123

Содержание 
 
 

Введение

      Актуальность  проблемы. В настоящее время в пределах Западно-Сибирской равнины открыты все типы нефтегазовых залежей: газовые, газоконденсатные, нефтяные, газовые и газоконденсатные залежи с нефтяными оторочками, нефтяные с газовыми шапками.

      Важная  роль при изучении этих месторождений  принадлежит геофизическим методам исследований. Поэтому решение вопроса повышения геологической эффективности геофизических методов на этапе разведочных работ приобретает исключительно важное народнохозяйственное значение.

      Цель  исследований: Дать характеристику основным закономерностям изменения пористости, коэффициент пористости и объемной плотности водонасыщенных парод от глубины их залегания

      Задача  курсовой состоит в том чтобы  изучить и выявить закономерности изменения пористости и объемной плотности с глубиной их залегания дать характеристики пористости и объемной плотности.

1. Классификация горных пород

       Первая классификация  горных пород была разработана в  середине XVIII в.  Дж. Ардуино, разделившим горные породы (отложения) на первичные, вторичные и третичные по их происхождению. В книге И. Лемана “Опыт восстановления истории флёцовых гор”, опубликованной в 1756 г., в которой изложены результаты его геологических исследований Центральной Германии, дано обоснование этому делению. В соответствии со Священным писанием И. Леман считал, что в истории Земли было лишь два существенных события общего значения: сотворение мира и всемирный потоп. С этими двумя событиями им и связывалось образование известных к тому времени толщ горных пород.

       Наиболее  древними принимались граниты, слагавшие осевые части горных хребтов. На склонах хребтов было замечено, что граниты перекрываются гнейсами, а те в свою очередь кристаллическими сланцами. Остатков скелетов животных и отпечатков растений в этих  породах не наблюдалось. Ближе к подножию гор на кристаллических сланцах лежат слои песчаников, известняков, аргиллитов, часто в большом количестве содержащих остатки скелетов животных и отпечатки (до стволов) растений. Песчаники сложены обломками гранитов, гнейсов и кристаллических сланцев. На равнине распространены глины, пески, гальки, щебень. Крупные обломки - галька, щебень представлены гранитом, гнейсом, песчаником, т.е. образовались за счет разрушения нижележащих пород. 

        Разрез видимой части литосферы  по Дж. Ардуино и И.Леману. Граниты, гнейсы и кристаллические сланцы, как не несущие следов жизни, были отнесены к первичным (жильным, залегающим крутонаклонно и уходящим в “вечную глубину”) отложениям, возникшим при сотворении Земли до создания на ней жизни. Слоистые (флёцовые) отложения объяснялись результатом всемирного потопа, сопровождавшегося гибелью животных и растений, не попавших в  ковчег Ноя. Это, стало быть, вторичные породы, потому и содержат остатки растений и животных, погибших во время божьего наказания. Последующее разрушение первичных и вторичных пород привело к накоплению глины, песка, щебня - третичных отложений.

       Классификация горных пород Дж. Ардуино и И. Лемана была иллюстрацией к представлению  происхождения Земли - библейской легенде. Все последующие классификации  продолжали эту традицию.

       В конце XVIII в. А.Г. Вернер (1750-1817), основоположник нептунизма (Нептун - бог моря), - первой геологической гипотезы, предложил исследовать “все горные породы и глыбы, из которых составлен наш земной шар, в том порядке, как они одна за другой по происхождению своему следуют, и способ этого происхождения, на сем основывающийся, и наконец разделим их в этом отношении на различные типы”.

       Зачем это нужно было делать А.Г. Вернеру, когда была классификация Дж. Ардуино? Потребность в новой классификации  возникла из-за того, что сменилась  исходная для сравнения идея происхождения Земли. В замен библейским представлениям в 1749 г. Ж. Бюффон (1707-1788) предложил новое, небожественное объяснение возникновения нашей планеты: земной шар образовался за счет выброса материала Солнца при падении на светило кометы. Далее нептунистами принималось, что, остывая, огненный сгусток солнечного вещества превратился в земной шар, покрытый сплошным океаном нагретых вод, содержащих в большом количестве растворенные вещества. Глубина этого океана была значительной. Начавшееся охлаждения воды океана привело к кристаллизации из нее солей.

       Процесс этот с учетом видимого разреза каменной оболочки предполагался следующим. В спокойных глубинных условиях, где не происходило движение воды, отлагались в хаотичном порядке  крупные кристаллы кварца, полевого шпата и слюды, давшие гранитные ядра гор. Уменьшившееся количество воды мирового океана, сопровождавшееся началом движения ее, понижение температуры и минерализации (много солей ушло на формирование гранитов), способствовало отложению параллельно-полосчатого среднекристаллического гнейса, а затем и кристаллических сланцев, состоящих из более мелких кристаллов, чем гнейс.

       Как только вершины гор вышли из-под  уровня океана при продолжавшемся уменьшении количества воды в нем,  бушевавшими в нагретой атмосфере ураганами началось разрушение (выветривание) кристаллических пород химического происхождения с механическим осаждением глины, песчаника, конгломерата и других обломочных пород. Появившаяся суша создала условия для появления на Земле растений и животных. Накопившиеся остатки растений сформировали пласты каменного угля, горение которого в недрах земного шара вызвало начало вулканизма. Поэтому к вулканическим породам нептунисты относили пережженную глину, земляной шлак, фарфоровую яшму, наблюдавшихся на контакте со сгоревшими пластами каменного угля. Базальт, который по их наблюдениям залегал выше пластов каменного угля, из-за своего стекловатого (порфирового) или скрытокристаллического (долерит) сложения относился к образованиям, выкристаллизовавшимся из морской воды. Объяснялось это А.Г. Вернером тем, что сравнительно недавно был потоп, во время которого весь земной шар был покрыт водой, кроме самых высоких гор, “на которых базальт не находят”.

       Граниты, гнейсы и другие кристаллические  породы химического осаждения, не содержащие органических остатков, а потому образовавшиеся до существования жизни, нептунистами назывались первопериодными. Горные породы механического осаждения (глины, песчаники, конгломераты, известняки) с остатками окаменелостей, содержат обломки кристаллических первопериодных пород. Поэтому слоистые (флёцовые) породы определены второпериодными. После сформировались осадки из галек, песков и глин, слагающие низменные, равнинные участки. Эти осадки представляют собой обломки первопериодных и второпериодных пород, перенесенных и отложенных водой. Это намывные отложения (“наносные области”) или по времени возникновения - третьепериодные отложения.

       Таким образом, нептунистами в конце XVIII в. была предложена обоснованная для того времени программа изучения видимой части литосферы. В основе ее лежало представление об образовании от Солнца раскаленного земного шара, его последующего остывания до твердого состояния, конденсации паров воды и формирования нагретого соленого сплошного океана. Жизнь же на планете появилась с выходом из морской пучины суши.

       Такая программа позволила объяснить  реально наблюдаемую в природе  смену (снизу вверх) гранита гнейсом, того кристаллическими сланцами, переходящими выше в обломочные и глинистые  отложения, сначала сцементированные, а потом и рыхлые. Граниты поэтому считались наиболее древними горными породами. Программа нептунистов наукообразно повторяла библейскую легенду о сотворении Земли, потом на ней воды и жизни.

       В начале XIX в. в естествознании утвердилась  гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Земли из раскаленного огненно-жидкого шара. Последующее его остывание сформировало твердую кору охлаждения - земную кору мощностью 10 миль, ниже которой находится первичный расплав. На базе гипотезы Канта-Лапласа возникла геологическая гипотеза - плутонизм (Плутон - бог подземного царства).

       По  мнению Б. Котта (1808-1879), немецкого сторонника и пропагандиста плутонизма, при  охлаждении огненно-жидкого земного  шара появилась оболочка из сланцев, гнейсов и гранитов. Глинистые  сланцы, как быстро охладившиеся и потому мелкозернистые, слагают самую верхнюю часть оболочки. Ниже возникли кристаллические сланцы. Они были защищены вышележащими глинистыми сланцами от быстрого остывания, и кристаллы в них крупнее. Под более толстым экраном из глинистых и кристаллических сланцев еще медленнее кристаллизовались гнейсы, уже полностью кристаллические породы. На большей глубине под сланцами и гнейсами самыми последними выкристаллизовались граниты с беспорядочным расположением слагающих минералов, хотя минеральный состав их такой же, как и гнейсов. Все это кристаллизовалось из первичного расплава, состав которого принимался базальтовым. В 1837г. Б. Котта предложил сланцы, гнейсы и граниты считать первичной корой охлаждения ранее расплавленного земного шара.

       К середине XIX в. в геологии установилось представление, что нижняя половина земной коры произошла от застывания ранее расплавленного материала, сохранившегося во внутренней части планеты; и поэтому  называлась эта часть коры огненной или плутонической. Породы, ее слагающие, именовались плутоническими (табл. 1).

       Наружная  же половина земной коры считалась  сформированной из осадков на дне  океана. Туда с суши сносились и  сносятся продукты разрушения (продолжал  применяться и сейчас употребляется  термин “выветривание”, хотя ветер участия при этом не принимает) плутонических пород. Возникшие слои глин, песчаников, известняков образовали наружную водную или нептуническую кору. Породы, ее слагающие, стали называться нептуническими.

       В книге “Естественная история земной коры”, изданной в 1858 г. профессор С.-Петербургского университета, директор минералогического общества России С. Куторги все горные породы разделил по происхождению на две группы: плутонические и нептунические.

 
Таблица 1. Классификация  горных пород С. Куторги.

       Примечание: Нептунические породы, в непосредственном прикосновении с огненными, вылившимися из раскаленной внутренности Земли, были прокалены их жаром и отчасти изменены в составе и сложении; эти породы измененные или метаморфические.

       Термин  “метаморфизм” - процесс изменения  нептунических пород при их погружении в недра земного шара теплом расплавленной  части Земли, был предложен в  начале 30-х годов XIX в. английским геологом Ч. Лайелем. Породы, возникшие при метаморфизме, стали называться метаморфическими. Постепенно к ним отнесли все сланцы и гнейсы. Сланцы считались результатом перекристаллизации с увеличением размера кристаллов нептунических пород. Принималось, что глины и пески, погружаясь вниз и приближаясь к оставшемуся первичному расплаву, поглощая энергию, перекристаллизовываются с увеличением размера кристаллов (на самом деле усвоение энергии приводит к плавлению: а не увеличению размера кристаллов!). Если же погружался гранит - плутоническая порода, то метаморфизм его приводил к появлению гнейса (и снова нонсенс - гнейс  в разрезе литосферы лежит выше гранита).

       Если  в первой половине XIX в. геологи при  попытках классификации горных пород учитывали наблюдаемый разрез литосферы, то затем это делать перестали, обратив свои взоры на гипотетические внутренние части Земли.

       К началу последней четверти XIX в. геологи  убедились, что расплавленного материала  под тонкой земной корой нет. Иначе, например, в ней (если бы кора вообще была!) наблюдались бы непрерывные поднятия и опускания от притяжения Луны, как это отмечается в гидросфере. Оказалось, что поднимать в расплавленном состоянии из недр земного шара нечего, расплавленной оболочки нет. Как же быть с плутоническими и метаморфическими породами?

       Выход был предложен австрийским геологом Э. Рейером (1849-1914). Он предположил, что  на глубине земное вещество высоконагрето, но из-за огромного давления вышележащих  толщ горных пород, не позволяющего веществу перейти в расплав, находится в твердом состоянии (как увидим далее, это представление ложное). Если уменьшить давление, например, путем возникновения трещины при землетрясении, то в этом месте произойдет расплавление. Возникшую на глубине расплавленную массу Г. Фогельзангом и Г. Розенбушем в 1872 г. было предложено называть магмой (по-гречески - густая мазь, тесто). Магма определялась и сейчас определяется как “расплавленная огненно-жидкая масса сложного состава, образующаяся в глубинах земли, более или менее богатая летучими компонентами, из которой путем застывания и кристаллизации, а также дифференциации получают магматические (изверженные) породы” (Петрографический словарь, 1963,с.182).

       Между тем, из-за громадного литостатического давления (массы вышележащих слоев) трещина на глубине образоваться не может, но если бы и смогла, то уменьшить давление не сумела бы, так как  массу не изменила бы. Для понижения давления необходимо убрать толщу горных пород мощностью несколько километров, что на Земле, к радости всех живущих, не происходит.

       Плутонические породы получили название сначала изверженных, потом магматических, а нептунические - осадочных. Магматические по месту  остывания магмы были разделены  на интрузивные и эффузивные. Интрузивные (внедрившиеся, глубинные): гранит, диорит, габбро, перидотит и другие. Эффузивные (излившиеся или вулканические): липарит, андезит, базальт и другие. Между тем вулканические составляют лишь часть эффузивных пород. Вулканические = пирокластические + эффузивные; пирокластические – значит, образовались за счет выброшенных раскаленных, огненных обломков лавы, а эффузивные - при излиянии лавы. Разделение горных пород по происхождению на магматические, осадочные и метаморфические в современной геологии сохраняется на начало XXI века. Научной такую классификацию горных пород принять нельзя.

       На  основании чего горные породы разделяются  по происхождению? Что, горные породы несут  признаки своего происхождения? Нет, таких  признаков в них нет. В разные времена одной и той же породе приписывалось различное происхождение. Например, гнейс. Дж. Ардуино в середине XVIII в. считал его первичной породой, созданной Богом при создании Земли до сотворения на ней жизни. А.Г. Вернер в конце XVIII в. отнес гнейс к химической породе, выкристаллизовавшейся из первичного нагретого минерализованного океана после образования гранита. В начале XIX в. Б. Котта  с позиции плутонизма предложил считать гнейс породой первичной коры охлаждения ранее расплавленного земного шара. Уже полтора столетия с середины  XIX в. гнейс принимают метаморфической породой. Но во все эти времена гнейсом называли кристаллическую породу, сложенную полосами минералов разного цвета, т.е. определяли его не по происхождению, а по структуре и текстуре, что и предложено делать в настоящем издании.

       Классифицировались  горные породы по генезису потому, что  сначала придумывалась схема  происхождения нашей планеты  или ее глубинного строения, а затем  к ней подбирались типы горных пород, иллюстрирующие эту схему. Такой  способ мышления от общего к частному называется дедуктивным. Но можно ли говорить сначала о происхождении земного шара или его строении, а потом называть то, что его слагает? На основании чего тогда говорится о происхождении и строении? Изначально дедуктивное мышление в естествознании не применимо, такое мышления в геологии не является научным.

       Цель  естественных наук, к каким относится  и геология, в познании законов  строения и функционирования природных  объектов. Это осуществляется путем  суммирования общих свойств единичных объектов или явлений. Это индуктивный способ мышления, от частного к общему (закону), не от представления к иллюстрации, как при дедукции, а от понятий (сравнения свойств или признаков объектов) к закону. Логическое (научное) мышление в естествознании обязывает думать понятиями. Мышление представлениями (вымыслом) дает бессмыслицу. Приведенный пример появления термина “магма” - яркое свидетельство бессмыслицы в геологии.

       Индуктивный метод познания геологического мира использован в данном пособии. Изложение геологических воззрений начинается не с констатации готовой истины (например, так как в глубинном строении земного шара выделяются ..., то ...), а с характеристики и анализа геологических объектов, существование которых неопровержимо самим фактом их непосредственного наблюдения (присутствия).

2. Коэффициент пористости и объемной плотности водонасыщенных пород в Западной Сибири

       На  этапе подсчёта запасов пористость коллекторов Кп определяется по материалам акустического каротажа (АК) с использованием эмпирических парных или многомерных зависимостей между К_п и интервальным временем _Dt.  

       Существует  несколько методик определения  пористости пород по данным АК.  

       - Определение пористости по экспериментальным зависимостям _Dt(К_п), полученным на представительной коллекции образцов пород с учётом условий их залегания, характерных для данного разреза. Однако, как показали наши исследования, зависимости _Dst(К_п) типа «керн-керн», установленные в разных петрофизических лабораториях на одной и той же коллекции образцов существенно различаются даже в примерно одинаковых условиях измерения _Dt.  

         
Рис.1. Зависимость  интервального времени  от коэффициента пористости для отложений  юры месторождений  Западной Сибири 

       Это показывает, что в настоящее время пока нет единой методики измерения в лабораторных условиях интервального времени. Нет единого мнения и о влиянии температуры на скорость распространения упругих волн. В лабораторных условиях невозможно также смоделировать реальный фазовый состав жидкости в радиусе исследования АК. К тому же эти зависимости даже при полном учёте пластовых условий не совсем адаптированы к ним в связи с тем, что в лабораторных условиях Dt измеряется параллельно напластованию, тогда как в скважинных условиях (при каротаже) интервальное время измеряется перпендикулярно напластованию. При значительной акустической неоднородности это обстоятельство может повлиять на поведение зависимости _Dt(К_п).  

       В связи с этими ограничениями  использовать зависимость _Dt(К_п) типа «керн-керн» для определения К_п с уверенностью нельзя.  

       - Определение коэффициента пористости  по статистическим уравнениям (зависимости типа «керн-ГИС») интервального времени от пористости, установленным для определенных стратиграфических подразделений или пластов. При этом _Dt получают по АК, а К_п - по керну в интервалах с представительным керном. Такая зависимость, установленная для отложений юры, приведена на рисунке 1. В диапазоне пористости от плотных карбонатизированных до песчано-алевролитовых разностей зависимость описывается уравнением  

         
Формула 1. Зависимость  получена по представительному  керну из пласта Ю₁ и акустическому каротажу нескольких месторождений, расположенных на обширной территории Западной Сибири. 

       Зависимость (1) получена по представительному керну из пласта Ю₁ и акустическому каротажу нескольких месторождений, расположенных на обширной территории Западной Сибири, имеет высокий коэффициент корреляции (r=0.98) и ее можно использовать для определения К_п коллекторов юры в пределах Среднеобской нефтегазоносной области и Уренгой-Пуровского района.  

       Зависимость на рисунке дополнена данными  по пластам БП20 Харампурского и  БП_8-14 Тарасовского месторождений. Как видно, точки по пластам БП хорошо согласуются с юрскими, что может свидетельствовать о возможности использования зависимости (1) и для определения пористости коллекторов пластов группы БП.  

       Ранее полученная в ЗапСибГеоНАЦ зависимость  _Dt(К_п) для ачимовских отложений Уренгойского ГКМ имеет вид _Dt = 5.24 К_п + 172.42 и располагается несколько выше юрской. Статистическая зависимость К_п(_Dt) предпочтительнее, так как при ее использовании систематические ошибки минимальны.  

       - Определение коэффициента пористости  по уравнению среднего времени  (УСВ) достаточно распространено  на практике. Выражение для К_п имеет вид  

         
Формула 2. Определение  коэффициента пористости по уравнению среднего времени (УСВ) 

       Как видно из уравнения (2), результаты определения  К_п значительно зависят от достоверности параметров _Dt_ск и _Dt_ж.  

       Существует  несколько способов определения  _Dt_ск. Наиболее правильным следует считать _Dt_ск, определенное путем линейной экстраполяции зависимости К_п(_Dt) к нулевой пористости. По зависимости (1) _Dt_ск для юрских отложений будет равно 166 мкс/м.  

       Интервальное  время в заполнителе порового пространства зависит от состава  флюидов, температуры и давления (глубины залегания). Для условий  Западной Сибири рекомендуется значение _Dt_ж принимать равным 610 мкс/м [1], которое, очевидно, характерно для однородных водных растворов. В реальных нефтеносных пластах в радиусе исследования АК находится остаточная нефть, а также смесь фильтрата бурового раствора и пластовой воды. Для такого заполнителя порового пространства _Dt_ж будет другим, что и подтверждается на практике. При рекомендованном _Dt_ж=610 мкс/м полученные значения Кп оказываются завышенными.  

       В связи с этим целесообразно определять _Dt_ж расчетным путем по уравнению (2), решая его относительно _Dt_ж по известным К_п по керну и _Dt по АК.  

       В частности, для отложений пласта Ю₁ Харампурского месторождения по выборке пластов с достоверным керном среднее значение _Dt_ж можно при нять равным 665 мкс/м.  

       При таком подходе к определению _Dt_ж в той или иной мере должно учитываться влияние глинистых частиц в породе.  

       - Определение коэффициента пористости  может быть осуществлено при  использовании многомерных моделей.  В частности, В.Г. Фоменко, С.Г.  Шальновой и др. [2] предложена методика, сущность которой заключается в том, что по материалам нескольких месторождений Уренгойского нефтегазоносного района было получено уравнение, которое описывает связь между К_п, _Dt и a_пс:  

         
Формула 3. Определение  коэффициента пористости может быть осуществлено при использовании  многомерных моделей. 

       где 0.175с - комплексный параметр (обозначенный нами С), который в целом учитывает размерность величин в уравнении и степень уплотнения пород; величина 180 принята авторами как _Dt_ск.  

       Авторы  методики не указывают значение коэффициента пропорциональности с, а величина 0.175 в уравнении (3) рекомендована как константа для определения К_п всех стратиграфических комплексов Западной Сибири.  

       Однако, как показал опыт применения этой методики при подсчете запасов в  ТТЭ (ЗапСибГеоНАЦ), значения коэффициента 0.175с и _Dt_ск необходимо уточнять для каждого объекта с учетом условий его залегания и литологических особенностей пород.  

       В связи с этим Г.В.Таужнянским, Е.Е.Селивановой, О.А.Соколовской и др. предложена и успешно применяется на протяжении многих лет методика уточнения коэффициента 0.175с в уравнении (3). Она заключается в том, что по пластам с высоким выносом керна (не менее 70-80%) и количеством исследованных образцов более 3-5 на 1 метр разреза при известных значениях К_п, _Dt и a_пс, уравнение (3) решается относительно коэффициента С. При таком подходе можно использовать также уверенные значения К_п по каротажу (например, по ГГК-П).  

       Уточненный  таким способом коэффициент С  для отложений юры Харампурского  месторождения при _Dt_ск=166 мкс/м равен 0.258 и формула (3) примет вид  

         
Формула 4. Формула (3) при уточненненном  коэффициент С. 

       В общем коэффициент С имеет  тенденцию к уменьшению вверх  по разрезу. Для пластов ПК Харампурского месторождения он равен 0.139.  

       Рассмотренные методики дают практически одинаковые результаты и полностью совпадают  с данными керна. Так, по пласту Ю₁ Харампурского месторождения по скважинам с АК получены следующие средневзвешенные значения К_п  

         
Рис.2. Рассмотренные  методики дают практически  одинаковые результаты и полностью совпадают  с данными керна. 

       Наиболее надежной считаем зависимость К_п(_Dt), при которой интервальное время определяется по результатам исследований в скважинах, а К_п устанавливается по данным представительного керна. В сильно глинистых пластах, по-видимому, лучшие результаты могут быть получены по методике К_п(_Dt,a_пс). Однако при использовании этой методики возникают некоторые сложности при расчете a_пс с выбором опорного пласта.  

       Таким образом, полученные авторами, а также  усовершенствованные с учётом конкретных геологических условий известные методики определения пористости коллекторов месторождений Тюменской области по интервальному времени распространения упругой волны прошли апробацию и рекомендуются для практического применения.