К оглавлению

УДК 624.131.54:551.263.037:552.5

Деформационная неоднородность вулканогенно-осадочных пород и их реологические особенности

В.Б. АЛЕКСАНДРОВ, А.О. НАНАДЗЕ (Грузнефть), И.Г. МЕЛИКИДЗЕ (ИГМ АН ГССР), М.Э. ГРИНБЕРГ (Грузнефтегеофизика)

Для решения некоторых важных геолого-промысловых задач при разработке нефтяных месторождений необходимо знать деформационную неоднородность пород-коллекторов [1]. При высоких давлениях и температурах, соответствующих большим глубинам залегания многих нефтяных месторождений, особенно, когда напряжения превосходят предел упругости пород, неоднородность деформационных свойств последних в значительной мере усиливается явлениями вязкого и квазивязкого течений диффузионного и разрывного характера. Поэтому математическое описание процессов деформирования неоднородных пород наряду с законами упругости учитывает их реологические особенности [5].

Результаты геолого-геофизического изучения условий вскрытия вулканогенно-осадочных пород-коллекторов среднего эоцена в Притбилисском районе свидетельствует о том, что на качество вскрытия существенно влияет изменение деформационных свойств пород, и в частности их реологические особенности [9].

В настоящее время свойства вулканогенно-осадочных пород-коллекторов среднего эоцена достаточно полно изучены по их литологическому составу и эффективной емкости. Петрофизическая модель среднеэоценового коллектора, представленного туфами, туффитами, туфогенными песчаниками, туфо-аргиллитами и т. д., характеризуется наличием низкопроницаемой матрицы, рассеченной преимущественно вертикальной системой трещин на отдельные блоки [12]. Матрица сложена как пирокластическим материалом, представленным вулканическим стеклом и полевыми шпатами, так и осадочным, содержанием кварц и глинистые минералы. При микроскопическом исследовании, установлено, что по матрице развиты открытые микротрещины, как правило, слабоизвилистые, ветвящиеся, прерывистые. Ширина их в блоках 8-16, реже 30 мкм. Важная особенность матрицы - значительные вторичные изменения, наблюдаемые в вулканическом стекле и полевых шпатах почти во всех литологических разностях пород, при этом преобладают вторичные минералы группы хлоритов и цеолитов, содержащие большое количество связанной воды. Проявление вторичного минералообразования (хлоритизация, цеолитизация и т. д.) определяет особенности петрофизической модели вулканогенноосадочных пород среднего эоцена, которые в свою очередь влияют на изменчивость их деформационных параметров.

Известно, что горные породы деформируются главным образом хрупко и квазихрупко, когда материал проявляет пластические свойства. Общее разрушение материала среды в этом случае происходит при достижении средним напряжением «местной» прочности самого «дефектного» участка, каким может оказаться объем породы с наличием микротрещин. Согласно статистической теории прочности [2], такие микротрещины стохастически распределены по всему объему горных пород, что обычно бывает вызвано неоднородностью их структуры, последствиями тектонических явлений и вторичными изменениями пород.

В теории хрупкого разрушения [11] прочность хрупкого тела с трещиной диаметром d определяется по формуле

Значения модуля упругости Е и коэффициента Пуассонаа также плотность средыхарактеризуют скорости распространения объемных упругих волн. Если использовать методы динамической теории упругости и механики сплошных сред [10], то для однородной и изотропной упругой среды (керн при акустических исследованиях) скорость распространения продольных волн vp может быть выражена уравнением

При совместном решении равенств (1) и (2) прочность пород теоретически можно выразить через vp

)

где- коэффициент сжимаемости пород.

Выражение (3) свидетельствует о том, что- комплексная функция, зависящая как от акустической жесткости так и отряда деформационных параметровдля определения которых также используется vp.

Поскольку теоретически сложно учесть влияние большого количества рассмотренных случайных факторов, существующих в реальных природных условиях, на функциональную зависимость (3), для изучения связи использовали аппарат теории вероятностей и математической статистики. В работе [3] показано, что при отсутствии прямой функциональной связи между существует достаточно тесная корреляционная связь типа. Для выявления последней между vp и пределами прочности вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена при одноосном сжатиирастяжении и сдвигебыли использованы значения этих параметров, определенные в Институте горной механики АН ГССР по керну разведочных скважин в Притбилисском районе [6].

Скорость vр и пределы прочности исследовали по стандартным методикам на одних и тех же, взятых в одинаковых условиях разновидностях пород. Всего для указанных параметров выполнено 442 определения. С целью исключения неизбежных ошибок при испытаниях за окончательный результат измерений принималось среднее арифметическое значение параметров по каждой разновидности пород.

Сводные результаты измерений приведены на рис. 1 в виде полей корреляции средних значений. Анализ указанных полей подтверждает надежную линейную корреляционную связь между этими параметрами . Методом наименьших квадратов выведены уравнения регрессии (табл. 1), графики которых также приводятся на рис. 1. Большинство экспериментальных точек расположилось в пределах четко выраженных узких полос, которые ограничены пунктирными линиями, проведенными на уровне. Эти полосы в пределах доверительных границ ±d (см. табл. 1), рассчитанных по среднему квадратическому отклонению, отражают наличие экспоненциальной модели изменения прочностных свойств для всей совокупности вулканогенноосадочных пород среднего эоцена. Теснота приведенных связей в модели оценивается коэффициентами корреляции 0,907, 0,878 и 0,981 соответственно для уравнений регрессии (1)-(3) (см. табл. 1).

При определении генетического единства модели деформационных свойств горных пород важное значение имеют критерии прочности Попарное решение уравнений (1) и (2), (3) и (2) (см. табл. 1) применительно к указанным критериям дает их значения для вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена:= 13,10±0,28, а=2,32±0,04. Относительно малые величины пределов их изменения (2,13 % дляи 1,76% для) свидетельствуют о генетическом единстве экспоненциальной модели деформационных свойств вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена. В качестве статистического критерия адекватности и надежности полученной модели использовали критерий Стьюдента, который указывает на реальность установленных связей на уровне значимости 0,01.

Таким образом, результаты исследований позволяют рассматривать корреляционную связь междувулканогенно-осадочных пород как вполне достоверную и использовать подобные связи в качестве основы для оценки деформационной неоднородности пород среднего эоцена и их реологических особенностей. Однако следует учитывать, что в этих породах будут проявляться и некоторые отклонения от приведенных в табл. 1 уравнений связи, которые могут зависеть от различных условий бурения и технологии отбора керна. Например, при исследовании 31 образца в оценочной скв. 32 на месторождении Телети получили зависимость, по которой (см. уравнение (4), табл. 1) можно судить о некотором снижении  вулканогенно-осадочных пород в пределах разреза среднего эоцена, пройденного со сплошным отбором керна в интервале 655-1142 м.

В скв. 32 был проведен акустический каротаж с замером интервальных vp на тех же глубинах, где были отобраны образцы пород для испытания на прочность при одноосном сжатии и лабораторных измерений vр. Это позволило выявить характер кумулятивного распределения vр в пределах вскрытой толщи и сопоставить их с корреляционной зависимостью (4) - путем построения сдвоенной номограммы (рис. 2), которая помогает проанализировать деформационную неоднородность вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена. Расчет можно выполнить по номограмме путем горизонтального переноса значений  на прямую зависимости (4), а затем по вертикали на кумулятивную кривую распределения vр, по которой и находят вероятность присутствия в разрезе пород, относящихся к тому или иному классу с характерными деформационными свойствами.

По данным сопоставления и анализа прочностных свойств вулканогенноосадочных пород среднего эоцена и результатам исследований параметров пластичности [6] уточнена классификация основных деформационных и реологических свойств. По последним (табл. 2) разрез отложений среднего эоцена обладает существенной неоднородностью, особенностью которой является наличие группы пород с ярко выраженными пластическими характеристиками. Это туффиты пелитовые и кристаллические туфы с глинистым цементом, туфы литокристаллокластические с хлоритизированным цементом, туфы цеолитизированные, т.е. породы, подверженные постседиментационному изменению эффузивного материала с образованием повышенной концентрации минералов, в состав которых входит кристаллизационная и конституционная вода, способствующая образованию прочностных дефектов [8]. Присутствие таких минералов повышает условную глинистость (УГ) пород указанной группы [9]. Она способствует проявлению вязкого и квазивязкого течений диффузионного и разрывного характера, в результате чего породы имеют высокую степень пластичности и небольшие пределы текучести (см. табл. 2). Им соответствуют низкие величины пределов прочности при одноосном сжатии .

Значение последнего показателя может быть использовано для количественного анализа деформационной неоднородности вулканогенно-осадочных пород среднего эоцена. Проведенный по номограмме (см. рис. 2) такой анализ свидетельствует о том, что вероятность наличия пластичных пород в разрезе среднего эоцена на примере скв. 32 месторождения Телети не превышает 10 %. Следовательно, деформационная неоднородность разреза обусловлена в основном группой упругих пород, что неблагоприятно сказывается на гидродинамической связи пласта с добывающими скважинами в пределах интервалов вскрытия, так как возникающие на контуре выработки дополнительные напряжения приводят к смыканию трещин.

Однако развитие пластических свойств вулканогенно-осадочных пород при деформировании во время вскрытия их скважинами создает предпосылки для проявления эффекта пластического разрыхления [7], которое физически объясняется как процесс образования в породе микропустот, а также уменьшения местных напряжений (горного давления) вблизи ствола скважины [4]. Эта реологическая особенность пород с пластическими свойствами - основной фактор, обеспечивающий увеличение их пористости около открытого ствола добывающей скважины и его эффективную связь с продуктивным пластом. Комплексные геолого-геофизические исследования условий вскрытия вулканогенно-осадочных пород подтверждают [9] такой подход к оценке деформационной неоднородности. В частности, в приведенной работе отмечалось, что формирование зон притоков в добывающие скважины происходит в пределах узких интервалов присутствия пород с повышенной УГ, т.е. с развитыми пластическими свойствами, которые проявляются по толщине пласта в основном в пределах 1,2 - 10%.

Показательны в этом отношении результаты исследования добывающей скв. 67 на месторождении Самгори-Патардзеули. Неоднократные потокометрические замеры в открытом стволе этой скважины термокондуктивным методом фиксируют наличие всего двух интервалов притока (2452-2454 м и 2493-2499 м) при общей толщине вскрытой продуктивной части пласта 234 м. Результаты обработки детальных геофизических исследований (рис. 3) свидетельствуют, что интервал притока 2452-2454 м формируется в пределах развития пластических пород с высокой УГ (Куг=0,75), которые отличаются повышенными значениями вторичной пористости (13%), хотя пористость остальной части разреза, представленной упругими породами, не более 1,3%. Подробнее методика и результаты таких исследований изложены в работе [9].

Таким образом, наличие деформационной неоднородности вулканогенноосадочных пород и проявление их реологических свойств определяют характер формирования зон притока в добывающие скважины, а это дает ценные сведения для понимания естественного процесса формирования гидродинамической связи добывающих скважин с продуктивным пластом. Такая информация в комплексе с результатами интерпретации геолого-геофизических данных создает основу для практических выводов и обоснования технологических решений при вскрытии вулканогенно-осадочных коллекторов в различных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Викторин В.Д., Лыков Н.А. Неоднородность карбонатных коллекторов по упругомеханическим свойствам.- Нефтепромысловое дело, 1975, № 2, с. 12-16.

2.     Волков С.Д. Статистическая теория прочности. Свердловск, Гостехиздат, 1960.

3.     Голубев А.А., Рабинович Г.Я. Результаты применения аппаратуры акустического каротажа для определения прочностных свойств горных пород на месторождениях твердых полезных ископаемых.- Разведочная геофизика. М., Недра, 1976, вып. 73, с. 109-116.

4.     Желтов Ю.П. Деформация горных пород. М., Недра, 1966.

5.     Зубков С.И. Обобщенная реологическая модель горных пород,- ДАН СССР, 1969, т. 185, № 4, с. 813-815.

6.     Исследование физико-технологических свойств горных пород Притбилисского нефтеносного района / И.Г. Меликидзе, В.Б. Александров, М.Т. Ткемаладзе и др.- В кн.: Свойства и разрушение горных пород. Мешниереба, Тбилиси, 1979, с. 55-70.

7.     Новожилов В.В. О пластическом разрыхлении.- Прикладная математика и механика. М., Недра, 1965, т. 29, вып. 4, с. 681-689.

8.     Пархоменко Э.Н., Бондаренко А.Т. Влияние процесса дегидратации на комплекс физических параметров образцов горных пород при высоких давлениях и температурах.- В кн.: Физика очага землетрясения. М., 1975, с. 140-151.

9.     Результаты геолого-геофизического изучения условий вскрытия вулканогенно-осадочных коллекторов / В.Б. Александров, Ю.Л. Жетлухин, А.О. Нанадзе и др.- Геология нефти и газа, 1980, № 9, с. 19-25.

10.     Савин А.И., Ященко 3.Г. Исследование упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М., Недра, 1979.

11.    Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М., Наука, 1974.

12.     Шнурман Г.А., Крылов О.В. Методика определения литологического состава и эффективной емкости вулканогенно-осадочных коллекторов по данным промысловой геофизики.- Нефтегаз, геол. и геофиз., 1981, № 5, с. 21-26.

 

Таблица 1

Количество образцов пород

Количество средних значений параметров

Уравнение регрессии

Коэффициент корреляции

Доверительные границы

202

24

0,907

±0,060+0,138

164

23

0,878

±0,074+0,173

76

14

0,921

±0,091+0,195

31

-

0,877

-

 

 Таблица 2

Классы

Степень пластичности (средний коэффициент пластичности по Шрейнеру Кш)

Характеристика породы (максимальное количество образцов)

Средние значения параметров

, МПа

Кш(по . опытным данным)

Предел текучести Ро. МПа

Показатель вязкости h*106, МПа

II

Хрупкопластичные (2)

Туф кристаллокластический, псаммитовый, туффит литокристаллокластический, алевропелитовый, карбонатизированный (51)

125,5

1,90

-

6,24

2,09

III

Пластичнохрупкие (3)

Туф литокристаллокластический, алевропсаммитовый и кристаллокластический, алевропелитовый, туффит алевропелитовый, туфоаргиллит, туфопесчаник мелкозернистый (54)

112,2

2,37

947

5,83

2,05

IV, V

Пластичные (5)

Туф литокристаллокластический, цеолитизированный или глинистый, туффит пелитовый, туфомергель, туфопесчаник крупнозернистый (45)

61,2

3,56

463

4,00

1,78

VI

Не дающие разрушения

Туф литокристаллокластический цеолитизированный (22)

36,5

162

1,99

1,56

 

Рис. 1. Корреляционная зависимость пределов прочности вулканогенно-осадочных пород на сжатие растяжение и сдвигот значений скорости продольных акустических волн

 

 

Рис. 2. Номограмма количественного определения деформационной неоднородности вулканогенно-осадочных пород в разрезе среднего эоцена для скв. 32

 

Рис. 3. Пример промыслово-геофизического исследования зон притока по добывающей скв. 67.

 

1 - литокристаллокластический туф; 2 - туфомергели, 3 - интервалы туфов с УГ; 4 - интервалы с развитой вторичной пористостью в туфах, 5 - зоны притока