Creation of a Conceptual Geological Model based on Lithological-Petrographic Research on the Example of the Permo-Carboniferous Deposit of the Usinskoe Deposit

Ivan S. Putilov; Путилов Иван Сергеевич; Ekaterina E. Vinokurova; Винокурова Екатерина Евгеньевна; Anastasiia A. Guliaeva; Гуляева Анастасия Андреевна; Aleksey L. Yuzhakov; Южаков Алексей Леонидович; Nikita A. Popov; Попов Никита Андреевич

doi:10.15593/2712-8008/2020.3.2

Creation of a Conceptual Geological Model based on Lithological-Petrographic Research on the Example of the Permo-Carboniferous Deposit of the Usinskoe Deposit

Authors: Putilov I.S.¹, Vinokurova E.E.¹, Guliaeva A.A.¹, Yuzhakov A.L.¹, Popov N.A.¹
Affiliations:
1. PermNIPIneft branch of LUKOIL-Engineering LLC in Perm
Issue: Vol 20, No 3 (2020)
Pages: 214-222
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/1326
DOI: https://doi.org/10.15593/2712-8008/2020.3.2
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

The creation of a Permo-Carboniferous reservoir conceptual model of the Usinskoye field is considered. To achieve this goal, the tasks of developing a specialized tabular format for describing thin sections of the carbonate deposits core are being solved, the formation of a database based on the developed format for subsequent analysis. The object of the study was the Permo-Carboniferous deposit of the Usinskoye field located in the Komi Republic. According to the developed format, a unique database was formed on 1710 described thin sections from 12 wells. The classification of carbonate rocks by R.Kh. Dunham with the additions of Embry and Cloven (according to the predominance of structural components in limestone, the type of cementing substance, as well as their relationship in the rock). Based on the rock material composition and the structural parameter, nine lithotypes of rocks have been identified: madstone, wackstone, packstone, grainstone, boundstone, floutstone, orestone, crystalline carbonate (dolomite), clayey-carbonate-siliceous rock. According to the results of certain lithological types of rocks and seismic data in the section of the Middle Carboniferous-Lower Permian deposits, three main facies zones have been identified: carbonate shelf (zone of the inner ramp); organogenic structure (middle ramp zone); shallow shelf plain (middle ramp zone, partly outer ramp zone). Additionally, the facies of the moderate-deep-water shelf plain (the outer ramp zone) is distinguished. As a result of the research carried out, two profiles of the Carboniferous-Lower Permian deposits of the Usinskoye field were built along two lines of wells. The presented sections confirm the constructed conceptual model. According to the core study in the eastern part of the deposit, a zone of organogenic structures is well distinguished, the formation of which occurred mainly in the Middle-Late Carboniferous and Early Permian time. In the northwestern part of the field, an internal ramp with carbonate bar facies is assumed. As a result of the work carried out, a conceptual model of the Permo-Carboniferous deposit of the Usinskoye field was built, which can be used for the subsequent construction of more reliable three-dimensional facies models, industrial calculation of reserves and design of field development.

Keywords

description of thin sections, conceptual model, Dunham classification, lithotype, facies zone, geological modeling, sequence stratigraphy, sedimentation, carbonate shelf, organogenic edifice, shallow shelf plain.

Full Text

Введение Целью данной работы является построение концептуальной геологической модели на примере пермокарбоновой залежи Усинского месторождения по данным литолого-петрографических исследований. В основу модели легла классификация структуры пород по Данему, которая отражает условия образования пород. Экспериментальная часть В качестве объекта исследования выбрана пермокарбоновая залежь Усинского месторождения, расположенного в Республике Коми. Залежь является уникальной по размерам и свойствам нефти (µ = 723,2 мПа·с). Этаж нефтеносности более 300 м, количество геологических запасов категории АВ1 составляет 747 млн т, извлекаемые - 247 млн т. На месторождении пробурено более 2000 скважин, в 30 из них отобрано более 2000 м керна, из которого изготовлено и в дальнейшем исследовано в лабораториях около 9000 стандартных и более 1000 полноразмерных образцов. Для коллекторов Усинского месторождения особенно важно проводить исследования как на стандартных образцах керна, так и на образцах с сохраненным при выбуривании диаметром, поскольку они наиболее достоверно отражают гидродинамическую картину процессов, протекающих в пласте-коллекторе [1-19]. Лабораторные исследования керна являются единственным прямым способом получения такой информации [20-22]. Дополнительно изготовлено около 3000 шлифов и проведено их описание. Описание шлифов является специфичным и трудоемким процессом, а само описание представлено в виде последовательного текстового изложения и, надо отметить, описания различных авторов могут отличаться по стилю и терминологии, что усложняет дальнейшее их использование для оперативного анализа данных и проведения статистических исследований. Для решения данной проблемы, а также для систематизации представления описания шлифов карбонатных отложений группой специалистов Филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть» разработан специализированный формат таблицы с кодировкой наиболее востребованных параметров, определяемых в шлифах. Основными параметрами, вошедшими в таблицу, являются название породы, наличие органического вещества, форменные элементы, текстура, структура по Данему, преобладающие аутигенные компоненты, влияющие на фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС), измеренная пористость по шлифу, преобладающий тип пористости, трещиноватость и наличие стилолитов. Разработанный формат позволил все текстовые описания петрографических характеристик породы представить в табличном виде, который дает ряд преимуществ. Во-первых, это позволяет выполнять математико-статистический анализ описания шлифов. Во-вторых, можно формировать базу данных для анализа, используя результаты работы разных авторов, включая фотографии шлифов и, в-третьих, дает возможность сопоставлять и анализировать параметры, полученные по шлифам, с другими результатами исследований кернов. На примере пермокарбоновой залежи Усинского месторождения по разработанному формату сформирована уникальная база данных по 1710 описанным шлифам из 12 скважин. С целью последующего литолого-фациального анализа и построения концептуальной геологической модели залежи выполнена литотипизация отложений. Основным параметром для литотипизации исследуемых отложений, кроме вещественного состава породы, выбрана структурно-генетическая классификация карбонатных пород по Р.Х. Данему с дополнениями Эмбри и Кловена (по преобладанию в известняке структурных компонентов, типу цементирующего вещества, а также их взаимоотношению в породе). На основе вещественного состава породы и структурного параметра выделено девять литотипов пород: мадстоун, вакстоун, пакстоун, грейнстоун, баундстоун, флаутстоун, рудстоун, кристаллический карбонат (доломит), глинисто-карбонатно-кремнистая порода. На рис. 1 представлены фотографии шлифов пород, характеризующие фациальные зоны осадконакопления пермокарбоновой залежи Усинского месторождения. На рис. 2 представлен анализ распределения литотипов по скважине, которая является наиболее характерной для различных фациальных зон. По результатам определенных литологических типов пород и данным сейсморазведки в разрезе среднекаменноугольно-нижнепермских отложений выделено три основные фациальные зоны: - карбонатная отмель (зона внутреннего рампа, рис. 2, а); - органогенная постройка (зона среднего рампа, рис. 2, б); - мелководно-шельфовая равнина (зона среднего рампа, частично зона внешнего рампа, рис. 2, в); Грейнстоун Пакстоун Рудстоун а Микробиальные (водорослевые) баундстоуны Скелетные баундстоуны б Пакстоуны Флаутстоуны Вакстоуны в Рис. 1. Фотографии шлифов пород, характерных для фациальных зон: а - фациальная зона карбонатной отмели; б - фациальная зона органогенной постройки (зона среднего рампа); в - фациальная зона мелководно-шельфовой равнины (зона среднего рампа, частично зона внешнего рампа) а б в Рис. 2. Наиболее характерное распределение (%) литотипов в скважине для различных фациальных зон: а - карбонатной отмели (зона внутреннего рампа); б - органогенных построек (зона среднего рампа); в - мелководно-шельфовой равнины (зона среднего рампа, частично зона внешнего рампа) Дополнительно можно выделить фацию: - умеренно-глубоководная шельфовая равнина (зона внешнего рампа). В каменноугольно-нижнепермское время осадконакопление в пределах региона происходило в обстановках мелководного шельфа с преобладающей карбонатной, реже глинисто-карбонатной и сульфатно-карбонатной (для среднекаменноугольного времени) седиментацией. Согласно региональным геологическим исследованиям Тимано-Печорского региона (работам В.А. Жемчуговой, Н.И. Никонова и др.), на протяжении каменноугольно-пермского времени в пределах Печорской плиты располагался обширный карбонатный рамп, полого погружавшийся в восточном направлении. Образование отложений на Усинском месторождении происходило преимущественно в зоне внутреннего и среднего рампа. Основными факторами, определяющими процессы седиментации, кроме существовавшего на то время палеорельефа морского дна, являлись базис действия нормальных и штормовых волн. Глубины седиментации - преимущественно первые десятки метров. Фация карбонатной отмели (зона внутреннего рампа) находится выше уровня действия нормальных волн, здесь аккумулировались отложения подвижного мелководья. Сложена преимущественно известняками биокластовыми оолитовыми, спаритовым цементом (грейнстоуны / рудстоуны / пакстоуны), илистая составляющая осадка выносилась. Фация выделяется для всех промысловых объектов Р-С залежи. Органогенные постройки Печорского бассейна, по В.А. Жемчуговой, позднекаменноугольно-раннепермские по своей морфологии и экологической эволюции относятся к числу холмов (по терминологии James, Bourque, 1992). Они отличаются от классических рифов отсутствием типичных массивных каркасных организмов, тыловых и передовых шлейфов, а также завершением своего развития на пионерской стадии палеоэкологической сукцессии. По палеоэкологическим особенностям образования и составу выделяются два вида построек: микробиальные (иловые, водорослевые) холмы и скелетные холмы. Скелетные холмы образуются преимущественно на небольших возвышениях морского дна, с течениями и волнениями, вымывающие тонкий иловый осадок из постройки. Такие органогенные постройки сложены преимущественно криноидно-мшанковыми, мшанково-криноидными, водорослево-криноидными, водорослево-палеоаплезиновыми баундстоунами и сопутствовавшими им биокластовыми породами, образовавшимися за счет разрушения баундстоунов. Под воздействием волн по обе стороны от постройки накапливались межбиогермные и шлейфовые отложения, содержащие разноразмерный биокластический материал (полибиокластовые известняки). Микробиальные (иловые) холмы образованы преимущественно филлоидно-водорослевыми, цианобактериально-водорослевыми байндстоунами (баундстоунами), полибиокластовыми биоцементолитами, способны расти в различных по батиметрии и по гидродинамике зонах. На Усинском месторождении фация органогенных построек выделяется в позднекаменноугольных и нижнепермских отложениях. Область ее распространения тяготеет к вершинам палеоподнятий Усинской структуры и имеет северо-западную направленность. Отложения фации органогенных построек отличаются повышенными значениями толщин. Фация мелководно-шельфовой равнины выделяется условно. Образование отложений происходило в зоне среднего рампа, со слабой гидродинамикой, ниже уровня действия нормальных волн. Отложения представлены преимущественно известняками биокластовыми, биокластово-микритовыми, микритово-биокластовыми (пакстоуны / флаутстоуны / вакстоуны), могут отмечаться прослои грейнстоунов / рудстоунов. Фация умеренно-глубоководной шельфовой равнины. Представлена глинистыми микритовыми известняками с редкими биокластами (вакстоуны / мадстоуны), аргиллитами. По данным исследования керна породы данной фации отмечаются лишь в единичных образцах. Фация отчетливо картируется по пониженным толщинам, преимущественно низким значениям ФЕС. В разрезе отмечаются породы, отнесенные к литотипу кристаллического карбоната, представленные доломитом. Вторичные доломиты микро-тонко- и тонкозернистые, известковистые, преимущественно в отложениях среднего карбона. Первичная структура пород преимущественно не определяется. Доломитизация пород происходила в результате воздействия магнийсодержащих вод на известняки, кальцит которых превращается в доломит, вплоть до полного замещения известняков доломитами. Наблюдается доломитизация двух генераций: диагенетическая и эпигенетическая. При диагенетической доломитизации доломит присутствует в виде отдельных ромбоэдрических и неправильно-ромбоэдрических кристаллов, погруженных в субстрат породы. На ФЕС пород в данном случае доломитизация не оказывает существенного влияния. При эпигенетической и метасоматической доломитизации доломит значительно или полностью замещает первичные породы, образуя вторичные доломиты, сопровождающиеся часто полной перестройкой структуры породы и, как следствие, возникновением значительной межкристаллической и слепковой пористости, этим улучшая ФЕС породы. В керне скважин отмечаются зоны окремнения по детритовому известняку. Карбонат органических остатков замещен на кремнезем, причем крупнозернистый кальцит или доломит обычно замещается более крупнокристаллическим кварцем, а мелкозернистый - соответственно мелкокристаллическим кварцем. На рис. 3 представлена детализированная концептуальная модель строения каменноугольно-нижнепермских отложений Усинского месторождения, которая отражает генезис образования залежи. Рис. 3. Концептуальная модель строения каменноугольно-нижнепермских отложений Усинского месторождения Рис. 4. Разрез скважин с выделенными фациальными зонами: а - фациальная зона карбонатной отмели (зона внутреннего рампа); б - фациальная зона мелководно-шельфовой равнины (шлейф органогенной постройки); в - фациальная зона органогенных построек (зона среднего рампа) В результате проведенных исследований построены два геологических профиля каменноугольно-нижнепермских отложений Усинского месторождения, выровненные на региональный репер R4, соответствующий кровле промысловой пачки 3-го московского яруса. Представленные разрезы подтверждают построенную концептуальную модель. На рис. 4 показан разрез скважин, наиболее характерный для выделенных фациальных зон. По данным исследования керна в восточной части месторождения хорошо выделяется зона органогенных построек, образование которых происходило преимущественно в средне-позднекаменноугольное и раннепермское время. В северо-западной части месторождения предполагается существование внутреннего рампа с фациями карбонатной отмели. Осадкообразование в каменноугольно-раннепермское время происходило при незначительном колебании уровня моря. По результатам исследования керна можно выделить до двух сиквенций второго порядка в каменноугольных средне-верхнекаменноугольных отложениях и одну сиквенцию в нижнепермских. Сиквенции состоят из трансгрессивного системного тракта и тракта высокого стояния. Отложения низкого системного тракта в изученных разрезах не распространены. При относительном подъеме и высоком стоянии уровня моря происходило образование и рост органогенных построек, что соответствует стадии стабилизации и аккумуляции. При выводе органогенной постройки к уровню моря и стабилизации или небольшом понижении уровня моря происходило разрушение постройки с образованием органогенно-обломочных отложений (стадия деструкции). Идеальная последовательность состоит из отложений мелководно-шельфовых равнин, сменяющихся отложениями карбонатных отмелей, и далее фациями органогенных построек. Заканчивают разрез отложения субаэральной экспозиции (брекчии, палеокарст и т.д.). Применение анализа шлифов при трехмерном моделировании В рамках построения цифровой трехмерной геологической модели пермокарбоновой залежи выполнена концептуальная модель Усинского месторождения с использованием комплекса данных на основе результатов исследований керна, геофизических исследований скважин и интерпретации 3D-данных сейсморазведки [23]. Полученная ранее концептуальная модель отражает основные геологические принципы строения продуктивных отложений. Таким образом, есть все необходимое для создания концептуальной модели с использованием трехмерного моделирования [24]. В качестве основы построения концептуальной модели в программный комплекс геологического моделирования были загружены следующие виды данных: - границы фациальных зон, выделенных при интерпретации 3D-данных сейсморазведки (выделены по четырем основным пластам); - выделенные литотипы по классификации Р. Данема по 12 скважинам, расположенным в пределах пермокарбоновой залежи; - структурные поверхности отражающих горизонтов. Учитывая анализ сейсмических поверхностей, построена опорная структурно-тектоническая модель пермокарбоновых отложений, состоящая из четырех пластов. На основе структурно-тектонического каркаса четырех пластов для концептуального моделирования построена трехмерная сетка с размером ячеек по латерали 100×100 м. Выбрана сетка с равной толщиной ячеек [25-27]. По каждому пласту внутри трехмерной сетки был получен дискретный параметр распределения фациальных зон, выделенных по результатам интерпретации 3D-данных сейсморазведки. Каждой фациальной зоне присвоен уникальный дискретный индекс. Так как границы фациальных зон выделены только по латерали, было принято решение использовать метод Indicators Belts для равномерного, реалистичного изменения границ выделенных фациальных зон по вертикали. Результатом распределения фациальных зон является трехмерный параметр фаций (Facies), который наиболее точно отражает форму и характер распространения рассматриваемых типов фаций. Исходные данные по литотипам были загружены в виде Las-файлов в качестве скважинной информации. Литотипы перенесены на ячейку сетки при помощи функции осреднения скважинных данных, что позволило получить значения литотипов в кубе в пределах траекторий скважин. Далее с использованием стохастического моделирования внутри каждой фациальной зоны распределены дискретные значения литотипов по скважинам. Получен итоговый параметр трехмерного распределения литотипов в межскважинном пространстве с учетом фациальных зон (рис. 5), отражающий общую концепцию седиментации осадков. По данным рис. 5 видно, как сменяются разные типы разреза, контролируемые сменой фациальных зон и представленные характерными сочетаниями литотипов. Рис. 5. Итоговое распределение литотипов в трехмерной сетке пермокарбоновой залежи Усинского месторождения: 0 - построение за пределами пласта; 1 - мадстоун; 2 - вакстоун; 3 - пакстоун; 4 - грейнстоун; 5 - баундстоун; 6 - флаутстоун; 7 - рудстоун; 8 - кристаллический карбонат Полученный трехмерный куб литотипов может быть использован на дальнейших этапах трехмерного моделирования ФЕС пород коллекторов, в том числе как дополнительный параметр при распределении коэффициента нефтенасыщенности пермокарбоновой залежи. Заключение В специализированном формате сформирована база данных описаний шлифов пермокарбоновой залежи Усинского месторождения. Сформированная база данных использована в качестве информационной основы для комплексного анализа шлифов Р-С залежи Усинского месторождения с целью последующего построения более достоверных трехмерных моделей, промышленного подсчета запасов и проектирования разработки месторождений. На основе 1710 описаний шлифов, данных ГИС и 3D-сведений сейсморазведки построена детализированная концептуальная модель строения каменноугольно-нижнепермских отложений Усинского месторождения. Реализован подход к созданию трехмерной концептуальной модели Р-С залежи Усинского месторождения на базе обобщенных геолого-геофизических данных с учетом литотипов, выделенных по классификации Р. Данема.

About the authors