Петрофизика как наука о свойствах горных пород как функций их состава и структуры, об изменении этих свойств под воздействием геологических, физико-химических, технологических факторов, ее предмет и методы исследования. Построение петрофизических связей.
Аннотация к работе
Поиск методов учета факторов, характеризующих геометрию и индивидуальные свойства составляющих горные породы и изменения этих свойств при взаимодействии различных составляющих. Как известно, существует три главных источника информации о петрофизических параметрах коллекторов и, в частности, их фильтрационно-емкостных свойствах: 1 - лабораторные исследования керна скважин, в результате которых возможно получение непосредственных определений интересующих нас параметров (с учетом или без учета пластовых условий); В связи с этим в практике проведения геологоразведочных работ принята следующая схема: на этапе поиска и начальной стадии разведки месторождения на основании проведенных региональных работ проводится отбор керна из потенциальных пластов-коллекторов; на этапе разведки и эксплуатации керн отбирается только из специально выбранных опорных скважин, а основная масса скважин бурится без отбора керна. Таким образом, на месторождении керном представлены только ограниченное число точек пластопересечений, а основной объем информации залежи получается при интерпретации данных ГИС. С помощью связей «керн-керн», «керн-ГИС», «ГИС-ГИС», полученных на основе петрофизической информации проводится интерпретация данных ГИС, то есть получение на основе измеренных геофизических параметров информации о минеральном составе, пористости, насыщенности пород.При сопоставлении результатов по пластовой интерпретации данных ГИС производится осреднение значений по керну в интервалах выделенных пропластков.
Введение
петрофизика геологический технологический
Петрофизика (греч. petra - камень греч. physics - природа), т.е. «физика камня» или физика горных пород - это наука о свойствах горных пород как функций их состава и структуры, об изменении этих свойств под воздействием геологических, физико-химических или технологических факторов, а также о взаимосвязях между физическими свойствами пород.
Предметом (или объектом познавательной деятельности) в петрофизике является горная порода, ее литологические и физические свойства.
Задачи петрофизики - это определение изменения физических свойств горных пород в зависимости от: - литологических характеристик;
- условий исследования (пластовых или атмосферных);
- изменения литологических свойств под воздействием скважинных флюидов.
Методами петрофизических определений, т.е. системой приемов и способов в исследовательской деятельности, являются экспериментальные методы определения физических свойств и математические методы анализа получаемых данных.
Согласно Б.Н. Еникееву в своем развитии петрофизика прошла несколько этапов.
1. Изучение взаимосвязей между вещественным составом и физическими свойствами пород.
2. Построение модели коллектора с учетом глинистой компоненты как особо активной составляющей горной породы.
3. Широкое применение линейно-регрессионного анализа.
4. Поиск универсальных многомерных связей.
5. Изучение характера физико-химического взаимодействия в системе порода-вода-углеводороды.
6. Поиск методов учета факторов, характеризующих геометрию и индивидуальные свойства составляющих горные породы и изменения этих свойств при взаимодействии различных составляющих.
Место и задачи петрофизики.
В настоящее время в России начал складываться новый рынок петрофизических услуг. Он развивается по нескольким направлениям: 1. Обоснование параметров для подсчета запасов (традиционное направление).
2. Обеспечение петрофизических связей для интерпретации расширенного комплекса ГИС.
3. Обеспечение параметров для построения постоянно-действующих трехмерных геологических и гидродинамических моделей месторождения (ПДМ).
3. Поиск способов повышения нефтеотдачи пластов.
4. Изучение влияния различных буровых растворов, жидкостей глушения на изменение коллекторских свойств пород и др.
Петрофизическая модель представляет собой математическое описание объемного распределения пористости, проницаемости и флюидонасыщенности коллекторов в пределах резервуара, основанное на данных непосредственных или косвенных определений указанных физических свойств по конкретным типам горных пород. Как известно, существует три главных источника информации о петрофизических параметрах коллекторов и, в частности, их фильтрационно-емкостных свойствах: 1 - лабораторные исследования керна скважин, в результате которых возможно получение непосредственных определений интересующих нас параметров (с учетом или без учета пластовых условий);
2 - геофизические исследования скважин комплексом методов, интерпретация которых позволяет получить вероятностные оценки тех же величин (в рамках принятых интерпретационных моделей методов ГИС);
3 - детальные 3-D сейсмические исследования, позволяющие при благоприятных условиях оценить пространственное распределение пород с улучшенными коллекторскими свойствами.
Изучение методов комплексного оперативного анализа данных лабораторного изучения керна и геофизических исследований скважин используется для решения следующих задач: - расчленения литологического разреза скважин;
- выделения пластов-коллекторов и оценки типа насыщения;
- определения глинистости коллекторов;
- количественного определения ФЕС (коэффициентов пористости, проницаемости, нефте- и газонасыщенности);
- определения положения флюидоконтактов.
1. Петрофизическое обеспечение интерпретации данных комплекса ГИС
Наиболее надежную информацию о фильтрационно-емкостных и физических свойствах пород можно получить, только изучая образцы керна. Но осуществить бурение каждой скважины со 100% выносом керна практически не удается и экономически нецелесообразно. В связи с этим в практике проведения геологоразведочных работ принята следующая схема: на этапе поиска и начальной стадии разведки месторождения на основании проведенных региональных работ проводится отбор керна из потенциальных пластов-коллекторов; на этапе разведки и эксплуатации керн отбирается только из специально выбранных опорных скважин, а основная масса скважин бурится без отбора керна. Таким образом, на месторождении керном представлены только ограниченное число точек пластопересечений, а основной объем информации залежи получается при интерпретации данных ГИС.
Коллекция керна используется для настройки системы перехода от физических свойств пород, определяемых в результате проведения ГИС, к геологическим параметрам.
ГИС, в основном, используются при разведке и эксплуатации месторождения для решения двух технико-экономических задач: 1. оперативной интерпретации с целью принятия решения о дальнейшем функционировании скважины: спускать ли обсадную колонну, проводить ли перфорацию и т.д.;
2. подсчета геологических и извлекаемых запасов углеводородов.
Для решения вышеперечисленных задач по материалам ГИС производят: - литологическое расчленение разреза, корреляцию разрезов скважин, идентификацию в разрезе изучаемой скважины стратиграфических горизонтов, выделенных в опорных скважинах, и определение границ этих горизонтов;
- определение межфлюидальных контактов, нефте-газонасыщенных толщин;
- определение пластовых температур и давлений.
При подсчете запасов необходимо выработать методику интерпретации данных ГИС. Создание методики может носить итеративный характер и состоит, как правило, из следующих шагов: 1. Создание тестовой выборки данных ГИС, (скважины с керном, испытаниями).
2. Привязка керна.
3. Уточнение минерального состава, констант, связей «керн-керн» по пластам, критических значений величин.
4. Установление связей «керн-ГИС».
5. Проведение обработки данных ГИС по тестовой выборке: - литологическое расчленение разреза;
- выделение пластов-коллекторов, - определение их эффективной толщины;
- определение их характера насыщения;
- определение значений коэффициентов пористости, проницаемости и нефтенасыщенности.
6. Сопоставление результатов интерпретации материалов ГИС с данными исследований керна, испытаний, эксплуатации. Выбор оптимальных алгоритмов, обеспечивающих наиболее достоверную интерпретацию как в скважинах с расширенным комплексом ГИС, так и со стандартным (обязательным).
7. Оценка достоверности результатов. В случае плохой сходимости данных керна и ГИС необходимо разобраться в причинах расхождений и, возможно, пересмотреть зависимости, константы, критические значения.
К обработке всех скважин приступают только после создания методики.
2. Связь между ГИС и петрофизическими исследованиями
При геофизических исследованиях производятся измерения физических полей. С помощью связей «керн-керн», «керн-ГИС», «ГИС-ГИС», полученных на основе петрофизической информации проводится интерпретация данных ГИС, то есть получение на основе измеренных геофизических параметров информации о минеральном составе, пористости, насыщенности пород. Схема, поясняющая взаимодействие между свойствами горной породы, лабораторными характеристиками, геофизическими параметрами, объясняющая суть интерпретации ГИС, приведена на Рис. 1
Рис. 1 Схема взаимодействия между свойствами горной породы, ее лабораторными характеристиками и геофизическими параметрами
При интерпретации данных ГИС необходимо использовать петрофизические зависимости, включающие петрофизические константы (коэффициенты в уравнении Арчи-Дахнова, водородосодержание глин, плотности минералов, интервальное время и т.д.) и информацию о минеральном составе.
При интерпретации данных ГИС необходимы, как правило, следующие петрофизические данные по каждому продуктивному пласту: 1. Минеральный состав пород и покрышек (для выбора интерпретационной модели).
2. Связь для расчета глинистости: - ?Ігк = f(Сгл).
- ?пс = f(Кгл).
- ?пс = f [Кгл / (Кгл Кп)].
3. Для расчета пористости: Связь DT=f(Кп) (для расчета пористости по АК).
Связь ?=f (Кп) (для расчета пористости по ГГК).
Связь ?пс=f (Кп) (для расчета пористости по ПС).
Данные по водородосодержанию глин (для расчета пористости по нейтронным методам).
4. Критерии выделения коллектора и критические значения
Граничное значение ?пс, Кп, Кгл.
5. Для расчета коэффициента водонасыщенности: Связь Рп= f(Кп).
Связь Рн= f(Кв).
6. Для расчета проницаемости: - Связь Кпр = f(Кп).
- Связь ?пс = f(Кпр).
- Связь Кво = f(Кпр).
7. Для расчета Кп эф = Кп(1-Ков)
Связь Ков=f(Кп) или Ков=f(Кгл/Кп).
3. Построение петрофизических связей
Итак, на основе данных исследования керна устанавливаются связи типа: - «керн-керн»
- «керн-ГИС».
Петрофизические связи должны строиться раздельно для каждого объекта подсчета запасов. Возможно использование обобщенных связей для нескольких подсчетных объектов; при этом необходимо специальное обоснование такой возможности.
Для установления связей типа «керн-керн» точная привязка керна не требуется. Достаточно проиндексировать данные керна по принадлежности к стратиграфическим пластам.
Следует помнить, что при сравнении данных по керну и по ГИС данные керна следует приводить к условиям, имитирующим пластовые. Как правило, основной объем исследований керна выполняется в атмосферных условиях. Для приведения данных керна к условиям, имитирующим пластовые, следует: - Сопоставить данные измерений в пластовых и атмосферных условиях;
- Получить соответствующую зависимость;
- Привести данные измерений в атмосферных условиях к условиям, моделирующим пластовые по полученной зависимости
Очень важно, чтобы измерения, выполненные в различных лабораториях с использованием различных методик и подходов, на разном оборудовании, разными операторами, не имели систематических различий. При обнаружении систематических расхождений в данных необходимо проанализировать причины расхождений, найти объяснение и отбраковать / откорректировать недостоверную информацию.
4. Связи типа «керн-керн»
Наиболее надежные связи между различными характеристиками горной породы получаются при построении зависимостей типа «керн-керн». При этом желательно получать их для каждого литотипа в отдельности. Эти зависимости позволяют переходить от геофизических параметров к геологическим, например, от плотности к пористости, от интервального времени пробега продольной волны к пористости и др. В практике построения таких связей обычно используются двумерные функции. Наиболее важные двумерные связи строятся по кроссплотам между электрическими характеристиками породы, с одной стороны, и ее пористостью и водонасыщенностью, с другой. Обычно для построения этих зависимостей используются степенные уравнения Арчи-Дахнова.
Удельное сопротивление породы (?ВП), обладающей межзерновой пористостью, при 100%-ном заполнении пор водой удельного сопротивления ?В, оценивается соотношением: ?ВП = Рп * ?В,
где Рп - параметр пористости.
Первое уравнение Арчи-Дахнова определяет связь между параметром пористости (Рп) и коэффициентом пористости (Кп) как степенную зависимость:
где A и m - константы для данного узкого типа породы. Структурный показатель m характеризует крутизну кривой и зависит от степени цементации и ряда факторов, связанных с изменением типа, возраста и условий залеганий горных пород.
На рисунке 2 приведены кроссплоты между Рп и Кп и остаточной водонасыщенностью (Ков) и Кп для трех литологических разностей Васюганской свиты Вартовского свода Вань-Еганского месторождения: слабозаглинизированных песчаников, аргиллитов и карбонатизированных песчаников. Литологические разности были выделены по макроописанию пород, петрографическим описаниям шлифов, определению содержания карбонатов в карбонатометре и количеству глинистых минералов, оцененному по рентгенофазовому анализу. Подтверждением разделения всей совокупности данных на три литологические разности является разделение кроссплота на три области. Область с пористостью ниже 0.04 долей соответствует песчаникам с поровым пространством, полностью заполненным вторичными минералами карбонатного ряда: кальцитом, доломитом. Область с пористостью 0.06 - 0.12 и остаточной водонасыщенностью близкой к 1, соответствует аргиллитам. Породы с пористостью более 0.14 - песчаники с небольшой долей глинистых минералов в межзерновом пространстве.
Рис. 2 Кроссплоты Рп - Кп и Ков - Кп трех литологических разностей Васюганской свиты Вартовского свода Вань-Еганского месторождения
Построение единой зависимости по уравнению между параметром пористости и коэффициентом пористости для всех литологических разностей приведет к некорректной интерпретации данных электрометрии скважин. Поэтому зависимости должны строиться для каждой литологической разности отдельно. В принципе построение зависимостей надо проводить индивидуально для каждого литотипа. На рисунке 3 приведена зависимость, построенная только для песчаников.
Стандартная процедура построения зависимостей ориентируется на измерения, проводимые в лабораторных (t=20OC и Р=1 атм) или атмосферных условиях, однако при переходе от пластовых к атмосферным условиям меняются все петрофизические характеристики (Кп, ?ВП, ?В и др.). Поэтому необходимо проводить исследования в пластовых условиях. При невозможности исследовать все образцы в пластовых условиях, проводятся исследования на ограниченной коллекции керна и в пластовых и в атмосферных условиях, и строится система перехода от атмосферных к пластовым условиям (см. Рис. 4).
Рис. 3 Зависимость Рп от Кп для песчаников васюганской свиты верхнеюрского возраста вартовского свода месторождения Вань-Еган
Для расчета насыщенности породы углеводородами используются данные о сопротивлении неизмененной за счет внедрения фильтрата бурового раствора части коллектора. Для этого строится зависимость коэффициента увеличения сопротивления (Рн-параметр насыщенности) от коэффициента водонасыщенности (Кв), измеренных на нескольких образцах путем ступенчатого вытеснения воды из пор либо методом капиллярометрии, либо центрифугированием.
Расчет параметра насыщения ведется по формуле: Рн = ?П/?ВП, где ?П - удельное электрическое сопротивление пласта, определяемое по каротажу.
Эксперименты показали, что для получения такой зависимости для некоторых литотипов можно проводить не ступенчатое вытеснение воды из образца, а практически полное вытеснение с помощью центрифуги. На Рис. 5 приведен пример зависимости коэффициента увеличения сопротивления
(Рн-параметр насыщенности) от коэффициента остаточной водонасыщенности (Ков) для песчаников васюганской свиты верхнеюрского возраста вартовского свода месторождения Вань-Еган.
5. Связи типа «керн-ГИС»
Для построения такого типа связи необходимо увязать глубины отбора образцов керна и измерений ГИС.
Данные привязанного керна могут быть использованы для контроля качества ГИС.
Способы контроля достоверности интерпретации данных ГИС по керну: 1. Сопоставление параметров по ГИС и керну на кроссплоте (керн должен быть привязан).
2. Сопоставление распределений параметров по ГИС и по керну (привязка керна не обязательна).
3. Сопоставление параметров на планшете (керн должен быть привязан).
Вывод
При сопоставлении результатов по пластовой интерпретации данных ГИС производится осреднение значений по керну в интервалах выделенных пропластков.
При анализе достоверности интерпретации следует учитывать представительность данных керна. Так, формы распределений параметров по керну и ГИС могут не совпадать изза особенностей выноса керна и отбора образцов на анализ.
В данном примере формы распределений не совпадают изза пониженного выноса керна из интервалов хороших коллекторов.
Список литературы
1. Дюбрул О. Использование геостатистики для включения в геологическую модель сейсмических данных. EAGE, 2010.
2. Елобогоев А. Гипотеза стационарности в геостатистике и ее формы: к вопросу о применении геостатистических методов на практике. Новосибирский региональный центр геоинформационных технологий
3. Капутин Ю.Е. Горные компьютерные технологии и геостатистика. СПБ, Недра, 2008.
4. М.К. Иванов, Ю.К. Бурлин, Г.А. Калмыков, Е.Е. Карнюшина, Н.И. Коробова. Петрофизические методы исследования кернового материала, 2009