3D геолого-технологические модели всё шире используются при разработке нефтегазовых залежей [1]. Для построения такой модели необходимо использовать комплекс сведений – данные геофизических исследований скважин (ГИС), сейсморазведки, лабораторных исследований кернов и пластовых флюидов, гидродинамических исследований скважин и промысловой эксплуатации. Изучение микроструктур кернов в последнее время находит всё более широкое применение, что связано с потребностью получения информации о тонкой структуре и характеристиках пород. Сочетание методов исследования горных пород в диапазоне от массива до микроуровня позволяет получить объёмную и достоверную картину процессов, происходящих в породах-коллекторах.
Проблема моделирования сланцевых пород – ключевая в сланцевых разработках. Эта проблема имеет научный и прикладной аспекты:
- научный аспект связан с задачами теории образования сланцевых отложений и разработки научных основ создания новых технологий;
- прикладной аспект – с комплексом задач разработки и эксплуатации месторождений.
Проблема моделирования сланцевых пород – задача многоуровневая и многофакторная, характеризуемая признаками:
- определённой степени изученности, как суммы экспериментальных и теоретических проработок, представленных преимущественно работами по баженовской свите, формации Баккен и ряду других объектов [2-4];
- сланцевые породы в отличие от традиционных коллекторов находятся в стадии термодинамической неустойчивости – развития и незавершённости формирования как органического вещества, так и неорганической матрицы;
- сланцевые породы – материальные системы, существующие в широком диапазоне масштабов (от микроструктурного до геологического массива) и характеризующиеся неоднородностью, нечёткостью и неопределённостью свойств и характеристик;
- нерешённостью вопросов, связанных с природой сланцевой нефтеносности, прогнозированием запасов органического вещества и рядом других вопросов.
Необходимо указать на отличие задачи моделирования нетрадиционных (сланцевых) и традиционных коллекторов, состоящее в том, что в случае сланцевых коллекторов особенное значение имеет тонкий структурный уровень пород-коллекторов, где протекают активные физико-химические взаимодействия, приводящие к формированию новых фаз и меняющие химический состав и морфологию сланцевых пород. Тонкий структурный уровень пород-коллекторов, на котором имеют место физико-химические взаимодействия, соответствует микроповерхностям раздела – масштаб поровой структуры горных пород.
Исследование поровой структуры горных пород выполняется на кернах.
На необходимость исследования поровой структуры кернов сланцевых пород указывает Немова В.Д [5], которая указывает на высокую изменчивость и низкую степень изученности отложений баженовской свиты. Керновые исследования позволяют выполнить эффективную интерпретацию данных сейсморазведки, основанных на интерпретации данных ГИС.
Значимость исследования порового (пустотного) пространства также подтверждается данными [6], где отмечено, что при разработке стратегии освоения нетрадиционных, трудноизвлекаемых запасов углеводородов должно быть выполнено детальное комплексное изучение структуры пустотного пространства пород-коллекторов.
Показано, что в карбонатных нефтегазоносных комплексах отмечаются литотипы с тонкокристаллической структурой кальцита или доломита с микронными порами, где установлено наличие углеводородных флюидов, а порода в целом имеет макроскопические признаки высокой нефтенасыщенности (рисунок 1).
Рисунок 1. Микропоры в перекристаллизованных остатках водорослей
Renalcis (голубым цветом). Без анализатора. Верхний девон.
Волго-Уральская нефтегазоносная провинция
Относительно генезиса пустотного пространства указано, что этот вопрос имеет дискуссионный характер. Очевидно, что в формировании этих пород играли цианобактериальные сообщества, а поровое пространство возникало либо при перекристаллизации, доломитизации, незначительном выщелачивании, либо является унаследованным, и тогда углеводороды в порах формировались «in situ».
По своему составу сланцевые толщи – это горные породы, состоящие, в основном, из глинистых известняков и кремнезёма, которые насыщены органическим веществом [5, 7].
В основе представления о поровом пространстве лежит базовое положение о компонентной модели породы (БМП) как композиции фазово-пространствен-ных систем [8]:
- скелета из твёрдых частиц породы;
- порового объёма, пространственная конфигурация которого построена по принципу исключения из общего объёма породы той части объёма, который занят скелетом из твёрдых частиц;
- поровый объём может быть заполнен жидкими и дисперсными фазами;
- системы пространственных связей, придающих породе свойства физического тела.
Компонентная модель породы в приложении к определённым типам пород конкретизируется в модель этой породы. В модели песчаника (рисунок 2) скелет породы составлен из двух элементов – минеральных частиц и глинистого цемента.
Рисунок 2. Модель песчаника
Рассмотрим существующие подходы к моделированию пористости горных пород [1, 5, 6, 9-14].
В [1] предложена система параметров для описания пористости. Так, параметр коэффициента пористости определяется из соотношения:
Используется понятие эффективной пористости как характеристика полезной ёмкости для углеводородов.
В таблице 1 приведены пределы значений общей пористости и плотности сухих образцов первичных осадков (ПО), осадочных (О) и метаморфических (М) пород и некоторых руд [1].
Таблица 1.
Диапазоны значений общей пористости и плотности сухих образцов
первичных осадков (ПО), осадочных (О) и метаморфических (М) пород
и некоторых руд
| Тип пород | Первичный осадок или порода | , % | , ´ 103 кг/м3 |
| Песчаные | Песок (ПО и О) | 4-50 | 1,3-2,2 |
| Песчаник (О) | 0,5-40 | 1,3-3,6 | |
| Кварцит (М) и железистый
кварцит (М) |
0,2-20 | 2,19-4,4 | |
| Глинистые | Глинистый ил (ПО) | 50-60 | 0,8-1,8 |
| Глина (ПО и О) | 4-75 | 1,2-3,18 | |
| Аргиллит (О) | 1-30 | 1,6-3,35 | |
| Филлит (М) | 0,5-0,6 | 2,4-2,76 | |
| Сланец | |||
| глинистый (М) | 1-25 | 1,3-3,2 | |
| кровельный (М) | 0,4 | 2,79-2,8 | |
| аспидный (М) | 0,9-1,1 | 2,77-2,78 | |
| слюдяной (М) | – | 2,5-2,8 | |
| Известковые | Известковый ил (ПО) | 65-87 | – |
| Мел (О) | 10-55 | 1,85-2,6 | |
| Известняк (О) | 0,5-48 | 1,3-3,5 | |
| Известняк мраморизованный (М) | 0,4-6 | 1,9-3,5 | |
| Мрамор (М) | 0,1-2,2 | 2,3-3,0 | |
| Руды | Боксит | 0-44 | 1,3-3,4 |
| Железистый латерит | 39-56 | – | |
| Мартит и бурый железняк | 0,2-28 | 3,8-4,3 | |
| Сидеритовая | 1-28 | 2,45-3,58 | |
| Торф, угли | Торф | до 95 | 0,45-0,80 |
| Бурый уголь | 12-40 | 1,2-1,3 | |
| Каменный уголь | 3-12 | 1,2-1,35 | |
| Антрацит | 1-2 | 1,4-1,8 |
Анализ данных таблицы 1 показывает, что диапазон изменения пористости пород исключительно широк и может для отдельных типов пород достигать нескольких десятков, что характеризует горные породы как крайне неоднородные и неопределённые материальные системы, при исследовании которых требуется тщательное и полное описание системы параметров пород.
По происхождению поры делят на:
- первичные – сформированные при образовании породы;
- вторичные – образовавшиеся при литогенезе (рисунок 3).
В грунтоведении различают несколько видов порового пространства [9]. Под пустотностью грунтов понимается пространство грунта, не заполненное твёрдой компонентой, но заполненное газовой и жидкой компонентами или (и) биотической составляющей. Различная пустотность в грунтах отражает разные типы их структурной неоднородности, она имеет иерархический характер и проявляется на разных масштабных уровнях. По форме пустоты в грунтах могут быть каверновые, поровые, трещинные и смешанные (рисунок 4).
Рисунок 4. Типы порового пространства в грунтах:
а – каверново-поровое; б – поровое; в – трещинно-поровое;
г – порово-трещинное; д – трещинное; е – каверново-трещинное
По размеру и генетической принадлежности поры подразделяются на ряд категорий, указанный в таблице 2 [9].
Таблица 2.
Разделение пор по размеру
Принципиально важно, что структура порового пространства и модель структуры породы взаимосвязаны.
Так, в исследованиях Осипова В.И. глинистая порода в структурном плане представлена как многоуровневая система, состоящая из микроагрегатов, ультрамикроагрегатов и других структурных элементов.
Размер пор глинистых пород изменяется в широких пределах: от сотых долей до нескольких десятков микрометров. По классификации Сергеева Е.М. поры делятся на ультракапиллярные (менее 0,1 мкм), микропоры (10-0,1 мкм), мезопоры (1-0,01 мм) и макропоры (более 1 мм) (рисунок 5).
Рисунок 5. Виды пор в глинистых породах по Осипову В.И. [10, 11]
В соответствии со структурой глинистой породы образуются поры видов:
- межчастичные поры возникают внутри ультрамикроагрегатов и микроагрегатов как промежутки между первичными частицами (рисунок 5, а);
- междуультрамикроагрегатные поры образуются между ультрамикроагрегатами и могут иметь самую различную конфигурацию в зависимости от пространственного расположения ультрамикроагрегатов (рисунок 5, б);
- межмикроагрегатные поры возникают между микроагрегатами и характеризуются большим разнообразием размеров и формы (рисунок 5, в);
- межагрегатные поры встречаются редко и характерны для некоторых видов элювиальных глин и широко развиты у лёссовых пород (рисунок 5, г).
При определённых обстоятельствах имеют место межзернистые (рисунок 5, д) и межмикроагрегатно-зернистые поры (рисунок 5, е).
В [12] предложены аналитические петрофизические модели эффективной и динамической пористостей гранулярных коллекторов для решения задач геомоделирования – от петрофизического обеспечения сейсмической инверсии и интерпретации данных ГИС до построения геологической и гидродинамической моделей.
Системное геомоделирование на основе эффективной пористости возможно при установлении основных функциональных и параметрических связей между элементами системы. Элементы системы петрофизического обеспечения напрямую связаны с этапами геомоделирования: структурно-стратиграфической, литолого-фациальной, петрофизической и гидродинамическими моделями.
На рисунке 6 показаны связи ядра системы петрофизического обеспечения геомоделирования на основе эффективной пористости, её элементов и этапов геомоделирования.
Рисунок 6. Структура системы петрофизического обеспечения
геомоделирования на основе эффективной пористости;
связь системы с этапами геомоделирования и областями применения
Можно отметить, что применительно к сланцевым породам методы геомоделирования, применённые в [1, 12], требуют уточнения некоторых параметров глинистых пород как основы сланцевых коллекторов.
Один из главных параметров глинистых пород – показатель глинистости. Этот параметр в [1] представлен соотношением:
В этой формуле использован параметр , который представляет собой характеристику отсечения (дискриминации) размеров глинистых частиц. Величина параметра 10 мкм. В [1] к глинистым частицам отнесены глинистые минералы, пример которых приведён на рисунке 7 [13].
Рисунок 7. Тетраэдрические (а) и октаэдрические (б) сетки (по Л. Полингу)
Вместе с тем, глинистые частицы в горных породах представлены не только минеральными монокристаллическими структурами, но иными образованиями.
Так, в работе Гольдберга В.М. и Скворцова Н.П. [14] к глинам отнесены тонкодисперсные осадочные породы, в составе которых содержится не менее 30 % частиц диаметром менее 2 мкм, что уже представляет собой коллоидную систему, а по Кульчицкому Л.И. глины – высокодисперсные системы, глинистые минералы – вода с коагуляционной структурой, все контакты между элементами которой могут осуществляться через прослойки воды с аномальными реологическими свойствами [15].
Вода в глинистых породах играет исключительно важную роль, присутствуя в таких формах как связанная, прочносвязанная, рыхлосвязанная, вторичноориентированная, осмотическая и свободная (рисунок 8) [14].
Рисунок 8. Схема строения связанной воды в глинах:
I – связанная: Iа – прочносвязанная (адсорбционная),
Iб – рыхлосвязанная (осмотически поглощённая),
Iб’ – вторичноориентированная, Iб» – осмотическая; II – свободная
Высокодисперсность глинистых систем, коллоидный и водный факторы относятся к основным отличительным признакам глин и должны быть учтены при моделировании.
Таким образом, глинистые породы – физико-химические системы с иерархическим строением структурных элементов, активно взаимодействующих друг с другом на всех уровнях.
В заключении можно сделать следующие основные выводы:
- Показано, что исследование поровой структуры сланцевых пород представляет собой актуальную задачу, обусловленную высокой изменчивостью и низкой степенью изученности отложений баженовской свиты.
- Показано, что:
- к основным отличительным признакам глин относятся высокодисперсность, коллоидный и водный факторы;
- глинистые породы – физико-химические системы с иерархическим строением структурных элементов, активно взаимодействующих друг с другом на всех уровнях.
Список литературы:
- Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика (Физика горных пород): учеб. для вузов / Под ред. доктора физ.-мат. наук Д.А. Кожевникова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ФГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. – 368 с.
- Арутюнов Т.В., Поздняк А.Н., Савенок О.В. Перспективы разработки сланцевой нефти на примере пласта ЮС0 Салымского месторождения // Материалы VII Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых». 28-31 октября 2014 г. – Пермь: Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2014. – С. 203-206.
- Арутюнов А.А., Арутюнов Т.В., Савенок О.В. Особенности разработки Салымского нефтяного месторождения (на примере пласта ЮС0) // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции Фундаментальные и прикладные исследования в России: проблемы и перспективы развития. 19 января 2015 г. – Ростов-на-Дону: Профпресс, 2015. – С. 40-52.
- Арутюнов Т.В. Исследование сланцевых пород и природы сланцевой нефтеносности Баженовской свиты и формации Баккен // Научный журнал НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИИ (политехнический вестник), 2015. – № 1.
- Немова В.Д Создание качественных геологических моделей строения баженовской свиты на основе изучения керна с привлечением данных сейсморазведки Санкт-Петербург 2014 г. [Электронный ресурс] Режим доступа
- Мартынов В.Г., Постников А.В., Постникова О.В. Причины «нетрадиционности» или «сложнопостроенности» пород-коллекторов // Электронный научный журнал «ГЕОРЕСУРСЫ. ГЕОЭНЕРГЕТИКА. ГЕОПОЛИТИКА», 2014. – Выпуск 2 (10) [Электронный ресурс] Режим доступа:
- Преснякова О.В. Сланцевая нефть доманикитов – что это? [Электронный ресурс] Режим доступа
- Арутюнов Т.В., Арутюнов А.А., Савенок О.В. Постановка задачи физико-химического моделирования сланцевых пород // Научно-технический журнал «Инженер-нефтяник». – М.: Издательство ООО «Ай Ди Эс Дриллинг», 2015. – № 1¢2015. – С. 42-47.
- Грунтоведение / Трофимов В.Т., Королёв В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская Г.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Под. ред. В.Т. Трофимова. – 6-е изд., переработ. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с. (Классический университетский учебник).
- Осипов В.И., Соколов В.H., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород / Под ред. академика Е.М. Сергеева. – M.: Недра, 1989. – 211 с.
- Осипов В.И., Соколов В.Н., Еремеев В.В. Глинистые покрышки нефтяных и газовых месторождений. – М.: Наука, 2001. – 238 с.
- Коваленко К.В. Система петрофизического обеспечения моделирования залежей нефти и газа на основе эффективной пористости гранулярных коллекторов: диссертация на соискание учёной степени доктора геолого-минералогиче-ских наук: 25.00.10 / Коваленко Казимир Викторович; [Место защиты: Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина]. – Москва, 2015. – 358 с.
- Бурлин Ю.К., Конюхов А.И., Корнюшина Е.Е. Литология нефтегазоносных толщ: учебное пособие для ВУЗов. – М.: Изд-во «Недра», 1991.
- Гольдберг В.М. Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. – М.: Недра, 1986. – 160 с.
- Кульчицкий Л.И. Роль воды в формировании свойств глинистых пород. – М.: Недра, 1975. – 212 с.[schema type=»book» name=»ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОРОВОЙ СТРУКТУРЫ СЛАНЦЕВЫХ ПОРОД» author=»Арутюнов Татос Владимирович, Савенок Ольга Вадимовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)» ebook=»yes» ]