Петрофізична типізація складнопобудованих порід-колекторів нафти й газу (на прикладі родовищ центральної та північної прибортової частини Дніпровсько-Донецької западини)

Ємець В. Ю. Петрофізична типізація складнопобудованих порід-колекторів нафти й газу (на прикладі родовищ центральної та північної прибортової частини Дніпровсько-Донецької западини) : дис. … доктора філософії : 103 Науки про Землю / Ємець Владислав Юрійович ; наук. кер. І. М. Безродна. Київ, 2025. 216 с.

Дисертаційна робота присвячена проведенню петрофізичної типізації складнопобудованих порід за каротажними даними при дослідженні їх на колекторські властивості, в тому числі при визначенні структури їхнього пустотного простору та встановлення граничних меж пружних параметрів для верхньовізейських та нижньовізейських-турнейських відкладів центральної та північної прибортової частини Дніпровсько-Донецької западини.
У вступі автором викладено детальне обґрунтування вибраної тематики із посиланням на зв’язок роботи із загальнодержавною програмою розвитку мінерально-ресурсної бази України до 2030 року. Автором визначено мету, завдання, предмет і об’єкт дослідження, а також сформульовано новизну отриманих результатів і підкреслено їх практичне значення. Крім цього, наведено інформацію про апробацію матеріалів дослідження та про особистий внесок здобувача, що підтверджує самостійність і якість проведених наукових досліджень.
В першому розділі проведено аналіз попередніх досліджень в області типізації порід-колекторів, а також визначення їх структури пустотного простору та дослідження фізики порід. У розділі систематизовано підходи до типізації складнопобудованих порід-колекторів, що мають складну структуру пустотного простору, неоднорідну літологію та змінні колекторські властивості. Наведено чотири основні класи методів типізації: петрофізичні, літологічні, літолого-петрофізичні та інтегровані.
Одним із перших відомих вчених, хто вивчав петрофізичні типи гірських порід на основі розподілу розмірів пустот був Archie G.E., який вперше дослідив зв’язок між статичними та динамічними петрофізичними параметрами порід. В петрофізичних методах фізичні характеристики порід (структура та геометрія пустот, розмір каналів пустот та ін.) лежать в основі розподілу порід на класи. Найбільш застосовуваними методами петрофізичної типізації є метод виділення гідравлічних одиниць потоку, розроблений в 1993 році J.O. Amaefule та ін.; метод виділення петрофізичних типів методом PSG (pore structure and geometry), авторами якого стали Permadi P. і Susilo A.; J-функція Леверетта для петрофізичної типізації; метод виділення петрофізичних типів на основі розміру каналів пустот, фундаментальну основу для якої поклав Winland D. і результат відтворив у вигляді емпіричного рівняння.
Саме рівняння Вінланда є однією з найбільш вживаною емпіричною моделлю для визначення ефективного радіуса пустот порід-колекторів. Наведене рівняння лягло в основу подальших досліджень структури пустотного простору, а також закладено автором в прийоми для типізації порід-колекторів за фільтраційно-ємнісними властивостями.
Крім того автором розглянуті літологічні методи типізації, основою для поділу порід на класи в яких є якісні літологічні характеристики порід, а також генетичні особливості, що призвели до формування тих чи інших характеристик (класифікації пористості карбонатних порід Choquette P.W. і Pray L.C.; структурну класифікацію, Dunham R.J., доповнена Embry A.F. та Klovan J.E.); літолого-петрофізичні методи типізації, що поєднують літологічні (структурно-текстурні) характеристики і петрофізичні властивості порід (класифікація карбонатних порід Archie G.E., структурно-петрофізична класифікація карбонатних порід Lucia F.J., класифікація піщано-алевролітових колекторів Ханіна); інтегровані методи петрофізичної типізації, в яких неможливо виявити переважну класифікаційну ознаку, за якою здійснюється виділення петрофізичних типів порід (інтегрований метод Skalinski M. та ін., інтегрований підхід до петрофізичної типізації Salman S.M. та Bellah S.).
Також автором в цьому розділі опрацьовано методи дослідження структури пустотного простору складнопобудованих порід-колекторів. Показано, що виділяють два основні підходи до вивчення структури пустотного простору порід: прямі (з прямим дослідженням керну) та опосередковані (за обробкою результатів петрофізичних досліджень порід). В даній роботі автором був проаналізований опосередкований метод акустичної інверсії для визначення структури пустотного простору порід-колекторів, що розроблений на кафедрі геофізики ННІ «Інститут геології» КНУ імені Тараса Шевченка, зокрема: Г.Т. Продайводою, С.А. Вижвою, І.М. Безродною та ін.
Представлено результати аналізу методик досліджень, що стосуються фізики порід у контексті петрофізичної типізації, виконаних як іноземними, так і вітчизняними дослідниками. У цих роботах розглядаються підходи до аналізу та прогнозування пружних властивостей, оцінки впливу насичення на розповсюдження пружних хвиль і застосування отриманих даних для характеристики колекторів. Встановлено, що на даний момент недостатньо досліджено питання фізики порід при проведенні петрофізичної типізації, що й планується виконати у даній роботі.
В другому розділі автором проаналізовано результати геологічного вивчення об’єкту досліджень та охарактеризовано особливості порід верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів центральної та північної прибортової частини Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ). Встановлено, що карбонатні породи турнейського ярусу досліджених родовищ зазнали інтенсивних вторинних змін – доломітизації, тріщинуватості, кавернозності та цементації, що суттєво вплинуло на формування їх пустотного простору, особливо в карбонатних породах. Наприклад, у вапняках горизонту Т-1 Березівського родовища спостерігаються конкреції піриту та коралів, що свідчить про інтенсивні діагенетичні зміни.
Аналіз результатів дослідження літературних і фондових джерел показав, що на Березівському родовищі найбільш перспективним є горизонт В-16, який має значну варіативність ефективної товщини (до 23,6 м), літологічно представлений пісковиками з пористістю 2,5 - 15,3 %, газонасиченістю 70,0 – 96,0 %. На Котелевському родовищі найбільш перспективним є горизонт В-25-26, що представлений пісковиками з пористістю від 6,0 % до 16,7 % і газонасиченістю від 78,9 % до 94,5 %. На Краснокутському родовищі найбільш перспективним є горизонт В-26, де газонасиченість пісковиків варіюється від 58,0 % до 72,0 % і має пористість 6,0-8,2 %.
Третій розділ присвячений методиці обробки та інтерпретації даних методів геофізичних досліджень свердловин з визначенням літології, петрофізичних параметрів досліджених інтервалів та розробці методичного підходу до петрофізичної типізації складнопобудованих порід-колекторів верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів центральної та північної прибортової зони Дніпровсько-Донецької западини. У цьому розділі обґрунтовано вибір основних методів аналізу та типізації порід на основі комплексу геофізичних даних. Особливу увагу приділено розробці підходів, які дозволяють врахувати складну будову пустотного простору колекторів, зумовлену як первинною фаціальною неоднорідністю, так і вторинними змінами – тріщинуватістю, кавернозністю, доломітизацією.
В першій частині розділу показано алгоритм проведення обробки та інтерпретації матеріалів геофізичних методів досліджень свердловин детерміністичним шляхом з визначенням літології, петрофізичних параметрів досліджених інтервалів та їхнього насичення для трьох свердловин. Автором було враховано емпіричні залежності для оцінки коефіцієнтів пористості та проникності продуктивних пластів та характеру їхнього насичення зі звітів по підрахунку запасів Березівського, Котелевського та Краснокутського родовищ.
Автором розроблено методику, в основі якої лежить принцип комплексної інтерпретації результатів геофізичних досліджень свердловин із використанням каротажних даних та математичного моделювання. Ключовими етапами методичного підходу є:
• попередній літолого-фаціальний аналіз розрізу для визначення характеру відкладів, зон розвитку пористих і тріщинуватих порід, виявлення вторинних змін (доломітизація, розчинення, цементація тощо);
• виділення петрофізичних параметрів (коефіцієнти глинистості, пористості, насичення) за результатами каротажу;
• застосування емпіричної моделі Вінланда – для оцінки впливу структури пустотного простору на взаємозв’язок між пористістю та проникністю та визначення ефективного радіусу пустот;
• виділення петрофізичних типів на основі введеного класифікаційного параметра R для статистичного групування інтервалів;
• аналіз пружних властивостей порід та побудова діаграм залежності швидкостей повздовжних (Vp), поперечних (Vs) хвиль та густини (ρ) від пористості для знаходження параметрів матриці для окремих вибірок шляхом екстраполяції функцій в область нульової пористості;
• виділення типів порід-колекторів з кількісно визначеними особливостями їх внутрішньої будови, зокрема, форматами та концентраціями їхніх пустот різних типів;
• уточнення кореляційних залежностей між петрофізичними та пружними параметрами для кожного виділеного типу з метою побудови прогнозних моделей колекторських властивостей.
В четвертому розділі наведено результати впровадження комплексної методики петрофізичної типізації верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів досліджуваної групи родовищ.
Автором було виділено дві вибірки: верхньовізейські та нижньовізейсько-турнейські відклади. В межах кожної вибірки на основі класифікаційного параметра R автором було виділено сім груп порід-колекторів (R=1 ÷ 7), що мають подібні значення ефективного радіусу пустот. Виділення однотипних пропластків за розміром пустот дало змогу отримати стійкі рівняння кореляції між коефіцієнтами пористості та проникності для кожного з типів окремої вибірки. Автором був проведений статистичний аналіз ефективного радіусу переважаючих пустот порід-колекторів, що дозволив виявити особливості внутрішньої будови верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів.
Після проведення першого етапу петрофізичної типізації порід-колекторів для трьох свердловин Березівського, Котелевського та Краснокутського родовищ було cформовано 28 вибірок значень з 729 пропластків, для яких визначено концентрацію пустот різного походження при визначенні їх форматів та проведено оцінку типів порід-колекторів. Автором встановлено ряд особливостей структури пустотного простору досліджуваних відкладів:
• для Березівського родовища: міжзернові пустоти домінують у верхньовізейських відкладах, причому мікротріщини повністю відсутні; для нижньовізейсько-турнейських відкладів зростає вміст вторинних пустот, в наявності є невелика частина мікротріщин, що свідчить про появу карбонатної складової;
• для Котелевського родовища: верхньовізейські та нижньовізейсько-турнейські відклади мають як міжзернові пустоти, так і каверни та тріщини, що вказує на складні умови діагенезу або неоднорідності осадконакопичення цих відкладів;
• для Краснокутського родовища: верхньовізейські та нижньовізейсько-турнейські відклади мають більш ущільнений тип порід (відсутність порід з великим розміром пустот), що може ускладнювати фільтрацію, але наявність мікротріщин повинна це компенсовувати.
За отриманими результатами досліджень в пропластках порід верхньовізейського ярусу Краснокутського, Березівського і Котелевського родовищ встановлено 6 типів порід-колекторів: гранулярний, гранулярно-тріщиний, тріщино-гранулярний, кавернозно-гранулярно-тріщиний, тріщинно-кавернозно-гранулярний та кавернозно-тріщинно-гранулярний. При дослідженні порід-колекторів нижньовізейсько-турнейських відкладів різноманітність структури пустотного простору досліджених пропластків також зберігається за виключенням порід Краснокутського родовища, де встановлено тільки кавернозно-гранулярно-тріщинні колектори.
На основі проведеної комплексної петрофізичної типізації та аналізу акустичних параметрів автором були виділені характерні діапазони акустичних імпедансів (AI) та співвідношень швидкостей пружних хвиль (Vp/Vs) для продуктивних інтервалів різних стратиграфічних комплексів свердловин Березівського, Котелевського, Краснокутського родовищ:
• Продуктивні пропластки верхньовізейських відкладів свердловини Березівського родовища складені пісковиками з АІ – 9600 ÷ 12500 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,58 ÷ 1,65 та карбонатами з АІ – 12300 ÷ 15400 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,86 ÷ 1,92.
• Продуктивні пропластки нижньовізейсько-турнейських відкладів свердловини Березівського родовища складені пісковиками з АІ – 8500 ÷ 13400 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,60÷ 1,69 та карбонатами з АІ – 12500 ÷ 14500 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,86 ÷ 1,90.
• Продуктивні пропластки верхньовізейських відкладів свердловини Котелевського родовища складені пісковиками з АІ – 10100 ÷ 12400 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,54 ÷ 1,66 та карбонатами з АІ – 11600 ÷ 15000 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,84 ÷ 1,93.
• Продуктивні пропластки нижньовізейсько-турнейських відкладів свердловини Котелевського родовища складені переважно пісковиками з АІ – 12000 ÷ 15000 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,81÷ 1,89.
• Продуктивні пропластки верхньовізейських відкладів свердловини Краснокутського родовища складені переважно пісковиками з АІ – 10500 ÷ 12500 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,60 ÷ 1,70.
• Продуктивні пропластки нижньовізейсько-турнейських відкладів свердловини Краснокутського родовища складені карбонатами з АІ – 10500 ÷ 16000 г•м/см3•с, Vp/Vs – 1,80 ÷ 1,97.
Розроблена автором комплексна методика петрофізичної типізації має приклади успішної реалізації під час випробування розглянутих у роботі складнопобудованих колекторів нафти й газу. Підтвердженням ефективності розробленої комплексної методики є результати випробувань, де надходження газу зафіксовано з пропластка з радіусом пустот 8,85 мкм та тріщинною пористістю 0,9 % при загальній – 9,4 %.
Результати, отримані в дисертаційній роботі, можуть бути використані при подальшому випробуванні верхньовізейських покладів свердловин даної групи родовищ.
Таким чином, автором було розроблено комплексну методику для типізації складнопобудованих порід-колекторів верхньовізейських та нижньовізейських-турнейських відкладів, побудови їх петрофізичних моделей, результати впровадження методики було відтворено у вигляді узагальнених таблиць.
Наукова новизна:
1. Вперше для верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів центральної та північної прибортової зони ДДЗ запропоновано новий підхід до петрофізичної типізації складнопобудованих порід-колекторів, заснований на емпіричній моделі Вінланда.
2. Вдосконалено методику визначення структури пустотного простору порід-колекторів, де вперше при виборі початкового наближення математичної моделі пластів-колекторів (групи пластів) були використані дані попередньо визначеного ефективного радіусу пустот верхньовізейських та нижньовізейських-турнейських відкладів центральної та північної прибортової зони ДДЗ.
3. Вперше з врахуванням структури пустотного простору нафтогазонасичених покладів верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів центральної та північної прибортової зони ДДЗ визначено граничні межі пружних параметрів, що дозволяє виокремлювати перспективні інтервали складнопобудованих порід-колекторів за акустичними властивостями.
4. Розроблену комплексну методику для побудови петрофізичних моделей складнопобудованих порід-колекторів вперше адаптовано для верхньовізейських та нижньовізейсько-турнейських відкладів досліджуваних родовищ.