petrophysics2004

В.М. ДОБРЫНИН, Б.Ю. ВЕНДЕЛЬШТЕЙН,

Д.А. КОЖЕВНИКОВ

ПЕТРОФИЗИКА

(ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД)

Допуще'Н.о

Ми1tистерство.м образова1tия Российс?Сой Федерации в ?Саоtестве уоtеб'Н.и?Са дАЯ студе1tтов высших уоtеб'Н.·ых заведе1tий, обуоtающихся по специаJI.ъ'Н.остя.м "Геофизиоtес?Сие .методы поис?Сов и развед?Си

.месторожде1tий пол.езн.ых ис?Соnае.мых"

и <<Геофизиоtес?Сие .методы иссл.едован.ия схважию, н.аправл.ен.ия подготов?Си дипл.о.мироваииых специаJI.истов "Техиол.огии геол.огиоtес?Сой развед?Сш,

Научно-техническая

библиотека

СибНИИНП

~Издательство

~•НЕФТЬ И ГАЗ•

PIY нефnt и Г11311 им. И.М. ГУБКИНА

МОСКВА 2004

1. ВВЕДЕНИЕ

Петрафизика - научная дисциплина, изучающая физические

свойства горных пород и закономерности их изменений, проявляю­

щиеся при взаимодействии с физическими полями различной при­ роды. Современная геофизика использует все виды физических по­ лей (электрические, электромагнитные, тепловые, ядерных излуче­ ний, гравитационное, механических напряжений) и решает как

научные проблемы планетарной геофизики, так и проблемы обеспе­

чения человечества минерально-сырьевыми и энергетическими ре­

сурсами; экологические проблемы. Как правило, ни одна проблема или

геологическая задача не может быть решена каким-то одним из гео­ физических методов в отдельности. Отсюда вытекает принципиаль­

ная хо.мппехсиосmъ при.меиеиия этих методов и uumepnpemaцuu по­

лучаемых результатов.

Наибольшей детальностыо обладают геофизические исследования

в скважинах. Петрофизика -научная основа геологической интер­ претации данных геофизических исследований скважин (ГИС). Для

пространствеиного моделирования месторождений, проектирования

и контроля разработки месторождений нефти, газа и других полез­ ных ископаемых, необходимо знать множество количественных па­ раметров. Таких, например, как динамическая и эффективная пори­ стости, проницаемость, нефте-, газонасыщенность, параметры, харак­ теризующие морфологию (структуру) емкостного пространства, гранулометрический состав, содержания различных глинистых ми­ нералов и др. На показания методов ГИС эти параметры влияют не непосредственно, а через физические параметры, характеризующие взаимодействия горных пород с физическими полями различной при­ роды. Эти параметры называются петрофизическими.

Примерами петрафизических характеристик являются удельное электрическое сопротивление, объемная плотность, емкость катион­ ного обмена, диэлектрическая проницаемость, индекс свободного флюида и времена релаксации при ядерном магнитном резонансе, ки­

нематические и динамические параметры акустических сигналов,

длины замедления и миграции нейтронов, времена жизни, другие

ядерно-физические характеристики. Ядерно-физические методы ГИС отличаются от остальных возможностыо количественного опре­ деления элементного (изотопного) состава горных пород в необсажен­ ных и обсаженных скважинах (то есть при наличии стальной колон­ ны и цементного кольца).

Созданиеи развитие пстрофизики. Разработка методических ос­

нов и приборов для изучения физических свойств горных пород на­

чалась одновременно с созданием и развитием методов прикладной

геофизики. Еще в 1920-1960 гг. многими советскими геофизиками (Б.А. Андреев, М.П. Воларович, Г.А. Гамбурцев, И.И. Гурвич, В. Н. Дахнов, А.И. 3аборовский, С. Г. Комаров, А. А. Логачев, Е. А. Лю­

бимова, Л.Я. Нестеров, Н.Н. Пузырев, А.С. Семенов, А.Г. Тархов,

3

В. В. Федынский, Я.И. Френкель и др.) и зарубежными исследовате­ лями (С. Акимото, Ф. Берч, Ф. Берне, М. Био, В. Вакье, М. Вилли, В. Винзауэр, Ф. Гассман, Х. Джеффрис, Т. Нагата и др.) QЫЛИ выпол­ нены важнейшие петрофизические исследования.

Петрофизика коллекторов нефти и газа была создана советскими и американскими геофизиками в 40-50 годы ХХ века как основа ко­ личественной геологической интерпретации результатов ГИС. Однако петрофизика как самостоятельная научная дисциплина сформиро­ валась лишь в начале 60-х годов. Большая роль в ее создании при­ надлежит В. Н. Дахнову и его научной школе.

Петрофизическое обеспечение интерпретации данных разведоч­ ной геофизики заключалось в составлении разреза изучаемой пло­ щади, региона, содержащего сведения о плотности, магнитной вос­

приимчивости, удельном электрическом сопротивлении, скорости

продольной волны в породах. Для геологической интерпретации дан­ ных каждого из перечисленных методов требовалось знание только одного физического свойства пород изучаемого разреза.

Первый период развития ГИС (ЗО-е годы), в течение которого на­ чалось широкое применение ГИС в нефтяных скважинах нашей стра­

ны и за рубежом (в основном, в США) характеризуется выдачей на

основе результатов интерпретации данных ГИС информации о ли­

тологии разреза, удельном электрическом сопротивлении минераль­

ных компонент пород, наличие в разрезе продуктивных и водонос­

ных коллекторов. Из основных подсчетных параметров, которые зна­ чительно позже будут приниматься при подсчете запасов по данным ГИС, в этот период определяли только мощность (толщину) продук­

тивных коллекторов, рекомендуя соответствующий интервал для

испытания после спуска обсадной колонны. Для определения двух

других подсчетных параметров-коэффициентов пористости kп и нефтенасыщенности k 8 - требовались корреляционные связи меж­

ду электрическими параметрами (удельное сопротивление, ампли­ туда аномалии потенциалов собственной поляризации) и значения­

ми k11, k8 • Такие связи впервые были предложены В. Н. Дахновым в

1941 году на основе анализа и обобщения результатов лабораторного изучения образцов пород (керна) из нефтяных скважин, выполнен­ ного отечественными геофизиками в ЗО-е годы: зависимость парамет­ ра пористости (относительного сопротивления Рп= Р811/Рв) от коэффи­

циента пористости Р11= f(k11 ); - зависимость параметра насыщения

(коэффициента увеличения сопротивления Рн= Рп/р811) от коэффици­ ента водонасыщения k 8 продуктивного коллектора Рп= f(k11).

Спустя четыре года после публикации В. Н. Дахнова аналогичные

связи опубликовал Г. Е. Арчи, обобщив данные, полученные амери­

канскими исследователями.

В 40-е-50-е годы В. Н. Дахновым и его сотрудниками, специали­ стами других научных и производственных организаций были полу­ чены многочисленные корреляционные связи между геофизически­ ми параметрами и петрофизическими характеристиками коллекто­ ровкоэффициентами общей, открытой и эффективной пористости,

4

коэффициентом водонасыщения, гранулометрическим составом тер­

ригеиных коллекторов, их глинистостью, коэффициентами абсолют­ ной и фазовой проницаемости и т.д.

Широкие исследования были проведены в специализированных

лабораториях МИНГ им. И. М. Губкина (Б. Ю. Вендельштейн, В.Н. Дах­

нов, В. М. Добрынин, В. Н. Кобранова, Д.А. Кожевников, М. Г. Латышо­

езова, Л. М. Дорогиницкая), в других организациях (В. С. Афанасьев, Т.З. Вербицкий, А. М. Глевасская, Г. Г. Камышева, А. И. Каркошкин, Е. И. Леонтьев, Л. М. Марморштейн, Г. И. Петкевич и др.), а также за ру­ бежом (Х. Вонг, Н. Кристенсен, А. Нур, Д. Чанг, и др.).

Была создана основа для использования данных ГИС при подсче­ те запасов нефти и газа с определением подсчетных параметров - hэф• kn, k 11 ,r- и при проектировании разработки нефтяных и газовых

месторождений- с определением коэффициентов проницаемости и начального нефте(газо)насыщения.

Этот период можно рассматривать как перв·ый период развития­ период зарождения и становлениясовременной петрофизики. Од­ нако ее развитие было далеко не безоблачным. Использование огром­ ного информационного потенциала ГИС для подсчета запасов и проек­ тирования разработки в тот период (конец 40-х-50-е годы) еще не было осознано и встретило сопротивление многих геофизиков и геоло­ гов. Они полагали, что предметом ГИС является решение сугубо каче­

ственных задач: - литологическое расчленение разреза, корреляция

пластов и выделение продуктивных коллекторов. Использование ГИС для количественного определения фильтрацианно-емкостных пара­ метров коллекторов считалось необоснованным. ВозможностямТИС противопоставлялись лабораторные способы определения этих пара­ метров на образцах керна.

Лишь в первой половине 60-х годов благодаря настойчивости В. Н. Дахнова и его сотрудников, начался второйпериод развития пет­ рофизики, обусловленный систематическим использованием данных ГИС при подсчете запасов, а с конца 60-х годовпри проектирова­ нии разработки терригеиных коллекторов.

Востребованность результатов интерпретации данных ГИС не­ фтяной и газовой промышленностью страны явилось мощным им­

пульсом для дальнейшего бурного развития петрофизики. Этот пе­

риод характеризуется созданием в научных и производственных

организациях специальных петрафизических лабораторий, оснащен­ ных приборами не только для определения геофизических и фильт­

рационно-емкостных параметров, но и для изучения вещественного

состава горных пород физическими и физико-химическими метода­ ми. При обработке результатов петрафизических исследований на­

чали применять программы многомерного корреляционного анали­

за, классификации, распознавания образов и т.д. Данные петрафи­

зики и ГИС стали использоваться для фациального анализа и

5

палеареконструкции нефтегазовых бассейнов. Расширился кругизу­

чаемых петрафизикой физических свойств пород за счет электрохи­

мических, ядерно-физических, акустических, ядерно-магнитных ме­

тодов.

В 1962 году вышел первый учебник В. Н. Кобрановой «Петрофи­

зика». В нем были обобщены и систематизированы важнейшие ре­

зультаты, накопленные в области изучения физических свойств гор­ ных пород. Новая дисциплина в науках о Земле состоялась.

Вэто же время В. Н. Дахнов поддержал идею нового направления

впетрафизике-исследование физических свойств пород-коллек­ торов при высоких термодинамических параметрах. К концу 80-х го­ дов в МИНГ им. И.М. Губкина была создана лаборатория с уникаль­ ными установками (В. М. Добрынин, Я. Р. Морозович, Л. П. Петров, В. Н. Черноглазов). Результаты исследований, выполненных в этой ла­ боратории, вошли в два специальных справочника, учебники, науч­ ные монографии.

Сконца 50-х годов учениками В.Н. Дахнова (Б.Ю. Вендельштейн,

Е. И. Леонтьев, М. М. Элланекий и др.) изучается влияние на физи­

ческие свойства пород-коллекторов и литологических экранов ад­

сорбционной способности пористой среды, физико-химических свойств поверхности твердой фазы и аномальных пленок воды. По­

лученные результаты, с одной стороны, явились вкладом в разви­

тие электрохимии двойного слоя, с другойпозволили существен­ но усовершенствовать геофизические методы оценки фильтраци­ анно-емкостных свойств терригеиных коллекторов. Эти

исследования сопровождались также изучением роли глинистых

материалов и других высокодисперсных (в естественных условиях) минералов, не вписывающихся в формальное понятие «глинис­ тость», разработан способ учета минерального состава глинистой

составляющей, индивидуальных свойств компонент глинистой

фракции (емкость катионного обмена, гигроскопическая влажность, избирательная смачиваемость, и т. д.).

С 1957 года Д.А. Кожевников предпринял систематическое изуче­ ние нейтронных характеристик горных пород. Это направление по­ лучило название ядерпой nетрафизики и стало быстро развиваться

внашей стране и за рубежом. Оно охватило не только нейтронные, но

идругие ядерно-физические характеристики пород, руд и природ­

ных сред в целом; охватило как теоретические методы расчета, так и

экспериментальные методы их определения по измерениям на образ­

цах керна и в моделях пластов.

Результаты петрафизических исследований осваивались и допол­ нялись специалистами в области нефтепромысловой геологии, фи­ зики и механики нефтяного и газового пласта, подземнойгазо-и гид­ родинамики, разработки месторождений нефти и газа. Происходило накопление обширного фактического материала изучения физичес­

ких свойств пород-коллекторов и пород-неколлекторов из разрезов

глубоких скважин основных нефтегазоносных регионов нашей стра­ ны и зарубежных стран.

6

Третий этап развития петрафизики ознаменовался переходом к петрафизическому районированию территорий. Пионерами петрафи­ зического районирования явились В.Л. Комаров, Е.И. Леонтьев, В. В. Гречухин.

В настоящее время мы наблюдаем •tетвертый период развития петрофизики, характеризующийся переходом от коллекционирова­

ния эмпирических связей к построению теоретических моделей, и от

петрафизического моделирования коллекторов - к петрафизичес­ кому моделированию геологических разрезов и осадочных бассейнов

в целом.

Изучение петрофизических характеристик на образцах керна

При изучении сложных коллекторов nомимо стандартного набора петрафизических исследованийопределений пористости, nрони­ цаемости, водаудерживающей способности,- необходимо выполнять

специальные дополнительные исследования керна:

-рентгенаструктурный анализ глинистых минералов;

-растровую электронную микроскопию с микрозондами для оn-

ределения минерального состава матрицы, цемента и структуры ем­

костного nространства;

-оптическую микроскопию в поляризованном свете для каче­

ственного изучения минерального состава и степени nреобразован­

ности отдельных минералов;

- количественные анализы на элементы и минералы, обладаю­ щие аномальными ядерно-физическими свойствами (естественные

радионуклиды, элементы-поглотители тепловых нейтронов, минера­

лы с аномальным водородасодержанием типа цеолитов, гидраокис­

лов железа и алюминия, и др.).

Изменения геохимических характеристик продуктивных коллек­ торов вследствие nриродных или техногеиных причин (в результате вскрытия пластов и разработки месторождений), приводящие к из­ менению не только состава nластовых флюидов, но и минералогичес­ кого облика коллекторов. В результате может происходить сниже­ ние нефтеотдачи [23].

Наиболее полные петрафизические исследования выполняются в базовых скважинах с достаточно представительным выносом керна,

мера представительности которого определяется степенью неодно­

родности изучаемого геологического разреза.

После изучения физических свойств горных пород и взаимосвя­ зей между ними на образцах керна (в лабораторных условиях) вста­ ет проблема переноса этих свойств в условия естественного залега­ ния пород, то есть проблема учета высоких температур и давления (всестороннего сжатия).

Проблемы комплексной интерпретации обусловлены принципи­

альной неоднозначностью перехода от измерений физических полей к искомым петрафизическим характеристикам пород. При комплек­ сной интерпретации данных ГИС для преодоления неоднозначности

7

решения системы петрафизических уравнений требуется привлече­

ние и использование новых законовзаконов надпородного уровня.

Необходимо учитывать и использовать законы стехиометрии, цик­ лостратиграфии, влияние изменений термодинамических условий залегания пород, изменения петрафизических характеристик в при­

скважинных зонах.

На этом уровне возникло новое направление в развитии петра­

физики, обусловленное переходом от петрафизического моделиро­ вания коллекторов- к петрафизическому моделированию геологи­ ческих разрезов и осадочных бассейнов в целом и процессов в них.

Важнейшим разделом петрофизики пород, слагающих разрезы

нефтяных и газовых скважин, является петрафизика коллекторов

нефти и rаза.

На основе анализа и обобщения отечественного и зарубежного опыта определения подсчетныхпараметров нефтегазовыхколлекторов и ори­

.гинальных петрафизических исследований, выполненных на кафедре ГИС ГАНГ им. И.М. Губкина, впервые были выпущены методические

руководства по использованию данных ГИС для определения парамеТ­

ров нефтегазовых коллекторов, используемых при подсчете запасов, проектировании и разработке месторождений нефти и газа [б].

Современное значение, особенности и направления развития пет­ рафизики тесно связаны с развитием геоинформационных техно­ логий и геофизики в целом. Развитие микроэлектроники и микро­ процессоров, большая емкость магнитных и оптических носителей информации практически сняли технические ограничения для об­ работки огромных цифровых массивов геолого-геофизической ин­ формации. Такая обработка сегодня может выполняться в процессе

скважинных измерений в режиме реального времени.

Одновременно снятие mexnи"Чec'/Cux проблем не только не осла­

било, но наоборот, обострило пау"Чnо-методи"Чес'/Сие проблемы, свя­

занные с преодолением недостатков интерпретационно-метрологи­

ческого обеспечения и петрафизического обоснования отдельных ме­

тодов.

Развитие компьютерных технологий комплексной интерпретации

данных ГИС дало мощный стимул к развитию теории методов ГИС,

усовершенствованию их интерпретационных и петрафизических мо­ делей, метрологического обеспечения. Все более и более проявляется

стремление к реализации таких интерпретационных процедур, ко­

торые в максимальной степени используют возможности вычисли­

тельной техники и в принципе нереализуемы в режиме ручной («па­ леточной» ) интерпретации. Прежде всего это визуализация резуль­ татов комплексной интерпретации данных ГИС и сейсмики при гидродинамическом моделировании месторождений не только в про­

странстве, но и во времени (геологическом и календарном времени).

Изучение физических процессов, происходивших в различные пери­

оды геологической истории осадочных бассейнов, необходимо для по­

нимания закономерностей образования месторождений нефти и газа,

их надежного выявления и количественной оценки, контроля разра-

8

ботки, обеспечивает радикальное снижение стоимости и финансовых

рисков геолого-разведочных работ.

2. НЕОДНОРОДНОСТЬ, ДИСПЕРСНОСТЬ, МЕЖФАЗНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПОРОД

1.1.ТИПЫ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

Впетрафизике горную породу рассматривают как геологическое

тело сложного полиминерального состава при термодинамических

условиях естественного залегания. Можно указать, по крайней мере, следующие типы неоднородностейпо фазовому, компонентному (минеральному) составу, а также текстурно-структурные.

Фа зов ы й с о с т а в: порода представлена тремя фазами-твер­ дой, жидкой и газообразной, или двумятвердой, жидкой или твер­ дой, газообразной.

К о м по н е н т н ы й с о с т а в: каждая фаза представлена одним, двумя или несколькими минералами (твердая фаза), жидкостями (жидкая фаза), газами (газообразная фаза).

Каждый минеральный, жидкий или газообразный компонент име­ ет определенный х и м и ч е с к и й с о с т а в.

Структур но -текстур н о е строе ни е характеризуетбо­ лее сложное образование, состоящее из двух или более различных пород, чередующихся в объеме изучаемого геологического объекта - образцы породы, пласта и т.д.

Фазовая н е одно род но с ть породы предполагает наличие границ раздела между обособленными объемами, занимаемыми каж­ дой фазой. Молекулы каждой фазы, расположенные в приграничной области, толщина которой оценивается примерно как утроенный ра­ диус сил молекулярного взаимодействия, образуют пограничные слои со свойствами, отличными от свойств граничащих фаз. При неболь­ шой площади поверхности раздела фаз доля пограничного слоя в объеме породы пренебрежимо мала и интегральное значение того или иного физического параметра породы определяется значениями это­ го параметра для отдельных фаз и вкладом каждой фазы в суммар­ ный эффект, который зависит от объемного содержания фазы в по­ роде и закона, по которому рассчитывается этот вклад. С ростом пло­ щади поверхности раздела возрастает доля объема, занимаемого

пограничным слоем, и соответственно вклад его в интегральное зна­

чение изучаемого параметра, так что пренебрегать наличием погра­ ничного слоя уже нельзя. Примерам фазовой неоднородности может служить водоносный неглинистый коллектор, в котором твердая фаза минерального скелета и свободная вода в порах занимают обособлен­ ные объемы, разделенные поверхностью с малой площадью. С появ­

лением глинистой компоненты в минеральном скелете возрастает

площадь поверхности раздела, идоля физически связанной воды, рас­

положенной в приграничном слое, становится заметной.

9