Прогнозування фізичних і колекторських властивостей порід-колекторів та оцінка їх нафтогазонасиченості за сейсмоакустичними даними

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ІМ. С.І. СУББОТІНА

ХЕКАЛО ПЕТРО ІВАНОВИЧ

УДК 550.832

ПРОГНОЗУВАННЯ ФІЗИЧНИХ І КОЛЕКТОРСЬКИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ПОРІД-КОЛЕКТОРІВ ТА ОЦІНКА ЇХ НАФТОГАЗОНАСИЧЕНОСТІ ЗА СЕЙСМОАКУСТИЧНИМИ ДАНИМИ

Спеціальність 04.00.22. - геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ2011

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Малицький Дмитро Васильович, завідувач відділу методів сейсмотектонічних досліджень Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, м. Львів.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Стародуб Юрій Петрович, завідувач кафедри цивільного захисту та комп'ютерного моделювання екогеофізичних процесів Львівського державного університету безпеки життєдіяльності МНС України, м. Львів

кандидат геолого-мінералогічних наук Куровець Ігор Михайлович завідувач відділу проблем нафтової геофізики Інституту геології і геохімії горючих копалин НАН України, м. Львів.

Захист відбудеться “28” _жовтня 2011 р. о 11 год. на засіданні Спеціалізованої Вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України

за адресою: 03680, м.Київ-142, пр. Палладіна, 32

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України

Автореферат розісланий “16” вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради, Д 26.200.01,

доктор геологічних наук Орлюк М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Перед геологією поставлені нелегкі задачі по виявленню нових покладів нафти і газу. Важливість цих корисних копалин, як основних енергоносіїв для України, буде зберігатися і надалі. За рахунок впровадження прогресивних методів пошуку і розвідки родовищ нафти і газу, а також підвищення рівня наукового обгрунтування прогнозів буде відбуватися інтенсифікація нафтогазовидобування.

Пошук та виявлення пасток з покладами вуглеводнів є однією з основних задач сучасної геофізики. Зокрема геофізика вважається найефективнішим засобом пошуку пасток нафти та газу структурного та неструктурного типів.

Донедавна накопичення запасів нафти та газу переважно було зосереджено на пошуках антиклінальних пасток. Треба зауважити, що тепер їх фонд значно зменшився і перспективи його поповнення практично вичерпані. Тому нафтогазорозвідувальні роботи, в основному, ведуться в районах складної геологічної будови, або на більших глибинах в добре вивчених старих нафтогазоносних районах, де проводиться буріння пошукових свердловин на глибини більше 4км. І тому пошуки нафти і газу з кожним роком стають більш трудомісткими і дороговартісними.

В пошуках пасток неструктурного типу традиційні структурні методи геофізичних досліджень, а також глибоке буріння не можуть забезпечити ефективності робіт. Для цього необхідно мати дані не тільки про будову, а й про фізичні властивості досліджуваного геологічного середовища. Тому перед геофізиками ставляться все нові складні задачі. Це більш повне використання накопичувальних теоретичних і експериментальних даних про фізичні та колекторські властивості пористих гірських порід, та інформації, яка міститься в сейсмічних записах. Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до наукової тематики відділу методів сейсмотектонічних досліджень Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України в рамках виконання держбюджетних науково-дослідних тем:

1. „Розробка фізико-геологічних основ і нових технологій комплесного геофізичного прогнозування покладів вуглеводнів в Україні” (І кв.2002р. - ІV кв. 2006 р., № державної реєстрації 0102U002513), що увійшла до загальної тематики Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України. Автором, як одним із відповідальних виконавців, запропоновано новий підхід до вивчення механізму поглинання енергії пружних хвиль в гірських породах. Вперше отримано теоретичні залежності між пружними параметрами сухої і насиченої флюїдом породи та емпіричні залежності між її фізичними та колекторськими властивостями.

2. „Розробка методики оцінки колекторських властивостей гірських порід на основі теоретико-експериментального аналізу даних геофізичних спостережень у пористих середовищах” (ІІІ кв. - ІV кв. 2005р., № державної реєстрації 0105U006413). Автор був одним із виконавців договірної роботи між ІППММ НАН України і КВ ІГФ НАН України. На основі теоретико-експериментального аналізу геофізичних даних автору належить розробка критерію оцінки колекторських властивостей порід.

3. „Дослідження фізичних і колекторських властивостей гірських порід за сейсмоакустичними даними в зв'язку з прогнозуванням перспектив їх нафтогазоносності” ( І кв. 2006р. - ІV кв. 2008р., № державної реєстрації 0106U000974). В рамках виконання цієї теми автором був розроблений метод прогнозування фізичних і колекторських властивостей гірських порід і оцінки їх нафтогазонасиченості за теоретичними та емпіричними залежностями.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методу прогнозування фізичних і колекторських властивостей гірських порід та оцінки їх нафтогазонасиченості для суттєвого підвищення достовірності прогнозу нафтогазоносності порід-колекторів в геологічному розрізі за сейсмоакустичними даними.

Для досягнення цієї мети в роботі передбачено розв'язання таких задач:

1) вивчення складу і особливостей будови гірських порід, нелінійної пружності та анізотропії їх пружних властивостей;

2) дослідження фізичних зв'язків між фізичними та колекторськими властивостями гірських порід та отримання теоретичних залежностей між пружними параметрами сухої та флюїдонасиченої породи;

3) розробка нового підходу до вивчення механізму поглинання енергії пружних хвиль в гірських породах та дослідження зв'язків між коефіцієнтами поглинання енергії пружних хвиль і пружними параметрами породи;

4) вивчення та встановлення залежних від тиску функціональних зв'язків між пружними та колекторськими параметрами пористої породи за експериментальними даними;

5) розробка аналітичної основи методу прогнозування фізичних і колекторських властивостей гірських порід, оцінка їх нафтогазонасиченості за теоретико-емпіричними залежностями;

6) апробація методу прогнозування на реальних матеріалах ДП “Західукргеологія” та порівняння результатів, отриманих за цим методом, з результатами досліджень керну з метою оцінки ефективності розробленого методу.

Об'єктом дослідження є геологічне середовище.

Предметом дослідження є гірські породи верхньої частини земної кори, які можуть бути насичені газом, пластовою водою, нафтою.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження властивостей порід проводилися на основі методів механіки неоднорідних середовищ. Обробку експериментальних даних та встановлення емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими властивостями гірської породи виконано методом найменших квадратів (МНК). Інтерпретацію результатів прогнозування фізичних і колекторських властивостей порід-колекторів проведено з використанням сучасних методів математичної обробки даних.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано новий підхід до вивчення механізму поглинання енергії поздовжніх і поперечних хвиль в гірських породах. Отримано теоретичні співвідношення, що функціонально пов'язують коефіцієнти поглинання енергії пружних хвиль із структурою гірської породи.

2. З нелінійної моделі геологічного середовища вперше отримано теоретичні залежності між пружними параметрами сухої (газонасиченої) і флюїдонасиченої (пластова вода, нафта) породи, що дає можливість прогнозувати пружні параметри сухої породи через пружні параметри флюїдонасиченої породи при обмеженому використанні лабораторних даних.

3. Розроблено методику одержання емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими параметрами для сухої та флюїдонасиченої породи за даними експериментальних досліджень зразків гірських порід.

4. На основі встановлених теоретичних і емпіричних залежностей та за сейсмоакустичними даними розроблено метод прогнозування фізичних і колекторських властивостей гірських порід та оцінки їх нафтогазонасиченості.

Достовірність отриманих у дисертаційній роботі результатів забезпечується:

- строгими математичними викладками рекурентних співвідношень;

- застосуванням відповідних математичних методів при отриманні теоретичних і емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими властивостями гірських порід;

- використанням для отримання емпіричних залежностей достовірних експериментальних даних;

- достовірність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується їх узгодженістю з експериментальними даними.

Практичне значення отриманих результатів полягає у суттєвому підвищенні достовірності прогнозу нафтогазоносності порід-колекторів у геологічному розрізі при використанні встановлених теоретичних і емпіричних залежностей з використанням даних сейсморозвідки, акустичного і сейсмічного каротажу.

Особистий внесок здобувача. Представлені у роботі напрямки досліджень, постановка задачі, розробка алгоритмів і їх комп'ютерна реалізація, випробування та взаємне порівняння отриманих теоретичних та емпіричних залежностей на тестових і реальних матеріалах запропонував і виконав автор.

Зокрема автором отримано рекурентні співвідношення, які встановлюють фізичні зв'язки між пружними параметрами сухої та насиченої рідиною породи. Проведено співставлення отриманих теоретичних результатів з експериментальними даними, що дозволило встановити в заданих межах похибок їх задовільну збіжність. При вивченні фізичних і колекторських властивостей гірських порід за експериментальними даними здобувачу належить встановлення емпіричних залежностей вказаних властивостей в породі сухій та з рідкими включеннями. На базі теоретичних і емпіричних залежностей між фізичними й колекторськими властивостями гірських порід автором розроблено метод прогнозування цих властивостей з оцінкою їх нафтогазонасиченості. Проведена апробація цього методу на зразках гірських порід, випробуваних лабораторно, в умовах їх залягання близьких до пластових, та на реальних польових матеріалах. Усі результати дисертаційної роботи автором отримано самостійно і опубліковано в 7 роботах.

Апробація результатів дисертації. Результати, отримані на різних етапах роботи, доповідалися на:

- відкритих семінарах відділу методів сейсмотектонічних досліджень КВ ІГФ НАН України (1998 - 2010рр) з участю фахівців з інших організацій;

- науково-практичній конференції “Результати і перспективи геофізичних досліджень у Західному регіоні України”, присвяченій 50-річчю ЗУГРЕ ДГП “Укргеофізика” (м. Львів, 1998р);

- засіданнях геофізичної секції Наукового товариства ім. Т. Г. Шевченка (м. Львів, 2000, 2002рр);

- спільному з ІППММ НАН України науковому семінарі “Розробка методики оцінки колекторських властивостей гірських порід на основі теоретико-експериментального аналізу даних геофізичних спостережень у пористих середовищах” (м. Львів, 2005р);

- науково-практичному семінарі “Сейсмопараметричні дослідження у вирішенні задач прогнозу пасток і колекторських властивостей в нафтогазоперспективних регіонах України” в УкрДГРІ (м. Київ, 2005р);

- науково-практичному семінарі “Прогнозування фізичних і колекторських властивостей порід-колекторів та оцінка їх нафтогазоносності за даними сейсморозвідки” в ЗУГРЕ ДГП “Укргеофізика” (м. Львів, 2006р).

Публікації. Основні результати досліджень за темою дисертації було опубліковано в 7 роботах вітчизняних видань. З них: 4 статті у наукових фахових журналах, затверджених ВАК України (2 із них самостійні); 1 стаття у збірнику наукових праць і 2 роботи в інших виданнях.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків і містить 139 сторінок загального обсягу, в складі якого 24 рисунки, 27 таблиць. Список використаних джерел включає 113 найменувань.

Автор щиро вдячний науковому керівникові зав. відділу методів сейсмотектонічних досліджень КВ ІГФ НАН України Малицькому Д.В. за підтримку, всебічне сприяння і консультації при виконанні дисертаційної роботи. Висловлюю також глибоку подяку працівникам підприємств ЗУГРЕ ДГП “Укргеофізика”, ДП ”Західукргеологія”, та ЛВ УкрДГРІ за надання до опрацювання фондових геолого-геофізичних матеріалів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи. Обгрунтовано доцільність напрямку досліджень та актуальність теми дисертації. Сформульовано її мету та викладено основні завдання. Визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, показано зв'язок досліджень з науковими програмами, планами та темами.

У першому розділі на основі літературних джерел детально проаналізовано можливості використання геофізичних методів в сейсморозвідці при прямих пошуках покладів нафти і газу. Ефективність прямих пошуків нафти і газу пов'язана з підвищенням роздільної здатності реєстраційних сейсмічних записів. Для цього було розроблено метод, що отримав назву високоточної сейсморозвідки (Пилипенко В.М.,1973; Тяпкін Ю.К., 1989 ). При проведенні польових сейсмічних робіт за цим методом цілеспрямовано розв'язується ряд задач, в доповнення провадяться спеціальні роботи для вивчення верхньої частини геологічного розрізу. В даний час широкого застосування набула тривимірна сейсморозвідка (Потапов А.М.,1987). Багато уваги приділяється дослідженню еталонних родовищ нафти й газу, переважно складених з теригенних і карбонатних порід. Аналіз експериментальних даних, отриманих на родовищах, показав, що у випадку складно-побудованих, в літологічному відношенні, покладів в межах їх контуру проявляється невизначена поведінка амплітудно-частотних характеристик (Тимошин Ю.В.,1976).

Для підвищення достовірності прогнозування геологічного розрізу застосовується багатохвильова сейсморозвідка, яка використовує хвилі різного роду поляризації, тобто поздовжні і поперечні хвилі (ВербицькийТ.З., Починайко Р,С., Стародуб Ю.П.,1978; Кузнєцов В.М., Шехтман Г.А., 2004).

Під час розшифрування природи аномалій хвильового поля спільно із сейсморозвідкою застосовуються геофізичні дослідження свердловин (Кузнєцов О.Л., Галаган Е.А., 1980).

Методичною базою є складання геоакустичних моделей, встановлення впливу на фізичні параметри петрофізичних характеристик середовища, геосейсмічне моделювання, де останнє дозволяє встановлювати зв'язки між будовою реальних розрізів і хвильовими полями (Галаган Е.А., Кальченко А.Н., 1984).

Комплекс цих методів на розвідувальному етапі дає невисоку збіжність контурів з покладами вуглеводнів. Тому для підвищення ефективності прямих пошуків вуглеводнів використовують математичне моделювання з вивченням акустичних, колекторських і фізичних властивостей гірських порід та залученням до інтерпретації матеріалів промислово-геофізичних досліджень глибоких свердловин.

В роботі запропоновано до розгляду різні типи математичних моделей гірських порід, які класифікуються за ступенем матеріальної неоднорідності матриці, зв'язаності й впорядкованості її елементів. Для побудови статичних та динамічних моделей пористих середовищ використовується енергетичний підхід. Вперше J. Eshelby розв'язав статичну задачу для отримання усереднених пружних констант середовища. Виходячи з інших міркувань, J. Walsh отримав вираз для малої концентрації пустих сферичних порожнин. Також він розглянув вплив округлених тріщин на об 'ємний модуль пружності. Подальший розвиток цей підхід отримав в роботах Т.З. Вербицького і О.С.Федоришина. Вони розглядали середовище, яке містить у собі неоднорідності різних форм і враховує довільну концентрацію сферичних і дископодібних включень, що відповідає реальним геологічним середовищам. Енергетичний підхід був розвинутий в роботах З.Хашіна і С. Стрікмана з застосуванням варіаційного методу. Для оцінки усереднених властивостей середовища, яке містить ізольовані неоднорідності, Г. Кастером і М. Токсоцом розв'язувалася динамічна задача. Строго обґрунтовані моделі з тріщинами у вигляді тонких плоско-паралельних однорідних „м'яких” шарів, які чергуються з твердими шарами, були запропоновані одночасно різними науковцями (Schoenberg M., Douma J., 1988; Е.М.Чесноков, С.В.Зацепін, 1991). Всі ці моделі з неідеально-пружними контактами об'єднує концепція додаткової стисливості, яка зумовлена тріщинами. На самому початку розвитку сейсморозвідки F. Gassman запропонував модель гірської породи, яка дає залежність швидкості поздовжньої хвилі від пористості та навантаження. Теорія Гасмана була узагальнена Е.А. Козловим у 1962 році для випадку трьохкомпонентного середовища з різними об'ємними співвідношеннями компонент. В роботі були розглянуті й інші математичні моделі гірських порід.

Проаналізовано недоліки в існуючих типів моделей пористих гірських порід: Так модель Молоткова-Шоенберга-Бакуліна є найбільш вивченою з-поміж інших моделей, але не відображає залежності хвильового поля від діючих напруг. А моделі Чеснокова-Зацепіна й Герасимова ? відображають залежність від тиску в загальному вигляді, але механізм впливу тиску на параметри тріщинуватості і, відповідно, на фільтраційно-ємнісні властивості порід не визначають. Модель Гасмана встановлює залежність від тиску лише у випадку зернистого середовища. В моделі, запропонованій Е. А. Козловим, спрощено й грубо описується поведінка тріщинуватих порід при зміні навантаження. Слабким місцем у цій моделі є обмеженість залежності деформації від навантаження, спрощений вплив заповнювача пор. Не враховується поглинання сейсмічної енергії, спричинене неідеально-пружними контактами.

На основі аналізу експериментальних та теоретичних даних про склад, будову і фізичні властивості гірських порід та з огляду математичних моделей в роботі сформульовано критерій вибору математичної моделі. Тому модель повинна бути простою в побудові та теоретичному дослідженні. Результати теоретичних досліджень повинні узгоджуватись з експериментальними даними при заданих похибках обчислень.

Для подальшого дослідження фізичних і колекторських властивостей гірських порід в роботі було прийнято модель мікронеоднорідного середовища, з заданими ефективними модулями пружності, запропоновану Т.З.Вербицьким і О.С. Федоришиним. Ця модель піддається аналітичному опису й задовільняє вимоги впливу на пружні характеристики важливих параметрів: тріщинно-порової пористості, властивостей включень та типу заповнювача пор.

Перевагою прийнятої моделі в порівнянні з більш складними моделями є можливість визначати параметри моделі за експериментальними, польовими та лабораторними сейсмоакустичними даними, що дозволяє ефективно застосовувати її на практиці.

Другий розділ присвячено теоретичному вивченню фізичних і колекторських властивостей гірських порід за вибраною математичною моделлю. Теоретичному вивченню статичних і динамічних характеристик багатофазних квазіоднорідних середовищ було приділено багато наукових праць, які вказують на тісний зв'язок між пружними параметрами гірських порід з пористістю, флюїдонасиченням і тиском (Хашін З.,1962; Пірсон С.Д.,1966; Хорошун Л.П.,1966;Geertsma J., Smit P., 1961; O'Connel R.J., 1974; Wolsh J.B.,1969).

Такі зв'язки у гірських породах були встановлено із прийнятої нелінійної математичної моделі двофазного геологічного середовища. За цією моделлю отримано рекурентні співвідношення між пружними параметрами її, що дають можливість визначати в залежності від тиску ефективні модулі пружності, а також і швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль в сухій породі через пружні параметри породи насиченої рідиною.

,

де - пружні модулі всебічного стиску і зсуву породи з рідкими включеннями і сухої при тису Pi , - коефіцієнт Пуассона твердої фази породи, _в,_с - густина відповідно флюїдонасичиної і сухої породи.

Апробація рекурентних співвідношень була проведена для порід Boise, Navajo за даними роботи (Cheng C., M. Toksхz, 1979). Були використані швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль в флюїдонасичених породах в залежноситі від тиску для визначення пружних модулів стиску-розтягу і зсуву в цих же породах. За визначеними пружними модулями флюїдонасичених порід через рекурентні співвідношення проводився розрахунок пружних модулів для сухих порід і відповідно розраховувалися в них швидкості поздовжніх і поперечних хвиль. Проведено співставлення розрахованих швидкостей пружних хвиль у сухій породі із даними вже вказаної роботи. Розбіжність між теоретичними результатами і даними, вказаної роботи не перевищувала 5%.

Глибоке вивчення фізичних і колекторських властивостей пористих порід дають лабораторні дослідження. Експериментальні дослідження (Беліков В.П., Александров К.О., Рижова Т.В.,1970; Вербицький Т.З., 1969) підтверджують нелінійну пружність гірських порід. Рекурентні співвідношення, які були отримані з прийнятої математичної моделі гірської породи, також вказують на нелінійну пружність. Залежність ефективних модулів пружності від зовнішнього навантаження, а також вплив величини останнього на зміни швидкостей поширення пружних хвиль в породі і коефіцієнта Пуассона свідчить про нелінійний зв'язок між ними. На швидкість поширення пружних хвиль в гірській породі великий вплив має зовнішнє навантаження та її пористість. На градієнт зміни швидкості від зовнішнього навантаження найбільший вплив має тріщинна пористість, що виражена через значення функції розподілу мікротріщин.

Поглинання енергії поздовжніх і поперечних хвиль в породах спричинене неідеальною пружністю їх. Експериментальні дані дають підтвердження, що при розрахунках динамічних характеристик пружних хвиль, які поширюються в рельному геологічному середовищі треба враховувати їх неідеальну пружність. Для пояснення і описання механізму поглинання сейсмічної енергії в неідеально-пружному середовищі було розроблено цілий ряд теорій. Найбільш цікавими для сейсмоакустиків теорії поглинання енергії запропоновані Г.І.Гуревичем, Дж.Севіджем, Дж.Волшем і М.Біо. У вказаних роботах показано різні механізми втрат енергії пружних хвиль в породах. В роботі автором розглянуто механізм втрат енергії пружних хвиль у гірських породах, який враховує різні внутрішні поглинання у твердій фазі порід і у флюїді, а також анізотропію пружних властивостей порід. Для врахування поглинання енергії пружних хвиль як в твердій фазі породи так і в флюїді в закон Гука вводилися комплексні величини ефективних модулів пружності. Поглинання енергії пружних хвиль в твердій фазі породи описувалося замкнутою лінією петлі пружного гістерезису у вигляді витягнутого еліпса, а у флюїді в комплексні модулі пружності вводилися коефіцієнти об'ємної і зсувної в'язкості. Було встановлено, що в породах, в яких проявляється анізотропія пружних властивостей, інтенсивно поглинається енергія поздовжніх і поперечних хвиль перпендикулярно шарам, а декременти загасання пружних хвиль не залежать від форми і розмірів середовища в якому поширюються ці хвилі.

Для консолідованих добре зцементованих порід отримано теоретичну залежность коефіцієнтів поглинання енергії пружних хвиль від швидкостей пружних хвиль

.

У вивітрених сухих породах декременти загасання поздовжніх і поперечних хвиль є однаковими. А в навантажених газонасичених консолідованих породах декременти загасання поздовжніх і поперечних хвиль не є однаковими. Коефіцієнти поглинання поздовжніх хвиль є більшими порівняно з коефіцієнтами поглинання тих же хвиль в сухих вивітрених породах. В газонасичених породах інтенсивно поглинаються поздовжні хвилі. Для таких порід має місце лінійний механізм загасання пружних хвиль. Коефіцієнти поглинання пружних хвиль є лінійними функціями частоти, а декременти загасання є незалежними від частоти. Це має експериментальне підтвердження, де декременти загасання пружних хвиль практично є постійними для частот коливань від 0.01Гц до 1МГц (Васільєв В.І., 1962). В крихких слабозцементованих породах, де співвідношення об'ємів твердої фази до пор і пустот переважає в сторону заповнювача, втрати енергії пружних хвиль відбувається за законами внутрішнього в'язкого тертя. Отримано теоретичні залежності коефіцієнтів поглинання енергії пружних хвиль не тільки від швидкостей пружних хвиль а також від коефіцієнтів об'ємної і зсувної в'язкості породи. В таких породах інтенсивно поглинається енергія поперечних хвиль.

Прояв нелінійних характеристик гірських порід пов'язаний з неоднорідною структурою їх. Автором отримано теоретичні співвідношення, які функціонально пов'язують коефіцієнти анізотропії швидкостей поширення пружних хвиль і коефіцієнти поглинання їх в гірській породі з структурними особливостями її. Основною причиною відмінності швидкостей пружних хвиль в залежності від напрямку їх поширення є тонка шаруватість і їх мікроструктура за різними пружними властивостями.

Вивчалися зв'язки між пружними параметрами породи і коефіцієнтами поглинання енергії пружних хвиль. Отримано рівняння, які встановлюють зв'язки пружних параметрів породи з коефіцієнтами поглинання енергії поздовжніх і поперечних хвиль в консолідованих добре зцементованих породах, а також в слабозцементованих крихких породах з рідкими включеннями. Вивчення зв'язків між пружними параметрами породи, насиченою нафтою і пластовою водою дало можливість отримати рівняння для визначення модуля зсуву породи, насиченою пластовою водою через пружні параметри породи, насиченою нафтою (гасом):

Такі зв'язки дали можливість вивчати вплив флюїду на поширення поздовжніх і поперечних хвиль в породі.

У третьому розділі показано вивчення фізичних і колекторських властивостей гірських порід за експериментальними даними. Багаточисельні експериментальні дані як вітчизняних, так і зарубіжних вчених вказують на тісний зв'язок пружних параметрів гірських порід з відкритою і тріщинною пористостю, флюїдонасиченням і тиском (Eshelby J.,1957; Hashin Z., Shtrikman S., 1963; Вербицький Т.З., 1969). Встановлення таких зв'язків у гірських породах є можливим в добре вивченим бурінням геологічних районах, представлених достовірними даними аналізу кернового матеріалу, геофізичними дослідженнями та дослідженнями зразків пористих гірських порід.

Автором, в роботі, запропоновано механізм встановлення таких зв'язків між фізичними і колекторськими властивостями породи. За експериментальними даними для Зовнішньої зони Передкарпатського прогину методом найменших квадратів отримано емпіричні формули, що функціонально пов'язують ефективний тиск, відкриту пористість і обернену величину модуля об'ємного стиску для сухих і насичених рідиною порід.

Проводилося порівняння отриманих значень за емпіричними формулами з експериментальними даними. При малих ефективних тисках від 0,1 до 5,0 МПа відхилення від експериментальних даних не перевищувало 20%, а при тисках від 20 до 80 МПа такі відхилення не перевищували 11%, тобто із зростанням ефективного тиску на породу похибки зменшувалися. При реальному заляганні порід, де ефективні тиски високі, точність отриманих емпіричних формул є достатньою для їх практичного застосування.

Автором розроблено методику визначення пружних характеристик твердої матриці породи за експериментальними даними. Суть методики полягає в тому, що за експериментальними даними, тобто за значеннями пружних модулів всебічного стиску і зсуву порід в залежності від пористості визначаються модулі плоского деформування порід. Будується графічна залежність модуля плоского деформування від пористості порід і на перетині кривої лінії з віссю ординат отримуються значення модуля плоского деформування твердої матриці породи. Пружний модуль всебічного стиску твердої матриці порід визначається з емпіричної залежності при нульовій пористості і дії максимального ефективного тиску на неї, тобто при К_П=0 і P=80МПа. За визначеними пружними характеристиками твердої матриці порід проводився розрахунок коефіцієнта Пуассона і модуля зсуву.

Проведено порівняння пружних характеристик та швидкостей пружних хвиль для зразка породи пористістю 17,4%, насиченого гасом і водою з експериментальними даними роботи (Петкевич Г.І., Вербицький Т.З.,1970). Дана оцінка розпізнання між нафтою і водою за швидкостями пружних хвиль. Так швидкості поперечних хвиль в нафтонасичених породах є на 2,5% вищими в порівнянні зі швидкостями цього типу у обводнених породах. Модулі зсуву в флюїдонасичених породах, не залежно від типу флюїду (пластова вода чи нафта), є практично однаковими. При малих навантаженнях на породу швидкості поздовжніх хвиль в обводнених породах є вищими за швидкості поздовжніх хвиль в нафтонасичених породах на 7,5%, а при великих навантаженнях на породу різниця в швидкостях не перевищує 5,0%. Таке незначне збільшення швидкості поздовжньої хвилі в обводнених породах не дає можливості розрізнити нафту та воду.

Наведено приклади практичного застосування емпіричних залежностей для розрахунку пружних модулів і швидкостей поперечних хвиль для сухих і флюїдонасичених порід Navajo і Boise. Проводилося співставлення розрахованих значень пружних модулів всебічного стиску-розтягу з даними роботи (Cheng C., M. Toksхz, 1979). При малих тисках до 5 МПа розбіжність пружних модулів для сухих (газонасичених) порід становить 20% , а при тисках на породи від 15 МПа до :60 МПа розбіжність в модулях не перевищує 7%. Для флюїдонасичених порід (насичених гасом) при тисках на них від 5 МПа до 40 МПа розбіжність в пружних модулях не перевищує 10% , а при високих тисках від 60 МПа і вище розбіжність в пружних модулях складає 15%. Відносні похибки для швидкостей поперечних хвиль в сухих і флюїдонасичених породах не перевищують 10 %. При реальному заляганні порід, де ефективні тиски є високими, емпіричні залежності можуть бути застосовані на практиці з врахуванням поправочного коефіцієнта 1,05 - 1,15, і наявності механізму визначення пружних модулів твердої фази порід.

У четвертому розділі викладено основи методу прогнозування фізичних і колекторських властивостей порід-колекторів за теоретичними і емпіричними залежностями та оцінка їх нафтогазонасиченості за сейсмоакустичними даними. Автором розроблено критерій оцінки нафтогазонасиченості порід, за допомогою якого можна було б відрізняти газонасичену породу від породи з рідкими включеннями (пластова вода, нафта). Таким критерієм в методі розглянута цільова функція, яка дає мінімум по абсолютній величині між визначеними швидкостями поширення поздовжньої хвилі в породі за методом і пластовою (інтервальною) швидкістю поздовжньої хвилі за акустичним каротажем (АК), або за сейсмокаротажем (СК):

якщо

то порода заповнена газом, а якщо

то порода заповнена флюїдом.

Проведено апробацію методу на зразках гірських порід, близьких до пластових умов залягання для Зовнішньої зони Передкарпатського прогину. У випробуванні методу задавались наступні вхідні параметри: тиск на породу, який змінювався від 2.5МПа до 80.0МПа, пористість зразків гірських порід від 0.04% до 22.4%, коефіцієнт Пуассона твердої фази породи н = 0.27, густини порід в залежності від пористості. За методом визначалися пружні модулі всебічного стиску та зсуву і відповідно по них швидкості поздовжніх і поперечних хвиль в зразках гірських порід. Значення швидкостей пружних хвиль, розрахованих за методом, порівнювалися із значеннями швидкостей, які були отримані експериментальним шляхом. Метод добре себе зарекомендував в розпізнанні зразків порід з рідкими включеннями.

Оскільки фізичні та колекторські властивості порід-колекторів суттєво відрізняються між собою навіть в межах однієї геологорозвідувальної площі, то було проведено випробування методу на реальних польових матеріалах. Прогнозування пружних і колекторських параметрів порід-колекторів і оцінка їх нафтогазоносності було проведено по свердловинах геологорозвідувальних площ Пиняни, Залужани, Лопушна з використанням пластових швидкостей поздовжніх хвиль сейсморозвідки, сейсмічного і акустичного каротажу. Для прогнозування були відібрані такі інтервали глибин по яким були визначені пластові швидкості. На заданих глибинах по вказаних свердловинах визначався пластовий тиск, що відповідав гідростатичному тиску, а на тих глибинах за даними буріння, де він перевищував гідростатичний - вводився поправочний коефіцієнт на тиск. За ефективним тиском і варіацією пористості порід, розраховувалися пружні модулі всебічного стиску і зсуву порід-колекторів, а відповідно до них визначалися швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль. Оцінка нафтогазоносності порід давалась за критерієм і порівнювалися прогнозні дані за методом з даними ДП “Західукргеологія”. Прогноз за даними сейсмічного каротажу виявився більш достовірним порівняно з прогнозом за даними сейсморозвідки. Це наглядно показано на рис.1, де до глибини 4200 м прогнозні дані узгоджуються з даними буріння. Саме до цієї глибини було проведено прогнозування. З глибиною пористість пластів зменшується, але пористість порід в цих пластах є різною і закономірність з глибиною не прослідковується.

Метод прогнозування за даними акустичного каротажу дає можливість прогнозувати фізичні і колекторські властивості порід і давати оцінку нафтогазоносності їх для пластів, потужність яких не перевищує 5 м, а також виявляти загазованість тонких пластів. По свердловині Залужани -18 було проведено розрахунки фізичних і колекторських властивостей порід за якими дана оцінка нафтогазоносності їх в інтервалі глибин 1820 - 2729 м.

колекторський фізичний властивість насиченість

Рис. 1. Порівняння прогнозних даних за даними сейсморозвідки та за даними сейсмічного каротажу по свердловині Лопушна-4.

За методом прогнозування були виявлені тонкошаруваті загазовані (сухі) пласти порід на глибинах 1985, 2016, 2152 метрах, а також в інтервалі глибин 2611 - 2627 м. На глибинах від 2550 м до 2611 м були виявлені малопотужні загазовані або сухі пласти, які чергувалися з обводненими пластами. Це наглядно можна побачити на рис.2 за зміною по глибині такого прогнозного параметру як співвідношенням швидкостей поперечної хвилі до поздовжньої.

Рис. 2 Зміна прогнозних даних з глибиною за даними акустичного каротажу по свердловині Залужани-18.

Так, за даними ДП “Західукргеологія”, свердловиною Залужани-18 було відкрито горизонти НД-7, НД-8, які дали газ в інтервалі глибин 1959-2020м та 2102-2161м. Пористість порід-колекторів, за даними акустичного каротажу, змінюється від 6,1% до 16,6%. Порівнюючи прогнозні дані з даними буріння, можна відзначити, що метод прогнозування за даними АК дає можливість виявляти тонкошаруваті загазовані пласти порід, тобто вишукувати пастки неструктурного типів.

Висновки

За теоретичним вивченням фізичних і колекторських властивостей гірських порід та за проведеним аналізом експериментальних даних по них дозволило отримати наступні основні науково-практичні результати:

Прийнято нелінійну математичну модель гірської породи, яка має практичне значення для встановлення зв'язку між параметрами неоднорідності середовища та його пружними характеристиками при використанні обмежених лабораторних та геофізичних даних.

Отримано за цією моделлю теоретичні співвідношення між пружними параметрами її, що дають можливість визначати в залежності від тиску ефективні модулі пружності, а також і швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль в сухій породі через пружні параметри породи насиченої рідиною.

Прояв нелінійних характеристик гірських порід пов'язаний з неоднорідною структурою їх і в першу чергу з впливом значень функції розподілу мікротріщин та дією ефективного тиску.

Поглинання енергії поздовжніх і поперечних хвиль в породах спричинене їх неідеальною пружністю. В газонасичених породах інтенсивно поглинається енергія поздовжніх хвиль, а в флюїдонасичених - енергія поперечних хвиль. Для опису вказаних ефектів вперше використано ряд нових підходів. Поглинання енергії пружних хвиль в твердій фазі породи описано замкнутою лінією петлі пружного гістерезису у вигляді витягнутого еліпса. У флюїді в комплексні модулі пружності введено коефіцієнти об'ємної і зсувної в'язкості.

Анізотропія швидкостей пружних хвиль в породах викликана їх структурними особливостями. Це пов'язано з неоднорідністю структур за різними фізико-механічними властивостями. Автором отримано теоретичні залежності коефіцієнтів анізотропії швидкостей пружних хвиль від структури породи.

Запропоновано механізм встановлення емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими властивостями породи. За експериментальними даними для Зовнішньої зони Передкарпатського прогину методом найменших квадратів отримано емпіричні формули, що функціонально пов'язують ефективний тиск, відкриту пористість і обернену величину модуля об'ємного стиску для сухої та насиченої рідиною породи.

Розроблено прогнозний метод в основу якого покладені теоретико-емпіричні залежності між пружними і колекторськими параметрами гірської породи. За сейсмоакустичними даними метод дозволить вказувати перспективне буріння на першому етапі сейсморозвідки, давати об'єктивну геологічну інтерпретацію для виділення продуктивних пластів досліджуваного геологічного розрізу. а також вишукувати пастки накопичення вуглеводнів неструктурного типу під час геофізичних досліджень свердловин.

Проведено апробацію методу прогнозування на реальних матеріалах ДП “Західукргеологія” та порівняння результатів, отриманих за цим методом, з результатами досліджень керну з метою оцінки ефективності розробленого методу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хекало П.І. Встановлення зв'язків між пружними параметрами сухої і насиченої рідиною породи / П.І.Хекало, Д.В.Малицький // Геофіз. журн. - 2005 - 27, №5. - С.883-886.(Особистий внесок - постановка задачі, дослідження зв'язків та отримання рекурентних співвідношень)

2. Хекало П.І. Вплив анізотропії пружних властивостей гірських порід на загасання пружних хвиль / П.І.Хекало // Геофіз. журн. - 2003-25, №3.-С.196-200.

3. Хекало П.І. Встановлення емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими властивостями гірської породи / П.І.Хекало, Д.В.Малицький // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - Івано-Франківськ : Факел, 2003 - №4(9). - С.64-67.( Особистий внесок - постановка задачі, дослідження зв'язків та отримання емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими властивостями гірської породи)

4. Малицький Д.В. Прогнозування нафтогазоносності гірських порід з використанням швидкостей пружних хвиль, коефіцієнтів поглинання та рекурентних співвідношень / Д.В.Малицький, О.С.Федоришин, П.І.Хекало // Наука та іновації - науково-практичний журнал. - Том 2, №5. - 2006. - С.4 - 17.( Особистий внесок- прогнозування нафтогазоносності гірських порід з використанням емпіричних та рекурентних співвідношень)

5. Хекало П.І. Прогнозування фізичних і колекторських властивостей гірських порід за теоретико-емпіричними залежностями / П.І.Хекало // Геофіз. журн. - 2008 - 30, №6. - С.151-160.

6. Хекало П. Визначення тріщинної пористості в гірських породах / Петро Хекало, Роман Починайко // Праці наукового товариства ім. Шевченка т.8, Геофізика. - Львів. - 2002. - С. 156-161.( Особистий внесок - розробка методики визначення розподілу тріщинної пористості по швидкостях поширення поздовжніх і поперечних хвиль при гідростатичному навантаженні зразків гірських порід, отримання рекурентних співвідношень для визначення функції розподілу пористості і параметра форм )

7. Хекало П.І. Визначення пористості порід-колекторів за даними сейсморозвідки / Хекало П.І. //Результати і перспективи геофізичних досліджень у Західному регіоні України: Тези доповідей і повідомлень науково-практичної конференції присвяченої 50-річчю ЗУГРЕ, 20 - 21 травня 1998р. Львів - С.65 - 66.

Анотація

Хекало П.І. Прогнозування фізичних і колекторських властивостей порід-колекторів та оцінка їх нафтогазонасиченості за сейсмоакустичними даними - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 геофізика. Інститут геофізики ім.С.І.Субботіна Національної академії наук України, м. Київ, 2011.

Дисертація присвячена теоретичному і експериментальному вивченню та прогнозуванні фізичних і колекторських властивостей гірських порід, оцінці їх нафтогазонасиченості.

Проведено дослідження з встановлення фізичних зв'язків між пружними параметрами у сухій та насиченій рідиною породи. Отримано фізичні співвідношення, залежні від тиску, для визначення пружних параметрів сухої породи через пружні параметри породи насиченої рідиною.

Розглянуто новий підхід для вивчення механізму загасання поздовжніх і поперечних хвиль в гірських породах. Проведено дослідження впливу анізотропії пружних властивостей пористих порід на загасання пружних хвиль. Отримано теоретичні співвідношення, що функціонально пов'язують коефіцієнти загасання пружних хвиль з структурними особливостями гірських порід.

Запропоновано механізм встановлення емпіричних залежностей між фізичними і колекторськими властивостями породи. За експериментальними даними для Зовнішньої зони Передкарпатського прогину методом найменших квадратів отримано емпіричні формули, що функціонально пов'язують ефективний тиск, відкриту пористість і обернену величину модуля об'ємного стиску, як для сухої так і насиченої рідиною породи.

Розроблено метод прогнозування фізичних і колекторських властивостей гірських порід на основі теоретичних і емпіричних залежностей та оцінка їх нафтогазонасиченості за сейсмоакустичними даними.

Проведено випробування методу за експериментальними даними досліджень зразків гірських порід Зовнішньої зони Передкарпатського прогину та на реальних польових матеріалах за пластовими швидкостями, акустичного та сейсмічного каротажу у свердловинах.

Проведено порівняння фізичних і колекторських властивостей порід-колекторів з даними ДП “Західукргеологія”. Дана оцінка їх нафтогазоносності за методом.

Ключові слова: гірські породи, швидкості пружних хвиль, пористість, модулі пружності, прогнозування, нафтогазоносність.

АННОТАЦИЯ

Хекало П.И. Прогнозирования физических и коллекторских свойств пород-коллекторов и оценка их нефтегазонасыщенности за сейсмоакустическими данными. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт геофизики им. С.И.Субботина Национальной академии наук Украины, г. Киев 2011.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному изучению и прогнозирования физических и коллекторских свойств горных пород с целью оценки их нефтегазонасыщенности.

Проведены исследования по установлению физических связей между упругими параметрами сухой породы и породы, насыщенной жидкостью. Получены физические соотношения для определения упругих параметров сухой породы через упругие параметры породы насыщенной жидкостью в зависимости от давления. Получены результаты по этим соотношениям, были подтверждены экспериментальными данными.

Для изучения механизма затухания продольных и поперечных волн в горных породах рассмотрен новый подход. Проведено исследование влияния анизотропии упругих свойств пористых пород на затухание упругих волн. Получены теоретически физические соотношения, которые функционально связывают коэффициенты затухания упругих волн со структурными особенностями горных пород. Для большинства пород результаты согласовываются с экспериментальными данными.

Предложен механизм установления эмпирических зависимостей между физическими и коллекторскими свойствами породы. По экспериментальным данным для Внешней зоны Предкарпатского прогиба методом наименьших квадратов получены эмпирические формулы, которые функционально связывают эффективное давление, открытую пористость и обратную величину модуля объемного сжатия, как для сухой, так и насыщенной жидкостью породы.

Проведено сравнение упругих характеристик та скоростей упругих волн в образце породы с пористостью 17,4%, насыщенном керосином и водой. Проведена оценка распознания нефти и воды за скоростями упруих волн. Модули сдвига в флюидонасыщенных породах, независимо от типа флюиду, практически равны между собой.

Разработан метод определения упругих характеристик твердой матрицы породы по экспериментальным данным. Сущность метода в том, что по экспериментальных данных, тоесть используя значения упругих модулей объемного сжатия и сдвига пород в зависимости от пористости определяются плоские модули деформирования пород. Строится графическая зависимость плоского модуля деформирования от пористости пород и на пересечении кривой линии с осью ординат определяется значение плоского модуля деформирования твердой матрицы породы. По упругим характеристикам твердой матрицы породы производится расчет коэфициента Пуассона и модуля сжатия.

На основе теоретических и эмпирических зависимостей разработан метод прогнозирования физических и коллекторских свойств горных пород и оценка их нефтегазонасыщенности за сейсмоакустическими данными. Основные результаты за методом были получены по Внешней зоне Предкарпатского прогиба. Проведено испытание метода по экспериментальным данным исследований образцов горных пород Внешней зоны Предкарпатского прогиба и по реальным полевым материалам с использованием пластовых скоростей акустического и сейсмического каротажей в скважинах. Выполнено сопоставление скоростей продольных и поперечных волн в образцах горных пород с экспериментальными данными, рассчитанное по теоретико-эмпирическим зависимостям. Проведено сравнения физических и коллекторских свойств пород-коллекторов с данными ГП “Западукргеология”. Дана оценка их нефтегазоносности по методу. Разработанный метод дает достоверный прогноз за данными сейсмического и акустического каротажей. Метод прогнозирования физических и коллекторских свойств пород позволить определять перспективное бурение на первом этапе сейсморазведки, и даст возможность поиска ловушек накопления углеводородов неструктурного типа при геофизических исследованиях скважин. В работе разработан подход, который дает возможность применять прогнозный метод для любого геологического района.

Ключевые слова: горные породы, скорости упругих волн, пористость, модули упругости, прогнозирование, нефтегазоносность.

ABSTRACT

Khekalo P.I. Estimation of physical and collecting properties of rocks and prediction of the presence of oil and gas in them. - Manuscript.

Thesis for candidate degree of physical and mathematical sciences by specialty 04.00.22. - Geophysics. -? S.I.Subbotin Institute of Geophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2011.

In the thesis, theoretical and experimental study of the physical and collecting properties of rocks has been conducted enabling the estimation of oil and gas in them.

Physical relations between the elastic properties of dry rocks and rocks saturated with fluid have been studied. The pressure dependent recurrent relations have been derived representing the elastic parameters of dry rocks in terms of the parameters of rocks saturated with fluid.

A novel approach has been suggested to study the mechanism of pressure wave and shear wave attenuation in rocks. The effect of anisotropic elasticity of rocks on attenuation of elastic waves in them has been assessed. Theoretical expressions have been derived establishing the functional relation between elastic wave attenuation in rocks and their structural characteristics.

The mechanism has been suggested establishing the empirical relations between physical and collecting properties of rocks. The empirical formulas establishing functional relationship between the effective pressure, and the open porosity and reciprocal value of the bulk modulus of rocks, dry and saturated, have been derived by application of the least square optimization and using the field data from the outer zone of the Carpathian submontane trough as a reference.

The method has been developed for estimation of physical and collecting properties of rocks and prediction of oil and gas in them, based on theoretical and empirical relations.

The method has been tested using the field data from the core boring in the outer zone of the Carpathian submontane trough and from the acoustic and seismic borehole velocity surveys.

The physical and collecting properties of rocks have been compared with data of the State Enterprise “Zakhidukrgeologiya”. Estimations of the presence of oil and gas in the rocks were done.

Key words: rocks, elastic wave velocities, porosity, bulk modulus, estimation, oil and gas presence.

Размещено на Allbest.ru

...