Full Text

Введение Целью выполненных исследований является применение специализированной методики изучения пустотного пространства потенциально нефтеносных продуктивных пластов, основанной на данных сканирующей электронной микроскопии. Объектами исследования являются образцы керна терригенных нефтяных залежей. Возможности изучения структуры пород методом электронной микроскопии имеют определенные ограничения, обусловленные небольшими размерами изучаемых образцов, в которых исследуются только детали строения поверхности (зерна, пустоты, агрегаты и т.д.). В то же время у данного метода есть и определенные преимущества: дополнительная информация о веществе, полученная на микроразмерном уровне изучения объекта, наглядная визуализация характерных микрообъектов, возможность определения химического состава индикаторных включений микрозондовым методом и др. В научной литературе электронной микроскопии терригенных нефтяных коллекторов посвящено большое количество работ. Достигнуты большие успехи в изучении под электронным микроскопом пустотного пространства и цементирующего вещества [1-3], а также изучения вторичных процессов минералообразования [4-5]. В данном исследовании методом электронной микроскопии анализировались структуры и пустотные пространства терригенных коллекторов нефтяных месторождений Соликамской депрессии (Пермский край). При этом основной задачей являлось установление литологических показателей и признаков, выявляемых методами электронной микроскопии, которые связаны с продуктивностью пород. Постановка задачи. Материалы и методы Объектом исследований являются коллекторы визейских отложений Соликамской депрессии, для территории которой в последние десятилетия открыто несколько относительно крупных нефтяных месторождений [6-8]. Визейский эксплуатационный объект является основным для территории Пермского края, его нефтеносность связана с перспективными терригенными коллекторами гранулярного (порового) типа. Следует отметить, что установление промышленной нефтеносности визейского коллектора, находящегося непосредственно под соляной залежью Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей, стало серьезным пополнением запасов нефти в регионе. В настоящее время перспективы визейского коллектора оцениваются очень высоко. В связи с этим в Пермском крае выполнен ряд исследований по обеспечению рациональной совместной разработки месторождений соли и нефти [9-11]. Для 33 визейских объектов Соликамской депрессии принятые Государственным балансом значения для Кп находятся в диапазоне от 11 до 17 % (в среднем - 14 %), для k - от 5 до 655 мД (в среднем - 173 мД). При этом граничные значения для коллекторов гранулярного типа, ниже которых порода принимается при подсчете запасов как неколлектор, приняты для объектов по Кп в диапазоне от 7 до 10,6 %, по k - от 0,75 до 2,5 мД. В целом широкий диапазон изменения фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) коллекторов позволяет сделать вывод о сложном литологическом строении продуктивных отложений с чередованием пластов с разной структурой. Изученная в данной работе коллекция кернов представлена 11 образцами четырех месторождений нефти (Сибирское, Уньвинское, Шершневское и Жилинское) в широком диапазоне ФЕС с вариациями коэффициентов пористости (Кп) от 3,9 до 21,5 % и проницаемости (k) от 0,3 до 749 мД. Образцы с ФЕС выше установленных граничных значений коллекторов отнесены к песчаникам. Согласно опыту разработки визейских отложений Соликамской депрессии, среди параметров ФЕС определяющее влияние на коэффициенты вытеснения нефти и производительность скважин оказывает проницаемость пород [12-14]. В работах [15-17] показано, что притоки флюидов могут быть получены из интервалов, которые по данным стандартного комплекса ГИС, то есть на основе оценки гранулярной пористости пород, отнесены к неколлекторам. В связи с этим в программу исследований дополнительно включен образец керна, представленного алевролитом с ФЕС ниже граничных значений коллекторов (Кп < 4 %; k < 1 мД). Необходимо заметить, что для территории исследования нефтяные залежи характеризуются низкой вязкостью (от 0,7 до 3,5 мПа∙с), что определяет возможность производительной работы скважин даже в условиях коллекторов с относительно низкими ФЕС. Аналитические исследования выполнены в Центре коллективного пользования с использованием уникального научного оборудования Пермского государственного национального исследовательского университета - сканирующего электронного микроскопа JSM 6390LV фирмы Jeol (Япония). Микрозондовый анализ объектов осуществлен с использованием энергодисперсионного спектрометра INCA ENERGY 350 (Oxford Instruments). Режим работы прибора: рабочее напряжение 30 kV, рабочее расстояние 12 мм, сила тока - 10 мА. Производилось фотографирование характерных участков поверхности кернового образца при разных увеличениях электронного микроскопа. При этом основными целями исследования являлись микроструктура пустотного пространства, особенности зерен обломочного каркаса и заполнителя, микроструктура цементирующего вещества и минеральные новообразования. Микрозондовым методом определялся химический состав компонентов и проводилась их диагностика с установлением минерального вида. Образцы керна исследовались с изучением размеров, формы зерен и упаковки обломочных частиц, характера и элементов пустотного пространства, состава и микроструктуры цементирующего и вторичного вещества, являющегося результатом проявления наложенных процессов минералообразования. Проводились сканирование поверхности образцов при разных увеличениях (от десятков до нескольких тысяч крат), микрофотографирование характерных структур и микрообъектов, микрозондовый анализ с целью диагностики зерен обломочного каркаса, заполнителя, цементирующего и новообразованного вещества. Исследование пустотного пространства горных пород методами сканирующей электронной микроскопии Пустотное пространство коллекторов является основным объектом исследований при использовании электронно-микроскопических методов [18, 19]. Микрокаверны. Наиболее крупными формами пустотного пространства в изученных коллекторах являются микрокаверны. Для обнаружения микрокаверн проводилось сканирование поверхности образца при увеличении микроскопа 50Х. Сканирование показало, Рис. 1. Типичные микрокаверны в прослоях визейских песчаников с высокими фильтрационно-емкостными свойствами Рис. 2. Межзерновая пористость прослоев визейских песчаников с высокими фильтрационно-емкостными свойствами что они особенно распространены в образцах кернов с высокими значения ФЕС (Кп - от 14,6 до 21,5 %; k - от 147 до 749 мД). Встречаемость микрокаверн заметно снижается в образцах керна, отобранных из прослоев песчаника с пониженной пористостью (11,4-13,6 %) и проницаемостью (23,0-87,70 мД). Характерно, что в керне наиболее плотного образца (алевролита) микрокаверны полностью отсутствуют. Далее особенности строения пустотного пространства отдельных микрокаверн исследовались с использованием электронно-микроскопических снимков, полученных при увеличении до 200Х. Наиболее крупными по размерам являются микрокаверны удлиненной формы (некоторые более 1 мм по длинной оси и до 0,2 мм по короткой). Они нередко имеют ответвления в виде трещиноватых зон, которые являются их продолжением и выклиниванием. Другие микрокаверны имеют разную форму (изометрическую, неправильную, прямоугольную и др.) (рис. 1). Обычно в той или иной степени пустоты микрокаверн заполнены зернами кварца, но с оставлением заметного объема пустотного пространства. Характерно, что в них крайне редко и в небольшом количестве присутствует цементирующее вещество. Межзерновые пустоты. Существенную часть пустотного пространства песчаников составляют межзерновые поры. Выявляются существенные различия в характере межзерновой пустотности для песчаников, различающихся по значениям пористости и проницаемости, что позволяет разделить их на две группы. К первой группе можно отнести образцы песчаников с высокими значениями ФЕС, т.е. те же, которые отличались присутствием микрокаверн. Сканирование поверхности таких образцов при изучении межзерновых пустот проводилось с применением небольших увеличений микроскопа (от 60Х до 180Х). Межзерновые поры в них имеют локальное распространение, размеры пустот обычно варьируются от 0,3 до 0,1 мм. Формы межзерновых пустот - треугольные, угловатые, прямоугольные, щелевидные и др. (рис. 2). Нередко соседние поры соединяются друг с другом с образованием протяженных каналов извилистой формы. Характер такой межзерновой пористости является результатом формирования еще на стадии седиментогенеза особой структуры обломочного каркаса песчано-гравийного осадка, сложенного в основном хорошо сортированными по крупности зернами кварца. На стадиях диа- и катагенеза формируется порода, основной которой является тот же обломочный каркас. В гранулометрическом составе такого песчаника выделяется одна мода на гистограмме распределения зерен по крупности. Соответствующая этому типу коллектора одномодальная гистограмма гранулометрического состава песчаника представлена на рис. 3. В природных условиях такой состав характерен для крупно- и среднезернистых песчаников, формирование которых на стадии седиментогенеза происходило в обстановках с активной динамикой водного потока (речные русловые и прибрежно-морские фации). Активная динамика водной среды на протяжении всего периода осадконакопления является необходимым условием для достижения высокой степени сортировки зерен по крупности. Межзерновое пространство в таких песчаниках практически остается незаполненным. При этом размеры межзерновых пор являются функцией размеров зерен обломочного каркаса и плотности их упаковки. При изучении таких структур под электронным микроскопом выявляются достаточно плотная упаковка зерен обломочного каркаса (в основном - зерна кварца, реже - полевые шпаты) и незначительное количество частиц заполнителя между ними. За счет этого структура песчаника отличается широким развитием межзерновых пор, нередко соприкасающихся друг с другом с образованием протяженных извилистых каналов. Характерно также незначительное количество цементирующего глинистого и другого новообразованного вещества. Применяемая к данному типу коллекторов модель одномодального распределения песчаных частиц с островершинной модой (в данном случае 0,4- 0,315 мм) обломочного каркаса предопределяет размер межзерновых пор порядка 0,2 мм (рис. 3). Вариации значений проницаемости для такого коллектора, кроме того, во многом определяются плотностью упаковки зерен обломочного каркаса. Последняя в основном контролируется их формой, которая достаточно корректно определяется под электронным микроскопом. Для данных коллекторов она близка к изометрической. что определяет наличие большого объема межзернового пустотного пространства. Кроме того, форма зерен кварца в обломочном каркасе характеризует также степень их окатанности, которая свидетельствует о фациальных условиях осадконакопления. Среди зерен кварца коллекторов данной группы обычно преобладают среднеокатанные, что соответствует фациальным обстановкам речных бассейнов. Однако некоторые зерна слабоокатаны, причем на их поверхности сохраняются гладкие фрагменты граней первичных кристаллов. Данный признак свидетельствует о присутствии в породе зерен, поступивших из разных источников питания обломочного материала, что можно использовать при детальных палеогеографических построениях. В подчиненном количестве в составе зерен обломочного каркаса песчаников изученных месторождений присутствуют полевые шпаты. В отличие от зерен кварца, они подвергаются заметному воздействию катагенетических процессов (например, каолинитизации). Данную особенность с оценкой интенсивности указанного процесса можно использовать при установлении этапа катагенеза, что является важным диагностическим признаком потенциальной нефтегазоносности геологического разреза. Ко второй группе отнесены керны пород, для которых наряду с зернами обломочного каркаса выявляется присутствие обломочных частиц заполнителя. Последние располагаются в пустотах между зернами обломочного каркаса. Причиной их появления является изменение фациальной остановки осадконакопления с чередованием режимов высокой и пониженной скорости потока. Заполнение межзерновых пор зернами заполнителя приводит к заметному снижению ФЕС коллектора. Для учета особенностей гранулометрического состава таких коллекторов может быть использована модель с бимодальной гистограммой распределения частиц по крупности (рис. 4). На такой гистограмме первый пик соответствует зернам обломочного каркаса (обычно 0,4-0,315 или 0,315-0,25 мм), второй - частицам заполнителя (обычно 0,16-0,125 или 0,125-0,1 мм). Особенности пространственного размещения зерен коллекторов данного типа отчетливо выявляются на электронно-микроскопических снимках (рис. 5). По минеральному составу заполнитель представлен в основном зернами кварца, но присутствует и достаточно много зерен полевых шпатов. Характерными морфологическими особенностями зерен заполнителя являются более слабая степень окатанности, обилие остроугольных индивидов и присутствие зерен с совершенной кристаллографической огранкой. К отдельной группе относится алевролитистый образец, который отличатся по всем литологическим признакам от песчаников. Наиболее важной особенностью данного типа пород, выявляемой под электронным микроскопом, является отсутствие обломочного каркаса, причиной чего может быть недостаточное количество крупных зерен кварца (рис. 6). Рис. 3. Модель гистограммы с одномодальным грансоставом фракции песчаников с высокими фильтрационно-емкостными свойствами Рис. 4. Модель гистограммы с одномодальным грансоставом фракции песчаников с пониженными фильтрационно-емкостными свойствами Рис. 5. Зерна заполнителя в межзерновых пустотах песчаников Рис. 6. Фрагменты структуры алевролита Моделью гранулометрического состава данного типа является бимодальная гистограмма распределения обломочных частиц, но с преобладанием моды алевритовой размерности (рис. 7). Для данной модели отсутствуют типичные для песчаников крупные межзерновые поры, однако достаточно широко распространены мелкие межзерновые пустоты размером до 10 мкм. Формирование такой структуры возможно только в условиях неустойчивой фациальной обстановки осадконакопления при крайне слабом участии периодов с активной динамикой водного потока. Рис. 7. Модель гистограммы грансостава алевритовой фракции Рис. 8. Совершенные агрегаты каолинита типа «книжный домик» в песчанике с высокими фильтрационно-емкостными свойствами Рис. 9. Каолинитизированное зерно полевого шпата Рис. 10. Структуры каолинита типа «книжный домик» в песчанике с пониженными фильтрационно-емкостными свойствами Рис. 11. Агрегаты каолинита в цементирующем веществе алевролита Исследование цементирующего вещества горных пород методами сканирующей электронной микроскопии Особенности строения цементирующего вещества в коллекторах рассматриваются в многочисленных работах [20, 21]. При этом в мировой литературе особое внимание уделяется каолинитовому цементу в связи со спецификой его преобразования на разных этапах катагенеза [22, 23]. Цементирующее вещество в визейских песчаниках Соликамского района имеет локальное распространение. Оно обнаружено только в некоторых межзерновых пустотах и прежде всего представлено агрегатами частиц каолинита. В песчаниках с высокой пористостью и проницаемостью каолинит образует характерные микроструктуры типа «книжный домик», заметно различающиеся по степени совершенства. По характеру агрегатов каолинита в изученных песчаниках отмечается отчетливое разделение их на те же две группы, которые были выделены при изучении гранулометрического состава. Для первой группы характерны наиболее совершенные структуры агрегатов каолинита типа «книжный домик». Особенностью таких структур является присутствие колонн (пакетов), сложенных пластинчатыми новообразованными частицами каолинита в субпараллельной ориентации (рис. 8). Наиболее совершенные структуры каолинита присутствуют только в отдельных образцах песчаников, отличающихся наиболее высокими ФЕС. Исходным веществом для их образования являлись зерна полевых шпатов в составе обломочного каркаса или заполнителя, которые отличаются неустойчивостью к воздействию факторов катагенеза (подземные воды, сера, органическое вещество и т.д.). В качестве примера приведено частично каолинитизированное зерно полевого шпата, обнаруженное в составе заполнителя (рис. 9). Вторая группа структур «книжного домика» отличается менее совершенной структурой, что выражается в меньших размерах колонн, нарушениями в их строении и др. (рис. 10). Такие структуры свойственны для песчаников, характеризующихся пониженными значениями ФЕС. В образце алевролита структуры типа «книжный домик» не обнаружены. Примечательно, что цементирующее вещество в данном случае широко распространено и по составу также является каолинитовым (рис. 11). Однако каолинит здесь образует плотные бесформенные скопления, в которых в небольшом количестве присутствуют межагрегатные и внутриагрегатные пустоты размером до 5 мкм. Определенная связь степени совершенства структур типа «книжный домик» с продуктивностью коллекторов обусловлена влиянием данного фактора на значения коэффициентов пористости и проницаемости коллекторов. Причиной является увеличение объема микропустотного пространства в виде межагрегатных пустот между новообразованными пластинками каолинита. Последние возникли на стадии катагенеза в процессе укрупнения первичных (гипергенного происхождения) частиц. Благоприятным фактором, способствующим повышенной нефтеносности пластов, является также гидрофобность пластин каолинита. Надежным индикатором мономинерального каолинитового состава цементирующего вещества песчаников с агрегатами типа «книжный домик» являются данные микрозондового анализа (табл. 1). Среди сопутствующих элементов несколько выделяется присутствие кальция, что является следствием сопутствующего процесса карбонатизации. Таблица 1 Химический состав агрегатов каолинита типа «книжный домик», мас. % Оксид Номер агрегата 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 SiO2 47,70 52,15 46,04 54,46 57,01 49,21 48,13 43,49 42,13 47,86 TiO2 0,28 0,24 - 0,10 0,53 0,08 - 0,06 - 0,05 Al2O3 36,97 33,13 38,89 30,77 26,99 35,59 36,33 42,07 37,40 32,76 CaO 0,12 0,23 - 0,19 0,62 - 1,44 0,06 2,15 0,02 MgO 0,16 - - - 0,15 0,19 0,06 - 0,08 - FeO* 0,14 0,10 0,04 0,42 0,37 0,53 - 0,13 0,03 0,21 K2O 0,30 0,16 0,07 0,07 0,34 0,39 0,04 0,11 0,11 0,09 Na2O - - - - - - - 0,08 0,09 - Таблица 2 Химический состав оксидных минеральных новообразований, мас. % Оксид Номер анализа 1 2 3 4 5 6 7 V2O5 - 2,52 - - - - - P2O5 - - 36,44 34,75 - - - SO3 - - 1,12 3,98 0,22 2,65 1,29 SiO2 9,77 3,30 14,45 14,75 3,60 - 12,37 TiO2 89,41 90,50 - - 0,95 3,74 0,19 Al2O3 0,64 0,55 2,27 1,67 1,10 - 6,24 CaO 0,03 0,20 39,14 37,21 0,43 0,38 4,77 MgO - 0,08 - - - - 8,07 FeO* 0,13 2,76 0,09 1,89 - - 65,79 MnO - 0,06 - - - - - BaO - - - - 0,35 0,94 - CuO - - - - 38,38 29,66 - K2O 0,03 0,03 - - - - 0,99 Na2O - - 0,49 0,32 - - 0,30 F - - 5,96 5,43 - - - Cl - - 0,04 - - - - Примечание: лейкоксен: 1 - Уньвинское месторождение, 2 - Сибирское месторождение (см. рис. 12, 1); апатит: 3, 4 - Сибирское месторождение (см. рис. 12, 3, 4); малахит: 5, 6 - Сибирское месторождение (см. рис. 12, 5, 6), 7 - железистая минерализация, Уньвинское месторождение. Таблица 3 Химический состав новообразований пирита, мас. % Элемент Месторождение Уньвинское Сибирское Fe 43,94 45,33 S 55,05 54,31 Ti 0,79 - Co 0,22 0,18 As - 0,18 Образование структур типа «книжный домик» происходит на этапе мезокатагенеза, что наиболее благоприятно для потенциальной продуктивности коллекторов. Данные структуры являются чрезвычайно чувствительными к факторам катагенеза (рН среды, сопутствующие наложенные процессы и др.), что позволяет использовать их при более детальном анализе изменений породы на стадии катагенеза, оценке особенностей микропустотного пространства и в целом при прогнозировании нефтеносности пород. Изучение наложенных процессов минералообразования методами сканирующей электронной микроскопии Постседиментационные изменения в коллекторах обычно заметно влияют на потенциальную нефтегазоносность горных пород. Нередко их пористость и проницаемость существенно преобразуются на стадиях диагенеза и катагенеза за счет заполнения новообразованным веществом пустотного пространства. Так, именно процесс интенсивной природной цементации обусловил существенное снижение ФЕС для керна алевролитовых пород. В кернах, представленных песчаниками, с применением микрозондового анализа зафиксированы следующие процессы вторичного минералообразования: лейкоксенизация, пиритизация, фосфатизация, ожелезнение и проявления медистой минерализации (рис. 12, табл. 2, 3). Процесс лейкоксенизации приводит к появлению плотных агрегатов размером более 0,1 мм, состоящих из тонкослоистых наростов лейкоксена, заполняющих отдельные пустоты между зернами обломочного каркаса. Процесс пиритизации обусловливает появление пакетов хорошо образованных кристаллов пирита пластинчатого облика в параллельной ориентировке, а также тонкозернистых агрегатов. Отмечен также процесс фосфатизации с образованием агрегатов кристаллов апатита пластинчатого или столбчатого облика. Наконец, обнаружена наложенная медистая минерализация в виде выделений агрегатов малахита. Роль описанных наложенных процессов заключается в установлении участия органического вещества коллектора во вторичном минералообразовании как специфического фактора катагенеза. Тем самым они могут служить дополнительным индикатором их нефтеносности. При этом учитывается, что все участвующие в наложенных процессах химические элементы (Fe, Ti, P, S, Cu, V) являются типичными примесями в органике. 1 2 4 3 6 5 Рис. 12. Вторичные новообразования в нефтеносных песчаниках: 1 - лейкоксен; 2 - пирит; 3, 4 - апатит; 5, 6 - малахит В то же время преобразование пустотного пространства коллекторов за счет наложенных процессов минералообразования оказалось не столь существенным вследствие локального их проявления. Оно сводится к частичному заполнению некоторых межзерновых пустот и появлении генерации новообразованных межзерновых пор размером до 5 мкм. Заключение Методы электронной микроскопии позволяют выявить и детально исследовать литологические особенности терригенных продуктивных пластов. В целом ФЕС коллекторов во многом определяется структурными особенностями осадка, которые закладываются на стадии седиментогенеза и определяются фациальной обстановкой осадконакопления. Основную роль при этом играют процессы формирования обломочного каркаса, состоящего обычно из зерен кварца. Важными компонентами терригенного коллектора являются минеральные зерна заполнителя и состав цементирующего вещества. Наложенные процессы диагенеза и катагенеза особенно воздействуют на пустотное пространство, во многом определяют минеральный состав и микроструктуру цементирующего вещества. В целом применение методов электронной микроскопии позволяет выявить многие особенности пород, влияющие на их пористость, проницаемость и потенциальную нефтеносность, В составе изученных песчаных коллекторов Соликамской впадины выделены две группы, для которых установлена закономерная связь продуктивности с особенностями гранулометрического состава, пустотного пространства, состава и структуры цемента. Первая группа коллекторов характеризуется хорошей сортировкой и плотной упаковкой зерен кварцевого обломочного каркаса, небольшим количеством частиц заполнителя и цементирующего вещества, представленного каолинитом со структурой типа «книжный домик». Вторая группа коллекторов с пониженной проницаемостью характеризуется слабой сортировкой зерен за счет присутствия значительного количества частиц заполнителя в обломочном каркасе, что существенно снижает их ФЕС. Повышенная доля цементирующего вещества также способствует снижению пористости и проницаемости. Характерным индикаторным признаком такого коллектора является менее совершенная микроструктура каолинита типа «книжный домик». Для исследованного керна алевролита установлены следующие литологические особенности: разнозернистый гранулометрический состав, отсутствие сортировки зерен по крупности, неструктурированный каолинитовый цемент с отсутствием структур типа «книжный домик». Столь существенные литологические различия песчаников одного геологического возраста, определяющие их нефтеносность, обусловлены важной ролью фациальной обстановки осадконакопления и последующих процессов преобразования породы на стадиях диагенеза и катагенеза. Важным индикатором этих процессов является микроструктура глинистого вещества. Литологические индикаторные признаки, исследуемые методами электронной микроскопии и описанные в статье, можно рекомендовать для более широкого применения в нефтегазовой геологии.

About the authors

B. M. Osovetsky

Perm State National Research University

K. P. Kazymov

Perm State National Research University

S. V. Galkin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 12

PDF (Russian) - 12

PDF (English) - 8

Refbacks

• There are currently no refbacks.