СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ МИНЕРАЛОВ ИЛИ КОМПОНЕНТ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ Российский патент 2000 года по МПК G01V5/04 G01V5/06 

Изобретение относится к геофизическим методам поиска и разведки полезных ископаемых и может использоваться при настройке интерпретации геофизических методов, измеряющих содержание любых элементов в горных породах. Он позволяет для конкретных отложений построить систему перехода от концентраций элементов к содержаниям отдельных минералов или компонент.

Компонентом в горной породе будем называть и неминеральные вещества типа остатков организмов, уголь, битум, нефть и агрегаты, состоящие из нескольких минералов. Из этого определения вытекает, что компонент может состоять из одного минерала, поэтому в дальнейшем используется понятие "компонент" горной породы.

Известен способ определения компонент в горных породах путем компонентного анализа с адаптивной настройкой в процессе решения системы петрофизических уравнений (ПУ) [1].

Недостатком известного способа является необходимость нахождения одновременно и матрицы петрофизических коэффициентов, и решения ПУ (при этом отсутствуют критерии правильности определения решения ПУ). Без системы определения элементов матрицы и диапазона их изменений использование данного способа затруднено при исследовании реальных объектов.

Наиболее близким к изобретению по сущности и достигаемому эффекту является способ определения содержания компонент в горных породах путем измерения по стволу скважины концентраций естественных радиоактивных элементов с последующим расчетом по значениям концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом компоненте значения содержания этих компонент [2].

Однако известный способ не учитывает специфики данного конкретного исследуемого региона и, как следствие, содержит систематическую ошибку в определении компонент.

Задачей изобретения является повышение точности определения содержаний минералов или компонент в горной породе с учетом специфики исследуемого геологического объекта.

Она решается за счет того, что проводимые при реализации способа петрофизические и петрографические анализы исследуемого объекта позволяют:
а) cоздать модель изучаемых пород, которая определяется значимыми компонентами, оказывающими влияние на геофизические параметры, а также на технологию разработки месторождения;
б) получить петрофизические характеристики каждого компонента;
в) использовать полученные петрофизические характеристики каждого компонента при интерпретации данных геофизических исследований скважин (ГИС).

Сущность способа определения содержания отдельных минералов или компонент в горных породах заключается в следующем.

По стволу скважины измеряют концентрации естественных радиоактивных элементов в процессе спектрометрического гамма- каротажа (ГК-С). Величина концентраций каждого элемента зависит от содержаний отдельных компонент в горной породе. Эти зависимости можно записать в следующем виде:



где C_K ^Гп, C_Th ^Гп, C_U ^Гп - массовые концентрации калия, тория, урана соответственно в горной породе;
C_Kомпi - массовые содержания i-го компонента в горной породе;
- массовые концентрации калия, тория, урана соответственно в i-ом компоненте.

В матричном виде систему уравнений (1) можно записать как
C=A•M, (2)
где
C - вектор-строка, образованный значениями измеренных концентраций ЕРЭ в горной породе:

M - вектор-строка, образованный значениями содержаний компонент в горной породе:

A - матрица концентраций ЕРЭ в компонентах: по столбцам матрицы записаны характеристики каждого конкретного компонента; по строкам содержание конкретного элемента в каждом из компонент:

Тогда содержание отдельных компонентов в горной породе можно находить по концентрациям ЕРЭ, измеренным в процессе каротажа скважины, решая систему уравнений (2), например, по выражению:
M=A^-1•C, (3)
где A^-1 - матрица обратная матрице A.

Но для исследуемых отложений концентрации естественных радиоактивных элементов в образующих их компонентах не известны. Поэтому предварительно на ограниченном количестве опорных скважин из исследуемого объекта отбирают образцы керна в количестве большем, чем ожидаемое количество типов минералов или компонент. Во всех образцах измеряют содержание отдельных минералов или компонент и концентраций естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ). По этим данным, полученным на всех образцах, рассчитывают значения концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом минерале или компоненте, например, по формуле:
A=(W^TPW)^-1(W^TPQ), (4)
где Q - матрица, образованная значениями измеренных во всех образцах керна концентраций естественных радиоактивных элементов, где по столбцам расположены значения концентраций в отдельном образце;
W - матрица, образованная значениями содержаний минералов или компонент во всех образцах керна, где по столбцам расположены значения содержаний в отдельном образце;
P - матрица статистических весов, определяемая на основе погрешностей измерения концентраций ЕРЭ в образце и точности минералогического анализа;
W^T - транспонированная матрица W;
Верхний индекс^-1 означает обратную матрицу.

Конкретный пример осуществления способа определения содержания отдельных минералов или компонент в горных породах.

Предложенный способ опробовался на терригенных отложениях верхнего девона нижнефранского подъяруса (D₃ ¹1) пашийского (D₃p) и кыновского (D₃kn) горизонтов Южно-Татарского свода.

Концентрации ЕРЭ по стволу скважины определялись с помощью аппаратуры МАРКА-ГС.

Предварительно, для получения концентраций естественных радиоактивных элементов в образующих исследуемые породы компонентах на ограниченном количестве опорных скважин (4 скважины) из исследуемого объекта нами были отобраны образцы керна. По предварительным исследованиям известно, что в этих отложениях можно ожидать не более 10 основных типов минералов, часть из которых можно объединить в макрокомпоненты. Поэтому была сформирована коллекция из 50 образцов.

В каждом образце были измерены концентрации калия, тория и урана; проведены исследования минералогического состава пород. Для каждого образца количественное определение минералов проводилось рентгено-структурным методом раздельно для трех фракций: песчаной, алевритовой и глинистой. Для изучения структуры и текстуры породы, особенно расположения глинистых частиц, выполнены съемка под растровым электронным микроскопом и описание шлифов.

Результаты измерений содержаний отдельных минералов и концентраций естественных радиоактивных элементов сведены в табл. 1. В числителе приведены диапазоны изменения параметра, а в знаменателе - среднее по всем образцам.

Полученные результаты петрофизических и петрографических анализов исследуемого объекта позволяют создать модель изучаемых пород, которая определяется значимыми компонентами, оказывающими влияние на геофизические параметры, а также на технологию разработки месторождения.

Из анализа табл. 1 видно, что основным породообразующим минералом для песчаников и алевропелитов является кварц, а для аргиллитов - гидрослюда. По результатам исследований микроструктуры были выявлены две генерации гидрослюды: аллотигенная - тонкопесчаной размерности, форма выделения уплощенная, изометрическая, возможно развитая по первичным слюдам, (см. фиг. 1) и аутигенная - заполняющая поры (см. фиг. 2в). Наряду с гидрослюдой в породах (в несколько меньших количествах) присутствует каолинит. Весь каолинит аутигенного происхождения и располагается в основном в порах (фиг. 2г). Хлорит содержится в незначительных количествах и при подробном изучении шлифов обнаружен в виде реликтов крустификационного цемента, запечатанного регенерационным кварцем. В поровом пространстве он отсутствует. Такое его местоположение в породе позволяет исключить его из списка компонент, влияющих на коллекторские свойства пласта. Смешанослойные образования (типа гидрослюда - смектит, количество лабильных слоев не превышает 25%) в песчаниках содержатся в достаточно малых количествах. Смектит в виде самостоятельного минерала встречен только в одном образце. Полевые шпаты встречены в одной скважине и по своему положению в породе могут быть отнесены к скелету. Это согласуется с опубликованными ранее данными.

Глинистые минералы наиболее сильно оказывают влияние на фильтрационно-емкостные свойства пород. Уменьшение приемистости нагнетательных скважин и понижение отдачи эксплуатационных являются одной из серьезных проблем эксплуатации месторождений в плане более полного извлечения нефти. По результатам исследований микроструктуры пород сделан вывод о том, что поровое пространство заполнено глинистыми частицами (гидрослюда и каолинит) (см. фиг. 2). При закачке в пласт техногенной (опресненной) воды глинистые частицы в процессе гидратации и катионного обмена размокают и выносятся в виде суспензий. Особенно это сильно сказывается на образованиях каолинита. Каолинит представлен гексагонального вида призмочками (см. фиг. 2г). Причем эти призмочки состоят из отдельных чешуек каолинита, собранных в виде стопки бумаги. Размер этих образований до 20 мкм в длину и до 6 мкм в поперечнике, а отдельные чешуйки каолинита еще меньше (0,5-2 мкм). Гидрослюда (см. фиг. 2в) имеет изометричную, с неровными краями (в виде лохмотьев) форму. Размеры чешуек от 1 до 15 мкм (в среднем около 7 мкм). Поры имеют изометричную форму размером 7 - 200 мкм (см. фиг. 2а). При дезинтеграции частички каолинита в силу своей призматической формы легко выносятся из пор, в которых они находились до воздействия на коллектор, и переносятся во взвешенном состоянии по поровым каналам до мест, где последние сужаются. В этих местах происходит вторичная кольматация коллектора. Гидрослюдистые частички из пор выносятся в значительно меньших, чем каолинит, количествах и не оказывают такого значительного влияния на закупорку поровых каналов. Это можно объяснить сильноизрезанной формой краев зерен гидрослюды.

Таким образом, с учетом представительности глинистых минералов и их влияния на коллекторские свойства пород терригеных отложений D₃1 необходимо по спектрометрическому гамма-каротажу определять каолинит и гидрослюду. Под компонентом "гидрослюда" - объединим минерал - гидрослюду и смешанослойные образования (смешанослойные образования, как указано выше, более чем на 75% состоят из гидрослюдистых пакетов, а остальные 25% представлены смектитовыми слоями, которые в этом случае ведут себя как гидрослюда). Общая модель минеральной составляющей терригенных девонских отложений в этом случае будет описана следующими компонентами:
Скелет (кварцевый песчаник)
Гидрослюда
Каолинит
Для каждого из них рассчитываются значения концентраций естественных радиоактивных элементов. Полученные на образцах керна измерения концентраций естественных радиоактивных элементов, учитывая содержания минералов в этих образцах, пересчитывают по формуле (4) в концентрации калия и тория в скелете, гидрослюде и каолините (см. табл. 2.)
Результаты определений концентраций калия и тория в образцах горных пород нанесены треугольниками на кросплот, представленный на фиг. За. Результаты расчетов концентраций K и Th в макрокомпонентах показаны точками и подписаны. Погрешности определения концентраций калия и тория в компонентах нанесены квадратами около точек каолинит и гидрослюда. Рассчитанные концентрации естественных радиоактивных элементов в компонентах являются входными параметрами для расчета содержаний этих макрокомпонент в горных породах по данным спектрометрического гамма-каротажа. Для примера правильности предложенной модели в тех же координатах нанесены данные о концентрациях калия и тория, полученные по материалам ГКС с аппаратурой МАРКА-ГС в одной из исследованных скважин (см. фиг. 3б). Критерием правильности модели служит то, что все точки располагаются в треугольнике, образованном областями, соответствующими каолиниту, гидрослюде и скелету. Результаты обработки данных ГК-С по формуле (3) с учетом значений, приведенных в табл. 2, представлены на фиг. 4. На нем приведены данные о концентрациях K, Th, U(Ra) и интегральная радиоактивность, выраженная в единицах уранового эквивалента. Результаты интерпретации приведены в левой колонке. В глинах, залегающих на глубинах 1785-1795 м, 1836-1840 м, преобладает гидрослюда, в коллекторах (1825-1835 м, 1800-1801 м) содержание гидрослюды и каолинита соизмеримы, что хорошо согласуется с данными приведенными в табл. 1.

На фиг. 5 приведены результаты расчета содержаний гидрослюды (5.а) и каолинита (5.б) по данным спектрометрического ГК с прямыми определениями этих минералов на керне. Анализ иллюстраций показывает хорошую согласованность этих данных. Отклонение некоторых результатов расчетов от прямых определений связано с различными объемами исследований. Таким образом, приведенный пример показывает, что при использовании изобретения достигается необходимая точность определения содержаний минералов в горной породе по данным исследований скважин с учетом специфики исследуемого геологического объекта.

Источники информации
1. Кожевников Д.А. Проблемы интерпретации данных ГИС. НТВ "Каротажник" N 34, 1997 г., с.18-19.

2. Combined natural gamma ray spectral/litho-density measurments applied to complex litologies. Quirein J.A., Gardner J.S., Watson J.T. SPE 11143 (прототип).

Использование : геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых. Сущность: на ограниченном количестве опорных скважин из исследуемого объекта отбирают образцы керна. В каждом образце измеряют содержания отдельных минералов или компонент и концентрации естественных радиоактивных элементов. Затем по полученным данным рассчитывают значения концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом минерале или компоненте. На основе вычисленных значений измеренные в скважине концентрации естественных радиоактивных элементов пересчитывают в содержания отдельных минералов или компонент в горных породах. Технический результат: повышение точности определения содержания минералов или компонент в горной породе с учетом специфики исследуемого геологического объекта. 1 з.п. ф-лы, 2 табл, 5 ил.

1. Способ определения содержания отдельных минералов или компонент в горных породах путем измерения в скважине концентраций естественных радиоактивных элементов в исследуемых горных породах с последующим расчетом по значениям концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом минерале или компоненте значения содержания отдельных минералов или компонент, отличающийся тем, что для получения значений концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом минерале или компоненте исследуемого объекта, предварительно на ограниченном количестве опорных скважин из исследуемого объекта отбирают образцы керна в количестве большем, чем ожидаемое количество типов минералов или компонент, и в каждом образце измеряют содержание отдельных минералов или компонент и концентрации естественных радиоактивных элементов, а затем по этим данным, полученным на всех образцах, рассчитывают значения концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом минерале или компоненте. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержания отдельных минералов или компонент рассчитывают по формуле
M = A^-1C,
где C - вектор, образованный значениями измеренных концентраций естественных радиоактивных элементов в исследуемых горных породах;
M - вектор, образованный значениями содержаний минералов или компонент;
A^-1 - обратная матрица, получаемая обращением матрицы A;
A - матрица концентраций естественных радиоактивных элементов в каждом определяемом минерале или компоненте: по столбцам матрицы приведены характеристики каждого конкретного компонента; по строкам - содержание конкретного элемента в каждой из компонент;
A = (W^тPW)^-1(W^тPQ),
где Q - матрица, образованная значениями измеренных концентраций естественных радиоактивных элементов во всех образцах керна, в которой по столбцам расположены значения концентраций в отдельном образце;
W - матрица, образованная значениями содержаний минералов или компонент, во всех образцах керна, где по столбцам расположены значения содержаний в отдельном образце;
P - матрица статистических весов, определяемая на основе погрешностей измерения концентраций естественных радиоактивных элементов в образце и точности минералогического анализа;
W^т - транспонированная матрица W;
верхний индекс ^-1 означает обратную матрицу.