УДК 550.8.01 Определение коэффициента глинистости при

УДК 550.8.01
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГЛИНИСТОСТИ ПРИ НАЛИЧИИ В
РАЗРЕЗЕ ДИСПЕРСНОЙ И СЛОИСТОЙ ГЛИНИСТОСТИ, А ТАКЖЕ УЧЁТ
ВЛИЯНИЯ НА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТОВОГО УЭС
Петрусь О.А.,
Научный Руководитель Харитонов Е.В.
Сибирский Федеральный Университет Институт нефти и газа
В терригенных коллекторах фильтрационно-емкостные свойства и другие
петрофизические характеристики зависят от содержания глинистых минералов, их
состава и морфологии.
Содержание в породе глинистого материала существенно влияет на точность
построения петрофизических связей, лежащих в основе интерпретации данных ГИС.
Усложняет интерпретацию данных электрического каротажа для насыщенных пластов.
Наибольшее влияние на искажение значений сопротивления оказывает
рассеянная (дисперсная) глинистость, которая локализуется в поровом пространстве,
уменьшая эффективную пористость и сопротивление. Она значительно снижает
проницаемость породы и увеличивает ее водонасыщенность (𝑆𝑤 ). Это объясняется
свойством глинистых минералов адсорбировать больше воды, чем зёрна кварца.
Рассеянная глина содержит больше связанной воды, поскольку на нее воздействует
только гидростатическое поровое давление. Как следствие, в песчаном пласте такая
глинистость снижает истинное удельное сопротивление пласта R t , и, если не вводить
поправку за глинистость‚ значения водонасыщенности окажутся завышенными, т. е.
зоны, являющиеся на самом деле нефтенасыщенными, будут проинтерпретированы как
водонасыщенные.
Учет рассеянной глинистости является до конца не изученным, и не имеет
определенной разработанной методики определения. Создание методики учета
рассеянной глинистости при определении удельного электрического сопротивления,
значительно повысит достоверность интерпретации данных электрических
характеристик породы и оценки нефтегазонасыщенности коллекторов.
Цель работы: анализ имеющегося опыта в области определения глинистости,
разработка методики учета рассеянной глинистости при корректном определении
удельного электрического сопротивления на основе известных методов и моделей
электропроводности горных пород.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучение понятия «глинистость», влияние на физические свойства
терригенных коллекторов, на показания данных электрического каротажа.
2. Анализ исследований имеющихся научных и методических работ в области
изучения проблемы учета глинистости.
3. Разработка методики учета рассеянной глинистости при интерпретации
данных ГИС.
Объектом научного исследования являются тонкослоистые терригенные
продуктивные пласты-коллекторы с присутствием рассеянной и слоистой глинистости.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней рассмотрена проблема учёта
рассеянной глинистости при определении УЭС пластов-коллекторов. Благодаря
разрабатываемой методике, в будущем будут решаться такие задачи, как повышение
качества и точности определения подсчётных параметров заключений геофизических
исследований скважин.
1
Глинистость коллекторов
Глинистость межзернового терригенного коллектора характеризуется долей
минерального скелета породы, которая представлена глинистыми минералами и по
гранулометрическому составу относится к фракции с размерами зерен меньше 0,01 мм.
Количественно глинистость характеризуется массовым содержанием Сгл
(массовая глинистость) в твердой фазе породы, выражаемым в процентах или долях
единицы: Сгл  m0,01 / mтФ , где m<0,01 - масса фракции dз<0,01 мм; mтФ - масса твердой
фазы породы, включая и фракцию dз<0,01 мм.
Для характеристики объемного содержания глинистого материала в породе
используют коэффициент объемной глинистости kгл, который при равенстве
минеральных плотностей δск=δгл частиц скелетной и глинистой фракции будет равен
kгл  Сгл 1  kп  .
В петрофизике используют также параметр относительной глинистости
гл  kгл /  kгл  kп  , характеризующий степень заполнения глинистым материалом
пространства между скелетными зернами и выражаемый в долях единицы [1, с.12].
Параметры Сгл, kп, ηгл характеризуют рассеянную глинистость в межзерновых
коллекторах.
В слоистом глинистом коллекторе, представленном чередованием чистых
прослоев коллектора и глины, относительное содержание по мощности глинистых
прослоев в пачке характеризуют параметром χгл, выражающем долю толщины слоистой
породы, приходящуюся на прослои глины.
В общем случае, если коэффициенты пористости песчано-алевритовых и
глинистых прослоев неодинаковы (kп  kп гл), параметры ηгл и χгл для пачки связаны
соотношением:
гл  гл 1  kп.гл  / гл  kпп 1   гл  
Глинистые минералы в осадочных породах обычно присутствуют в
тонкодисперсном состоянии и обладают огромной поверхностью, которая адсорбирует
молекулы воды и обменные катионы. С ростом содержания глинистого материала
закономерно уменьшаются эффективная пористость, проницаемость и способность
породы быть коллектором [1, с.15].
Таким образом, содержание в породе глинистого материала является одним из
основных факторов, определяющих способность породы быть промышленным
коллектором, но, с другой стороны, глинистость коллектора оказывает существенное
влияние на физические свойства породы и петрофизические связи, лежащие в основе
интерпретации данных ГИС.
Существуют определенные недостатки определения понятия «глинистость»
широко применяемого в нефтегазовой геологии и геофизике. Эти недостатки
обусловлены особенностями методики определения глинистости в лабораториях
производственных и исследовательских организаций и заключаются в следующем:
Перед гранулометрическим анализом проба обрабатывается 5%-ным раствором
соляной кислоты; при этом растворяются не только карбонатные соединения, но и
высокодисперсные компоненты — некоторые глинистые минералы, гидроокислы железа и
алюминия, которые по ряду признаков следовало бы включить в глинистую фракцию.
Иногда содержание таких растворимых высокодисперсных компонентов соизмеримо с
содержанием фракции dз<0,01 мм или выше.
В полимиктовых и вулканогенных песчаниках и алевролитах часть глинистых
минералов входит в состав скелетных зерен и не учитывается при стандартном
гранулометрическом анализе.
2
Выделение фракции dз<0,01 мм позволяет лишь определить массовое содержание
в породе этой компоненты, но не дает представления о ее дисперсности. В
действительности, для различных пород эта фракция может иметь различный
минеральный состав (глинистые минералы группы монтмориллонитов, гидрослюд и
каолинита с примесями неглинистых минералов) и дисперсность.
Таким образом, используемое понятие «глинистость» в общем случае не является
объективной характеристикой содержания высокодисперсного материала в породе и
выполняет эту роль лишь для кварцевых или преимущественно кварцевых песчаников и
алевролитов с достаточно однородным минеральным составом пелитовой фракции при
отсутствии или незначительном содержании растворимых высокодисперсных
компонентов.
Более объективными характеристиками содержания в породе активных
минеральных компонент, в первую очередь глинистых минералов, являются: емкость
катионного обмена, гигроскопическая влажность породы. Выражают обычно в
мг·экв/см3. Вполне закономерно, что значения таких геофизических параметров, как
относительная амплитуда UСП или индекс свободного флюида (ИСФ),
устанавливаемый по диаграмме ядерно-магнитного каротажа, имеют более тесную
корреляционную связь с величинами, чем с параметрами глинистости. Эти параметры не
получили пока широкого применения на практике для характеристики глинистости пород,
что обусловлено, вероятно, ограниченным масштабом экспериментальных определений
этих величин в лабораториях. В то же время в ряде работ, опубликованных
отечественными и зарубежными авторами, показана возможность и целесообразность
использования этих параметров в качестве более эффективной характеристики
содержания в породе дисперсного материала. Однако в настоящее время параметры
глинистости Сгл, kгл, ηгл в практике изучения продуктивных коллекторов используют чаще.
Выделяют три типа распределения глинистого материала в породахколлекторах: слоистая, структурная и рассеянная (дисперсная) глинистости.
Рассеянная (дисперсная) глина, которая образуется вследствие преобразования
глин уже накопившегося осадка и осаждения различных глинистых минералов, может
налипать на песчаные зерна и обволакивать их, или же может заполнять часть порового
пространства. Рассеянная глина значительно снижает проницаемость породы, в то же
время, увеличивая ее водонасыщенность [2, с.230].
С точки зрения его электропроводности глинистый раствор, или водная
суспензия глины, может при первом приближении рассматриваться как некий
электролит с проводимостью, выражаемой через удельное сопротивление Rt
следующим образом:
1
𝑅𝑡
=
𝑓𝑖𝑚
𝐹𝑖𝑚
𝑓
(𝑅𝑠ℎ𝑑 +
𝑓𝑖𝑚 −𝑓𝑠ℎ𝑑
𝑅𝑤
𝑠ℎ𝑑
)
(1)
Где 𝑓𝑖𝑚 – часть общей пористости 𝜑𝑖𝑚 , занимаемая смесью рассеянной глины с
пластовой водой. В случае отсутствия углеводородов в пласте (водонасыщенность = 1)
доля этой части порового пространства, занимаемая пластовой водой (1 - 𝑓𝑠ℎ𝑑 )/ 𝑓𝑖𝑚 и
доля его, занимаемая рассеянной глиной, 𝑓𝑠ℎ𝑑 /𝑓𝑖𝑚 связаны следующим уравнением:
1−𝑓
𝑓
𝑆𝑤 = ( 𝑓 𝑠ℎ𝑑) + ( 𝑓𝑠ℎ𝑑 ) = 1
(2)
𝑖𝑚
𝑖𝑚
где: 𝑓𝑠ℎ𝑑 – доля общей пористости 𝜑𝑖𝑚 , занимаемая рассеянной глиной, которую
𝜑
можно определить по данным ГИС: 𝑓𝑠ℎ𝑑 = 1 − 𝜑𝐷
𝑠
Где: 𝜑𝐷 – пористость по плотностному каротажу;
𝜑𝑠 – пористость по акустическому каротажу;
𝜑𝑖𝑚 – общая пористость, или матричная пористость породы, занимаемая
флюидами и рассеянной глиной;
3
𝑅𝑠ℎ𝑑 – удельное сопротивление рассеянной глины, ≈0,4Rsh;
𝐹𝑖𝑚 – параметр пористости, соответствующий общей пористости 𝜑𝑖𝑚 ;
𝑅𝑤 − удельное сопротивление пластовой воды.
𝐹𝑖𝑚 =
𝑎
=
2
𝑓𝑖𝑚
𝑅𝑡
𝑚
𝜑𝑖𝑚
(3)
𝑅𝑖𝑚
Принимая, что показатель насыщения n равен 2, и комбинируя уравнения (1)-(3),
решая их относительно 𝑆𝑤 , получаем
𝑆𝑤 =
1
1−𝑓𝑠ℎ𝑑
𝑎𝑅𝑤
𝑓𝑠ℎ𝑑 (𝑅𝑠ℎ𝑑−𝑅𝑤 )
𝑖𝑚 𝑡
2
[{𝑓𝑚 𝑅 + (
2 0,5
𝑅𝑠ℎ𝑑 ) }
−
𝑓𝑠ℎ𝑑 (𝑅𝑠ℎ𝑑 +𝑅𝑤 )
2
𝑅𝑠ℎ𝑑 ](4)
Значение 𝑅𝑠ℎ𝑑 оценить трудно. Но, поскольку в большинстве глинистых
песчаников оно намного больше, чем 𝑅𝑤 , его точное значение не так уж важно знать, и,
приняв 𝑅𝑠ℎ𝑑 ≫ 𝑅𝑤 , уравнение (4) можем упростить до следующего выражения:
𝑆𝑤 =
1
1−𝑓𝑠ℎ𝑑
𝑎𝑅𝑤
[(𝜑𝑚 𝑅 +
0,5
𝑓𝑠ℎ𝑑
𝑖𝑚 𝑡
4
𝑓𝑠ℎ𝑑
−(
)
2
)]
(5)
Общую пористость 𝜑𝑖𝑚 определяем по данным акустического каротажа, а 𝑓𝑠ℎ𝑑
определяем по акустическому и плотностному каротажу, как показано выше. Если 𝑅𝑠ℎ𝑑
не так уж намного превышает 𝑅𝑤 , уравнение (5) дает завышенные оценки 𝑆𝑤 [2, с.233].
Удельное электрическое сопротивление горных пород
Исторический обзор
Важнейшим параметром в комплексе петрофизических характеристик
терригенных отложений, содержащих залежи углеводородов, является удельное
электрическое
сопротивление
(УЭС)
или
обратная
величина
удельная
электропроводность породы. Этот параметр используется в комплексе с другими
физическими свойствами при выделении в геологическом разрезе интервалов
продуктивных коллекторов и определении их коэффициента водонасыщенности и
соответственно нефтегазонасыщенности.
Первой работой по электрическим свойствам пород можно считать статью
Г.Е.Арчи, написанную в 1942 году. В это же время в России аналогичной проблемой
𝜎
𝜌
𝑎
занимался В.Н. Дахнов. Арчи вывел формулу: 𝑃 = 𝜎 в = 𝜌вп = К𝑚 , формула Дахнова:
вп
в
п
𝜌𝑛 = 𝑃𝑛 ∙ 𝑃в ∙ Пм ∙ П𝑛 ∙ В𝑑 ∙ 𝑃𝑡 ∙ 𝜌в , где 𝜎в – удельная электропроводность поровой воды;
𝜎вп – электропроводность насыщенной породы; Кп – коэффициент пористости породы;
a – структурный коэффициент; m – коэффициент извилистости пор. В формуле В.Н.
Дахнова 𝑃𝑛 - параметр пористости; 𝑃в – параметр влажности; Пм – параметр,
учитывающий наличие электронопроводящих минералов, Пп – параметр, учитывающий
поверхностную проводимость (глинистость), Bd – параметр зернистости, Pt – параметр
температуры, 𝜌в – УЭС поровой влаги. Формула Арчи по числу параметров
относительно ограничена, а вот формула Дахнова существенно шире, охватывает все
важные факторы. Но по формуле Арчи сразу можно считать, а формула Дахнова
отражает важные идеи, но ее считающие возможности спрятаны. В итоге появилось
уравнение для определения водонасыщенности чистых неглинистых коллекторов,
1⁄
𝑛
𝑎𝑅
называемое уравнением Дахнова-Арчи: 𝑆𝑤 = (𝜑𝑚𝑤𝑅 )
𝑡
Современные модели учитывают наличие различных типов глин в породах,
уравнение Дахнова-Арчи корректируется, приобретая более сложную форму.
Существует множество вариантов уравнений для определения водонасыщенности
глинистых песчаников. Наиболее общий подход к проблеме определения
4
водонасыщенности с учетом свойств глинистой фракции – это модели ВаксманаСмитca и двойной связаной воды.
Выводы: На основе обобщения предыдущих исследований и выполнения
собственных теоретических исследований было принято решение о разработке
универсальной методики учета рассеянной глинистости при корректном определении
удельного электрического сопротивления. При этом установлено, что с точки зрения
его электропроводности глинистый раствор, может при первом приближении
рассматриваться как некий электролит с проводимостью, выражаемой через удельное
сопротивление Rt.
Развито представление о модели терригенной породы в части объяснения
понятия "глинистость породы". Обоснована целесообразность использования более
объективных характеристик содержания в породе активных минеральных компонент,
глинистых минералов.
Установлено, что современные модели определения электропроводности
требуют измерения емкости катионного обмена глинистой фракции и знания типа
(минералогический состав) глин и форм ее распределения (слоистая, структурная или
рассеянная формы). Однако существует ряд недочетов в самых распространенных на
Западе уравнениях:
1. Входящая в них емкость обмена редко и трудно измеряется (особенно для
сильно глинистых образцов);
2. Способы пересчета емкости обмена в глинистость весьма не доопределены и
сомнительны;
3. Такие уравнения принципиально не описывают анизотропию сопротивления
(ведь и пористость и емкость не зависят от направления);
4. Уравнения тестировались и их константы подбирались только по молодым
песчано-глинистым отложениям.
Все эти особенности располагают обратиться к другим уравнениям определения
водонасыщенности песчано-глинистых пород с рассеянной глинистостью к поиску и
созданию уравнений определения водонасыщенности песчано-глинистых пород с
рассеянной глинистостью.
Создание методики учета рассеянной глинистости при определении удельного
электрического сопротивления позволит создать более достоверный способ
определения коэффициента нефтегазонасыщенности пород коллекторов и значительно
повысит достоверность интерпретации данных об электрических характеристиках
породы.
Список литературы
1. Добрынин, В.М. Петрофизика (Физика горных пород): учеб. для вузов /
В.М.Добрынтин, Б.Ю. Вендельштейн, Д.А. Кожевников; – Изд. 2-е перераб. и
доп. под редакцией Д.А. Кожевникова. – Москва: ФГУП Издательство «Нефть и
газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004, - 368 с.
2. Тиаб, Д. Петрофизика: теория и практика изучения коллекторских свойств
горных пород и движения пластовых флюидов: науч.изд. / Д. Тиаб ,
Эрл Ч. Доналдсон; под редакцией В.И. Петерсилье, Г.А. Былевского; перевод с
английского М.Д. Углов. – Изд. 2-е. – Москва: ООО «Премиум инжиниринг»,
2008. - 837 с.
5