СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДРЕВНИХ ВОДОНЕФТЯНЫХ КОНТАКТОВ В ПРОДУКТИВНЫХ КАРБОНАТНЫХ ПЛАСТАХ Российский патент 2000 года по МПК E21B49/00 

Изобретение относится к способам выявления расположения древних водонефтяных контактов (ДВНК) в продуктивных карбонатных пластах и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности.

Известны способы выявления расположения водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах с помощью ряда геофизических методов исследования скважин (ГИС): нейтронно-гамма метода (НГМ), нейтрон-нейтронного метода (импульсного) - (ИННМ), нейтронного метода (НМ), термометрии, газометрии, электрометрии, диэлектрического и акустического метода; а также способ выявления расположения водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах, основанный на литологическом или физико-химическом определении строения и нефтенасыщенности кернового материала [1-7].

Недостатками данных способов являются: возможность выявления расположения только современного водонефтяного контакта в продуктивных карбонатных пластах, да и то с невысокой точностью и надежностью определения, особенно в так называемой переходной зоне, мощность которой может достигать 25 м, что обусловлено возможностью нахождения древних водонефтяных контактов в газовой, нефтяной и водяной мощности современного взаимного расположения фаз в месторождении, менявшегося неоднократно, характеризующейся многократным перекрыванием собственных характеристик древних водонефтяных контактов характеристиками фаз, заполняющих данную мощность в настоящее время; малой глубиной проникновения нейтронных методов и зависимостью получаемых результатов от наличия или отсутствия обсадной колонны, цементного камня, кольматации пристеночного слоя буровым раствором, поровых характеристик породы, а также количества и качества погребенной и пластовой воды. Кроме того, проведение ГИС, как правило, связано с остановкой работы скважины и требует немалых материальных и людских затрат. Недостатками метода определения расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных толщах по литологическому или физико-химическому определению строения и нефтенасыщенности кернового материала являются: отсутствие четких граничных критериев выделения границ древних водонефтяных контактов, т.к. в нефтяных месторождениях 100% порового объема занято подвижной жидкой (газовой) и неподвижной твердой фазой, а о интерпретации интервала, иногда очень значительного, с содержанием жидкой (газообразной) и твердой фазы от 31 до 99% ничего не сообщается; кроме того, мощность (суммарная) древних водонефтяных контактов может достигать 40% от всей продуктивной мощности, а содержание в ней битума может значительно превосходить 30%, хотя соответствующий керн безусловно поднят из газовой или водяной части залежи; наконец, при поднятии керна и работе с ним (особенно в случае легких нефтей с большим газовым фактором) значительная часть легких флюидов может испариться, что обязательно приведет к занижению результатов по нефте- и водонасыщенности вплоть до отнесения образца, поднятого из жидкофазной зоны, к газовой зоне.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ выявления расположения углеводородных газожидкостных фаз в продуктивных карбонатных пластах [8], основанный на рентгеноструктурном исследовании порошка, приготовленного из кернового материала, для которого определяют степень совершенства кристаллического строения кальцита с учетом размеров его блоков когерентного рассеяния. При этом считают, что изменение степени совершенства кристаллического строения кальцита от 0,85 до 3,2 и соответственно размеров блоков когерентного рассеяния от 120 до 90 нм соответствует газообразной фазе, а изменение степени совершенства от 3,3 до 4,3 и размеров блоков когерентного рассеяния от 90 до 67 нм соответствует жидкой фазе продуктивного карбонатного пласта.

Недостатками известного способа являются: полная невозможность применения его для выявления расположения древних водонефтяных контактов, т.к. он принципиально предназначен только для выявления расположения современного газожидкостного (углеводородного) контакта, который может не совпадать ни с одним (из возможных десятков) древних водонефтяных контактов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности, оперативности и точности выявления расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах.

Поставленная цель достигается описываемым способом выявления расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах, согласно которому определяют степень совершенства кристаллического строения кальцита, коррелирующую с размерами блоков когерентного рассеяния и изменяющуюся от 0,18 до 0,75 (размер блоков когерентного рассеяния от 324 до 130 нм) для подзоны цементации древнего водонефтяного контакта и изменяющуюся от 2,5 до 4,5 (размер блоков когерентного рассеяния от 90 до 67 нм) для подзоны разуплотнения древнего водонефтяного контакта продуктивного карбонатного пласта, находящейся непосредственно над подзоной цементации, контактирующей с ней, и совместно интерпретируемых как древний водонефтяной контакт.

Существенное отличие предлагаемого способа от известных состоит в том, что о расположении древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах судят по обнаружению в них совокупности подзон разуплотнения и цементации, определяемых рентгеноструктурным анализом порошков, приготовленных из кернового материала, по степени совершенства кристаллического строения кальцита, коррелирующую с размерами блоков когерентного рассеяния и изменяющуюся от 0,18 до 0,75 (размер блоков когерентного рассеяния от 324 до 130 нм) для подзоны цементации древнего водонефтяного контакта; и изменяющуюся от 2,5 до 4,5 (размер блоков когерентного рассеяния от 90 до 67 нм) для подзоны разуплотнения древнего водонефтяного контакта продуктивного карбонатного пласта.

Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что в качестве показателя местонахождения древнего водонефтяного контакта в продуктивных карбонатных пластах служит чередование (при непосредственном контакте) подзон разуплотнения и цементации, определяемых рентгеноструктурным анализом порошков, приготовленных из кернового материала, по степени совершенства кристаллического строения кальцита, коррелирующую с размерами блоков когерентного рассеяния и изменяющуюся от 0,18 до 0,75 (размер блоков когерентного рассеяния от 324 до 130 нм) для подзоны цементации древнего водонефтяного контакта; и изменяющуюся от 2,5 до 4,5 (размер блоков когерентного рассеяния от 90 до 67 нм) для подзоны разуплотнения древнего водонефтяного контакта продуктивного карбонатного пласта.

Известно, что поступление углеводородов в ловушку, заполненную до этого пластовой водой, происходило дискретно, определенными порциями, преимущественно за счет вертикальной миграции. Появление в ловушке каждой новой порции углеводородов сопровождалось оттеснением пластовой воды и формированием прогрессивного ДВНК, легко обнаруживаемых по характерным литофизическим признакам. Разрушение углеводородных месторождений при прорыве части углеводородов через породы покрышки или замки структуры сопровождается компенсированием пластовой водой уменьшения объема углеводородов с формированием регрессивного ДВНК. Количество ДВНК определяется этажом нефтегазоностности и может достигать нескольких десятков. Чередование прогрессивных и регрессивных ДВНК носит случайный характер, хотя и обусловлено вполне конкретными глобальными причинами. Суммарная мощность древних ВНК достигает 50% от общего этажа нефтегазоносности месторождения.

Каждый древний ВНК имеет мощность порядка 10 м и независимо от размеров ловушки отчетливо наблюдается на горизонтальном срезе блока залежи на породном уровне, хотя насыщение пород углеводородами существенно различается в активных и застойных зонах.

Каждый древний ВНК подразделяется на две подзоны: верхнюю - разуплотнения, мощностью 5-7 м и нижнюю - цементации, мощностью 3-5 м. Обе подзоны представляют собой тонкослоистые системы, отражающие этапы стабилизации залежи, когда вследствие массообмена углеводороды концентрируются в верхней части контакта, а вода вытесняется в нижнюю часть.

Начальная стадия формирования подзоны разуплотнения происходит при значительной кислотности среды. Значительная кислотность среды обеспечивается концентрированием в вытесняемой из подзоны пластовой воде растворенных кислых газов и прежде всего сероводорода и углекислого газа. В кислой среде происходит растворение минералов карбонатных пород, относящихся к ультраосновным горным породам. В результате наблюдается потеря объемной плотности породы и одновременное увеличение порового объема от 2-6% до 40-50% и выше. На более поздней стадии формирования подзоны разуплотнения вследствие растворения большого количества карбонатов происходит не только нейтрализация кислотных свойств пластовой воды, но и сдвиг рН в щелочную область вследствие образования растворов солей, составленных из сильных основных металлов и слабых кислотных остатков.

Постепенное оттеснение пластовых вод из формирующейся подзоны разуплотнения вниз после смены рН с кислотной реакции на щелочную вследствие нарушения ионного равновесия после смешения с уже имеющимися там водами с щелочной реакцией приводит к формированию подзоны цементации, расположенной непосредственно за подзоной разуплотнения.

В подзоне цементации происходит перекристаллизация и вторичное минералообразование. В результате, в ней сверху вниз идет последовательное выпадение карбонатов, сульфатов и галоидов. Поровый объем при этом уменьшается до 0,5 - 0,2% и менее. Начальная стадия формирования подзоны цементации происходит при значительной щелочности среды, которая обеспечивается гидролизом солей, вытесненных из подзоны разуплотнения. На более поздних стадиях формирования подзоны цементации вследствие вторичного минералообразования рН среды начинает вновь понижаться и образование в подошве подзоны цементации пиритно-кремниевых конкреций происходит уже в кислой среде (рН примерно равен 3).

Растворение карбоната кальция в подзоне разуплотнения достаточно сложный процесс, в котором в первую очередь растворению подвергаются кристаллы с малой степенью совершенства кристаллической структуры. Что вполне оправдано термодинамически, ибо такие образования имеют большую свободную энергию. В результате, доля кристаллов кальцита с повышенной степенью совершенства строения кристаллической структуры в подзоне разуплотнения формирующегося ДВНК повышается по сравнению с объектами, заполненными просто углеводородами или водой, что и может служить поисковым признаком данной подзоны в продуктивных карбонатных толщах. Процессы перекристаллизации карбоната кальция в подзоне цементации лишь усиливают этот процесс, т.к. вновь отлагающийся кальцит кристаллизуется крупными кристаллами с еще более высокой степенью совершенства.

Таким образом, наличие двух подзон известной мощности, следующих друг за другом со все более повышающейся степенью совершенства кристаллической структуры кальцита по сравнению с исходной матрицей, может служить поисковым признаком ДВНК. Степень (глубина) описанных преобразований определяется свойствами исходного кальцита, термобарическими условиями в формирующейся залежи и первичным составом углеводородных флюидов. Поступление в ловушку новой порции углеводородов или прорыв части флюидов из структуры приводит к консервации образовавшегося ДВНК либо в нефтяной, либо в водяной зоне месторождения.

Известно, что рентгенографическое определение параметров совершенства кристаллического строения материалов нашло широкое практическое применение, в частности в металловедении, с использованием отечественных установок типа ДРОН.

Условия дифракции рентгеновских лучей описывает уравнение Брегга - Вульфа
n•λ = 2•d_(h,k,l)•sinΘ (1)
При отражении рентгеновского излучения с длиной волны λ от плоскостей с межплоскостным расстоянием d_(h,k,l) дифракционные лучи возникают лишь под углами

где n - число длин волн в разности хода лучей.

Каждое кристаллическое вещество будет обладать определенным набором дифракционных максимумов - интерференционных линий соответствующей ширины. Расширение интерференционных линий происходит при наличии в образце напряжений второго рода, а также измельчении блоков когерентного рассеяния.

Микронапряжения - напряжения второго рода - уравновешиваются в объемах материала, размер которого равен размеру блоков или зерен. При этом отношение - получило название величины искажения второго рода.

Областями когерентного рассеяния считают области кристалла с правильным строением, когерентно рассеивающие рентгеновские лучи, т.е. участки кристалла с правильным периодическим расположением атомов. Блоки могут быть меньше видимых под оптическим микроскопом частиц.

На ширину интерференционных линий влияет расходимость первичного пучка, наложение или неполное расщепление α₁ и α₂ дублета.

Величина В - истинное уширение линии (свободное от размытия вследствие наложения дублета α₁ и α₂) связана с b - истинным геометрическим уширением и β - истинным физическим уширением выражением

Функции g(x) и f(x) аппроксимируются выражением

Для определения размеров блоков D и величины используют 2 рентгеновские линии, которые представляют собой два разных порядка отражений от одной плоскости. Вначале измеряют общую экспериментальную ширину линий рабочего образца и эталона, затем, воспользовавшись графиком поправок на α₁ и α₂ дублет (фиг.1), рассчитывают В - истинную общую ширину линий рабочего образца и b - эталона. Далее, по графику зависимости β/B от b/В находят β - истинное физическое уширение линии рабочего образца (фиг.2).

Размеры блоков D и величин микроискажений определяются с применением выражения из работы [9].

Уширение от микроискажений N(x) описывается распределением Гаусса: , функция блочности М(х) распределением Коши: 1/1+α•x².
Физическое уширение делится на части m и n, обусловленные микроискажениями и блочностью.

Для линии двух порядков


В работе [10] найдена корреляция между отношением интегральных интенсивностей дифракционных максимумов величинами ε и D. Изменение от 0,6 до 1,2 соответствует изменению D от 300 до 200 нм.

Для исследованных образцов пород, представляющих собой порошки, подсчитаны значения

Эти значения изменяются от 0,18 от 4,5. По двум крайним значениям K₁ = 0,18 и К₂ = 4,5 подсчитаны по вышеприведенной методике размеры блоков D и микронапряжений ε (образцы 7 и 35).

Образец 7: D = 324 нм, ε = 24•10^-5.

Образец 35: D = 67 нм, ε = 66•10^-5.

Коэффициент совершенства кристаллического строения может служить показателем совершенства структуры и являться критерием для дифферентации продуктивных карбонатных пород в зависимости от наличия в них древнего водонефтяного контакта. При этом не отмечено практически ни одного "вылета" значений степени совершенства за соответствующий заявляемый диапазон.

Нижний предел степени совершенства кристаллического строения кальцита в подзоне разуплотнения древнего водонефтяного контакта, равный 2,5 (размер блоков когерентного рассеяния 90 нм), обусловлен, с одной стороны, максимальной химической активностью кислых вод, существовавших во время формирования контакта, с другой стороны, максимальной химической устойчивостью к растворению наиболее совершенных форм кальцита в этих подзонах. Верхний предел степени совершенства кристаллического строения кальцита в подзоне разуплотнения древнего водонефтяного контакта, равный 4,5 (размер блоков когерентного рассеяния 67 нм), обусловлен минимально возможной концентрацией кислых компонентов в пластовых водах, существовавших во время формирования контакта, способных привести к минимальному разуплотнению.

Верхний предел степени совершенства кристаллического строения кальцита в подзоне цементации древнего водонефтяного контакта, равный 0,75 (размер блоков когерентного рассеяния 130 нм), обусловлен минимально возможной перекристаллизацией кальцита (в более совершенной форме) из смеси пластовых вод, уже имевшихся в будущей подзоне и оттесненных туда вод из формирующейся подзоны разуплотнения, обогащенных растворенным (мобилизованным) кальцитом. Нижний предел степени совершенства кристаллического строения кальцита в подзоне цементации древнего водонефтяного контакта, равный 0,18 (размер блоков когерентного рассеяния 324 нм), обусловлен максимально возможной перекристаллизацией кальцита (в более совершенной форме) из наиболее перенасыщенной смеси пластовых вод, образовавшихся в формирующейся подзоне.

Известные способы определения степени совершенства кристаллического строения [11] не позволяют достичь подобных результатов, т.к. они разрабатывались либо для металлов, либо для выработки монокристаллов, что делало невозможным их применение к осадочным породам.

Перечисленные трудности удается преодолеть, если выявление расположения древнего водонефтяного контакта в продуктивных карбонатных пластах осуществлять по степени совершенства кристаллического строения кальцита в керновом измельченном материале.

Такое техническое решение обеспечивается в предлагаемом способе.

Способ выявления расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Из скважины N 2 Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения из продуктивного интервала с абсолютных глубин 3856 - 3860 м и 3851 - 3856 м были подняты керны породы известняка (кальцита) с количеством микропримесей менее 1 мас.%. Оба керна были истолчены, рассеяны, гомогенизированы в спиртовом растворе, высушены и подвергнуты рентгеноструктурному анализу на ДРОН-3 (Cu-излучение, V счетчика - 1/8 град. в минуту, диапазон 100 имп. /с, V бумаги 720 мм/ч). Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препарата, полученного из керна, поднятого из интервала глубин 3856 - 3860 м, оказалась равной 0,75 (размер блоков когерентного рассеяния 130 нм). Исследованный диапазон был идентифицирован как подзона (прослой) цементации древнего водонефтяного контакта. Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препарата, полученного из керна, поднятого из интервала глубин 3851 - 3856 м, оказалась равной 2,5 (размер блоков когерентного рассеяния 90 нм). Исследованный диапазон был идентифицирован как подзона (прослой) разуплотнения древнего водонефтяного контакта. Совокупность выявленных подзон (3851 - 3860 м), следующих непосредственно друг за другом, была идентифицирована как древний водонефтяной контакт. Литологические исследования, проведенные с большими шлифами, изготовленными из обоих образцов керна, полностью подтвердили полученный результат.

Пример 2. В отличие от примера 1 керн был поднят из скважины N 17 с абсолютных глубин 4200 - 4206 м и 4206 - 4210 м. Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препарата, полученного из керна с интервала глубин 4206 - 4210 м, оказалась равной 0,18 (размер блоков когерентного рассеяния 324 нм). Исследованный диапазон был идентифицирован как подзона цементации ДВНК. Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препарата, полученного из керна с интервала глубин 4200 - 4206 м, оказалась равной 4,5 (размер блоков когерентного рассеяния 67 нм). Исследованный диапазон был идентифицирован как подзона разуплотнения ДВНК. Совокупность выявленных подзон (4200 - 4210 м), следующих непосредственно друг за другом, была идентифицирована как ДВНК. Литологические исследования, проведенные с большими шлифами, изготовленными из обоих образцов керна, полностью подтвердили полученный результат.

Пример 3. В отличие от примера 1 керн был поднят из скважины N 41 с абсолютных глубин 3810 - 3816 и 3816 - 3821 м. Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препарата, полученного из керна с интервала глубин 3816 - 3821 м, оказалась равной 0,4 (размер блоков когерентного рассеяния 225 нм). Исследованный диапазон был идентифицирован как подзона цементации ДВНК. Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препарата, полученного из керна с интервала глубин 3810 - 3816 м, оказалась равной 3,6 (размер блоков когерентного рассеяния 88 нм). Исследованный диапазон был идентифицирован как подзона разуплотнения ДВНК. Совокупность выявленных подзон (3810 - 3821 м), следующих непосредственно друг за другом, была идентифицирована как ДВНК. Литологические исследования, проведенные с большими шлифами, изготовленными из обоих образцов, полностью подтвердили полученный результат.

Пример 4. В отличие от примера 1 керн был поднят из скважины N 100 с абсолютных глубин 3786 - 3791 и 3791 - 3795 м. Степень совершенства кристаллического строения кальцита для препаратов, полученных из кернов с обоих интервалов глубин, оказалась равной 4,7 (размер блоков когерентного рассеяния 45 нм). Оба исследованных диапазона были идентифицированы как исходный кальцит, не затронутый процессами формирования ДВНК. Литологические исследования, проведенные с большими шлифами, изготовленными из обоих образцов керна, полностью подтвердили полученный результат.

Источники информации
1. Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика под редакцией Запорожца В.М. - М.: Недра, 1983, 591 стр.

2. Вендельштейн Б.Ю., Залоева Г.М., Царева И.И. и др. Геофизические методы изучения подсчетных параметров при определении запасов нефти и газа. - М.: Недра, 1985, 248 стр.

3. Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. Справочник под редакцией Добрынина В.М. - М.: Недра, 1988, 476 стр.

4. Лукьянов Э.Е. Исследование скважин в процессе бурения. - М.: Недра, 1987, 248 стр.

5. Руководство по применению промыслово-геофизических методов для контроля за разработкой нефтяных месторождений. - М.: Недра, 1978, 256 стр. (научный редактор Я.Н. Босин).

6. Скважинная ядерная геофизика. Справочник геофизика под редакцией Запорожца В.М. - М.: Недра, 1978, 248 стр.

7. Дурмишян А.Г. О связанной нефти в газовых и газоконденсатных пластах. Нефтяное хозяйство, N 7, 1967, стр. 37-41.

8. Патент РФ N 2090752 "Способ выявления расположения углеводородных газожидкостных фаз в продуктивных карбонатных пластах". Цивинская Л.В., Песков А.В., Борисевич Ю.П., Скибицкая Н.А. 1992.

9. Кривоконева Г.К. Связь между рентгеноструктурными характеристиками, степенью совершенства и формой кристаллов кальцита. Основные проблемы теоретической и прикладной минералологии. - М., 1985.

10. Рентгенография в физическом металловедении. Под редакцией Багаряцкого Ю.А. - М.: Металлургиздат, 1961.

11. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скопов Ю.А. Рентгенографический и электронооптический анализ. - М.: Металлургия, 1970.

Использование: для выявления расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах в нефтяной и газовой промышленности. Сущность изобретения: способ включает бурение скважины, извлечение кернового материала, изготовление из него образца, который подвергают рентгеноструктурному исследованию и определяют степень совершенства кристаллического строения кальцита с учетом размеров его блоков когерентного рассеяния. При этом считают, что изменение степени совершенства кристаллического строения кальцита от 0,18 до 0,75 и соответственно размеров блоков когерентного рассеяния от 324 до 130 нм соответствует подзоне цементации древних водонефтяных контактов, а изменение степени совершенства от 2,5 до 4,5 и размеров блоков когерентного рассеяния от 90 до 67 нм соответствует подзоне разуплотнения древних водонефтяных контактов продуктивного карбонатного пласта, находящейся непосредственно над подзоной цементации, контактирующей с ней, и совместно интерпретируемых как древний водонефтяной контакт. Технический результат: повышение надежности, оперативности и точности выявления расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах. 2 ил.

Способ выявления расположения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах, включающий бурение скважины, извлечение кернового материала, изготовление и исследование образца из кернового материала, отличающийся тем, что для выявления местонахождения древних водонефтяных контактов в продуктивных карбонатных пластах из образца кернового материала приготавливают порошок, подвергая который рентгеноструктурному исследованию, определяют степень совершенства кристаллического строения кальцита с учетом размеров его блоков когерентного рассеяния, при этом считают, что изменение степени совершенства кристаллического строения кальцита от 0,18 до 0,75 и соответственно размеров блоков когерентного рассеяния от 324 до 130 нм соответствует подзоне цементации древних водонефтяных контактов, а изменение степени совершенства от 2,5 до 4,5 и размеров блоков когерентного рассеяния от 90 до 67 нм соответствует подзоне разуплотнения древних водонефтяных контактов продуктивного карбонатного пласта, находящейся непосредственно над подзоной цементации, контактирующей с ней, и совместно интерпретируемых как древний водонефтяной контакт.