Патент на изобретение №2335759

(54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦА СЦЕМЕНТИРОВАННОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области геологии, петрофизики, инженерной геологии и гидрогеологии, в частности к способам исследования образцов горных пород, и может быть использовано при изучении коллекторских и емкостных свойств пород месторождений углеводородного сырья и морфологии поверхности трещин горных пород. Способ включает измерение размеров частиц исследуемого образца породы. При этом дополнительно определяют форму частиц и ориентацию неизометричных частиц исследуемого образца, а также литологические типы породы и их толщины. Для этого измерение размеров частиц образца проводят, по крайней мере, на одной плоскости шероховатой поверхности образца по различным заданным направлениям, по соотношению размеров частиц породы по различным направлениям определяют проекцию их формы и ориентации на выбранную плоскость, причем предварительно осуществляют запись профилограмм на эталонных шероховатых поверхностях различных типов породы с известными размерами частиц с получением стандартных отклонений, затем выполняют запись профилограмм шероховатой поверхности исследуемого образца породы с получением стандартных отклонений. При этом запись профилограмм поверхности исследуемого образца проводят непрерывно при его перемещении в двух взаимно перпендикулярных направлениях, после чего осуществляют сравнение величин стандартных отклонений шероховатой поверхности исследуемого образца по различным заданным направлениям со стандартными отклонениями эталонной шероховатой поверхности и определяют размеры частиц, частицы с одинаковыми размерами суммируют, находят их процентное содержание в образце, по которому определяют литологический тип породы. Далее на профилограмме определяют длины записей каждого литологического типа породы, суммируют их и получают толщину данного типа породы в исследуемом образце. Технический результат – уменьшение трудоемкости, повышение степени достоверности способа и точности измерений, сокращение продолжительности исследований, увеличение объема информации. 2 табл., 8 ил.

Изобретение относится к области геологии, петрофизики, инженерной геологии и гидрогеологии, в частности к способам исследования образцов горных пород, и может быть использовано при изучении коллекторских и емкостных свойств пород месторождений углеводородного сырья и морфологии поверхности трещин горных пород.

В настоящее время результаты гидродинамического моделирования объекта на месторождениях углеводородного сырья, как правило, в значительной степени расходятся с промысловыми данными, в том числе с гидродинамическими исследованиями пласта.

Такое же расхождение наблюдается и в результатах определения проницаемости (Кпр) пород на керне и по данным геофизических исследований скважин (ГИС). Обычно Кпр по ГИС для объекта (пласта) определяется независимо от того, к какому литологическому типу породы принадлежит данная пористость (Кп), по зависимости Кпр=f(Кп). Полагая, что Кпр соответствует либо изменяется адекватно Кп, распространяют эту зависимость на весь объект.

Это означает, что все типы пород с одинаковой Кп во всем диапазоне исследуемого пласта обладают единым значением Кпр. На самом деле величина проницаемости Кпр неадекватна значению пористости Кп в алевролите и песчанике, то есть одному и тому же значению Кп в алевролите и песчанике соответствуют разные значения Кпр. Однако при современном аппаратурном и методическом обеспечении геофизических исследований в тонкослоистых переслаивающихся пластах, мощность которых не превышает 0,4-0,6 м, невозможно выделить зоны залегания коллектора с точным определением литологических типов горных пород.

В Западной Сибири алевролиты (содержание песчаных частиц в породе менее 50%) среди коллекторов занимают доминирующее положение, однако геологи при описании керна эту породу постоянно путают с песчаником вследствие того, что литологический тип породы устанавливают визуально на качественном уровне и количественная оценка содержания в породе лито-логических типов при этом невозможна. Специалисты в области геологического и гидродинамического моделирования зачастую закладывают в свою модель результаты визуального описания керна, что и приводит к расхождению данных модели и промысловых данных. Это происходит потому, что нет достаточно полной информации о литологических исследованиях керна. Литологический тип породы устанавливается на основе изучения се гранулометрического состава – измерения размеров породообразующих частиц с последующим расчетом процентного соотношения фракций.

Известен пипеточно-ситовой способ, который в лабораторной практике широко используют для определения гранулометрического состава горных пород, предварительно дезинтегрировав образец породы на составляющие ее частицы. Затем размеры и фракционный состав породы определяют по ГОСТ 12536-79 (Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. М.: Изд-во стандартов, 1980, с.24).

Недостатком способа является довольно низкая степень достоверности, так как при дезинтеграции образца породы неустойчивые компоненты частично или полностью истираются, в особенности в выветренных и содержащих полевые шпаты породах, и тем самым нарушается истинное соотношение размерных фракций. Кроме того, полученные данные по литологическому типу породы субъективно (визуально) распространяют на участки разреза скважины (керна), более или менее похожие друг на друга, и количественная оценка содержания в породе литологических типов при этом невозможна.

Данный метод можно использовать только для гранулометрического анализа рыхлых пород.

Определение гранулометрического состава сцементированных и метаморфизованных пород лишено смысла, так как результаты анализа зависят не столько от размера частиц породы, сколько от метода подготовки породы к анализу.

Способ весьма трудоемок и продолжителен, длительность одного гранулометрического анализа достигает 7 суток, причем образцы для этой цели отбираются дискретно с частотой, не превышающей 1 образец/1 м, крайне редко – 4 образца/1 м.

Наиболее близким аналогом является способ исследования образца породы, включающий определение размеров частиц в шлифах под микроскопом измерением микрометренной линейкой диаметров среза частиц пород (Черников О.А. Литологические исследования в нефтепромысловой геологии. М.: Недра, 1981, стр.27).

Недостаток способа заключается в том, что с его помощью также невозможно достоверно осуществить определение гранулометрического состава, поскольку шлиф, в котором проводят измерение размеров частиц, является случайным срезом, поэтому получают размеры частиц случайных срезов (занижение размеров частиц данным методом достигает 25%). Данным способом также невозможно достоверно осуществить выделение литологических типов пород на керне и определить их толщину. Способ также трудоемок, частота отбора образцов на изучение гранулометрического состава не превышает 1 образца на 1-2 м керна, а то и реже.

Оба способа предназначены только для определения размеров частиц исследуемого образца породы, а определение, например, формы и ориентации породообразующих частиц этими методами невозможно, также невозможно и точное определение литологических типов породы и их толщин, так как в этих способах определение литологического типа пород и его толщины на керне производится визуально, что связано с большими погрешностями.

Задача изобретения состоит в уменьшении трудоемкости и сокращении продолжительности исследований, в повышении степени достоверности способа и точности измерений, а также увеличении объема информации.

Поставленная задача решается тем, что в способе исследования образца сцементированной горной породы, включающем измерение размеров частиц исследуемого образца породы, дополнительно определяют форму частиц и ориентацию неизометричных частиц исследуемого образца, а также литологические типы породы и их толщины, для этого измерение размеров частиц образца проводят, по крайней мере, на одной плоскости шероховатой поверхности образца по различным заданным направлениям, по соотношению размеров частиц породы по различным направлениям определяют проекцию их формы и ориентации на выбранную плоскость, при этом предварительно осуществляют запись профилограмм на эталонных шероховатых поверхностях различных типов породы с известными размерами частиц с получением стандартных отклонений, затем выполняют запись профилограмм шероховатой поверхности исследуемого образца породы с получением стандартных отклонений, причем запись профилограмм поверхности исследуемого образца проводят непрерывно при его перемещении в двух взаимно перпендикулярных направлениях, после чего осуществляют сравнение величин стандартных отклонений шероховатой поверхности исследуемого образца по различным заданным направлениям со стандартными отклонениями эталонной шероховатой поверхности и определяют размеры частиц, частицы с одинаковыми размерами суммируют, находят их процентное содержание в образце, по которому определяют литологический тип породы, при этом на профилограмме определяют длины записей каждого литологического типа породы, суммируют их и получают толщину данного типа породы в исследуемом образце.

Сущность способа заключается в следующем.

Определение размеров частиц исследуемого образца породы осуществляют на основании сравнения величин стандартных отклонений, полученных при записи профилограмм эталонной шероховатой поверхности и записи профилограмм шероховатой поверхности образца, по соотношению размеров частиц по различным направлениям определяют проекцию их формы и ориентацию неизометричных частиц на выбранную плоскость.

От формы и ориентации частиц во многом зависят фильтрационные, деформационные и прочностные характеристики пород. Например, расположение нагнетательной и добывающей скважин на месторождениях жидких и газообразных полезных ископаемых по линии, расположенной перпендикулярно длинной оси неизометричных частиц пород (форма частиц – чешуйки, иглы), нецелесообразно, поскольку подобно ориентированные частицы окажут большее сопротивление движению флюидов. И наоборот, частицы, отличающиеся формой шариков, существенной роли на формирование фильтрационной анизотропии не играют.

Форма и ориентация породообразующих частиц значительным образом оказывают влияние на деформацию пород. Порода, состоящая из остроугольных обломков, при воздействии на нее внешней нагрузки деформируется в большей степени вследствие неравномерного и агрессивного повышения концентрации напряжений в контактах частиц, чем порода, сложенная шарикоподобными частицами, либо частицами, расположенными плоскопараллельно (чешуйки, иглы). Эта информация используется при оценке величины депрессионных давлений на пласт, зачастую приводящих к нарушению порового пространства.

Выполнение записи профилограмм поверхности исследуемого образца непрерывно при его перемещении в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяет получить высокую точность результатов исследований.

Установление литологического типа породы и его толщины в исследуемом образце позволяет использовать эту информацию для определения суммарной эффективной мощности коллектора нефтяных и газовых скважин, структуру коллекторообразующих пород (различный вид песчаника либо крупный алевролит), а также при изучении геологического разреза скважин.

Способ осуществляют следующим образом.

Для реализации способа используют любой известный профилограф с электронным блоком и записывающим устройством, например, предназначенный для записи профиля поверхности обрабатываемых деталей в машиностроении.

Сигнал при записи шероховатой поверхности получается от датчика с алмазной иглой (либо лазерного луча) с весьма малым радиусом закругления (2-10 мкм), перемещающейся перпендикулярно исследуемой поверхности.

Перед началом исследования образца сцементированной горной породы предварительно осуществляют запись профилограмм эталонных шероховатых поверхностей различных типов породы с известными размерами частиц с получением стандартных отклонений.

Анализ полученных профилограмм выполняют по следующей схеме.

1. Производят сглаживание полученного сигнала методом скользящего среднего по формуле:

где К – количество точек (предыдущих и последующих) относительно точки i;

f_i – i-я точка исходного сигнала;

g_i – i-я точка сглаженного сигнала.

На фиг.1 показан фрагмент профилограммы с исходным (пунктирная линия) и сглаженным по методу скользящего среднего (сплошная линия) сигналом при К=4.

2. Затем весь сигнал делится на отдельные шаги – отрезки и производится нахождение стандартного отклонения (СО) сигнала на этом отрезке по формуле:

где х_i – i-я точка сглаженного сигнала;

– среднее значение сигнала;

n – количество точек на данном отрезке.

Результаты исследований поступают в память электронного блока профилографа, после интерпретации которых создают эталонную шкалу, представленную в таблице 1, содержащей литологический тип породы, размер частиц и стандартное отклонение.

Таблица 1
Эталонная шкала
№№ п.п.	Литологические типы пород	Размер частиц, мм		Стандартное отклонение сигнала ()
		min	max	min	max
1	Глина (аргиллит)	0,0001	0,010	0,0001	12,800
2	Алевролит мелкий	0,010	0,050	12,800	17,500
3	Алевролит крупный	0,050	0,100	17,500	25,800
4	Песчаник мелкий	0,100	0,250	25,800	60,000
5	Песчаник средний	0,250	0,500	60,000	100,00
6	Песчаник крупный	0,500	2,000	100,00	200,00

Затем приступают к записи профилограмм, по меньшей мере, на одной плоскости шероховатой поверхности исследуемого образца с получением стандартных отклонений по каждому направлению. Перед записью поверхность исследуемого образца слегка пришлифовывается с целью устранения неровностей, которые обусловлены за счет несовершенства породорежущих инструментов.

Количество исследуемых плоскостей шероховатой поверхности образца зависит от поставленных задач.

При этом запись профилограмм шероховатой поверхности исследуемого образца породы выполняют непрерывно, перемещая образец в двух взаимно перпендикулярных направлениях, например сначала в поперечном, а затем в продольном.

Затем выполняют анализ по определению размера частиц, преимущественно присутствующих на рассматриваемом отрезке профилограммы. Для этого полученные значения стандартных отклонений сравнивают со стандартными отклонениями, приведенными в эталонной шкале.

Далее выполняют проверку принадлежности стандартного отклонения с тем, чтобы определить, к каким размерам частиц горных пород оно относится. Затем отрезки с одинаковыми размерами частиц, ограниченных минимальным и максимальным значениями, суммируют и находят их процентное содержание в образце, по которому определяют литологический тип породы.

Процентное содержание частиц с одинаковыми размерами в породе рассчитывают по формуле:

где P_i – длина отрезка профилограммы с СО, принадлежащее данному лито-логическому типу, мм;

Р – общая длина профилограммы, мм.

По соотношению размеров частиц образца породы по различным направлениям определяют проекцию их формы и ориентации на выбранную плоскость.

По размеру частиц выделяют типы пород: песчаные – диаметр обломочных частиц изменяется от 0,1 до 2,0 мм (крупные – 2,0-0,5, средние – 0,5-0,25 и мелкие – 0,25-0,1 мм); алевритовые – размеры частиц варьируют от 0,1 до 0,01 мм (крупные – 0,1-0,05 и мелкие – 0,05-0,01 мм); перлитовые (глина, аргиллит) – размер частиц менее 0,01 мм.

Продолжительность способа по исследованию образца, например, длиной 35 мм с получением результатов составляет не более 1 минуты.

Пример.

Для исследования взят образец сцементированной горной породы из пласта АС₁₀ Приобского месторождения Западной Сибири.

На фиг.2 приведены профилограммы эталонных шероховатых поверхностей аргиллита (а), алевролита крупного (б) и песчаника мелкого (в).

На фиг.3 представлены профилограммы тех же эталонных шероховатых поверхностей после обработки программой. Литологические параметры аргиллита (фиг.3а): содержание глинистых частиц составляет 99,1%, мелкоалевритовых – 0,9%; СО соответственно 2,8 и 12,9; медианный размер частиц (Md) – 0,005 мм. Алевролит крупный (фиг.36) отличается следующими характеристиками: концентрация глинистых частиц составляет 22,6%, мелкоалевритовых – 23,1%, крупноалевритовых – 38,0%, мелкопесчаных – 16,3%; СО соответственно – 5,7; 13,2; 19,9 и 38,2; медианный размер частиц – 0,056 мм. В песчанике мелком (фиг.3в) содержание глинистых частиц составляет 1,3%, мелкоалевритовых – 1,3%, крупноалевритовых – 12,0%, мелкопесчаных – 69,3%, среднепесчаных – 16,0%; СО соответственно – 8,7; 15,5; 23,1; 52,7 и 94,9; медианный размер частиц – 0,176 мм.

На фиг.4 представлены результаты записи профилограммы исследуемого образца в исходном виде (а) и после обработки программой (б).

При анализе профилограмм стандартное отклонение сигналов исследуемого образца сопоставляется со стандартным отклонением, полученном при записи эталонных шероховатых поверхностей с известными размерами частиц. При совпадении стандартного отклонения профилограммы в пределах, указанных в таблице 1, со значениями стандартного отклонения эталонных шероховатых поверхностей определяют размеры частиц в породе. Затем по их количественному соотношению определяют литологический тип. Для наглядности приведена таблица 2 с параметрами профилограммы исследуемого образца. Например, во второй строчке таблицы 2 стандартное отклонение сигнала на данном отрезке профилограммы исследуемого образца составляет 14,919. Это значение стандартного отклонения сопоставляют со стандартным отклонением, приведенным в эталонной шкале, которое находится в пределах 12,800-17,500, что соответствует размерам частиц 0,01-0,05 мм. Эти частицы относятся к мелкому алевролиту.

Таблица 2
Параметры профилограммы исследуемого образца
№ п.п.	Литологический тип породы	Сумма квадрата отклонений i-го значения сигнала от среднего	n	CO ()	Рi, мм	Pi, мм	Р, мм	F, %
1	Глина (аргиллит)	201,72	12	4,282	2,65	22,65	100,0	22,6
		2705,04	104	5,125	2,50
		184,91	11	4,300	17,50
2	Алевролит мелкий	13799,52	63	14,919	10,00	10,00	100,0	10,0
3	Алевролит крупный	1754,46	6	18,732	2,00	14,49	100,0	14,5
		1267,36	4	20,554	1,40
		2293,27	7	19,550	2,20
		1965,66	6	19,828	1,90
		3329,28	8	21,808	3,50
		3136,32	8	21,167	3,49
4	Песчаник мелкий	17544,24	14	36,736	2,60	51,50	100,0	51,5
		18813,86	26	27,433	4,80
		26613,19	31	29,784	5,70
		25760,25	25	32,762	4,60
		11212,46	14	29,368	2,60
		21888,96	24	30,849	4,70
		40044,50	50	28,587	10,10
		75616,76	59	36,107	12,10
		23094,72	22	33,162	4,30
5	Песчаник средний	31116,96	9	62,367	1,36	1,36	100,0	1,4
6	Песчаник крупный	Частицы крупного песчаника отсутствуют
Примечание: n – количество точек на данном отрезке профилограммы; СО () – стандартное отклонение сигнала на данном отрезке профилограммы; Рi – длина отрезка профилограммы с СО, принадлежащее данному литологическому типу; Р – общая длина профилограммы; F – содержание в породе частиц с одинаковыми размерами.

Аналогичным образом определяют остальные размеры частиц и литологические типы породы, составляющие исследуемый образец.

После окончательного анализа следует, что исследуемый образец включает: глину – 22,6%, алевролит мелкий – 10,0%, алевролит крупный – 14,5%, песчаник мелкий – 51,5%, песчаник средний – 1,4%, песчаник крупный отсутствует. СО составляет соответственно 4,282-5,125; 14,919; 18,732-21,808; 27,433-36,736 и 62,367; медианный размер частиц равен соответственно 0,004; 0,038; 0,065; 0,185 и 0,314 мм.

По литологическому типу исследуемый образец относится к песчанику мелкому, так как его содержание в образце более 50% (51,5%).

Формы частиц исследуемого образца показаны на фиг.5: мелкопесчаной (фиг.5а, 5г), крупно- (фиг.5б) и мелко- (фиг.5в) алевритовой размерностей. Видно, что более крупные частицы, относящиеся к одному типу породы, отличаются неровным (зазубренным) строением поверхности. При приложении внешней нагрузки образец, который состоит из подобных частиц, будет деформироваться в большей степени относительно образца, сформированного из частиц с гладкой поверхностью, вследствие возникновения высокой концентрации напряжений на вершинах породообразующих частиц, приводящей их к разрушению и смятию.

На фиг.6 дана иллюстрация влияния формы и ориентации частиц на фильтрационную и деформационную анизотропию пород пласта АС₁₀ Приобского месторождения Западной Сибири.

Исследования проводились на образцах кубической формы, выпиленных из керна пласта AC₁₀. Текстурно-структурные особенности на гранях кубика изучались с использованием профилограмм. Грань 1 кубика была сориентирована перпендикулярно оси максимальной проницаемости (средняя проницаемость 0,51 мД), грань 4 (взаимно перпендикулярная сторона) – перпендикулярно оси минимальной проницаемости (0,44 мД) (фиг.6а).

Результаты анализа карты проницаемостей (фиг.6в, 6д) и профилограмм (фиг.6г, 6е) свидетельствуют, что породообразующие частицы отличаются неизометричной формой строения, и они сориентированы длинной стороной параллельно оси максимальной проницаемости (схема расположения частиц показана на фиг.6б). Данная закономерность отчетливо выделяется на профилограммах (фиг.6г, 6е). Например, на профилограмме, представляющей грань 1 кубика (фиг.6г), содержание частиц мелкого песчаника составляет 34,5%, алевролита крупного – 29,9%, а на профилограмме, отражающей структурно-текстурные особенности породы на грани 4 (фиг.6е), содержание частиц этих же типов породы достигает соответственно 21,0% и 42,0%. Такое соотношение говорит о том, что породообразующие частицы выделяются неизометричной формой и они сориентированы длинной стороной вдоль оси максимальной проницаемости.

Известно, что между деформационной и фильтрационной анизотропией имеется существенная связь. Известно также, что направление вектора минимальной деформации в породе соответствует направлению наибольшей проницаемости. Следовательно, чем ниже деформационные характеристики (маленькая сжимаемость) в определенном направлении в породе, тем выше в этом же направлении проницаемость. Данный тезис подтверждается результатами акустических (ультразвуковых) и фильтрационных исследований (фиг.6в, 6д). Вдоль оси максимальной проницаемости скорость продольных ультразвуковых колебаний (Vp) достигает 3490 м/с, в то время как вдоль оси минимальной проницаемости Vp не превышает 2980 м/с.

Для подтверждения достоверности предлагаемого способа проведены определения гранулометрического состава пород по микроскопу, пипеточно-ситовым (по ГОСТ 12536-79) методом и предлагаемым.

На фиг.7 дана гистограмма сопоставления результатов статистической обработки размеров частиц образца горной породы, представленного алевролитом. Размеры частиц определены предлагаемым способом и по микроскопу БИОЛАМ (в шлифах).

Гистограмма свидетельствует, что количество мелких и средних песчаных частиц (размеры частиц 0,100-0,500 мм), выявленных при обработке шлифа, меньше на 11,3% содержания тех же частиц, определенных предлагаемым способом. Аналогичная картина – занижение размеров частиц – наблюдается и в области диагностирования глинистых и мелкоалевритовых составляющих (размеры частиц от 0,0001 до 0,050 мм). Это явление можно объяснить тем, что в шлифах весьма сложно точно определить размеры и количество микроскопических обломков, к каковым относятся глинистые и мелкоалевритовые породообразующие структурные элементы.

На фиг.8 представлена гистограмма распределения частиц песчаника, размеры которого определены предлагаемым способом и в процессе изучения гранулометрического состава пипеточно-ситовым методом (по ГОСТ 12536-79) после дезинтеграции (раздробления) образца, содержащего полевые шпаты до 37%.

На гистограмме отчетливо видно, что крупные частицы при подготовке образца для гранулометрического анализа разрушены полностью (см. размеры частиц 0,250-0,500 мм). В то же время класс с размерами 0,100-0,250 мм пополнился продуктом разрушения более крупных частиц. Следует также отметить, что класс глинистых частиц (размеры 0,0001-0,01 мм) при определении по ГОСТ 12536-79 отличается завышенным значением относительно предлагаемого способа вследствие пополнения этого класса мелкими обломками разрушения неглинистых частиц, в основном за счет истирания обломков полевых шпатов и кварца.

Полученные результаты, представленные на гистограммах (фиг.7 и фиг.8), можно признать сопоставимыми, что подтверждает достоверность предлагаемого способа.

Использование предлагаемого способа позволяет уменьшить трудоемкость исследования образца, повысить точность результатов и сократить время проведения исследований в 2-3 тыс.раз по сравнению с известными способами.

Формула изобретения

Способ исследования образца сцементированной горной породы, включающий измерение размеров частиц исследуемого образца породы, отличающийся тем, что дополнительно определяют форму частиц и ориентацию неизометричных частиц исследуемого образца, а также литологические типы породы и их толщины, для этого измерение размеров частиц образца проводят, по крайней мере, на одной плоскости шероховатой поверхности образца по различным заданным направлениям, по соотношению размеров частиц породы по различным направлениям определяют проекцию их формы и ориентации на выбранную плоскость, при этом предварительно осуществляют запись профилограмм на эталонных шероховатых поверхностях различных типов породы с известными размерами частиц с получением стандартных отклонений, затем выполняют запись профилограмм шероховатой поверхности исследуемого образца породы с получением стандартных отклонений, причем запись профилограмм поверхности исследуемого образца проводят непрерывно при его перемещении в двух взаимно перпендикулярных направлениях, после чего осуществляют сравнение величин стандартных отклонений шероховатой поверхности исследуемого образца по различным заданным направлениям со стандартными отклонениями эталонной шероховатой поверхности и определяют размеры частиц, частицы с одинаковыми размерами суммируют, находят их процентное содержание в образце, по которому определяют литологический тип породы, при этом на профилограмме определяют длины записей каждого литологического типа породы, суммируют их и получают толщину данного типа породы в исследуемом образце.

РИСУНКИ