Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния современной теории электропроводности терригенной гранулярной породы, основных петрофизических моделей электропроводности и задачи исследований по теме диссертации 13
1.1 Понятие об электропроводности горной породы 13
1.2 Модели терригенной гранулярной породы 15
1.3 Эволюция представлений об электропроводности горной породы 24
1.3.1 Модели электропроводности чистых песчаников 24
1.3.2 Петрофизические модели электропроводности глинистых песчаников 31
1.4 Анализ ограничений петрофизических моделей электропроводности терригенной гранулярной породы и задачи по теме диссертации 50
1.5 Выводы 54
2 Развитие представлений об эмпирических закономерностях электропроводности терригенной гранулярной породы и обоснование обобщенной модели электропроводности 55
2.1. Обоснование способов эмпирического изучения электропроводности горной породы 55
2.2. Исследование общих эмпирических закономерностей электропроводности терригенной породы 62
2.2.1. Характеристика исходных данных по керну 62
2.2.2. Анализ общих закономерностей 64
2.2.3. Обобщенная модель электропроводности породы 75
2.3 Выводы 78
3 Теоретическое обоснование обобщенной модели электропроводности 80
3.1 Обоснование модели терригенной породы 80
3.2 Развитие общих теоретических положений об электропроводности терригенной породы 83
3.2.1 Теоретическое исследование коэффициента т 84
3.2.2 Теоретическое описание изменения электропроводности электролита в поровом пространстве 87
3.3 Выводы 95
4 Эмпирическое обоснование обобщенной модели электропроводности 97
4.1 Задачи эмпирического обоснования модели электропроводности...97
4.2 Анализ зависимости
4.3 Обоснование способа определения а по q„ 105
4.4 Обоснование способа определения сг0 ПО
4.5 Обоснование способа определения Т] 112
4.6 Обоснование способа учета влияния температуры на электрическую проводимость породы 113
4.7 Выводы 115
5 Экспериментальное подтверждение и исследование модели электропроводности терригенной гранулярной породы 116
5.1 Представление модели электропроводности терригенной гранулярной породы 116
5.2 Анализ достоверности модели электропроводности для водонасыщенной терригенной гранулярной породы 117
5.2.1 Данные экспериментальных исследований Ваксмана-Смитса .117
5.2.2 Данные исследования электропроводности моделей глин 118
5.3 Анализ достоверности модели электропроводности для частично водонасыщенной терригенной гранулярной породы 121
5.3.1 Анализ особенностей исследования кернов 121
5.3.2 Меловые и юрские отложения месторождений Сургутского региона Западной Сибири 124
5.3.3 Юрские отложения пласта ЮВі Кечимовского месторождения Западной Сибири 134
5.4 Исследование обобщенной модели электропроводности 143
5.4.1 Анализ особенностей петрофизических закономерностей электропроводности пород 143
5.4.2 Сопоставление обобщенной модели с физическим моделированием электропроводности пород в условиях их естественного залегания 147
5.4.3 Сравнительный анализ моделей электропроводности 153
5.5 Выводы 160
6 Разработка методики определения нефтенасыщенности терригенного гранулярного коллектора 161
6.1 Обоснование способа определения нефтенасыщенности терригенного коллектора 161
6.2 Выводы 164
7 Заключение 165
Список использованной литературы
- Эволюция представлений об электропроводности горной породы
- Исследование общих эмпирических закономерностей электропроводности терригенной породы
- Развитие общих теоретических положений об электропроводности терригенной породы
- Обоснование способа учета влияния температуры на электрическую проводимость породы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим параметром в комплексе петрофи-зических характеристик терригенных отложений, содержащих залежи углеводородов, является удельное электрическое сопротивление (УЭС) или обратная ей величина удельная электропроводность (УЭП) породы. Этот параметр используется в комплексе с другими физическими свойствами при выделении в геологическом разрезе интервалов продуктивных коллекторов и определении их коэффициента водонасыщенности (Кв) и соответственно нефтегазонасыщенности (Кнг= 1 -Кв).
Достоверность интерпретации данных об электрических характеристиках породы и оценки по ним нефтегазонасыщенности коллекторов определяется надежностью теоретического и экспериментального обоснования пет-рофизической модели электропроводности породы для изучаемого геологического объекта.
В общем случае терригенные гранулярные отложения характеризуются весьма разнообразным структурно-минералогическим строением. Для описания электропроводности таких пород к настоящему времени предложено большое число петрофизических моделей (формул), устанавливающих зависимость УЭП породы от выделяемых в ее структуре компонентов и насыщающих флюидов. Все эти модели используют различные схемы толкования физических явлений, определяющих электропроводность горной породы. Они устанавливают разные количественные соотношения между компонентами породы и насыщающих флюидов (углеводороды, вода) и их вклад в электропроводность (структура породы, пористость, глинистость, водона-сыщенность, минерализация насыщающей воды), структурой размещения глинистого материала в объеме породы, в разной степени учитывают физико-химические взаимодействия водного минерализованного раствора с частицами породы, образующими поровое пространство. К настоящему времени
созданы чисто теоретические и теоретико-экспериментальные петрофизиче-ские модели электропроводности.
Основополагающая роль в создании теории электропроводности горных пород принадлежит В.Н. Дахнову, 1938-41 г.г. [36, 39] и А.Е. Арчи, 1942 г. [80]. Они независимо друг от друга предложили фундаментальные эмпирические формулы Р=/(Кп) и Pn=f(KX которые в настоящее время широко используются на практике и послужили базой всех последующих исследований и разработки серии петрофизических моделей, которые применяются в современных технологиях интерпретации данных электрического каротажа. Существенный вклад в разработку способов теоретического описания электропроводности породы внес в 1950-56 г.г. Л. де Витте [32, 100].
Наиболее значимый вклад в разработку и исследование петрофизических моделей электропроводности терригенной породы внесли отечественные ученые Б.Л. Александров, B.C. Афанасьев, Вл.С. Афанасьев, Б.Ю. Вен-дельштейн, Б.Н. Еникеев, А.В. Ефимов, В.Н. Кобранова, С.Г. Комаров, Е.И. Леонтьев, В.Г. Мамяшев, Э.Ю. Миколаевский, А.М.Нечай, В.Н. Орлов, А.А. Семенов, Д.А. Шапиро, И.Е. Эйдман, М.М. Элланский и др. Среди зарубежных ученых отметим М. Вилли, Х.Дж. Хилла, Дж.Д. Мильберна, М.Х. Вакс-мана, А.Дж.М. Смитса, Д.А. Бруггемана, 3. Барлаи, В. Мизеля, А.Е. Буссиа-на, К. Клавье, Г. Коутса, Дж. Думаноира, О.Дж. Шарли, Г.Е. Клейна и др.
В результате выполненных исследований к настоящему времени создан целый ряд петрофизических моделей, которые с достаточной для практики точностью описывают УЭС горной породы для конкретных объемных моделей: "чистый (не глинистый) песчаник" и "глинистый песчаник". Эти модели применяются при интерпретации данных электрометрии в комплексе с другими методами ГИС.
Вместе с тем анализ отечественной практики оценки нефтегазонасы-щенности пород по данным УЭС породы на этапе подсчета запасов, являющемся наиболее ответственным при исследовании пород коллекторов, пока-
6 зывает, что в подавляющем большинстве случаев определение коэффициента нефтегазонасыщенности пород-коллекторов выполняется по эмпирическим связям P=f(Kr) и Рн=/(Кв), рп = f(K„-Ke), а также по другим упрощенным эмпирическим зависимостям, устанавливаемым на основе исследований коллекций образцов кернов, отбираемых из изучаемых интервалов разреза скважин. Такая практика зафиксирована в "Инструкции по применению материалов промыслово-геофизический исследований с использованием результатов изучения керна и испытаний скважин для определения и обоснования под-счетных параметров залежей нефти и газа", Москва, 1987 г. (п. 4.5, стр. 14) [49], а также в Методических рекомендациях по подсчету запасов, изданных в 1990 г. [57] и в 2003 г. [58].
Сложившаяся ситуация объясняется тем, что несмотря на то, что в России и за рубежом выполнены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, задача выявления фундаментальных закономерностей в формировании электропроводности горной породы пока еще не нашла достаточного решения. Это не позволило до настоящего времени обосновать теоретически и экспериментально обобщенную модель электропроводности терригенной породы во всем литологическом ряде: песчаник-алевролит-глина, что особенно актуально в текущий период расширения работ по созданию и исследованию геолого-технологических моделей сложно построенных залежей углеводородов в песчано-алеврито-глинистых толщах, когда на всех стадиях разработки месторождений необходимо достоверно оценивать текущую нефтегазонасыщенность продуктивных коллекторов.
Решение задачи повышения достоверности определения нефтегазонасыщенности коллекторов в терригенных отложениях, определяет необходимость проведения научных исследований с целью развития представлений об общих закономерностях образования электрических характеристик терригенной породы и разработки отвечающей современному уровню знаний пет-рофизической модели терригенной горной породы, описывающей электро-
проводность породы во всем литологическом диапазоне - песчаник-алевролит-глина. Решение этой задачи имеет важное практическое значение, так как является базой создания более достоверной технологии выделения и оценки нефтегазонасыщенности продуктивных коллекторов.
Цель работы. Экспериментальное и теоретическое обоснование петро-физической модели электропроводности терригенной породы в литологическом ряде песчаник-алевролит-глина для выделения и оценки нефтенасы-щенных пластов коллекторов по данным электрометрии скважин в комплексе с другими методами ГИС в сложно построенных геологических объектах, вмещающих залежи углеводородов.
Основные задачи исследований.
Обобщение отечественных и зарубежных исследований по разработке петрофизических моделей электропроводности терригенной гранулярной породы.
Теоретическое и экспериментальное обоснование обобщенной петро-физической модели электропроводности терригенной породы.
Исследование закономерностей электропроводности терригенной породы по экспериментальным данным и разработанной петрофизической модели.
Разработка методики определения коэффициента нефтегазонасыщенности пород-коллекторов при использовании обобщенной петрофизической модели электропроводности в комплексе с другими методами ГИС.
Защищаются следующие научные положения и результаты.
1. Влияние электрического заряда поверхности поровых каналов в гранулярной терригенной породе на перераспределение ионов насыщающего раствора заданной минерализации в поровом пространстве в диапазоне минерализации раствора 0 - 300 г/л с высокой достоверностью описываются предложенной автором формулой, которая обоснована на основе теории электрохимической активности электролитов Дебая-Гюккеля и по форме со-
ответствует изотерме Ленгмюра, являющейся простой формой изотермы БЭТ. Это отражается на характере связи crn = /(<тв) как функции величин Kn,q„ и Кв исследуемой породы и служит теоретической базой обоснования
обобщенной петрофизической модели электропроводности.
2. Электропроводность терригенной гранулярной породы во всем лито-
логическом ряде песчаник-алевролит-глина описывается обобщенной фор
мулой ап = {КпКв)т<тэл, где <уэл рассчитывается по разработанной автором
формуле, устанавливающей зависимость сгэл от минерализации насыщающе
го породу раствора Св, приведенной емкости катионного обмена породы qn и
текущей водонасыщенности Кв с учетом обоснованного автором коэффициента адсорбции a; m - структурный показатель, изменяющийся в узком диапазоне m = 1.7 ± 0.03 и возрастающий в идеальных глинах до предельной величины 1.77. При исследовании в разрезе коллекторов параметр m можно принять в форме константы /w=1.7. Обобщенная петрофизическая модель электропроводности служит основой создания более достоверного способа определения нефтенасыщенности терригенной гранулярной породы, характеризующейся широким диапазоном изменения пористости, глинистости и насыщенной пресными и солеными пластовыми водами.
3. Методика определения коэффициента нефтегазонасыщенности терри-
генного пласта коллектора по данным электрометрии скважин, использую
щая обобщенную модель электропроводности в комплексе с петрофизиче-
скими моделями других методов ГИС, алгоритм для ее реализации в техно
логии автоматизированной интерпретации ГИС.
Научная новизна.
1. На основе обобщения предыдущих работ и выполнения собственных теоретических и экспериментальных исследований, включая математическое моделирование результатов изучения электрических свойств пород на образцах кернов, автором развито представление о модели терригенной породы. Обосновано, что терригенную породу следует рассматривать как гетероген-
ную среду, обладающую пористостью скелета Кп и сложенную не проводящими электрический ток электрически заряженными частицами, обладающими поверхностным интегральным зарядом Q„, величина которого контролируется содержанием всех заряженных частиц, выстилающих поры породы - глинистых минералов, полевых шпатов, кварца, и обломков пород, в соответствии с их объемными долями в песчаной, алевритовой и глинистой фракциях скелета породы и удельной плотностью зарядов на поверхности этих частиц.
2. Установлено, что удельная электрическая проводимость породы ап
достоверно описывается обобщенной петрофизической моделью
<тп=(КпКв)т<уэл> в которой удельная электропроводность электролита <гЭ1
рассчитывается по обоснованной автором формуле, устанавливающей зави
симость сгэл от соотношения минерализации Св насыщающего породу рас
твора NaCl, приведенной емкости катионного обмена породы qn= Qnl Кп и
величины коэффициента водонасыщения порового пространства породы Кв.
3. Показано, что преобладающим механизмом формирования инте
гральной величины стэл в конкретном объеме породы являются процессы
диффузионного обмена ионов из раствора, находящегося в удаленной от электрически заряженной стенки части порового канала, в которой на подвижность "свободных" ионов не влияет заряд стенок пор, и диффузного слоя, расположенного вблизи стенки и содержащего "не свободные" ионы, подвижность которых контролируется зарядом стенок пор и минерализацией
свободного раствора. Величина стэл зависит только от значений
температуры породы t. Количественной мерой влияния этих параметров на электропроводность породы служит установленный автором новый параметр - "адсорбционный коэффициент" СС , который обоснован на основе теории электрохимической активности электролитов Дебая-Гюккеля и вычисляется по полученной автором формуле a = JI(\ + J), где J = {c-qnlKe)Um. Расчет
значения <УЭЛ для породы выполняется по выведенной автором формуле <7Э, = а2 сг0пред-т]+(1-а)-ав, где параметр tj = 1 -е~2а' учитывает нелинейность
зависимости сг„ = f{pe) при малых значениях ав.
Впервые на основе экспериментального изучения электропроводности образцов кернов определено, что предельная величина электропроводности двойного слоя равна о"0пред =5 Мо/м при /=25 С, а для пород с конкретным значением qn она стремится к некоторой константе сг0, определяемой установленной автором связью ст0 = а ст0„ред.
Впервые выявлено, что для природных гетерогенных терригенных сред в литологическом ряде песчаник-алевролит-глина структурный коэффициент m в формуле <тп=(КпКв)тсгэл изменяется в узком диапазоне
т = 1.7 ±0.03 и возрастает в идеальных глинах до предельной величины 1.77. При исследовании в разрезе пород-коллекторов т можно принять в форме константы т=\Л.
6. Разработана методика определения коэффициента нефтегазонасы-
щенности пород-коллекторов при использовании обобщенной петрофизиче-
ской модели электропроводности в комплексе с другими методами ГИС.
Практическая ценность работы:
Создана обобщенная модель электропроводности терригенной гранулярной породы, которая достоверно описывает свойства водонасыщенных и нефтенасыщенных пород в литологическом ряде песчаник-алевролит-глина.
Обоснована новая методика определения коэффициента нефтегазона-сыщенности пород-коллекторов на основе использовании разработанной петрофизической модели электропроводности в комплексе с другими методами ГИС, которая обеспечивает существенное повышение достоверности выделения в разрезе продуктивных коллекторов и более точное определение их коэффициента нефтегазонасыщенности.
Разработанная методика определения коэффициента нефтегазонасы-щенности пород-коллекторов реализована в Системе автоматизированной визуальной интерпретации данных ГИС Gintel 2005 в составе технологии интерпретации данных ГИС ESKS-TABC, внедрена во многих геологических и геофизических организациях и нефтяных компаниях и применяется для обработки геолого-геофизической информации при решении всего спектра задач разведки и разработки залежей нефти и газа.
Реализация результатов работы на производстве.
Полученные в ходе исследований результаты были использованы при создании технологии переинтерпретации данных ГИС, обеспечивающей достоверную оценку нефтегазонасыщенности продуктивных терригенных отложений.
Технология переинтерпретации данных ГИС применена при построении геологических моделей залежей нефти в терригенных девонских отложениях Азнакаевской и Карамалинской площадей Ромашкинского месторождения (Татарстан), терригенных поддоманиковых отложений Возейского месторождения (Тимано-Печора), продуктивной толщи на месторождениях Египта, при подготовке информации к построению геологических моделей Ханчей-ского, Восточно-Таркосалинского и Юрхаровского месторождений, при аудите запасов Ханчейского месторождения (Западная Сибирь). Методика используется для обработки данных ГИС по бурящимся скважинам при подготовке оперативных заключений. На текущий период по этой технологии обработано около 15000 скважин.
Апробация работы. Результаты исследовательских работ, положенных в основу настоящей диссертационной работы, докладывались на ряде международных конференций: SEG (г. Санкт-Петербург, 1992 г., г. Москва, 1996 г.), SPWLA (г. Ставангер, Норвегия, 1993), SPWLA (г. Новый Орлеан, США, 1996 г.), ЕАГО-SPWLA (г. Москва, 1998 г.), "Новые высокие информационные технологии для нефтегазовой промышленность" (г. Уфа, 1999), "Нефть и
газ" (г. Сургут, 2000), "Инновационные технологии в области поисков, разведки и детального изучения месторождений нефти и газа", Москва, ЦГЭ, 2002 г., на семинарах в различных нефтяных компаниях в 2003-2005 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ. Получен Патент РФ [11].
Результаты работ содержатся в 14 отчетах по различным проектам, реализованным при участии и под руководством автора, и которые хранятся в фондах ООО "Геоинформационные технологии и системы" и организаций заказчиков.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы - 168 страниц текста, 46 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.
Диссертационная работа выполнена в период 1991-2005 г.г. в период учебы в аспирантуре РГУНГ им. И.М. Губкина (1992-1996 г.г.) и в последующий период работы в компании "Геоинформационные технологии и системы" (1996-2005 г.г.).
Автор выражает свою искреннюю признательность научному руководителю в период учебы в аспирантуре доктору геолого-минералогических наук, профессору В.М. Добрынину.
Большое влияние на направление и уровень исследований оказали преподаватели кафедры информационных систем ГИС РГУНГ им. И.М. Губкина д.г-м.н., профессор Б.Ю. Венделыптейн, д.ф-м.н., профессор Д.А. Кожевников, д.г-м.н., профессор Т.Ф. Дьяконова, а также многие ученые и специалисты, с которыми автор имел плодотворные контакты - д.т.н., профессор B.C. Афанасьев, д.т.н., профессор П.А. Бродский, к.т.н. Б.Н. Еникеев, д.т.н., профессор Н.Н. Сохранов, д.ф.-м.н., профессор А.В. Твардовский. Автор выражает им свою признательность.
Эволюция представлений об электропроводности горной породы
Чистые песчаники являются наиболее простой моделью терригенной породы. Их следует рассматривать как гетерогенную пористую среду, сложенную непроводящими частицами. Поровое пространство заполнено минерализованным раствором с удельным электрическим сопротивлением рв (электропроводностью Ув).
На основе экспериментальных исследований на кернах В.Н. Дахновым в 1938 г. [37] и независимо от него Г.Е. Арчи в 1941 г. [80] предложена эмпирическая математическая модель для выражения соотношения между удельным электрическим сопротивлением полностью водонасыщенной породы рвп, ее пористостью Кп и удельным электрическим сопротивлением насыщающего поры породы раствора рв (воды, электролита): P = SL = JL т j (1.16) где Р - параметр пористости (относительное сопротивление), а и т — структурные коэффициенты, согласующие формулу (1.16) с реальной петро-физической закономерностью P = f(Kn), определяемой для изучаемых пород на основе исследования группы образцов кернов [37, 52, 58, 61, 62]. Установлено многочисленными экспериментами, что параметр а изменяется в диапазоне 0.7-1.3, ат= 1.3-2.5.
Далее ими это выражение было обобщено для частично водонасыщен-ной (нефтегазонасыщенной) породы. В современной записи это выражение представляется следующим образом: Рп=Р-Рн-Ре=- - -Рв, (1.17) где Ри =- - = - (1.18) Реп &в - коэффициент увеличения сопротивления и его зависимость от коэффициента водонасыщенности породы Кв.
Коэффициенты b и п устанавливаются по данным керна [37, 52, 58, 61, 62] и обеспечивают согласование математической модели (1.18) с фактической закономерностью Рн = f{Ke) для изучаемых пород. Они определяются независимо от коэффициентов уравнения (1.16). Часто коэффициент Ъ принимается равным 1, а коэффициент п определяется по экспериментальным данным по керну, он, как правило, изменяется в диапазоне 1.4-2.4.
Исследование фактических природных закономерностей, определяющих связь УЭС породы с Кп и Кв, с первых шагов выполнялось с помощью измерений этих параметров на коллекциях образцов кернов по методикам, изложенным в [61]. Первые такие работы осуществлены в Азербайджане И.Г. Коганом, В.Н. Дахновым, С.Г. Комаровым, а далее многими отечественными и зарубежными учеными. На рис. 1.3 показаны зависимости Р = f(Kn) и Рн = f{Ke) в графическом виде отражающие зависимости
(1.16), (1.17) и (1.18), извлеченные из работ В.Н. Дахнова [37] и Арчи [80], полученные в этот период. В дальнейшие годы подобные эксперименты выполнены практически по всем терригенным отложениям, содержащим залежи углеводородов.
В первой своей фундаментальной работе "Кароттаж скважин. Интерпретация каротажных диаграмм" В.Н. Дахнов в 1938-41 г.г. [35] изображал эти зависимости сериями линий, отражающих функциональную связь УЭС породы с Кп и Кв. В последующем для обоснования функциональных зависимо-стей Р = f{Kn) и Рн = f(Ke) стал применяться метод регрессионного анализа, при этом было принято, что разброс точек на графике обусловлен ошибками измерений и слабо связан с изменением свойств пород. Для уменьшения этого влияния рассматриваемые зависимости определяются для конкретных геологических пластов (залежей углеводородов) с моделированием пластовых условий залегания отложений, к которым относятся минерализация пластовых вод, пластовые давление и температура.
Формула (1.16) описывает обратную прямолинейную связь IgP и lgKn. Однако многочисленные экспериментальные исследования по установлению связи Р = f{Kn) по различным геологическим объектам показали, что, как правило, даже в практически неглинистых породах на корреляционном поле IgP = f(lgKn) наблюдается существенный разброс точек, см. рис. 1.3. Факт отклонения зависимости Р = f{Kn) от линейной связи и разброс точек на графике IgP = {(IgKr) практически всеми специалистами интерпретируется следующим образом. Параметр т рассматривается как коэффициент цементации породы, а параметр а - как структурный параметр.
Исследование общих эмпирических закономерностей электропроводности терригенной породы
В прил. 1 представлена табл. 1 с данными по керну М.Х. Ваксмана и Л.Дж. Смитса [101], которая для краткости далее называется "таблица WS", дополненная данными автора, полученными при исследовании кернов поли-миктовых песчаников нижнего мела Западной Сибири. Таблица WS содержит как исходные параметры, измеренные на керне, так и данные, полученные в процессе выполненного автором математического моделирования (последние данные будут рассмотрены в соответствующих разделах диссертации).
На каждом образце керна таблицы WS выполнены независимые определения трех параметров, см. табл. 2.1, которые были использованы в нашем исследовании:
1. Коэффициент открытой пористости Кп\
2. Приведенная емкость катионного обмена q„. Параметр рассчитан по формуле Чп "г с использованием параметров К„, Q„ и 8СК, измеренных на основном и параллельных образцах керна.
3. Зависимость сгвп = /(ав). Она определена последовательным насы щением основного образца керна водным раствором NaCl различной мине рализации, определяемой соответствующей ей величиной сгв, и измерением электропроводности образца Увп. На образце эти измерения выполнены в широком диапазоне изменения сгв для 4-7 точек. При этом на каждом образ це используются разные наборы значений тв.
Измерения выполнены при нормальных атмосферных условиях и средней температуре около 25 С.
В таблице WS номер образца состоит из трех цифр. Первая цифра (1-7) соответствует номеру таблицы в статье [101], цифрой 8 помечены данные автора. Две следующие цифры соответствуют номеру образца в статье [101], наши данные имеют номера, начинающиеся с цифры 1.
Всего данные Ваксмана-Смитса и наши данные вместе содержат 125 образцов кернов. В таблицу WS включены только ПО образцов, т.к. по результатам выполненных исследований автор пришел к выводу, что исключенные 15 образцов кернов (13 %), опубликованные в [101], содержат значения Кп или q„, которые определены с существенными погрешностями, вследствие чего эти образцы не отражают выявленные нами закономерности. Данные по другим образцам кернов содержат погрешности в измерениях К„ и q„ в диапазонах, которые не препятствуют выявлению на всех образцах J A , \\ V і 0.3 0 единых электрических закономерностей, но приводят к закономерным раз бросам точек на графиках. Наибольшие погрешности несет параметр qn, особенно при высоких его величинах, когда q„ 1.5 моль/л. Это связано со способом расчета этого параметра. пм На рис. 2.1 показаны кривые распределения параметров Кп и q„, а также график сопоставления этих параметров.
Диапазон изменения К„ составляет 0.054-0.322, a q„ 0.004-2.057 моль/л" "і Рис. 2.1. Кривые распределения и график сопоставления Кпи q„.
Сопоставление К„ и q„ показывает, что представленная выборка образцов кернов содержит представительные данные во всем диапазоне изменения пористости и приведенной емкости катионного обмена терригенных пород в литологическом ряде песчаник-алевролит-глина, т.к. в выборке содержатся данные для пород всех этих литологических типов. Это позволяет определить и проверить реально существующие стохастические закономерности, определяющие электропроводность пород в целом для терригенного разреза, и выявить закономерности, которые могут быть положены в основу при теоретическом и экспериментальном обосновании модели электропроводности полностью водона-сыщенной терригенной гранулярной породы.
В целом, данные в таблице WS содержат набор единичных определений на различных образцах кернов параметров К„, ?„, т8 и тви. Дополнительно к перечисленным четырем параметрам по формуле (1.21) был рассчитан па раметр т. На рис. 2.2 представлены обобщенные соотношения между всеми этими параметрами. На рис. 2.3 показана кривая распределения параметра т. Анализ представленных на рис. 2.2 и 2.3 данных позволяет сделать следующие выводы:
1. Параметр т изменяется в диапазоне 13-2А, что в целом соответствует оценкам В.Н. Дахнова.
2. Величина т четко контролируется, при прочих равных условиях, значениями qn и гв. Установлено, что при ств 3 Мо/м величина т 1.7-1.75 и снижается до 1.3-1.45 при уменьшении Je до 1 Мо/м и менее. при сгв 5 Мо/м величина т 1.7-1.75 и возрастает до 2.4 при увели " чении 7в до 25 Мо/м и более. При этом наблюдается стабилизация значения т при возрастании q„. т закономерно изменяется от величин около 1.7 при qn — 0 до зна чений менее 1.7 при сгв 3 Мо/м и до величин более 1.7.
Таким образом, коэффициент т в зависимости Р = f{Kn) в общем случае является сложной функцией трех параметров - Кп, q„, сгв.
Для исследования закономерностей были построены связи Р = f{Kn) по группам, имеющим ограниченные диапазоны изменения q„ и crg. На рис. 2.4 показаны такие графики для пресных (о"в 1 Мо/м) и соленых (о"в 5 Мо/м) растворов.
Развитие общих теоретических положений об электропроводности терригенной породы
Электропроводность горной породы как гетерогенной среды УП в общем случае можно представить как сумму электропроводностей двух фаз: порового пространства и структурного каркаса (скелета). В соответствии с постулатом смешения, обоснованным М.М. Элланским и Б.Н. Еникеевым [45, 46,76], можно записать: =К„ CjJ + {\-Knycrc: (3.4) При условии, что УСК — 0, получаем =К- (3-5) _ 1 Введем величину т- — Ф После элементарных преобразований выраже ния (3.5) приходим к теоретической записи закона Дахнова-Арчи в следующих двух привычных формах: п=КпЯ-» (3.6) ап Рэл &„
Формулы (3.6) и (3.7) соответствуют теоретическому условию, в соответствии с которым взаимодействие проводящих фаз порового пространства и скелета породы отсутствует. В реальных породах наблюдаются два случая: первый случай, при котором практически соблюдается указанное выше теоретическое условие. Оно соответствует случаю, когда стенки поровых каналов, контактирующих с водой, не несут электрического заряда. При этом электропроводность электролита является константой и определяется минерализацией насыщающей воды Св. Тогда сгэл « сгв и это соотношение может быть принято в форме сгэл =сгв. Зависимость У„ =/(О"М) В соответствии с формулой (3.6) описывается прямой, угол наклона которой определяется функцией пористости - Кп , представляющей собой структуру породы, а коэффициент т является структурным коэффициентом; второй случай, когда имеет место электрическое взаимодействие насыщающего флюида и части скелета породы, выстилающего поры и несущего электрический заряд qn, рассчитываемый по формулам (3.2) или (3.3). В этом случае тэл Ф ав. Для применения закона Дахнова-Арчи требуется знать величину тэл, которая является функцией сгэл = f(cre,qn). Зависимость Jn =/(о"м), описываемая формулой (3.6), имеет вид кривой, что связано с нелинейностью связи сгэл = f(ae,qn). При этом структурный коэффициент породы, как и в случае электрически нейтральной породы, определяется только пористостью ( К ) и не зависит от характера изменения электропроводности электролита гэл.
Если часть пор заполнена не проводящими электрический ток углеводородами, то в формулы (3.6) и (3.7) вместо Кп должно быть подставлено значение {Кп -Кв), т.е. в этом случае структурный параметр породы должен вычисляться по формуле (К„шКв)т, а величина приведенной емкости катион-ного обмена должна рассчитываться по формуле (3.3). Таким образом, неф-тегазонасыщение пор изменяет электрическое взаимодействие поровых каналов и электролита и дополнительно изменяет величину УЭЛ .
Обоснование модели электропроводности (3.6) для всего диапазона изменения входящих в него величин требует установления закономерностей, определяющих изменение коэффициента т и величины гэл.
Коэффициент т определяется структурными характеристиками породы. Анализ фактических данных по электропроводности, представленный в гла ве 2, показал, что коэффициент т для терригенных пород при q„ — О стремится к величине т « 1.7. Покажем это теоретическим расчетом.
В электрически нейтральной породе электропроводность породы определяется электропроводностью электролита, величина которого остается неизменной во всем диапазоне изменения пористости. При этом величина электропроводности породы определяется структурным параметром Кпт или
В.Н. Дахнов [37, 38], а также ряд зарубежных ученых предложили для количественного учета влияния структуры породы на ее электропроводность использовать в качестве интегральной меры этого влияния коэффициент извилистости Т. Этот коэффициент эквивалентен отношению длины фактического пути распространения тока, протекающего через образец между двумя его сечениями, к расстоянию между этими сечениями. В такой модели величина Т 1 и она тем выше, чем более сложной является структура породы.
Этими авторами при допущении эквивалентности интегральных величин длины поровых каналов (LK) и длины путей электрического тока (Ьэ) в образце породы, что имеет место только для электрически нейтральной породы, установлена следующая связь между величинами Т,Рп Кп:
Обоснование способа учета влияния температуры на электрическую проводимость породы
Анализ достоверности электрической модели полностью водонасыщен-ной породы выполнен на основе интегрированного исследования данных по совокупности всех образцов кернов, содержащихся в таблице WS, прил. 1.
Для каждого образца керна были выполнены расчеты электропроводности по модели (5.1) по всем точкам ( твл, 7в) как независимым данным. При расчетах были использованы две оценки коэффициента а - по К„, формула (4.2) и по qn, формула (4.10). Результаты расчетов представлены в табл. 1 приложения 1.
На рис. 5.1 показаны два графика сопоставления электропроводности: а) измеренной на образцах и б) рассчитанной по модели электропроводности. На эти графики нанесены все точки по кернам, измеренные при всех минера-лизациях (электропроводностях сгв). Отдельные точки, которые отклоняются
Щ от линии равенства электропроводностей, обусловлены погрешностями из мерения Кп, q„ и пар (ствп,ств).
В целом графики демонстрируют достоверность модели электропроводности для всего диапазона изменения минерализации насыщающей воды Се и широкого диапазона изменения литологии пород - от песчаников до глин, см. рис. 2.1. Среднее относительное расхождение между измеренными и расчетными значениями электропроводности по всей совокупности 593 точек составляет 4.1-4.2 %. Таким образом, модель (5.1) достоверна во всем диапазоне литологии терригенных пород.
Данные исследования электропроводности моделей глин
Вл.С. Афанасьев под руководством Б.Л. Александрова выполнил комплексное исследование электропроводности модельных образцов глин и пес-чаников [3, 5]. Эти данные позволяют проверить достоверность модели (5.1) при описании глин, характеризующихся аномальным влиянием адсорбционных процессов на электропроводность горных пород.
Пасты из глинистых частиц каолинита, гидрослюды и монтмориллонита, приобретенных ими в геологическом музее РФ, насыщались растворами различной минерализации. Эти образцы помещались в камеру высокого давления и подвергались сжатию, постепенно увеличивая нагрузку до нескольких мПа. В результате действия давления происходило уменьшение влажности образца - изменялась их пористость. В процессе отжатая водного раствора автоматически регистрировались электропроводность образца и объем отжатой из него воды. На конечной стадии уплотнения, когда при дальнейшем увеличении давления пористость образца уже не изменялась, образец извлекался из камеры и измерялась его остаточная водонасыщенность (конечная пористость). По полученным данным строилась зависимость
На рис. 5.2,а показаны такие зависимости для образцов глин. Сплошными линиями изображены интервалы реальных измерений, пунктирными линиями аппроксимация этих связей в области высоких до 1 и малых пористо-стей. Нам интересны только участки реальных измерений. На рис. 5.2,а также отображены такие же измерения, выполненные на пасте, изготовленной из кварцевого песка. На рис. 5.2,6 представлены графики, рассчитанные по модели (5.1). Кривые соответствуют тем же значениям сопротивления воды, которой насыщались модельные образцы глин и песчаника. Сопоставление результатов физического моделирования электропроводности искусственных моделей чистого кварцевого песчаника, каолинита, гидрослюды и монтмориллонита и расчетов по модели электропроводности (5.1) в интервалах, в которых были выполнены реальные измерения на образцах, показывает совпадение значений электропроводности, определенных обоими способами. Расчетным путем в деталях восстанавливается характер изменения Ргл = f(Kn) установленный экспериментально.
Похожие диссертации на Разработка петрофизической модели электропроводности терригенной породы в литологическом ряде песчаник-алевролит-глина
