Структура порового пространства пород-коллекторов ботуобинского горизонта Чаяндинского месторождения

СТРУКТУРА ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ БОТУОБИНСКОГО ГОРИЗОНТА ЧАЯНДИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

А.Е. Рыжов, Т.А. Перунова, Д.М. Орлов

Чаяндинское нефтегазоконденсатное месторождение (НГКМ) является одним из крупнейших в Непско-Ботуобинской нефтегазоносной провинции (НГП).

Продуктивный разрез Чаяндинского НГКМ приурочен к древним отложениям венда. Его нефтяные запасы сосредоточены в ботуобинском горизонте, толщина которого в пределах месторождения меняется от нуля до 26 м.

Залежь представляет собой подгазовую нефтяную оторочку незначительной (порядка 12 м) толщины, залегающую в условиях низких пластовых температур (10 °С) и пластовых давлений ниже гидростатических (13,34 МПа). Пластовые воды имеют высокую минерализацию - от 350 до 400 г/л.

Ботуобинский горизонт на Чаяндинском НГКМ сложен терригенны-ми отложениями, сформировавшимися в условиях мелкого моря [1]. Верхняя часть горизонта представлена комплексом баровых тел, сложенных песчаниками различного гранулометрического состава (от крупно- и среднезернистых до мелкозернистых), а также алевролитами и алевропес-чаниками. Состав обломков преимущественно кварцевый и кварц-полевошпатовый. Содержание цементов незначительное (1-5 %), преобладают пойкилитовые кальцитовые и сульфатные, а также глинистогидрослюдистые. Распространены цементация вдавливания и инкорпорация зерен. Породы характеризуются низкой глинистостью - в основном не более 5 %. Подошвенная часть горизонта во многих скважинах представлена песчано-алевритовыми отложениями с разнообразным сочетанием текстур. Чередование тонких песчаных и глинистых прослоев часто осложнено трещиноватостью (рис. 1а). Трещиноватость наблюдается и в карбонатизированных прослоях кровельной части горизонта (рис. 1 б).

ТЛ _ _ О О

В целом продуктивный разрез характеризуется широкой изменчивостью коллекторских параметров: пористость меняется от 1-2 до 24-26 %, проницаемость от 1-2 мД до 3-6 Д.

Достижение высокого коэффициента извлечения нефти при экономически рентабельном освоении запасов подгазовых нефтяных оторочек является сложной задачей, т.к. разработка оторочек сопровождается прорывами газа из газовой шапки и образованием конусов воды.

В связи с этим строение продуктивного горизонта, изменчивость литологического состава, его неоднородность на макро- и микроуровнях, фильтрационно-емкостные свойства, характер их изменения в процессе разработки, тип коллектора, а также структура порового пространства, влияющая на процессы многофазной фильтрации и распределение фаз в пустотном пространстве породы, требуют детального изучения.

а б

Рис. 1. Фотографии керна: a - скв. 321-41

В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» впервые проведено комплексное экспериментальное изучение строения пород-коллекторов с использованием методов компьютерной томографии (на полноразмерном керне) и микротомографии, растровой электронной микроскопии, микроскопии в шлифах пород, прокрашенных смолой, и ртутной порометрии [2].

Исследования структуры полноразмерного керна проводились на комплексе рентгеновской компьютерной томографии PHILIPS Tomoscan 60/TX. После обработки интенсивности прошедшего излучения

в разных направлениях относительно исследуемого образца строилось изображение конкретного среза керна. Изображение представляло собой поле денситометрических показателей СТ (чисел Хаунсфилда), соответствующих линейному ослаблению излучения по отношению к дистиллированной воде, рентгеновская плотность которой была принята за 0. Значения чисел Хаунсфилда для пород-коллекторов, вмещающих углеводородное сырье, лежат в диапазоне от +1000 до +3000. На рис. 2 представлены примеры полученных при томографических исследованиях изображений. На них слоистость породы отражается в виде неоднородности показателя СТ вдоль оси керна (х).

Нефтегазоносные отложения венда Непско-Ботуобинской НГП зачастую засолонены, что снижает фильтрационно-емкостные свойства пород. В отдельных случаях поровое пространство практически целиком заполнено солью. Для терригенных отложений главной причиной регионального пост-седиментационного засолонения явился термобарический метаморфизм, связанный со снижением пластовых давлений и температур [3, 4].

а б

Рис. 2. Томографические срезы неоднородных слоистых пород ботуобинского горизонта Чаяндинского НГКМ (скв. 321-41): а - цилиндрический образец слоистого песчаника (глубина 1940,2 м):

К = 448 мД, т = 9 %; б - полноразмерный керн

Породы продуктивного разреза ботуобинского горизонта также подверглись постседиментационному засолонению. Применение компьютерной микротомографии позволило оценить распределение солей в поровом

пространстве. Томографический метод исследования горных пород, имеющий высокую разрешающую способность (до единиц микрон), позволяет визуализировать трехмерное изображение как скелета, так и порового пространства коллектора. На рис. 3 изображена 3В модель породы-коллектора из разреза скв. 321-40 (глубина 1982,83 м). Как видно, в образце среднезернистого песчаника с относительно невысокими фильтрационно-емкостными характеристиками (проницаемость 128,4 мД, пористость 9,5 %) часть взаимосвязанных пор целиком заполнена солями и выключена из фильтрационного процесса. Томографические сечения (два плотностных среза) этого же образца песчаника, приведенные внизу рисунка, иллюстрируют изменчивость распространения соли в его поровом пространстве.

Оценка характера распределения соли в поровом пространстве песчаников была дополнена исследованиями с помощью электронной микроскопии.

Рис. 3. 3Э модель (а, б) и томографические срезы (в, г) образца среднезернистого кварцевого песчаника (скв. 321-40, глубина 1982,83 м): К = 128,4 мД, т = 9,5 %

Электронные снимки сколов двух образцов песчаников из разреза скв. 321-40, полученные с помощью растрового электронного микроскопа, приведены на рис. 4. Кристаллические скопления соли на стенках пор, сужающие их сечение, но не перекрывающие фильтрационный канал, видны на левом микроскопическом снимке образца средне- и мелкозернистого песчаника (глубина 1989,04 м, проницаемость 206 мД, пористость 15,6 %). На рис. 4б изображен скол образца крупно- и среднезернистого песчаника (глубина 1984,03 м, проницаемость 1476,8 мД, пористость 21,9 %), на котором видны пленки остаточной нефти.

Рис. 4. Электронные микроскопические снимки (растровая электронная микроскопия) сколов образцов кварцевых песчаников из разреза скв. 321-40: а (глубина 1989,04 м) - средне- и мелкозернистый песчаник: К = 206 мД, т = 15,6 %; б (глубина 1984,03 м) - крупно- и среднезернистый песчаник: К = 1476,8 мД, т = 21,9 %

Таким образом, проведенные исследования выявили, что засолоне-ние порового пространства является частичным и песчаники ботуобинского горизонта сохранили свои фильтрационно-емкостные свойства.

Насыщение образцов пород-коллекторов моделью пластовой воды с высокой минерализацией (370 г/л) и дальнейшее ее вытеснение из порово-го пространства при создании остаточной водонасыщенности приводит к вымыванию солей. При этом часть пор, занимаемая солями, освобождается от них и проницаемость породы существенно возрастает - в среднем на 75 %, в отдельных случаях в 2-3 раза. На рис. 5 показано, что постседи-ментационному засолонению подверглись как низкопроницаемые, так и высокопроницаемые разности пород. На этом же рисунке приведена фотография шлифа образца песчаника крупно- и среднезернистого (скв. 321-40, глубина1983,12 м) после вымывания из него соли. При этом проницаемость образца увеличилась с 806 до 1358 мД. Подобные изменения следует учитывать при расчетах многофазной фильтрации нефти, газа и воды.

Актуальные вопросы исследований пластовых систем

1 ю юо юоо юооо

Проницаемость начальная, мД Рис. 5. Увеличение проницаемости образцов пород после вымывания солей

из порового пространства

Изучение пород, прокрашенных смолой, в микроскопических шлифах позволило выявить изменчивость литологического состава и строения порового пространства. Коллекторы характеризуются разнообразием текстурных особенностей на микроуровне: однородные, пятнистые, с неотчетливой слоистостью. Значительную группу составляют разности с явно выраженной микрослоистостью, представленной чередованием микропрослоев алевритовой и песчаной фракций. Наилучшими фильтрационноемкостными свойствами обладают однородные разности. Наличие чередования микропрослоев алевритовой и песчаной фракций снижает проницаемость коллектора. Существенное различие в строении порового пространства пород с однородной и микрослоистой структурой проявляется в изменении проницаемости и пористости, что иллюстрируют фотографии шлифов образцов из разреза скв. 321-40 (рис. 6).

Рис. 6. Изображения шлифов: а - однородная структура: песчаник кварцевый, мелко- и крупнозернистый,

пористый

Понижение фильтрационно-емкостных свойств связано также с развитием в породах процессов уплотнения, формировавших цементацию вдавливания и инкорпорационную цементацию вплоть до развития сутур-ных швов (рис. 7). На фотографии шлифа образца полевошпатовокварцевого песчаника средне- и мелкозернистого средней сортировки видны субгоризонтальные поверхности уплотнения и растворения с развитыми по ним пленками глинистого вещества.

Исследования основных литологических разностей пород-

коллекторов ботуобинского горизонта методом ртутной порометрии позволили охарактеризовать особенности строения их порового пространства: диапазон изменения размеров фильтрующих поровых каналов и содержание субкапиллярных пор, контролирующих остаточную водонасы-щенность.

Рис. 7. Изображение шлифа: песчаник полевошпатово-кварцевый средне- и мелкозернистый (скв. 321-40, глубина 1989,04 м): К = 206 мД, т = 15,6 %

Высокопористые песчаники различной зернистости от крупно- и среднезернистых до средне- и мелкозернистых, обладающие равномерной текстурой, характеризуются относительно однородным строением поро-вого пространства. На гистограмме распределение поровых каналов по размерам имеет один четко выраженный максимум. При этом с уменьшением размеров основных фильтрующих поровых каналов закономерно снижается проницаемость породы (рис. 8).

Существенно иной характер распределения пор по размерам получен для пород, отличающихся сложным строением и неоднородностью состава. Неоднородным типом строения порового пространства обладают породы-коллекторы со слоистой текстурой и микротрещиноватые разности. На гистограммах распределения поровых каналов по размерам четко выраженный максимум отсутствует (рис. 9).

Содержание поровых каналов, Содержание поровых каналов, Содержание поровых каналов, % от объема пор % от объема пор % от объема пор

20

10

К= 2532 мД, т = 22,5 % бф = 25-100 мк

песчаник крупнозернистый

1

1 1

ш

_   ш ш и и я

20

0,013 0,025 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 13 25 50

б, мк

100

К = 232 мД, т = 17 % с1ф = 13-50 мк

песчаник среднезернистый

10

0,013 0.025 0,05 0,1 0.2

0,4 0.8 1,6

б, мк

20

3,2 6.4 13 25 50 100

.. К = 56,4 мД, т= 14,6% с/ф = 6,4-32 мк песчаник средне- и мелкозернистый

• —  її ----- — -- ----- ----- -- — — — — *--- ----- — — — — — — ----- — — -----

10

0,013 0.025 0,05 0,1 0.2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 13 25 50 100

СІ, мк

Рис. 8. Однородная структура порового пространства разнозернисных кварцевых песчаников ботуобинского горизонта Чаяндинского НГКМ:

К - проницаемость; т - пористость; dф - диаметр фильтрующих каналов

Рис. 9. Неоднородная структура порового пространства слоистых и трещиноватых песчано-алевритовых пород-коллекторов ботуобинского горизонта Чаяндинского НГКМ: К - проницаемость; т - пористость; dф - диаметр фильтрующих каналов;

Ь - раскрытость микротрещин

Коллекторы, обладающие однородной структурой порового пространства, незначительно снижают свою проницаемость при увеличении эффективного напряжения. Неоднородные микро- и макрослоистые коллекторы с проявлениями микротрещиноватости при воздействии эффективных напряжений, соответствующих условиям залегания пласта, существенно снижают свою проницаемость (рис. 10).

Эффективное напряжение, атм Рис. 10. Зависимость проницаемости от эффективного напряжения

Распространение различных типов микронеоднородности порового пространства, а также неравномерное его засолонение, наличие микро- и макрослоистости и микротрещиноватости обуславливают неоднозначность связи пористость - проницаемость для всего массива исследованных пород ботуобинского горизонта. Соотношение между проницаемостью и пористостью, построенное по результатам изучения керна из разрезов разведочных скважин, вскрывших нефтяную оторочку (скв. 321-16, 321-40, 321-41, 321-42), приведено на рис. 11 (область трещиноватых песчаников, имеющих при невысокой пористости (менее 10 %) достаточно высокую проницаемость (от 100 мД и выше), выделена пунктиром).

Для всех литологических разностей и типов структуры порового пространства пород-коллекторов ботуобинского горизонта характерно низкое содержание (единицы процентов) тонких поровых каналов размером менее 0,5 мк. Подобное строение порового пространства, а также

очень незначительное содержание цемента, в том числе глинистого, характерное для продуктивных отложений ботуобинского горизонта, обуславливают их низкую остаточную водонасыщенность, что подтверждается данными прямого метода. В скв. 321-34 в интервале продуктивного разреза, представленного коллекторами с высокими фильтрационноемкостными свойствами (пористость 18-24 %, проницаемость 1-6 Д), бурение проводилось на безводном буровом растворе. По результатам прямых определений содержание остаточной воды в коллекторах составило 1,5-5 %.

Проницаемость, мД

Рис. 11. Соотношение между абсолютной проницаемостью и пористостью пород ботуобинского горизонта Чаяндинского НГКМ

Заключение

В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований выявлены характерные черты пород-коллекторов ботуобинских отложений:

высокая изменчивость и неоднородность по разрезу и площади;

развитие микро- и макрослоистости и трещиноватости, а также неравномерность засолонения порового пространства, обуславливающие неоднозначность связи проницаемости и пористости;

незначительное содержание в коллекторах тонких и ультратонких пор и, следовательно, невысокое содержание остаточной воды;

изменение фильтрационно-емкостных характеристик, вызванных вымыванием солей при фильтрации воды, в том числе высокоминерализованной;

присутствие высокопористых сверхпроницаемых рыхлых, слабо-сцементированных прослоев коллекторов (до 1-6 Д), с которыми связана вероятность селективного продвижения нагнетаемой воды; неустойчивость рыхлых разностей пород и возможность пескообразования.

Список литературы

1. Лебедев М. В. Фациальные модели терригенных отложений венда северо-востока Непско-Ботуобинской антеклизы / М.В. Лебедев, Л.С. Чернова // Геология и геофизика. - 1996. - Т. 37. - № 10. - С. 51-64.

2. Рыжов А.Е. Влияние особенностей строения порового пространства коллекторов Чаяндинского НГКМ на их фильтрационные характеристики / А.Е. Рыжов, Н.В. Савченко, Т.А. Перунова, Д.М. Орлов // Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения (WGRR 2010): тез. докл. II Междунар. науч.-практической конф., Москва, 28-29 октября 2010. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. - С. 62.

3. Анциферов А. С. Причины засолонения коллекторов нефти и газа в Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции / А.С. Анциферов // Доклады АН. - 2000. - Т. 370. - № 1. - С. 80-82.

4. Вожов В. И. Вторичное минералообразование в венд-нижнекемб-рийских отложениях Непско-Ботуобинской антеклизы / В.И. Вожов, Л.С. Чернова // Геология нефти и газа. - 1999. - № 11-12. - С. 41-48.