВ высокоуглеродистых пород и степени преобразованности вмещающей минеральной матрицы пород. Согласно работе [2], под степенью катагенетической преобразованности ОВ понимается преобразованность самого органического вещества, которая зависит от многих факторов, в т.ч. от первоначального состава вещества и степени его окисленности. Таким образом, характер измененности ОВ в процессе погружения и влияния различных термобарических условий (катагенезе) может несколько отличаться от изменения минеральной части породы при тех же условиях.
Степень катагенетических преобразований пород определяется петрографическим методом, который предполагает приготовление шлифов и аншлифов с последующим их исследованием под бинокуляром или оптическим микроскопом.
0
0
1
3
1
5
1
3
Известно, что универсальным способом определения катагенетической преобразованности ОВ терригенных пород является исследование органических остатков высших растений, по которым осуществляется определение показателя отражательной способности витринита (R). Этот показатель, широко используемый в углепетрографии для оценки зрелости органического вещества определяется по углу отражения света от частиц витринита микроспическими исследованиями: чем более обуглерожены растительные остатки, тем больше угол отражения света и значение R. Необходимые условия применения методода наличие репрезентативной выборки витринитовых фрагментов (30 фрагментов). Данная методика универсальна для континентальных толщ и переходных морских фаций, где в массе встречаются растительные остатки высших растений, а витринитовая шкала увязана с температурой палеопрогрева и градациями катагенеза. Выделенные стадии катагенеза (протокатагенез, мезокатагенез, апокатагенез) и сооответствующие градации (ПК-ПК, МК-МК, АК-АК) шкалы катагенеза континентальных угольных толщ были распространены и на морские отложения [2]. Однако для определения морских осадков этот метод не вполне применим из-за отсутствия витринита в глубоководных отложениях. Существует также проблема определения палеотемператур прогрева пород глубоководных морских фаций, а также в более древних, чем девон отложениях, поскольку в них отсутствуют остатки высших растений, которые широко встречаются в осадочной летописи, начиная только с девонского периода.
Особую сложность представляет определение степени катагенеза сапропелевого органического вещества в морских отложениях. Сапропелевое вещество характеризуется большим количеством зооостатков, в основном хитиноподобного состава. Это означает, что для морских и древних пород градация катагенеза на основе витринитовой шкалы не вполне правомерна.
В работе [3] был предложен способ определения палеотемператур по цветовой шкале оболочек спор и водорослей, изменяющих свой цвет от светло-зеленого до почти черного в зависимости от термобарических условий. Данный метод оценки палеотемператур имеет ограничения. Он требует проведения исследований изменения цветности в пределах одного таксона (вида, рода). Это обусловлено тем, что в световом микроскопе цветность оболочек разных видов спор и водорослей зависит от их морфологии (толщины) и биохимического состава (спорополленин, водорослевая целлюлоза). Проследить один и тот же таксон в разнофациальных морских толщах не всегда представляется возможным, поскольку виды приурочены к определенным экологическим условиям в морском бассейне (например, пелагические виды, виды литоральных обстановок).
Наиболее известным способом определения степени катагенетической изменчивости сапропелевого органического вещества считается пиролитический метод.
К недостаткам пиролитического метода относится косвенный характер определяемых значений Тгпах, температуры фиксирующей максимальные значения выхода продуктов пиролиза пика S2, которые получают при сжигании навески породы в темературном режиме выше 300°. Кроме того установлено, что состав минеральной матрицы породы существенно влияет на значения показателей продуктов пиролиза и приводит к искаженной оценке истинной зрелости ОВ [4]. Экспериментально доказана различная степень преобразованности пород, получаемая при добавлении к одному и тому же исходному органическому веществу разных минеральных добавок: кварца, монтмориллонита, карбонатов.
-1
Близким к заявляемому способу является метод, приведенный в работе [5]. Он состоит в том, что изучались образцы пород в переходных прибрежно-морских фациях, содержащие одновременно и витринит, и сапропелевое ОВ. На этой основе в диапазоне волновых чисел от 4000 до 1800 см были получены эталонные ИК-спектры сапропелевого вещества для стадии мезокатагенеза. К общим недостаткам метода, приведенного в работе [5], относятся высокие трудозатраты и длительность пробоподготовки, связанной с извлечением ОВ из пород с применением химреагентов (HCl, HF) и тяжелой жидкости.
В качестве прототипа для предлагаемого решения рассматривается способ, предложенный в патенте РФ на изобретение №2541721, 20.02.2015 г. [6].
i
Способ заключается в следующем. Выполняют отбор образцов керна из скважин, выделяют из образцов проб нерастворимое органическое вещество (НОВ), исследуют образцы методом гамма-каротажа и оптической микроскопии. В отобранных образцах керна определяют гамма-активность урана по керну, затем определяют значения показателя г по соотношению значений гамма-активности по каротажу к гамма-активности урана по керну. По этим значениям устанавливают тип отложений, различающихся по содержанию органического углерода Сорг для доманикоидов, доманикитов и сланцев, отбирают для дальнейших исследований пробы керна из интервалов с наибольшими значениями гамма-активности по каротажу, из отобранных образцов пород с помощью HCl и HF выделяют нерастворимое органическое вещество (НОВ), определяют в нем содержание урана, рассчитывают коэффициент корреляции k между радиоактивностью НОВ и значением гамма-активности каротажа, сравнивают его со значениями к соответствующего типа отложений и определяют перспективную зону генерации углеводородов. Затем в отобранных пробах НОВ проводят оценку зрелости органического вещества на уровне градаций катагенеза методами микроскопии и ИК-спектроскопии и по данным зрелости органического вещества выявляют перспективные зоны генерации углеводородов.
Способ основан на комплексной интерпретации гамма-каротажных и оптических характеристик пород. Достоверная интерпретация гамма-активности пород по радиоактивному каротажу не требует применения дорогостоящего дополнительного оборудования при бурении скважин, такого как спектральный гамма-каротаж. Единая пробоподготовка для различных видов анализа не требует дорогих химреагентов и позволяет достоверно по количественным показателям оценивать катагенез морских пород на уровне градаций катагенеза.
Недостатком рассматриваемого способа является его трудоемкость в процессе пробоподготовки, а также ограниченность его применения для оценки коллекторских свойств пород.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности и экспрессности способа выявления улучшенных коллекторских свойств высокоуглеродистых пород, представляющих собой перспективный нефтегазопоисковый объект.
Для достижения заявленного технического результата в предложенном способе, включающем отбор образцов керна из высокоуглеродистых пород, исследование образцов проб методом ИК-спектроскопии, получением ИК-спектров минеральной матрицы породы и сопоставлением их с эталонными спектрами, изменено дальнейшее исследование отобранных проб. Полученный спектр сравнивают с ИК-спектрами эталонной коллекции, которые содержат как характеристику породной матрицы, так и характеристику градаций катагенеза ОВ.
По результатам сравнения последних со спектрами эталонных коллекций (по соотношению волновых чисел и величин их интенсивностей) определяют образцы с наименьшей степенью преобразованности ОВ и минеральной матрицы пород (рисунок 1, таблицы 2 и 3).
2
3
Выделяют интервалы в разрезе скважины, охарактеризованные данными образцами, которые относятся к нефтематеринским породам с нефтегенерирующими и коллекторскими свойствами (низкопроницаемые коллекторы). В пределах диапазона градаций МК-МК по ИК-спектрам пород выделяют на основе сопоставления их с ИК-спектрами эталонной коллекции образцы с улучшенными коллекторскими свойствми. Определяют мощность интервала разреза, охарактеризованную породами с улучшенными коллекторскими свойствами.
Предложенный способ определения степени катагенеза ОВ и пород на основе сопоставления с эталонными спектрами позволяет повысить скорость, детальность и достоверность выявления интервалов разрезов с улучшенными коллекторскими свойствами в осадочных высокоуглеродистых породах, проследить выявленные интервалы по площади, что важно для оценки перспектив нефтегазоносности территории.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими таблицами и рисунками:
таблица 1 - характеристика свойств высокоуглеродистых пород на разных стадиях катагенетического преобразования,
таблица 2 - эталонная коллекция ИК-спектров минеральной матрицы пород, таблица 3 - характеристика ИК-спектров по максимальным значениям волновых чисел (× max) и их интенсивности (y)
рис. 1 - эталонные ИК-спектры нерастворимого органического вещества пород (керогена),
рис. 2 - пример корреляции скважин с выделенными улучшенными коллекторскими свойствами пород.
2
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Отбирают образцы керна, которые затем исследуют на ИК-спектрометре и получают ИК-спектры породной составляющей в графическом виде (таблица 2) и их количественные характеристики (таблица 3). По результатам сравнения ИК-спектральных характеристик изучаемых образцов со спектрами эталонных коллекций (по соотношению волновых чисел и величин их интенсивностей) определяют образцы с наибольшей и наименьшей степенью преобразованности минеральной матрицы породы и соответственно преобразованостью содержащегося в породе ОВ (рисунок 1, таблицы 2 и 3). Далее проводят разделение образцов по степени преобразованности минеральной матрицы. При этом учитывается тот факт, что породы на стадии МК являются только нефтегенерирующими и как коллекторы не рассматриваются.
3
4
Первоначально выделяют образцы с наибольшей степенью преобразованности пород, сопоставляемые с эталонами на градациях катагенеза МК-МК, которые не являются потенциальными низкопроницаемыми коллекторами вследствие большой плотности минеральной матрицы. Выделяют интервалы в разрезе скважины, охарактеризованные данными образцами.
2
3
Затем выбирают образцы с меньшей степенью преобразованности пород по сопоставлению с ИК-спектрами, минеральная матрица которых сопряжена с градацией ОВ на стадии МК-МК. В этом переходном интервале градаций катагенеза нефтематеринские породы выполняют разные функции. Одни породы являются нефтегенерирующими породами, другие породы относятся к низкопроницаемым коллекторам.
2
3
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В пределах этого диапазона градаций МК-МК по ИК-спектрам выделяют породы "не коллекторы" и породы с улучшенными коллекторскими свойствами на основе сопоставления их с ИК-спектрами эталонной коллекции. ИК-спектры породы "не коллектор" характеризуется наличием спектральных полос и их высокой интенсивностью в области связей -Si-O (1008,8-1053,0; 1089, 8 см). ИК-спектры породы "коллектор" характеризуются перестройкой минеральной матрицы, отражающейся в ИК-спектрах высокими значениями интенсивности связей Al-O- (944-978 см); отсутствием спектральных полос в области связей -С-О (833,3-834,5 см) и -Si-O- (1008,8-1053,0 см; 1089, 8, см); сдвигом по оси "х" значений связей -С-О- (881 см)
В разрезе скважины по образцам с приведенной ИК-спектроскопической характеристикой породы "коллектор" выделяют интервал разреза с улучшенными коллекторскими свойствами, который может быть прослежен по данным ГИС в других разрезах.
На рисунке 2 приведен пример такого прослеживания выделенных уровней с улучшенными коллекторскими свойствами по скважинам.
В отличие от прототипа в заявленном способе органическое вещество из породы исследуемого образца не выделяется.
При этом сравнивают ИК-спектры минеральной составляющей образца с минеральной матрицей эталонного образца, для которого также установлена градация катагенеза ОВ по ИК-спектру органического вещества, выделенному из породы.
2
4
2-3
В заявленном способе в отличие от прототипа в нефтегазогенерирующей зоне выделяют в разрезе интервалы с улучшенными коллекторскими свойствами. Они приурочены не ко всей зоне нефтегазогенерации в градациях катагенеза, характеризующейся от МК до МК, а к более узкой - переходной зоне в диапазоне градаций катагенеза МК. Переходная зона на фоне созревания органического вещества характеризуется одновременно и перестройкой минеральной составляющей породы, которая проявляется в нарушении структурированности минеральной матрицы и отражается в уширении характеристических полос и уменьшении их интенсивности (образец Сев-Мамоновская 1, таблица).
-1
-1
-1
Эта перестройка определяется количественными показателями, приведенными в таблице 3, такая характеристика отсутствовала в прототипе. Так, в отличие от прототипа, по данному способу устанавливают количественные ИК-спектральные характеристики получаемого ИК-спектра минеральной составляющей пород в диапазоне изменения волновых чисел от 1800 см до 400 см. В результате в заявленном способе кроме графического представления ИК-спектров образцов (таблица 2), каждый из ИК-спектров охарактеризован количественными показателями - значениями волновых чисел (см) по оси "х" и величиной их интенсивности по оси "y", приведенной в относительных единицах (таблица 3).
Основой для реализации способа являются экспериментальные данные, полученные для 75 образцов Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, Калининградской области, изученные в стратиграфическом диапазоне от силура до верхнего девона по 5 скважинам и 8 обнажениям.
Созданная базовая эталонная коллекция ИК-спектров органического вещества разных стадий зрелости для пограничных характеристик "коллектор" - "не коллектор" приведена на рис. 1. На рис. 1 представлены графики эталонных ИК-спектров НОВ высокоуглеродистых силурийских образцов Калининградской области, для которых были выполнены ранее [7] оценки градаций катагенеза методом выделения ОВ из пород. В таблице 2 приведены ИК-спектры минеральной матрицы этих же образцов Калининградской области, что и ИК-спектры с установленной степенью катагенеза органического вещества, (приведены на рис. 1). В таблице 3 представлены количественные ИК-спектральные характеристики пород рассматриваемых образцов.
-1
Особенностью заявляемого способа является создание эталонной коллекции ИК-спектров. В этой коллекции для одних и тех же образцов в диапазоне волновых чисел 1800-400 см ИК-спектров приведены характеристики, отражающие степень измененности минеральной матрицы породы и ИК-спектры органического вещества, выделенного из породы. Это позволяет увязать характеристики минеральной матрицы породы (таблицы 2 и 3) со степенью катагенетического преобразования ОВ (рис. 1) и с улучшенными коллекторскими свойствами пород (таблица 1).
При этом по ИК-спектрам породы выбираются те образцы, которые соответствуют преобразованию минеральной матрицы породы с формированием дополнительного пустотного пространства.
В работе использовалось современное техническое оборудование инфракрасный Фурье-спектрометр ФМС-2202, на котором проводились исследования по стандартной методике с приготовлением таблеток KBr с навеской 2 мг предварительно растертого в агатовой ступке образца породы.
Сравнительный анализ спектров только по минеральной части ИК-спектров изучаемых образцов с эталонами существенно сокращает трудозатраты на установление образцов пород с улучшенными коллекторскими свойствами.
Таким образом, предложенный способ определения степени катагенеза ОВ и пород на основе сопоставления с эталонными спектрами позволяет повысить скорость, детальность и достоверность выявления интервалов разрезов с улучшенными коллекторскими свойствами в осадочных высокоуглеродистых породах, проследить выявленные интервалы по площади, что важно для оценки перспектив нефтегазоносности территории.
ЛИТЕРАТУРА
1. Способ определения ванадия и редкоземельных элементов по гамма-активности осадочных пород. Патент РФ №2636401.от 23.11.2017 г. Заявка 2016 151515 от 26.12.2016 г.
2. Справочник по геохимии нефти и газа / Под. ред. С.Г. Неручева. СПб.: Недра. 1998. - 576 с.
3. Способ определения палеотемператур катагенеза безвитринитовых отложений по оптическим характеристикам микрофитофоссилий / Прищепа О.М., Макарова И.Р., Суханов А.А. Патент на изобретение №2529650, заявка №201313243, приоритет изобретения 12 июля 2013 г. зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 05 августа 2014 г.
4. Савельев В.А. Влияние природы органического вещества на состав продуктов термолиза керогена и асфальтита, автореферат на соискание уч. степени канд. хим. наук. - Томск. - 2010. - 23. с.
5. Данилов В.Н., Огданец Л.В., Макарова И.Р., Гудельман А.А., Суханов А.А., Журавлев А.В. Основные результаты изучения органического вещества и УВ-флюидов Адакской площади // Нефтегазовая геология. Теория и практика. -2011. - Т. 6. - №2. - http://www.ngtp.ru/rub/1/22_2011.pdf
6. Способ определения зон генерации углеводородов доманикоидных и сланценосных отложений в разрезах глубоких скважин. Патент РФ №2541721 О.М.Прищепа, А.А. Суханов, Валиев Ф.Ф., Сергеев В.О., Макарова И.Р.
7. Суханов А.А., Отмас А.А. (ст.), Макарова И.Р. Сравнение результатов исследования органического вещества доманикоидных отложений различными методами в связи с диагностикой нефтегазоносности силурийских отложений Калининградской области // Нефтегазовая геология. Теория и практика. - 2012. - Т. 7. - №3. - http://www.ngtp.ru/rub/4/42_2012.pdf.
8. Прищепа О.М., Суханов А.А., Макарова И.Р. Подходы к оценке доманиковых отложений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции как нетрадиционных источников углеводородов // Нефтегазовая геология. Теория и практика. - 2014. - Т. 9. - №4. - http://www.ngtp.ru/rub/12/46_2014.pd
*Copг 2-16%