Трещиноватость и кавернозность

Это очень интересные и сложные темы - для некоторых регионов они имеют ключевое значение, но при этом нет массовых и достоверных методов их определения.

Естественная трещиноватость и кавернозность характерны для твердых и непластичных горных пород, таких как карбонатные, метаморфические и вулканогенные. Считается, что в терригенных горных породах эти факторы не наблюдаются.

Сначала вспомним что эти явления из себя представляют, а потом перейдем к методам определения.

Трещиноватость

Трещины, не смотря на свою малую емкость (Кп меньше 1%), играют ключевую роль в фильтрационной способности горной пород – коэффициент проницаемости трещин в десятки раз больше, чем у порового пустотного пространства.

При этом трещиноватые коллекторы крайне неоднородны - в отличие от поровых коллекторов, где проницаемость определяется равномерным распределением пор, в трещиноватых коллекторах проницаемость может изменяться в широком диапазоне в зависимости от масштаба и взаимосвязанности трещин.

Важным фактором является ориентация трещин относительно напряжений в горной породе.

Существует много классификаций трещин по типу происхождения [1], но основные можно выделить три:

• литогенетические возникают в процессе диагенеза и уплотнения осадка (первичные), повторяют и подчеркивают текстуру породы вдоль многочисленных слойков уплотнения
• тектонические (вторичные) возникают из-за напряжений, вызванных движениями земной коры, располагаются преимущественно перпендикулярно слоистости (реже под наклоном)
• техногенные возникают либо в процессе бурения скважины (например, из различия горизонтальных напряжений в горных породах), либо создаются специально в процессе гидроразвыва пласта (ГРП)

Максимальное влияние на показатели разработки оказывают влияние последние два типа.

Выделяются следующие типы трещин:

1. открытые:
• связанные: образуют сеть, по которой флюиды могут эффективно перемещаться
• несвязанные : изолированы и играют роль в хранении флюидов, но не участвуют в фильтрации
2. закрытые: могут заполняться минералами (карбонатами, кварцем и др.) и не участвовать в фильтрации, но влиять на механические свойства породы («открываться» в процессе воздействий на горную породу)

Кавернозность

Каверны (крупные пустоты диаметром больше 1 мм), формируются в результате процессов растворения породы - вынос минералов при движении пластовых вод, а также вследствие перекрестизации исходных минералов (наверно, самое частое замещение кальция на магний при переходе кальцита в доломит).

При наличии кавернозности наблюдается две возможные ситуации:

• если каверны сообщаются между собой - увеличение пористости и проницаемости
• если каверны сообщаются через матрицу (поры) породы - увеличение пористости и уменьшение проницаемости

Методы выделения

Выделяется два масштаба трещин и каверн:

• микроуровень - исследования по керну: стандартные образцы, шлифы и РЭМ)
• макроуровень - изучается специальными методами ГИС)

При этом по керну объем трещиной пористости достоверно не определить - при подъеме керн переходит из зоны высокого давления в зону низкого давления и увеличивается в размере, что приводит в раскрытию трещин. Если расширение пор можно определить, то с трещинами так не получается. А раньше из трещиноватого интервала извлекали просто щебень.

Хотя достоверно величину коэффициента пористости трещин нельзя определить, но можно однозначно сказать, что она очень небольшая (меньше погрешности измерения геофизических методов). Поэтому лучше говорить о возможности выделения трещиноватых интервалов по геофизическим методам, а не о количественном определении объема трещин. При этом коэффициент пористости трещин для целей определения объема запасов некоторыми исследователями принимается константой.

Другой сложный вопрос - это коэффициент нефтегазонасыщенности трещин. Распределение флюидов в системе трещин будет однозначно другое, отличное от поровой системы – остаточной воды там будет мало, т.к. нет капилляров (в виде трубок) и тупиковых пор. Поэтому Кнг тоже исследователями принимают константой от 70 до 100%.

Микроимиджеры

Это самый главный и самый точный метод выделения трещиноватых и кавернозных интервалов.

Микроимиджер (сканер) приставляет собой скважинный прибор, результаты измерения которого представляют собой развертку (изображение) ствола скважины (имидж).

Выделение каверн и трещин по данным скважинных микроимиджеров основано на анализе текстуры и аномалий на изображениях.

Трещины на микроимиджерах проявляются как линейные или криволинейные аномалии:

• открытые трещины - темные линии (низкое сопротивление)
• залеченные трещины - светлые линии (высокое сопротивление, заполнены кальцитом, кварцем и др.)

Каверны – это неправильные, изометричные или овальные зоны с резко пониженным сопротивлением (темные пятна).

Кросс-дипольный акустический метод

Метод предназначен для регистрации кинематических параметров головных волн. Кросс-дипольная модификация АКШ (КДА) – особенностью метода является использование источников со скрещенными диполями (Х и У диполи) – в дополнение к данным стандартного АКШ, выполняются измерения быстрой и медленной поперечных волн, поляризованных в разных плоскостях.

В случае монолитной горной породы поперечные волны Х и У не будут отличаться, по наличии субвертикальной трещиностости будет наблюдаться различие пропорциональное степени трещиноватости.

Эмпирические и теоретические прогнозные модели с использованием стандартного комплекса геофизических исследований

Выделению и оценке параметров трещиноватых пород по стандартному комплексу ГИС посвящено много работ, но подходы можно разделить на две группы:

• с использование электрических методов, в том числе по отклонению структурного коэффициента n от 2.0 в меньшую сторону (модель Дахнова-Арчи) [3, 4]
• по различию акустической жесткости трещин, каверн и матрицы горной породы [5, 6, 7].

Достаточно широкое распространение получила методика В.М.Добрынина [5], в основе которой лежит существенное различие пор, трещин и каверн по величине коэффициента объемной сжимаемости, что отражается на скорости распространения упругой волны.

Эта методика также модифицируется рядом авторов для учета ряда дополнительных факторов, в том числе, учета сложного минерального состава карбонатных коллекторов Восточной Сибири.

Отдельно нужно рассмотреть методику В.А.Ефимова [7], показанныую для метаморфических горных пород палеозойских отложений (ДЮК Западной Сибири).

В основе методики лежит сопоставление измеренных по каротажу параметров (интервальное время твердой фазы по АК и плотности твердой фазы по ГГК-П) с параметрами чистых минералов (на основе справочных данных).

Если расчетные точки по скважине лежат в пределах поля рассеяния справочных данных, то горные породы характеризуются как горные породы с поровым типом пустотного пространства; если же расчетные точки располагаются выше справочной закономерности, то в горных породах имеет место трещиноватость, а если ниже - кавернозность.

Такое поведение обусловлено физической природой поведения интервального времени в трещиноватых и кавернозных породах: в трещиноватой породе интервальное время продольных волн увеличивается, а в кавернозных, наоборот, уменьшается.

Выводы:

1. Трещиноватость и кавернозность горных пород оказывают значительное влияние на фильтрационно-емкостные свойства коллекторов, однако их достоверное определение остается сложной задачей.
2. Основные трудности связаны с количественной оценкой трещинной пористости, неоднородностью распределения трещин и ограниченной точностью существующих методов.
3. Наиболее эффективными инструментами для выделения трещин и каверн являются микроимиджеры и кросс-дипольный акустический каротаж.
4. тогда как стандартные методы ГИС требуют адаптации с учетом специфики коллектора.
5. Методики, использующие стандартные методы ГИС, позволяют косвенно оценивать трещиноватость и кавернозность.

Литература

1. Максимов Е.М. Общая и структурная геология. Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.220 с.
2. Саадатзаде, Э., Шахбази, Х., Салехи, Р. (2023). Оптимальная стабильность скважины нефтяной скважины, пробуренной в сильно трещиноватом карбонатном резервуаре, на основе дипольного сейсмического анализа. *Journal of Petroleum Science and Technology*, 13(2), 29-39. https://doi.org/10.22078/jpst.2023.5017.1852
3. Князев, А. Р. Выделение интервалов трещиноватости в низкопористых карбонатных породах по стандартному комплексу ГИС / А. Р. Князев // Каротажник. – 2005. – № 8(135). – С. 55-71. – EDN JTTNCG.
4. Knyazev, A. R. Fracture evaluation procedure of poor- porous oil-saturated carbonate strata according to hole electrical measurements data / A. R. Knyazev, V. I. Kostitsin // Geology, Geophysics and Development of Oil and Gas Fields. – 2011. – No. 5. – P. 24-30. – EDN NTSTBJ.
5. Добрынин В.М. Изучение пористости сложных карбонатных коллекторов // Геология нефти и газа. 1991. № 5. С. 30-34
6. Юматов, А.Ю. Распространение упругих продольных волн в пористых горных породах с трещинами и кавернами : дис…. канд. физ.-мат. наук : 01.04.12 [Текст] / А. Ю. Юматов. – Тюмень, 1984. – 133 с.
7. Бембель С. Р., Ефимов В.А. Петрофизическая интерпретация геофизических исследований скважин и геологическая модель объекта, сложенного метаморфическими породами // Петрофизика сложных коллекторов: проблемы и перспективы 2015. Сборник статей / Сост. Б.Н. Еникеев. - М.: ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2015. С. 96-116.