СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ УЛУЧШЕННЫХ КОЛЛЕКТОРСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ ПОРОД Российский патент 2019 года по МПК E21B49/00 G01V8/00 G01N21/3563 

Изобретение относится к геологии, включая поисковую геохимию на нефть и газ, и может быть использовано при проведении геологоразведочных работ на нефть и газ для выявления в разрезе интервалов осадочных пород, представленных доманикитами и сланцами, в которых в зависимости от стадии катагенеза выделяются прослои пород с улучшенными коллекторскими свойствами, определяемыме экспрессно по инфракрасным спектрам образцов пород (керн, шлам). В традиционной нефтяной геологии до сих пор уделялось недостаточное внимание доманикитам и другим высокоуглеродистым породам как низкопроницаемым коллекторам, формирующимся на определенных стадиях катагенеза и соответственного изменения зрелости органического вещества (ОВ) в них.

Известно, что улучшенными коллекторскими свойствами обладают породы на стадиих мезокатагенеза. Катагенетические преобразования пород при сравнительно высоких температурах определяют, с одной стороны, созревание органического вещества и его миграцию из породы в виде битумоидов, в результате чего увеличивается пористость керогена, а с другой стороны, приводят к образованию дополнительного микропустотного пространства за счет процессов выщелачивания и перестройки минеральной матрицы породы. При повышении степени катагенеза происходит уплотнение пород, когда в породах пустотные пространство сокращается и породы становятся почти непроницамыми.

Таким образом, высокоуглеродистые породы (и доманикиты, и сланцы, различные по стадиям зрелости ОВ и преобразованности пород) могут представлять собой толщи с разными свойствами: от пород, не являющихся коллекторами, до пород, которые могут обладать свойствами низкопроницаемых коллекторов. При этом на показатели коллекторских свойств (пористость, проницаемость) могут влиять сопряженные процессы, связанные как с преобразованием минеральной матрицы породы, так и с преобразованием ОВ.

В последние годы экспериментально были исследованы высокоуглеродистые толщи и получены их петрофизические характеристики по пористости и проницаемости, позволившие оценить улучшенные коллекторские свойства пород, формирующиеся на определенных стадиях катагенетического преобразования. Значения показателей пористости и проницаемости в разных образцах были сопоставлены со степенью катагенетической преобразованности содержащегося в породах органического вещества (таблица 1), контролируемой максимальными палеотемпературами.

Определение степени зрелости органического вещества с целью установления палеотемпературных характеристик, важных для оценки стадий образования пород с улучшенными коллекторскими свойствами - весьма трудоемкий процесс. Более простым способом является установление оптимального палеомтемпературного диапазона формирования пород с улучшенными коллекторскими свойствами по степени преобразованности самой минеральной матрицы, характеризующейся определенными градациями катагенеза.

Предлагаемый способ позволяет без сложной пробоподготовки определять степень преобразованности высокоуглеродистых пород на основе сопоставления ИК-спектров образцов минеральной матрицы породы и органического вещества со спектрами из эталонных коллекций из высокоуглеродистых отложений нижнего силура и верхнего девона.

Основная задача экспресс-оценки коллекторских свойств высокоуглеродистых отложений состоит в определении в разрезе скважин интервалов осадочных пород с улучшенными коллекторскими свойствами по данным ИК-спектроскопии и прослеживании их по площади на основе анализа характеристики гамма-активности пород в комплексе с другими видами каротажа.

Известно, что значения гамма-активности, определяемые по радиоактивному каротажу, представляют собой суммарный отклик содержания урана в породе и в органическом веществе. Кроме того, вклад в общую гамма-активность радиоактивного каротажа вносят глинистые породы, содержащие радиоактивные торий и калий.

В глубоководных фациях органическое вещество накапливается в морских карбонатных и кремнистых породах, обедненных глинистой составляющей.

В доманикитах, представленных карбонатными и кремнистыми породами, наиболее четко прослеживается корреляция урана и органического вещества, особенно там, где содержание глинистых частиц и тория минимальны. Коэффициент корреляции органического вещества и урана в слабопреобразованных доманикитах превышает 0,67 [1]. В работе [1] было показано, что при увеличении степени катагенеза уменьшаются значения коэффициента корреляции между содержанием урана и органическим веществом до 0,5. При повышении степени преобразованности пород в них также уменьшается содержание тория в форме примесей. Таким образом, повышение степени катагенеза ведет к уменьшению в ней органического вещества (ОВ), содержащего уран, а последующее увеличение степени преобразованности минеральной части пород способствует уменьшению в них тория. Это приводит соответственно к снижению гамма-активности осадочных порода конце мезокатагенеза, что отражается в уменьшении их значений на каротажных диаграммах и может использоваться для целей расчленения отложений и корреляции разрезов скважин.

Решение задачи задачи состоит в выявлении степени катагенетической преобразованности породы в типовом разрезе и выделении уровней с улучшенными коллекторскими свойствами пород с их последующим прослеживанием по разрезам скважин поданным ГИС.

Существуют разные способы определения степени катагенетической преобразованности ОВ высокоуглеродистых пород и степени преобразованности вмещающей минеральной матрицы пород. Согласно работе [2], под степенью катагенетической преобразованности ОВ понимается преобразованность самого органического вещества, которая зависит от многих факторов, в т.ч. от первоначального состава вещества и степени его окисленности. Таким образом, характер измененности ОВ в процессе погружения и влияния различных термобарических условий (катагенезе) может несколько отличаться от изменения минеральной части породы при тех же условиях.

Степень катагенетических преобразований пород определяется петрографическим методом, который предполагает приготовление шлифов и аншлифов с последующим их исследованием под бинокуляром или оптическим микроскопом.

Известно, что универсальным способом определения катагенетической преобразованности ОВ терригенных пород является исследование органических остатков высших растений, по которым осуществляется определение показателя отражательной способности витринита (R⁰). Этот показатель, широко используемый в углепетрографии для оценки зрелости органического вещества определяется по углу отражения света от частиц витринита микроспическими исследованиями: чем более обуглерожены растительные остатки, тем больше угол отражения света и значение R⁰. Необходимые условия применения методода наличие репрезентативной выборки витринитовых фрагментов (30 фрагментов). Данная методика универсальна для континентальных толщ и переходных морских фаций, где в массе встречаются растительные остатки высших растений, а витринитовая шкала увязана с температурой палеопрогрева и градациями катагенеза. Выделенные стадии катагенеза (протокатагенез, мезокатагенез, апокатагенез) и сооответствующие градации (ПК₁-ПК₃, МК₁-МК₅, АК₁-АК₃) шкалы катагенеза континентальных угольных толщ были распространены и на морские отложения [2]. Однако для определения морских осадков этот метод не вполне применим из-за отсутствия витринита в глубоководных отложениях. Существует также проблема определения палеотемператур прогрева пород глубоководных морских фаций, а также в более древних, чем девон отложениях, поскольку в них отсутствуют остатки высших растений, которые широко встречаются в осадочной летописи, начиная только с девонского периода.

Особую сложность представляет определение степени катагенеза сапропелевого органического вещества в морских отложениях. Сапропелевое вещество характеризуется большим количеством зооостатков, в основном хитиноподобного состава. Это означает, что для морских и древних пород градация катагенеза на основе витринитовой шкалы не вполне правомерна.

В работе [3] был предложен способ определения палеотемператур по цветовой шкале оболочек спор и водорослей, изменяющих свой цвет от светло-зеленого до почти черного в зависимости от термобарических условий. Данный метод оценки палеотемператур имеет ограничения. Он требует проведения исследований изменения цветности в пределах одного таксона (вида, рода). Это обусловлено тем, что в световом микроскопе цветность оболочек разных видов спор и водорослей зависит от их морфологии (толщины) и биохимического состава (спорополленин, водорослевая целлюлоза). Проследить один и тот же таксон в разнофациальных морских толщах не всегда представляется возможным, поскольку виды приурочены к определенным экологическим условиям в морском бассейне (например, пелагические виды, виды литоральных обстановок).

Наиболее известным способом определения степени катагенетической изменчивости сапропелевого органического вещества считается пиролитический метод.

К недостаткам пиролитического метода относится косвенный характер определяемых значений Тгпах, температуры фиксирующей максимальные значения выхода продуктов пиролиза пика S2, которые получают при сжигании навески породы в темературном режиме выше 300°. Кроме того установлено, что состав минеральной матрицы породы существенно влияет на значения показателей продуктов пиролиза и приводит к искаженной оценке истинной зрелости ОВ [4]. Экспериментально доказана различная степень преобразованности пород, получаемая при добавлении к одному и тому же исходному органическому веществу разных минеральных добавок: кварца, монтмориллонита, карбонатов.

Близким к заявляемому способу является метод, приведенный в работе [5]. Он состоит в том, что изучались образцы пород в переходных прибрежно-морских фациях, содержащие одновременно и витринит, и сапропелевое ОВ. На этой основе в диапазоне волновых чисел от 4000 до 1800 см^-1 были получены эталонные ИК-спектры сапропелевого вещества для стадии мезокатагенеза. К общим недостаткам метода, приведенного в работе [5], относятся высокие трудозатраты и длительность пробоподготовки, связанной с извлечением ОВ из пород с применением химреагентов (HCl, HF) и тяжелой жидкости.

В качестве прототипа для предлагаемого решения рассматривается способ, предложенный в патенте РФ на изобретение №2541721, 20.02.2015 г. [6].

Способ заключается в следующем. Выполняют отбор образцов керна из скважин, выделяют из образцов проб нерастворимое органическое вещество (НОВ), исследуют образцы методом гамма-каротажа и оптической микроскопии. В отобранных образцах керна определяют гамма-активность урана по керну, затем определяют значения показателя г по соотношению значений гамма-активности по каротажу к гамма-активности урана по керну. По этим значениям устанавливают тип отложений, различающихся по содержанию органического углерода Сорг для доманикоидов, доманикитов и сланцев, отбирают для дальнейших исследований пробы керна из интервалов с наибольшими значениями гамма-активности по каротажу, из отобранных образцов пород с помощью HCl и HF выделяют нерастворимое органическое вещество (НОВ), определяют в нем содержание урана, рассчитывают коэффициент корреляции k_i между радиоактивностью НОВ и значением гамма-активности каротажа, сравнивают его со значениями к соответствующего типа отложений и определяют перспективную зону генерации углеводородов. Затем в отобранных пробах НОВ проводят оценку зрелости органического вещества на уровне градаций катагенеза методами микроскопии и ИК-спектроскопии и по данным зрелости органического вещества выявляют перспективные зоны генерации углеводородов.

Способ основан на комплексной интерпретации гамма-каротажных и оптических характеристик пород. Достоверная интерпретация гамма-активности пород по радиоактивному каротажу не требует применения дорогостоящего дополнительного оборудования при бурении скважин, такого как спектральный гамма-каротаж. Единая пробоподготовка для различных видов анализа не требует дорогих химреагентов и позволяет достоверно по количественным показателям оценивать катагенез морских пород на уровне градаций катагенеза.

Недостатком рассматриваемого способа является его трудоемкость в процессе пробоподготовки, а также ограниченность его применения для оценки коллекторских свойств пород.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности и экспрессности способа выявления улучшенных коллекторских свойств высокоуглеродистых пород, представляющих собой перспективный нефтегазопоисковый объект.

Для достижения заявленного технического результата в предложенном способе, включающем отбор образцов керна из высокоуглеродистых пород, исследование образцов проб методом ИК-спектроскопии, получением ИК-спектров минеральной матрицы породы и сопоставлением их с эталонными спектрами, изменено дальнейшее исследование отобранных проб. Полученный спектр сравнивают с ИК-спектрами эталонной коллекции, которые содержат как характеристику породной матрицы, так и характеристику градаций катагенеза ОВ.

По результатам сравнения последних со спектрами эталонных коллекций (по соотношению волновых чисел и величин их интенсивностей) определяют образцы с наименьшей степенью преобразованности ОВ и минеральной матрицы пород (рисунок 1, таблицы 2 и 3).

Выделяют интервалы в разрезе скважины, охарактеризованные данными образцами, которые относятся к нефтематеринским породам с нефтегенерирующими и коллекторскими свойствами (низкопроницаемые коллекторы). В пределах диапазона градаций МК₂-МК₃ по ИК-спектрам пород выделяют на основе сопоставления их с ИК-спектрами эталонной коллекции образцы с улучшенными коллекторскими свойствми. Определяют мощность интервала разреза, охарактеризованную породами с улучшенными коллекторскими свойствами.

Предложенный способ определения степени катагенеза ОВ и пород на основе сопоставления с эталонными спектрами позволяет повысить скорость, детальность и достоверность выявления интервалов разрезов с улучшенными коллекторскими свойствами в осадочных высокоуглеродистых породах, проследить выявленные интервалы по площади, что важно для оценки перспектив нефтегазоносности территории.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими таблицами и рисунками:

таблица 1 - характеристика свойств высокоуглеродистых пород на разных стадиях катагенетического преобразования,

таблица 2 - эталонная коллекция ИК-спектров минеральной матрицы пород, таблица 3 - характеристика ИК-спектров по максимальным значениям волновых чисел (× max) и их интенсивности (y)

рис. 1 - эталонные ИК-спектры нерастворимого органического вещества пород (керогена),

рис. 2 - пример корреляции скважин с выделенными улучшенными коллекторскими свойствами пород.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Отбирают образцы керна, которые затем исследуют на ИК-спектрометре и получают ИК-спектры породной составляющей в графическом виде (таблица 2) и их количественные характеристики (таблица 3). По результатам сравнения ИК-спектральных характеристик изучаемых образцов со спектрами эталонных коллекций (по соотношению волновых чисел и величин их интенсивностей) определяют образцы с наибольшей и наименьшей степенью преобразованности минеральной матрицы породы и соответственно преобразованостью содержащегося в породе ОВ (рисунок 1, таблицы 2 и 3). Далее проводят разделение образцов по степени преобразованности минеральной матрицы. При этом учитывается тот факт, что породы на стадии МК₂ являются только нефтегенерирующими и как коллекторы не рассматриваются.

Первоначально выделяют образцы с наибольшей степенью преобразованности пород, сопоставляемые с эталонами на градациях катагенеза МК₃-МК₄, которые не являются потенциальными низкопроницаемыми коллекторами вследствие большой плотности минеральной матрицы. Выделяют интервалы в разрезе скважины, охарактеризованные данными образцами.

Затем выбирают образцы с меньшей степенью преобразованности пород по сопоставлению с ИК-спектрами, минеральная матрица которых сопряжена с градацией ОВ на стадии МК₂-МК₃. В этом переходном интервале градаций катагенеза нефтематеринские породы выполняют разные функции. Одни породы являются нефтегенерирующими породами, другие породы относятся к низкопроницаемым коллекторам.

В пределах этого диапазона градаций МК₂-МК₃ по ИК-спектрам выделяют породы "не коллекторы" и породы с улучшенными коллекторскими свойствами на основе сопоставления их с ИК-спектрами эталонной коллекции. ИК-спектры породы "не коллектор" характеризуется наличием спектральных полос и их высокой интенсивностью в области связей -Si-O (1008,8-1053,0; 1089, 8 см^-1). ИК-спектры породы "коллектор" характеризуются перестройкой минеральной матрицы, отражающейся в ИК-спектрах высокими значениями интенсивности связей Al-O- (944-978 см^-1); отсутствием спектральных полос в области связей -С-О (833,3-834,5 см^-1) и -Si-O- (1008,8-1053,0 см^-1; 1089, 8, см^-1); сдвигом по оси "х" значений связей -С-О- (881 см^-1)

В разрезе скважины по образцам с приведенной ИК-спектроскопической характеристикой породы "коллектор" выделяют интервал разреза с улучшенными коллекторскими свойствами, который может быть прослежен по данным ГИС в других разрезах.

На рисунке 2 приведен пример такого прослеживания выделенных уровней с улучшенными коллекторскими свойствами по скважинам.

В отличие от прототипа в заявленном способе органическое вещество из породы исследуемого образца не выделяется.

При этом сравнивают ИК-спектры минеральной составляющей образца с минеральной матрицей эталонного образца, для которого также установлена градация катагенеза ОВ по ИК-спектру органического вещества, выделенному из породы.

В заявленном способе в отличие от прототипа в нефтегазогенерирующей зоне выделяют в разрезе интервалы с улучшенными коллекторскими свойствами. Они приурочены не ко всей зоне нефтегазогенерации в градациях катагенеза, характеризующейся от МК₂ до МК₄, а к более узкой - переходной зоне в диапазоне градаций катагенеза МК_2-3. Переходная зона на фоне созревания органического вещества характеризуется одновременно и перестройкой минеральной составляющей породы, которая проявляется в нарушении структурированности минеральной матрицы и отражается в уширении характеристических полос и уменьшении их интенсивности (образец Сев-Мамоновская 1, таблица).

Эта перестройка определяется количественными показателями, приведенными в таблице 3, такая характеристика отсутствовала в прототипе. Так, в отличие от прототипа, по данному способу устанавливают количественные ИК-спектральные характеристики получаемого ИК-спектра минеральной составляющей пород в диапазоне изменения волновых чисел от 1800 см^-1 до 400 см^-1. В результате в заявленном способе кроме графического представления ИК-спектров образцов (таблица 2), каждый из ИК-спектров охарактеризован количественными показателями - значениями волновых чисел (см^-1) по оси "х" и величиной их интенсивности по оси "y", приведенной в относительных единицах (таблица 3).

Основой для реализации способа являются экспериментальные данные, полученные для 75 образцов Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, Калининградской области, изученные в стратиграфическом диапазоне от силура до верхнего девона по 5 скважинам и 8 обнажениям.

Созданная базовая эталонная коллекция ИК-спектров органического вещества разных стадий зрелости для пограничных характеристик "коллектор" - "не коллектор" приведена на рис. 1. На рис. 1 представлены графики эталонных ИК-спектров НОВ высокоуглеродистых силурийских образцов Калининградской области, для которых были выполнены ранее [7] оценки градаций катагенеза методом выделения ОВ из пород. В таблице 2 приведены ИК-спектры минеральной матрицы этих же образцов Калининградской области, что и ИК-спектры с установленной степенью катагенеза органического вещества, (приведены на рис. 1). В таблице 3 представлены количественные ИК-спектральные характеристики пород рассматриваемых образцов.

Особенностью заявляемого способа является создание эталонной коллекции ИК-спектров. В этой коллекции для одних и тех же образцов в диапазоне волновых чисел 1800-400 см^-1 ИК-спектров приведены характеристики, отражающие степень измененности минеральной матрицы породы и ИК-спектры органического вещества, выделенного из породы. Это позволяет увязать характеристики минеральной матрицы породы (таблицы 2 и 3) со степенью катагенетического преобразования ОВ (рис. 1) и с улучшенными коллекторскими свойствами пород (таблица 1).

При этом по ИК-спектрам породы выбираются те образцы, которые соответствуют преобразованию минеральной матрицы породы с формированием дополнительного пустотного пространства.

В работе использовалось современное техническое оборудование инфракрасный Фурье-спектрометр ФМС-2202, на котором проводились исследования по стандартной методике с приготовлением таблеток KBr с навеской 2 мг предварительно растертого в агатовой ступке образца породы.

Сравнительный анализ спектров только по минеральной части ИК-спектров изучаемых образцов с эталонами существенно сокращает трудозатраты на установление образцов пород с улучшенными коллекторскими свойствами.

Таким образом, предложенный способ определения степени катагенеза ОВ и пород на основе сопоставления с эталонными спектрами позволяет повысить скорость, детальность и достоверность выявления интервалов разрезов с улучшенными коллекторскими свойствами в осадочных высокоуглеродистых породах, проследить выявленные интервалы по площади, что важно для оценки перспектив нефтегазоносности территории.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ определения ванадия и редкоземельных элементов по гамма-активности осадочных пород. Патент РФ №2636401.от 23.11.2017 г. Заявка 2016 151515 от 26.12.2016 г.

2. Справочник по геохимии нефти и газа / Под. ред. С.Г. Неручева. СПб.: Недра. 1998. - 576 с.

3. Способ определения палеотемператур катагенеза безвитринитовых отложений по оптическим характеристикам микрофитофоссилий / Прищепа О.М., Макарова И.Р., Суханов А.А. Патент на изобретение №2529650, заявка №201313243, приоритет изобретения 12 июля 2013 г. зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 05 августа 2014 г.

4. Савельев В.А. Влияние природы органического вещества на состав продуктов термолиза керогена и асфальтита, автореферат на соискание уч. степени канд. хим. наук. - Томск. - 2010. - 23. с.

5. Данилов В.Н., Огданец Л.В., Макарова И.Р., Гудельман А.А., Суханов А.А., Журавлев А.В. Основные результаты изучения органического вещества и УВ-флюидов Адакской площади // Нефтегазовая геология. Теория и практика. -2011. - Т. 6. - №2. - http://www.ngtp.ru/rub/1/22_2011.pdf

6. Способ определения зон генерации углеводородов доманикоидных и сланценосных отложений в разрезах глубоких скважин. Патент РФ №2541721 О.М.Прищепа, А.А. Суханов, Валиев Ф.Ф., Сергеев В.О., Макарова И.Р.

7. Суханов А.А., Отмас А.А. (ст.), Макарова И.Р. Сравнение результатов исследования органического вещества доманикоидных отложений различными методами в связи с диагностикой нефтегазоносности силурийских отложений Калининградской области // Нефтегазовая геология. Теория и практика. - 2012. - Т. 7. - №3. - http://www.ngtp.ru/rub/4/42_2012.pdf.

8. Прищепа О.М., Суханов А.А., Макарова И.Р. Подходы к оценке доманиковых отложений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции как нетрадиционных источников углеводородов // Нефтегазовая геология. Теория и практика. - 2014. - Т. 9. - №4. - http://www.ngtp.ru/rub/12/46_2014.pd

*Copг 2-16%

Изобретение относится к области геологии и касается способа выявления улучшенных коллекторских свойств высокоуглеродистых пород. Способ включает в себя отбор образцов керна из высокоуглеродистых пород, исследование образцов проб методом ИК-спектроскопии, получение ИК-спектров минеральной матрицы породы и сопоставление их с эталонными спектрами. Полученные спектры по соотношению волновых чисел и величин их интенсивностей сравнивают с ИК-спектрами эталонной коллекции, содержащими характеристику породной матрицы и характеристику градаций катагенеза органического вещества. По результатам сравнения выбирают образцы с наименьшей степенью преобразованности (МК₂-МК₃) и в пределах этих градаций выделяют породы с улучшенными коллекторскими свойствами. Технический результат заключается в повышении достоверности и экспрессивности способа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ выявления улучшенных коллекторских свойств высокоуглеродистых пород, включающий отбор образцов керна из высокоуглеродистых пород, исследование образцов проб методом ИК-спектроскопии, получение ИК-спектров минеральной матрицы породы и сопоставление их с эталонными спектрами, отличающийся тем, что полученные спектры по соотношению волновых чисел и величин их интенсивностей сравнивают с ИК-спектрами эталонной коллекции, содержащими характеристику породной матрицы и характеристику градаций катагенеза ОВ, по результатам сравнения выбирают образцы с наименьшей степенью преобразованности (МК₂-МК₃), а в пределах этих градаций выделяют породы с улучшенными коллекторскими свойствами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют мощность интервала разреза, охарактеризованную породами с улучшенными коллекторскими свойствами, и далее проводят корреляцию пачек с улучшенными коллекторскими свойствами в других разрезах для оценки перспектив нефтегазоносности территории.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для измерения ИК-спектров используют инфракрасный Фурье-спектрометр ФМС-2202 с приготовлением таблеток КВr с навеской 2 мг предварительно растертого в агатовой ступке образца породы.