Лабораторные методы исследования керна

 

Керн - основной источник геологической информации о глубоко за-легающих горных породах. Благодаря ему, мы узнаем о минералогическом

 

- петрографическом составе слоев, лежащих на глубине в "вечном мраке", о содержащихся в них фаунистических и растительных остатках, пористо-сти, проницаемости, нефтегазонасыщенности и др. Без керна была бы не-возможной и геологическая интерпретация каротажных диаграмм и других геофизических материалов, поскольку такая интерпретация основана на сопоставлении показателей приборов, полученных при каротаже скважин,

 

- физических параметров образцов керна, определенных в лаборатории.

поисковых и разведочных скважинах керн отбирается только с глу-бин, где ожидается проходка продуктивных пластов. Остальная часть сква-жины проходится без отбора керна, а определение литологического состава

 

- границ слоев на этих интервалах производится по каротажным диаграм-мам. Поэтому при описании керна геолог всегда работает одновременно и с каротажными диаграммами, интерпретируя их литологически.

 

Первичная документация керна включает в себя поинтервальное , по-слойное макроскопическое описание пород , отбор образцов и проб на раз-личные виды анализа. Выделение слоев по керну так же, как и при описа-нии обнажений, производится по петрографическому составу: слой 1 - песчаник, слой 2 - алевролит, слой 3 - аргиллит, слой 4 - частое переслаи-вание песчаников, алевритов и т.д. Описание горных пород производится в последовательности: название, цвет, структура, текстура, отдельность, ми-неральный состав, включения. Для осадочных горных пород структура определяется по размеру зерен: мелкозернистая, среднезернистая и т.д.

 

153

Текстура определяется по типу слоистости: параллельно-, линзовидно-, ко-со-, волнисто-, тонко-, грубо-слоистая. Замеряются углы наклона слоев, трещин, прожилков. Отмечается степень трещиноватости пород.

 

Для определения минералогического состава зерен и включений применяются увеличивающие линзы, раствор соляной кислоты, индика-торные жидкости и другие средства. Включениями в осадочных горных породах чаще являются фаунистические остатки, конкреции, минеральные зерна и агрегаты, заполняющие каверны, поры, трещины, обломки углефи-цированных стеблей растений. Внутри слоя включениями являются про-слойки, гнезда, отдельные обломки, гальки, гравий инородных пород. Все включения тщательно исследуются, замеряются, оцениваются количе-ственно, поскольку наличие их определяет степень неоднородности слоя.

3) другой стороны, включения являются одним из главных диагностиче-ских признаков, по которым реконструируются условия осадконакопления.

 

Устанавливается характер границ перехода одних слоев в другие: резкий, постепенный градационный или способом тонкого переслаивания.

Тщательно исследуются границы свит, ярусов, которые часто быва-ют резкими, несогласными. Признаками несогласного залегания являются базальные конгломераты, гравелиты, песчаники, кора выветривания, раз-рыхления, каолинитизации, угловые несогласия слоев, резкое изменение состава, структуры, текстуры, плотности и других свойств горных пород, лежащих ниже и выше поверхности несогласия. Текст описания сопро-вождается зарисовками, фотографиями.

 

В керна отбираются эталонные образцы, в том числе для изготовле-ния шлифов, пришлифовок, пробы на различные виды анализа. Все ото-бранные образцы и пробы регистрируются, сопровождаются этикетками, отправляются в лаборатории.

 

Расчленение разреза на литотипы. По комплексу признаков, в пере-чень которых в первую очередь входят петрографический состав, струк-турно-текстурные характеристики, макроскопически видимые включения, разрез скважины расчленяется на литотипы. Для терригенных толщ Запад-ной Сибири методика выделения литотипов разработана М.Ю.Эрвье (1987 г.). Ею выделено 12 литотипов песчаных пород, 9 типов алевролитов, 14 литотипов глинистых пород ( см. глава 1). Этот перечень показывает, какое широкое разнообразие видов одной и той породы существует в геологиче-ском мире. Соответствующими условными знаками литотипы показыва-ются на вертикальных колонках скважин. После этого строятся профиль-ные разрезы и карты литотипов для пласта-коллектора. Литотипы переин-терпретируются в генетические типы, а карты литотипов - в фациальные карты (рис. 6, 7). Сеть эксплуатационных скважин густая (500×500м), по-этому по их данным становится возможным выделять объекты малых раз-меров и существенно уточнить общую модель литологического строения пласта-резервуара, построенную по результатам бурения разведочных

 

154

скважин. На рис.8 показан пример выделения литотипов в пластах ЮК10 и ЮК11 Талинского нефтяного месторождения Красноленинского района За-падной Сибири . Выделены 5 литотипов по проницаемости пород-коллекторов. По совокупности таких профилей построена детальная трех-мерная модель строения резервуара, заново подсчитаны эффективные толщины, объемы, извлекаемые запасы в границах распространения каж-дого литотипа. Определена технология разработки залежи с учетом этой модели.

 

Практика показывает, что осадочные толщи построены по закону цикличности. Поскольку керн в скважинах отбирается фрагментарно, то на этом материале становится возможным выделение циклов только низких рангов. Циклы высших рангов выделяются по каротажным диаграммам.

 

Вся первичная информация по анализу керна, в том числе и описа-ние керна с выделением литотипов, вносится в картотеку, банк данных, ко - торые периодически корректируются по мере поступления новых данных.

 

Гранулометрический анализ. Терригенная порода представляет со-бой смесь обломков различной размерности, различного минералогическо-го состава . Чем крупнее размер обломков, тем крупнее поры между ними и тем выше проницаемость. Чем выше содержание мелких и мельчайших ча-стиц, тем меньше поры и тем хуже проницаемость. Для классификации терригенных пород по размерам и степени отсортированности обломков разработан гранулометрический метод. Образец породы разрушается (раз-рыхляется) в ступе, обрабатывается кислотой, промывается, высушивается, взвешивается. Проба просеивается через сита с различными диаметрами отверстий. Полученные фракции взвешиваются и по весу определяется до-левое участие каждой из них в общей массе пробы. Гранулометрические пробы отбираются в каждой скважине и по несколько штук от каждого пласта. В итоге получается довольно представительный материал для мас-сового анализа по каждому месторождению и по каждому пласту. Для из-влечения из этого материала полезной информации строятся грануломет-рические графики ( гистограммы, кумулятивные кривые), а по ним опреде-ляются медианный (средний) диаметр зерен, коэффициент отсортирован-ности и некоторые другие характеристики. Вся работа ведется с использо-ванием цифровой информации вручную и на компьютере по стандартной программе (рис.4). Резкое преобладание одной из фракций (>50%) свиде-тельствует о хорошей отсортированности зерен. Чем лучше отсортирован песчаник, тем он лучше как коллектор. Присутствие алевритовой и пели-товой примеси (матрикса) ухудшает качество коллектора, т.к. она заполня-ет поры породы. Для определения названия (литотипа) породы применя-ются треугольные диаграммы (рис.1). Такие диаграммы используются для классификации пород по трем параметрам, поэтому все фракции необхо-димо группировать на три части: песчаную (>0,1 мм), алевритовую (0,1-0,01 мм), пелитовую (<0,01 мм). Определяется процентная доля каждой из

 

155

этих частей. Каждая проба на этой диаграмме изображается в виде одной точки, три координаты которой равны соответственно процентным содер-жанием песка, алеврита, глины (пелита). Счет ведется перпендикулярно к сторонам треугольника в направлении к вершине, где он достигает 100%. Сумма трех координат составляет 100. Название (литотип) породы опреде-ляется в зависимости от того в какой сектор попала точка. Таким методом можно расклассифицировать все пробы, а полученные результаты разнести условными знаками на план расположения скважин, из которых отобраны пробы. Получится карта литотипов, выделенных по результатам грануло-метрического анализа керна. Она будет показывать, в какой части площади залегают песчаники, глинистые песчаники и т.д. Можно строить карты ме-дианных размеров зерен и коэффициента отсортированности в изолиниях, вручную или на компьютере. Все графики и карты интерпретируются гео-логически и палеогеологически.

 

По соотношению песчаной, алевритовой, глинистой фракций можно вычислить степень неоднородности терригенных пород:

 

для песчаников: коэффициент глинистости – Кг ,

 

коэффициент алевритистости - Ка,

для алевролитов: коэффициент песчанистости - Кп,

коэффициент глинистости - Кг,

 

для глин: коэффициент песчанистости - Кп, коэффициент алевритистости - Ка.

Расчет этих коэффициентов по данным гранулометрического анали-за производится методом деления веса одной фракции (например, глини-стой) на вес всей пробы.

 

Микроскопические исследования. Геологов-нефтяников горные по-роды интересуют прежде всего с точки зрения их коллекторских и экрани-рующих свойств. Существуют стандартные методы определения пористо-сти и проницаемости по керну на лабораторных установках. Об этих мето-дах кратко говорилось в главе 1. В последние годы для этих целей исполь-зуются электронные приборы. Однако, следует помнить, что проницае-мость является интегральным параметром исследуемого образца керна, за-висящим не только от его общей пористости, но и от размеров пор, поро-вых каналов, от неоднородности и степени микротрещиноватости породы. Второе положение, о котором следует помнить, заключается в том, что определения пористости и проницаемости по образцам керна характери-зуют пласт- резервуар лишь в единичных точках, откуда производился от-бор пробы. Пласты построены по закону неоднородности и в каждой их точке значения пористости и проницаемости (как и всех других парамет-ров) будут более или менее отличаться друг от друга. Поэтому построен-ные по ним модели коллекторского пласта будут лишь вероятностными.

 

156

Привлечение для этой цели результатов каротажа скважин позволяет по-строить модель пласта-резервуара с соблюдением принципа неоднородно-сти.

 

Закон неоднородности геологической материи проявляется на всех уровнях и стадиях исследования, в том числе и при аналитических работах под микроскопом. Поляризационные микроскопы МИН-6, МИН-8, Палам

В др. позволяют увеличить изображение от 10 до 2000 раз. При этом ре-шаются следующие задачи:

 

Определение минералогического состава и литологического типа горной породы.

Определение размера, формы обломочных и кристаллических зе-рен, из которых состоит порода, и степени их отсортированности.

Определение минералогического состава, типа и количества веще-ства, цементирующего обломочные зерна.

 

Определение количества, размера и формы межзерновых пор, пу-стот, поровых каналов и трещин, являющихся вместилищем для нефти, га-за и воды.

Геологическая интерпретация полученных результатов.

 

Основными породообразующими минералами в песчаниках и алевро-литах являются кварц, полевые шпаты, слюды. Темноцветные минералы (пи-роксены, амфиболы, оливин) легко разрушаются в зоне выветривания и в песчано-алевритовых породах встречаются редко. Часть зерен представлена обломками пород (эффузивов, кремнистых пород и др.). Количественное определение минералогического состава производится по методу В.П.Батурина и П.П.Авдусина - замерами длин отрезков линии, приходящих-ся на частицы того или иного минерала. Замеры производятся вдоль несколь-ких прямых линий, записываются в таблицы. Затем производится суммиро-вание отрезков и расчет отношения суммы к общей длине линии, вдоль кото-рой производились замеры. Так определяется процентное содержание зерен по минералогическому составу, а результаты расчетов выносятся на тре-угольную или круговую диаграмму (рис.5). Эта методика позволяет более точно определить литологический тип породы, получить статистические средние характеристики по одному или нескольким шлифам.

 

Минералогический состав оказывает влияние на нефтеотдачу. Зерна кварца обладают низкой сорбционной способностью. Высокой сорбцией обладают обломки эффузивных и глинистых пород. Полевые шпаты и слюды имеют шероховатую поверхность и спайность, характеризуются средней сорбционной способностью. Экспериментально доказано, что кварцевый песок имеет проницаемость в два с лишним раза выше, чем граувакковый. Резко снижает фильтрационно-емкостные свойства коллек-торов глинистая примесь: каолинит, монтмориллонит.

 

Форма и размеры зерен определяют форму и размеры пор и каналов, по которым происходит движение жидкости и газов при разработке зале-

 

157

жи. Чем крупнее зерна, тем крупнее поры. Следовательно, тем выше про-ницаемость. Чем однороднее частицы по величине, тем выше пористость и проницаемость. Определение размеров зерен под микроскопом произво-дится с помощью окуляр-микрометра и препаратоводителя. Замеры произ-водятся вдоль линии, результаты записываются в таблицу с разделением на группы по размерам фракций. Измерения производятся по 5-6 направ-лениям. Затем производится суммирование замеров, определяется доля каждой фракции в процентах . Строятся гистограммы и кумулятивные кри-вые точно так же, как и по гранулометрическим данным. Определяется средний (медианный) размер зерен, коэффициент отсортированности и не-которые другие статистические коэффициенты.

 

Цемент в песчаных коллекторах обычно пленочный, пленочно-поровый, контактный, сложен глинистыми минералами: каолинит, гид-рослюда, хлорит , смешанно-слойные. Кроме того, в состав цемента входят микрозернистый кварц, кальцит. Увеличение количества цементирующего материала приводит к ухудшению пористости и проницаемости коллекто-ра. Наиболее пластичен монтмориллонит: он способен разбухать в воде и закупоривать поровые каналы. При базальном типе цемента содержание цементирующей массы составляет 40-45%. Порода при этом становится практически неколлектором. При поровом типе цемента пустоты заполне-ны цементирующим веществом, количество его составляет 20-35% от об-щего объема породы. Пористость отсутствует или очень низкая. Лучшими коллекторскими свойствами обладают песчаники с контактовым и пленоч-ным типами цемента (рис.2). Различают также сгустковый тип цемента, когда цементирующая масса распределяется в породе неравномерно.

Пустоты, поры, поровые каналы коллекторских пород исследуются в специально изготовленных шлифах с большой площадью, пропитанных окрашенной бакелитовой смолой. Размеры пор измеряются с помощью окуляр-микрометра. Предварительно определяется цена деления. Измере-ния производятся вдоль линии 5-6 пересечениями так же, как производятся измерения размеров зерен. Результаты измерений записываются в таблицы

В выделением групп пор по их размерности. По этим данным строятся ги-стограммы размеров пор, порометрические кривые, кумулятивные кривые подобно тому, как это делается при обработке результатов гранулометри-ческого анализа (рис.10). Известно, что в процессе фильтрации жидкости в первую очередь участвуют поры крупной размерности. Обычно размеры пор всегда меньше (в среднем на один порядок) размеров зерен, но чем крупнее зерна, тем крупнее и поры. Гистограммы и порометрические кри-вые показывают долю пор каждой размерности в общей пористости поро-ды. По кумулятивной кривой можно определить средний (медианный) диаметр пор исследуемого образца породы. Упрощенным методом эти же характеристики можно получить по следующим формулам:

 

158

Коэффициент Кп =	площадь пор	=	сумма длин пор
	площадь шлифа		длина отрезка

 

сумма длин пор

Средний размер пор = _{количество пор}

 

В глубиной породы уплотняются, цементируются, частично видоиз-меняются по минералогическом составу за счет процессов перекристалли-зации, растворения и образования вторичных минералов. Объем порового пространства уменьшается. Возрастает плотность упаковки (укладки) зе-рен, что отражается изменением морфологии контактов между зернами. Различаются четыре типа контактов зерен:

 

1). точечный (тангенциальный); 2). линейный; 3). выпукло-вогнутый;

4). сутуровидный. Свободной считается укладка зерен, когда они соприка-саются друг с другом лишь в отдельных точках. При количестве цемента до 5 % пористость таких пород составляет 20-25 %. При плотной упаковке она не превышает 10-15 %. На глубинах 3,5-4,0км пористость коллекторов незначительная. Но бывают исключения. Например, в молодых бассейнах (Азербайджан, Аризона, Техас) на глубине 6-8км встречаются коллекторы, пористость которых достигает 15-18%. Форма пор и поровых каналов бы-вает очень разнообразной, а чаще сложной. Чем больше в породе цемента, тем более извилистые поровые каналы и хуже проницаемость. Вдоль слои-стости проницаемость выше, чем поперек слоистости. Это объясняется ориентированным расположением минеральных зерен и пор параллельно слоистости при процессах седиментогенеза, а позже - под давлением вы-шележащих пород.

 

Изложенная методика исследования пород-коллекторов под микро-скопом с массовыми замерами размеров зерен и пор, с построением графи-ков и вычислением средних значений и различных коэффициентов требует значительных затрат труда, иногда неоправданных. Дело в том, что при этом исследованию подвергается только точечная проба (площадь одного шлифа), в то время как коллекторские пласты имеют толщину несколько метров, иногда и десятки метров. Все свойства пласта на этих метрах из-менчивы и эта изменчивость может быть выражена коэффициентами мак-ро- и микронеоднородности, определяемыми по каротажным диаграммам

с по описанию керна, т.е. на уровне слоев и прослоев. Поэтому представи-тельность одного-двух шлифов для пласта в целом будет весьма невысо-кой.

В производственных организациях создаются литологические лабо-ратории. Исследования под микроскопом здесь чаще ограничиваются обобщенным описанием шлифа, производимым опытными петрографами. В этих описаниях содержатся те же сведения (минералогический состав,

 

159

форма и размеры зерен, количество и тип цемента и др.), но в форме крат-кой характеристики, без множества измерений. Ниже приводится пример такого описания шлифа, изготовленного из песчаной породы-коллектора. Табличная форма описания, принятая по стандарту , характеризующему по 20 признакам, удобна для создания банка данных и обработки информации на компьютерах (табл. 24).

 

Таблица 24