Классификация терригенных коллекторов

Вопрос классификации коллекторов имеет большое практи­ческое значение при разведке месторождений. Поскольку фак­торов, определяющих коллекторские свойства, слишком много, создать удовлетворительную классификацию очень трудно. Почти все существующие классификации достаточно формальны. Груп­пы и классы коллекторов выделяются в них в основном по вели­чинам пористости и проницаемости. Но для оценки качества коллекторов пород совершенно необходимой является и литоло-гическая характеристика.

В общем виде породы-коллекторы подразделяются на про­мышленные нефтеносные, из которых возможно получение доста­точных по величине притоков, и непромышленные, из которых по­лучение таких притоков на данном этапе невозможно. Для газа в связи с его подвижностью категория промышленных коллекторов расширяется.

Основная масса терригенных коллекторов характеризуется межзерновым (поровым) пространством — это межзерновые или гранулярные коллекторы. Однако среди терригенных пород встречаются и коллекторы со смешанным характером пустотного пространства. Выделяются трещинно-поровые и даже каверноз-но-поровые разности (в том случае, если часть зерен сравнитель­но легко выщелачивается).

Одна из первых классификаций в нашей стране была создана П.П. Авдусиным и М.А. Цветковой. В качестве основного крите­рия была предложена величина эффективной пористости. Всего было выделено пять классов: А — с эффективной пористостью более 20%; В - 15-20%; С - 10-15%; D - 5-10%; Е - менее 5%. Каждый из классов разделяется по степени сложности строе­ния порового пространства, находящей отражение в гидравличес­кой характеристике Ф. По своей величине эта характеристика равна отношению периметра Р эквивалентной (воображаемой) поры, равной по площади сумме площадей всех пор в данном се­чении, к сумме периметров этих пор Σp. Тогда Ф = Р / Σр. Пери­метр пор, заполненных окрашенной смолой (бакелитом), можно подсчитать на фотографии при помощи курвиметра, а планимет­ром (специальной сеточкой) — суммарную площадь пор. По таб­лице можно найти длину окружности (периметр Р) круга, по пло­щади равного суммарной площади пор. По величинам Ф кол­лекторы подразделяется на три группы: 1 — Ф > 0,25, хорошо проницаемые коллекторы, допускающие значительные скорости фильтрации; 2 — Ф = 0,1-0,25, среднепроницаемые коллекторы, со средней скоростью фильтрации; 3 — Ф < 0,1, слабо проницае­мые коллекторы с незначительной скоростью фильтрации. Чем более изометричные очертания у сечений поровых каналов, тем

ближе значение гидравлической характеристики Ф приближается к 1. П.П. Авдусин и М.А. Цветкова выделили классы без указа­ния типов пород; в классификации также не приводятся величи­ны проницаемости.

В настоящее время наиболее широко применяется классифи­кация А.А. Ханина (ВНИИГаз). Анализ большого фактического материала позволил А.А. Ханину установить зависимость между величинами полезной емкости и проницаемости для отдельных групп коллекторов, выделяемых по гранулометрическому составу (среднезернистые, мелкозернистые песчаники, алевролиты с пре­обладанием крупно- и мелкоалевритовой фракции).

На основе анализа построения кривых было выделено шесть классов коллекторов (I, II, III, IV, V, VI) с проницаемостью соот­ветственно свыше 1000 мД, 1000-500, 500-100, 100-10, 10-1 мД и менее. Каждому типу печано-алевритовых пород в пределах того или иного класса

соответствует своя величина эффективной пористости. Породы, относящиеся к VI классу с проницаемостью менее 1 мД, в естественных условиях обычно содержат 90% и бо­лее остаточной воды и не являются коллекторами промышленно­го значения. С учетом гранулометрического состава пород клас­сификация терригенных коллекторов, по А.А. Ханину, представ­лена в табл. 6.2. В рамках одной классификации трудно учесть все свойства. Можно идти по пути создания особых классифика­ций для отдельных типов пород.

6.6. КАРБОНАТНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ

Карбонатные породы как коллекторы нефти и газа уверенно конкурируют с терригенными образованиями. По различным данным, от 50 до 60% современных мировых запасов УВ приуро­чено к карбонатным образованиям. Среди них выделяются наи­лучшие по качеству коллекторы - карбонатные породы рифовых сооружений. Добыча нефти и газа, большая по объему, произво­дится из известняков и доломитов, в том числе из палеозоя и докембрия; наиболее крупные месторождения открыты в мезо­зойских и палеозойских породах, прежде всего в странах Ближне­го Востока. Крупные скопления в рифовых сооружениях мезо­зойского возраста открыты в бассейне Мексиканского залива (Золотой пояс, Кампече и др.). Из рифовых известняков были получены и рекордные дебиты (десятки тысяч тонн в сутки). Можно отметить некоторую связь между развитием карбонатных коллекторов и усилением карбонатонакопления в геологической истории, что связано с обшей цикличностью геотектонического развития и периодичностью осадкообразования.

Карбонатные коллекторы характеризуются специфическими особенностями: крайней невыдержанностью, значительной из­менчивостью свойств, что затрудняет их сопоставление. В них от­носительно легко происходят разнообразные диагенетические и катагенетические изменения. Фациальный облик известня­ков в большей мере, чем в обломочных породах, влияет на фор­мирование коллекторских свойств. В минеральном отношении карбонатные породы менее разнообразны, чем обломочные, но по структурно-текстурным характеристикам имеют гораздо больше разновидностей. В процессе изучения коллекторских свойств карбонатных толш многими авторами неоднократно под­черкивалась решающая роль генезиса отложений, гидродинами­ки среды для формирования структуры пустотного пространства, которая может быть более или менее благоприятна для формиро­вания коллекторов и определяет характер последующих преобра­зований.

В целом карбонатные породы легко подвергаются вторичным изменениям. Это связано с их повышенной растворимостью. Особенно велико влияние вторичных преобразований в породах с первично неоднородной структурой порового пространства (орга-ногенно-обломочные разности). По характеру постседиментаци-онных преобразований карбонатные породы отличаются от тер-ригенных, прежде всего это касается уплотнения. Остатки биогермов с самого начала представляют практически твердые обра­зования, и далее уплотнение идет уже медленно. Карбонатный ил также может быстро литифицироваться, при этом в нем возника­ют своеобразные фенестровые пустоты за счет выделения пузырь­ков газа. Мелкообломочные, комковато-водорослевые карбонат­ные осадки также быстро литифицируются. Пористость несколь­ко сокращается, но вместе с тем значительный объем порового пространства «консервируется».

В карбонатных породах отмечаются все виды пустот. В зави­симости от времени возникновения они могут быть первичными (седиментационными и диагенетическими) и вторичными (пост-диагенетическими). В органогенных карбонатных породах к пер­вичным относятся пустоты внутрираковинные, в том числе внут­ри рифовых построек (в широком смысле — внутриформенные), а также межраковинные. Некоторые карбонатные породы могут быть хемогенного или биохемогенного происхождения, они обра­зуют резервуары пластового типа. К ним относятся прежде всего оолитовые, а также известняки с меж- или внутриоолитовой пус-тотностью. Слоистым или массивным известнякам свойственны пелитоморфные или скрытокристаллические, а также кристалли­ческие структуры. В кристаллических, особенно в доломитизиро-ванных, породах развита межкристаллическая (межзерновая) по­ристость.

Карбонатные породы в большей мере, чем другие, подверже­ны вторичным преобразованиям (перекристаллизация, выщела­чивание, стилолитообразование и др.), которые полностью меня­ют их физические свойства, а иногда и состав (процессы доломи­тизации и раздоломичивания). В этом состоит сложность выделе­ния природных резервуаров, так как одна и та же порода в одних условиях может рассматриваться как коллектор с очень высокими свойствами, а в других, если нет трещин, может являться по­крышкой. Созданию вторичных пустот способствуют процессы растворения (выщелачивания), перекристаллизации, в основном доломитизации и раздоломичивания или стилолитизации. Те или иные процессы сказываются по-разному в зависимости от гене­тического типа породы.

Перерывы в осадконакоплении, имеющие региональное зна­чение, играют большую роль при формировании зон высокоем-

ких коллекторов. Под поверхностью размывов и несогласий в массивах карбонатных пород можно встретить закарстованные зоны, связанные с выветриванием и выщелачиванием. В пределах нефтяных месторождений к этим зонам приурочены высокопро­дуктивные горизонты. Вдоль трещиноватых зон растворение про­исходит до больших глубин, в Камском Приуралье оно отмечает­ся на глубинах до 1 км.

В рифах выделяются «ситчатые» обычно выщелоченные из­вестняки с пористостью (пустотностью) до 60%, сложенные ко­раллами, мшанками, «губчатые» крупнодетритовые известняки (с пористостью 40-45%), часто кавернозные и малопористые из­вестняки с отдельными порами и кавернами, чаще всего выщела­чивания. Все разновидности известняков выделяются внутри ри­фового массива. Ситчатые и губчатые разности группируются в зоны повышенной пористости. Образование ее в этих зонах часто связано с выведением пород на поверхность и выветриванием. Дебиты скважин в разных частях рифов резко различаются.

Среди явлений выщелачивания следует отметить некоторые особые случаи, имеющие локальное значение, но проявляющиеся иногда в широких масштабах. Таким примером может служить хемобиогенная коррозия, проявляющаяся при развитии микро­флоры на ВНК, которая создает кислую среду, повышает ее агрес­сивность и способствует растворению карбонатов. Другим приме­ром является развитие карста под влиянием углекислоты, образу­ющейся при разрушении нефтяной залежи. В обоих случаях пе­реотложение растворенного карбоната кальция ниже подошвы залежи приводит к изоляции последней от остальной части плас­та. Особую проблему представляет развитие глубинного карста (гипокарста), связанного с различными процессами, при которых в глубинных зонах осадочного чехла происходит хотя бы кратко­временное раскрытие трещин, в результате чего увеличивается поступление СОг с глубин, и, как следствие, развивается глубин­ный карст с образованием коллекторов. На развитие гипокарста, очевидно, влияет и достижение состояния неустойчивости каль­цита при погружении (см. гл. 5).

В пределах основных групп пород выделяются определенные структурные разности пород. Органогенно-обломочные известня­ки, как правило, всегда сцементированы и обладают меньшими емкостными возможностями по сравнению с биоморфными раз­ностями. Пустоты (поры) органогенно-обломочных пород назы­ваются межагрегатными, так как внутренняя структура составных частей этих пород различна.

В хемогенных породах пустоты различаются по особенностям структуры. В оолитовых породах различается пористое межооли­товое пространство, трещины сокращения между и внутри кон-

центров оолитов и, наконец, отрицательно-оолитовые пустоты, образующиеся при выщелачивании оолитов (рис. 6.18).

В кристаллических (зернистых) известняках структура поро-вого пространства (в случае растворения) межзерновая и кавер­нозная. Пелитоморфные известняки обычно обладают повышен­ной трещиноватостью по сравнению с другими типами карбонат­ных пород. В них же наиболее часто развиты стилолитовые швы. Обычно видно все переходы от самых ранних стадий - зароды­шей и сутурных швов к типичным стилолитам. Образование сти-лолитов связано с неравномерным растворением под давлением. Глинистая корочка на поверхности стилолитовых швов представ­ляет нерастворимый остаток породы. Часто горизонты развития стилолитов являются наиболее продуктивными в разрезе. Они проницаемы, за счет вымывания глинистых корочек может обра­зоваться зияющая пустота (рис. 6. 19).

Обломочные карбонатные породы в структурном отношении отличаются от перечисленных групп. В принципе они сходны с

обычными кластическими породами, но по характеру преобразо­ваний тяготеют к известнякам.

Из числа вторичных процессов в карбонатных породах важ­нейшее значение имеют цементация, выщелачивание, кальцитазация и сульфатизация. Цементация может начаться очень рано и происходить быстро, как это хорошо видно на примере бичроков. Кальцитовый цемент выкристаллизовывается за счет выпарива­ния морской воды, заливающей пляж, и частичного растворения нестойких минералов. Пляжный карбонатный песок может от­вердевать за несколько дней. Подобная почти мгновенная лити-фикация происходила и в прошлые времена. Дальнейшая судьба оставшихся в каркасе такого «литификата» пустот может быть различна.

При перекристаллизации происходит существенное измене­ние структуры и текстуры пород. В целом этот процесс направ­лен в сторону увеличения размера кристаллов. Если при пере­кристаллизации часть вещества выносится, пористость возраста­ет. Наибольшей вторичной пористостью обладают неравномер­но перекристаллизованные породы. Рост крупных кристаллов способствует образованию микротрещин.

Наиболее эффективное влияние на формирование вторичной пустотности оказывает выщелачивание и метасоматоз (в основ ном доломитизация). Растворение при выщелачивании прояв­ляется по-разному в зависимости от большей или меньшей дисперсности слагающих породу частиц. Тонкодисперсные компо­ненты сильнее подвержены этому процессу. Растворимость также зависит от состава минералов и вод: арагонит растворяется луч­ше, чем кальцит, сульфатные воды более активно растворяют доломит и т.д. Анализ изменения фильтрационно-емкостных па­раметров, определяемых в том числе выщелачиванием, уста­навливает их весьма отчетливую связь со структурно-генетичес­кими типами пород. Примером этого является крупный рифовый массив раннепермского и каменноугольного возраста Карачаганакского месторождения, расположенного в северной бортовой части Прикаспийской впадины.

Месторождение Карачаганак находится под соленосной кун-гурской толщей на глубинах от 3750 до 5400 м. В продуктивной толще каменноугольно-раннепермского возраста преимуществен­но развиты биогермные и биоморфно-детритовые известняки, в меньшей степени — хемогенные и органогенно-обломоч-ные разности, присутствуют доломиты как продукты замещения известняков. По фациальной принадлежности различаются поро­ды ядра рифового массива, склоновых фаций, внутририфовой ла­гуны и обломочного шлейфа. Это обычная схема строения всех рифовых массивов. Наилучшими коллекторскими свойствами об­ладают породы ядра (особенно в выщелоченном состоянии), а также отложения склоновой фации, залегающие на глубине 4,8-4,9 км. Для них характерны значения пористости 10-23% и проницаемости 100-500 мД. Такие высокие значения на больших глубинах определяются тем, что широко развитые процессы раст­ворения привели к формированию линзовидных крупнопористых зон с унаследованной кавернозностью (см. рис. 6.11). В меловых отложениях Золотого пояса и зоны Реформа в Мексике рифовые и предрифовые фации, в том числе фация обломочного шлейфа, представляют коллекторы с пористостью от 14 до 26% и прони­цаемостью в сотни миллидарси.

Иной тип карбонатных пород и пустоты в них можно наблю­дать в древних толщах Восточной Сибири в Юрубчено-Тахомской зоне нефтенакопления. Здесь в разрезе продуктивных толщ преобладают вторично измененные перекристаллизованные водо­рослевые, строматолитовые доломиты. В породах широко разви­ты стилолитовые швы, часто заполненные глинисто-битуминоз­ным веществом. Широко развиты процессы окремнения. Масси­вы карбонатных пород рифея при выведении на поверхность во время предвендского перерыва подвергались выветриванию и карстообразованию, что привело к развитию кавернозности. Карстовые воронки и другие ниши были заполнены делювиаль-

но-пролювиальными образованиями. Массивы нарушены разло­мами и трещиноватостью. Таким образом, коллекторы обладают сложной структурой пустотного пространства. Из зон повышен­ной пустотности получены высокие притоки нефти.

Доломитизация является одним из ведущих факторов при формировании коллекторов. На образование доломита влияет со­отношение в воде магния и кальция и общая величина соленос­ти. При более высокой концентрации солей требуется и большее количество растворенного магния. В процессе диагенеза доломит возникает за счет своих предшественников — таких как магнези­альный кальцит. Первичная диагенетическая доломитизация не имеет существенного значения для формирования коллекторских свойств. Метасоматическая доломитизация в катагенезе более важна для преобразования коллекторов. Для доломитообразова-ния необходимо поступление магния. Источники его могут быть различны. При катагенетических процессах в условиях повышен­ных температур растворы теряют магний, обменивая его на каль­ций вмещающих пород. На примере Припятского прогиба видно, что между составом рассолов и интенсивностью вторичной доло­митизации устанавливается отчетливая зависимость. В тех стра­тиграфических зонах, где девонские карбонатные породы наибо­лее сильно доломитизированы, содержание магния в рассолах резко падает, он используется для образования доломита. При метагенетической доломитизации особенно заметно увеличение пористости, так как процесс идет в породе с жестким скелетом, которая трудно поддается уплотнению. Общий объем породы со­храняется, пустотность в ней за счет доломитизации повышается.

Обратный процесс раздоломичивания (дедоломитизация) особенно распространен в приповерхностных условиях. Наиболее активно он проходит в разрезах, где доломиты содержат прослои сульфатов. При просачивании вод магний доломитов в растворах соединяется с радикалом SO₄^2- и выносится в виде легко раство­римого MgSO₄. Происходит увеличение пористости пород.

Но перенос сульфатов водами нередко приводит и к проти­воположным результатам с точки зрения качества коллекторов. Легко растворимый CaSO₄ также легко выпадает в осадок и запе­чатывает поры. Так же может влиять и кальцитизация, которая часто выражается в наращивании регенерационных каемок и су­жении порового пространства.

Есть и другие специфические геофизические приемы иссле­дования карбонатных коллекторов, в том числе сопоставление данных НГК (дает представление об общей величине пустотнос­ти) и БКЗ (величина пустотности, связанной трещинами, в том числе и каверн), а также другие методы.

Заканчивая рассмотрение карбонатных коллекторов, необхо­димо еще раз подчеркнуть то, что по сравнению с обломочными породами структура их порового пространства чрезвычайно раз­нообразна. Ненарушенная матрица имеет характеристики, ко­торые определяются прежде всего первичной структурой, кавер-нозность сильно изменяет эти характеристики, а трещиноватость создает как бы две наложенные друг на друга системы пустот. Все это и определяет необходимость особой классификации коллек­торов. Такая оценочно-генетическая классификация коллекторов была предложена К.И. Багринцевой (табл. 6.3).

Определяющим параметром предлагаемой классификации является проницаемость, предельные значения которой взяты из анализов коллекторских свойств пород различного генезиса и структурных особенностей. Минимальные и максимальные зна­чения оценочных показателей (пористости, газонефтенасыщен-ности и др.) получены из корреляционных зависимостей между проницаемостью, пористостью и остаточной водой. Наиболее характерна связь остаточной водонасыщенности с абсолютной проницаемостью.

В породах по мере улучшения фильтрационных свойств ко­личество остаточной воды уменьшается. Пористость может быть различной, при этом даже высокие (более 15%) значения откры­той пористости бывают в породах с низкими фильтрационными свойствами. Между открытой пористостью и остаточной водона-сыщенностью связь неопределенная.

Низкопористые породы всегда отличаются большим содержа­нием воды, а высокопористые имеют двойственную характерис­тику: хорошо проницаемые заключают небольшое количество воды, а плохо проницаемые — значительное (более 50%). В клас­сификационной схеме все коллекторы подразделяются на три большие группы А, Б, В, внутри которых в свою очередь выделя­ются классы, характеризующиеся разными оценочными парамет­рами, литологическими и структурными особенностями. Группы А и Б представлены в основном коллекторами порового и кавер-ново-порового типов, В — трещинного и смешанного типов. В породах группы А преобладают первичные пустоты, размеры которых увеличены в процессах последующего выщелачивания.

В породах группы Б развиты седиментационные поровые ка­налы; меньшую роль играют пустоты выщелачивания. Строение пустотного пространства в породах группы А значительно проще, чем в группе Б, а наиболее сложно оно в группе В. Здесь преоб­ладают мелкие извилистые, плохо сообщающиеся каналы. Кол­лекторы I и II классов в группе А обладают в основном унаследо­ванными высокими фильтрационными и емкостными параметра­ми. В III, IV и V классы попадают породы обломочно-органоген-

ные и биохемогенные с низкими первичными коллекторскими свойствами. Вторичное минералообразование, перекристаллиза­ция, доломитизация, раздоломичивание, особенно сопровож­дающиеся выщелачиванием и выносом материала, улучшают их свойства. В VI и VII классах выделены породы таких хемогенных и биохемогенных разностей, петрофизические характеристики которых никогда не достигают высоких значений. Но здесь в большей степени, чем в породах высших классов, проявляется другой фактор — трещиноватость. Тип пустот поровый (для мат­рицы) и трещинный (в целом для коллектора). Поэтому отдельно даются параметры матрицы, которые в основном низкие, особен­но проницаемость, и отдельно параметры трещин, по которым проницаемость значительно выше.