Лекция 8. Принципы классификации коллекторов. 
Понятие простых и сложных коллекторов

В зависимости от поставленных целей при изучении пород-коллекторов их классифицирование может проводиться по генетическим, литологическим, физическим и другим признакам. Классификации коллекторов отражают главные черты коллектора как общего характера, так и оценочного. Региональные схемы позволяют правильно ориентироваться в процессе изучения коллекторов при поисковых ра-ботах, оценочные — при разведочных. Наряду с региональными схемами, немаловажное значение имеют и общие, принципиальные схемы классификации коллекторов.

Общие классификации базируются на генезисе, составе и строении пород, структуре, морфологии и времени формирования порового пространства, однако в них могут и отсутствовать некоторые из перечисленных признаков. Общие классификации, как правило, включают все петрографические типы пород-коллекторов (магматические, осадочные, метаморфические). К этой группе относятся классификации М. К. Калинко (1958), А. А. Ханина (1969) и др.

Оценочные классификации дают представление о качестве пород-коллекторов по основным параметрам (пористость, проницаемость), показывают в определенных диапазонах численные значения этих параметров для каждого из выделенных классов. Такие классификации обычно составляются для какой-либо конкретной группы пород (обломочных, карбонатных). Эта особенность схем классификации определяется тем, что породы различного литологического состава обладают специфическими количественными взаимосвязями между основными коллекторскими параметрами. Подобные классификации были созданы Ф. А. Требиным (1945), Г. И. Теодоровичем (1958), И. А. Конюховым (1961), А. А. Ханиным (1969) и др.

Схема общей классификации коллекторов, принятая на кафедре литологии и системных исследований литосферы МИНГ им. И. М. Губкина.

К поровому типу коллекторов отнесены породы-коллекторы, в которых мелкие поры (1 мм и мельче) более или менее изометричной формы соединены между собой проводящими (поровыми) каналами. Диапазон изменения объема порового пространства очень большой — от единиц до нескольких десятков процентов (40−50%), сильно варьирует проницаемость — от n 10−16 до n 10−12 м². Общая особенность коллекторов порового типа (в случае если их поровое пространство не заполнено УВ) — постепенное понижение коллекторских свойств с глубиной за счет уплотнения породы, минерального новообразования и других процессов. Для обломочных пород — наиболее ярких представителей коллекторов порового типа, существует немало оценочных классификаций, среди которых наибольшим признанием пользуется схема А. А. Ханина.

Трещинный тип породы-коллектора характеризуется тем, что фильтрующее поровое пространство в нем представлено открытыми (зияющими) трещинами. Трещинный коллектор обладает низкой трещинной пористостью, обычно не более 2,5−3%. Вместе с трещинными порами в породе могут быть и межзерновые (межгранулярные), однако их суммарный объем обычно также невелик (до 5−7%) к тому же часть таких пор оказывается изолированной. В большинстве случаев тре-щинный коллектор вторичный, постдиагенетический.

К смешанному (сложному) типу коллектора относится такой, в котором сочетаются различные виды порового пространства (два или более), в т. ч. межзерновой, трещинный, каверновый, межформенный, внутриформенный и другие. В различных группах коллекторов эти сочетания могут быть разными. В этой связи при характеристике коллекторов сложного типа требуется уточнение по виду порового пространства, при этом ведущий тип пор помещается в конце определения.

Р.С. Безбородов и Ю. К. Бурлин (1976) предложили принципиальную общую схему коллекторов в различных типах пород (табл.5). В схеме сделана попытка отразить тип коллектора, литологическую разность пород, характер пустотного пространства и некоторые основные факторы, которые приводят к образованию емкости в породах на раз-ных стадиях литогенеза. Наряду с гранулярными, трещинными и кавернозными в схеме выделены карстовые коллекторы в силу своеобразия условий карстообразования. Кроме того выделяются еще биопустотные коллекторы. Эти коллекторы в рифовых массивах, биоморфных известняках представляют собой особую разновидность. В нижней части схемы приведены процессы, приводящие к образованию пустот в различных породах.

Е.М. Смехов (1974), приняв основным параметром коллекторского потенциала пород их емкость, с учетом их литологии, условий аккумуляции и фильтрации составил классификацию коллекторов нефти и газа с выделением как порового и трещинного, так и переходных между ними коллекторов сложного типа (табл. 6).

Классификация Е. М. Смехова представляет интерес, особенно в применении к вопросам разработки залежей нефти и газа. В таблице 7 приводится уточненная схема Е. М. Смехова и коллектива авторов ВНИГРИ (Методические рекомендации…, 1989). Эта схема отражает возросший в последние годы интерес к коллекторам сложного типа. В природных условиях эти коллектора являются наиболее распростра-ненными. На средних и малых глубинах они чаще всего связаны с карбонатными породами, как наиболее изменчивыми по своим фильтра-ционно-емкостным параметрам. На больших глубинах их роль возрастает настолько, что в этих условиях сложный коллектор будет доминировать независимо от вещественного состава пород.

Широкое распространение сложных коллекторов и трудности, связанные с их выявлением на практике, предопределили дальнейшее направление исследований по разработке их классификационых критериев.

Введены градации: тип, класс коллектора. Расположение классов коллекторов соответствует свойственным им фильтрационным особенностям. Крайними в ряду являются простые по фильтрационным свойствам породы-коллекторы: поровые и трещинные. Простые коллекторы характеризуются единой непрерывной системой фильтрационных каналов (поровой или трещинной).

Центральное место в классификации занимают классы сложных коллекторов: трещинно-поровые, порово-трещинные, макронеодно-родные. Эти коллекторы в отличие от поровых, характеризуются двумя фильтрационными средами: блоковой (пористая матрица) и межблоковой (фильтрующие трещины) одновременно существующими и гидро-динамически между собой связанными.

Введено новое понятие макронеоднородного коллектора, под которым понимается совокупность пластов с резко различающимися коллекторскими свойствами. Примером макронеоднородного пласта могут служить низкопористые и слабопроницаемые нефтенасыщенные пласты довольно большой мощности (десятки метров) с пропластками проницаемых пород. В гидродинамическом плане коллектор схематизируется в виде двухслойного пласта, один слой которого является проводящим, другой аккумулирующим. Такие коллекторы характеризуются низкими дебитами м длительным сроком разработки. Несмотря на указанные неблагоприятные факторы, в них могут содержаться значительные запасы, которыми нельзя пренебрегать.

В предлагаемой классификации более широко используются результаты гидродинамических исследований в качестве поисковых признаков различного класса коллекторов. В теоретическом и практическом отношении перспективно типизацию коллекторов производить на гидродинамической основе. При этом даже качественный вид промысловых кривых исследования скважин может служить достаточно надежным критерием при выделении различного типа и класса коллекторов: искривление кривых продуктивности (КП) под влиянием повышенной сжимаемости трещин, возможность выделения начальных участков на кривых восстановления давления (КВД), связанных с проявлением переходных процессов и др.

Поскольку емкость также является важнейшим критерием породы-коллектора, были продолжены исследования по совершенствованию оценочно-генетической классификации пустотного пространства с учетом новых фактических данных. И, наконец, для выявления зон трещиноватости, что имеет немаловажное значение при характеристике коллекторского потенциала разреза, была предложена схема классификации трещин с учетом их значимости в формировании сложных коллекторов нефти и газа.

Литолого-петрографические методы изучения коллекторов.

Петрографический метод изучения коллекторов является наиболее доступным, а следовательно и массовым при изучении литологических, в том числе и коллекторских свойств пород. Метод позволяет оценивать структуру и генезис порового пространства, а также трещиноватость пород.

Схема оценки коллекторских свойств пород приводится в соответствии с методикой, разработанной во ВНИГРИ — «метод больших шлифов» (Методические рекомендации…, 1989).

Исследования проводятся на поляризационных микроскопах в шлифах нестандартных размеров (площадью в 1000 мм² и более). При изучении шлифов определяются:

• — литологический состав и структура породы;
• — характеристика трещин и их параметры;
• — особенности порового пространства, его генезис, производится дифференцированный и суммарный количественный подсчет пористости;
• — совокупность вторичных процессов и их очередность;
• — осуществляется количественная оценка степени преобразованности породы вторичными процессами, каждым в отдельности и в совокупности;
• — определяется мера влияния вторичных процессов на коллекторские свойства породы.

В соответствии со схемой исследования проводится описание шлифа породы.

Литологический состав и структура породы.

Для терригенных коллекторов:

• 1. Текстура (степень слоистости: четкая, неясная, отсутствует);
• 2. Содержание породообразующих компонентов
• 3. Размер, форма и характеристика участков, отличающихся по плотности расположения зерен, составу, количеству, форме зерен, типу их сочленения (касательные, конформные, инкорпорационные), регенерации и растворения зерен и т. д.;
• 4. Характеристика обломочных зерен: размер, форма, число контактов с соседними зернами;
• 5. Цемент: тип цементации (базальный, поровый и т. д.), Струк-тура цемента (тонкозернистый, пойкилитовый, рустифика-ционный и т. д.);

Для карбонатных коллекторов:

• 1. По данным окрашивания ализароном красным с соляной ки-слотой диагностируются кальцит и доломит. Оценивается их процентное соотношение;
• 2. Текстура;
• 3. Форма, размер зерен или форменных образований;
• 4. Цемент.

И для терригенных, и для карбонатных пород оцениваются вто-ричные преобразования. Это, прежде всего, аутигенные компоненты (минералы). Признаки аутигенности.

Вторичные процессы оказывают существенное влияние на формирование фильтрационно-емкостных свойств пород. К процессам, способствующим образованию вторичной пористости относятся: доломитизация, доломитизация-перекристаллизация, выщелачивание, трещиноватость.

Итак, формирование пустотного пространства в карбонатных и других осадочных породах происходит на различных этапах литогенеза — в седиментогенезе, диагенезе и на стадии катагенеза.

Пористость коллекторов.

В зависимости от стадий литогенеза выделяются поры седиментационного происхождения, обязанные процессам осадконакопления и постседиментационные поры, обусловленные диагенетическими и эпигенетическими преобразованиями осадка и породы.

Ниже приводятся морфологические особенности генетических типов пор, присущих породам-коллекторам сложного типа.

1. Седиментационные поры. Представляют промежутки между тонкими (меньше 0,01 мм зернами кальцита, доломита в тонкозернистых карбонатных породах хемогенного происхождения или тонкозернистом цементе карбонатных пород с преобладанием форменных эле-ментов. Размер седиментационных пор меньше 0,01 мм, форма пор изометричная, связь между порами осуществляется с помощью межзерновых каналов, длина которых равна размеру пор или меньше их.

В карбонатных и кремнистых породах с преобладанием формен-ных элементов, первичными седиментационными порами являются промежутки между органическими остатками, их обломками, комками, сгустками, оолитами, обломками пород, не затронутых растворением (межформенные поры). Это мелкие поры: капиллярные (размер 1−2 мкм) и субкапиллярные (размер меньше 1 мкм). Сообщаются поры по-средством межформенных каналов, длина которых не превышает раз-мера пор или микротрещин. Распределяются в породе межформенные седиментационные поры равномерно или неравномерно.

• 2. Поры диагенетической перекристаллизации, доломитизации-перекристаллизации. Представляют промежутки угловатой формы ме-жду мелкими (0,01−0,05 мм) и средними (0,05−0,25 мм) зернами кальци-та или доломита, образующими основную массу породы или цемент карбонатных пород с преобладанием форменных элементов. Стенками пор являются грани кристаллов карбонатных зерен. Размер пор равен или меньше размера породообразующих зерен. Располагаются поры диагенетической перекристаллизации в породе равномерно или неравномерно.
• 3. Поры эпигенетической перекристаллизации, эпигенетической доломитизации-перекристаллизации. Представляют промежутки угловатой формы между зернами кальцита или доломита, размером 0,25 мм, составляющими основную массу породы или цементирующее вещество в известняках с преобладанием форменных элементов.

Размер пор равен или меньше размера зерен вмещающего карбоната, колеблется от 0,1 до 0,25 мм. Стенками пор являются достаточно ровные грани кристаллов кальцита или доломита, не подвергшихся растворению. Связь между порами осуществляется межзерновыми каналами, длина которых меньше или равна размеру пор. Распределяются поры в породы достаточно равномерно.

4. Поры выщелачивания. Эти поры ввязаны с растворением и выносом карбонатного вещества из осадков и пород. Образуются в стадию позднего диагенеза и в эпигенезе. Форма пор выщелачивания са-мая разнообразная. Размер пор выщелачивания обычно больше или равен размеру форменных элементов (0,05−1 мм); пустоты более 1 мм от-носятся к кавернам.

Таким образом, в шлифах можно установить роль вторичных процессов в формировании порового пространства. Это достигается путем количественных замеров интенсивности проявления процессов и связанной с ними пористости (открытой и «залеченной») в разных литологических разностях по разрезу и площади распространения исследуемых отложений.

Количественный подсчет вторичных процессов и связанной с ними пористости производится с применением окуляр-микрометра. Интенсивность проявления процесса оценивается площадью шлифа, захваченной этим процессом и выражается в процентах от общей площади шлифа. Трещины разгрузки — образуются в результате изменения геостатического давления, вызванного воздыманием пород. К этой ка-тегории трещин относятся трещины, параллельные слоистости (в случае ориентированной текстуры), а также хаотические прерывистые короткие трещины, преимущественно открыт.

При подсчете пористости, связанной с определенным процессом, в числителе указывается суммарная площадь пор данного генезиса, в знаменателе — суммарная площадь шлифа, захваченного этим процессом.

Для получения параметров пористости замеряется количественное соотношение зерен.

Трещиноватость коллекторов.

Повышенная трещиноватость является одним из факторов, способствующих не только фильтрации УВ, но и образованию вторичной емкости. Для правильного осуществления прогноза коллекторов сложного типа необходим учет основных закономерностей распределения в них трещин. Для этого важно иметь представление об их генезисе.

• 1. Нетектонические диагенетические. Образуются за счет уплотнения, дегидратации и различных постседиментационных преобразований (перекристаллизация, доломитизация и т. д.). Чаще всего они заполнены органическим или минеральным веществом, близким по составу вмещающему. Практического интереса не представляют в силе своей «залеченности».
• 2. Общие (фоновые) катагенетическо-тектонические. Образуются в литифицированной породе под влиянием нагрузки вышележащих пород. Это наиболее многочисленная категория трещин, пользующаяся повсеместным развитием — фон, на который накладываются трещины более поздних генераций. Обычно эти трещины перпендикуолярны, в пластичных породах — наклонны к слоистости и группируются в системы, на ориетировку которых определяющее влияние оказывают тектонические и общепланетарные процессы. Протяженность их ограничена пределами слоя, плотность — функция мощности слоя и его литологии.
• 3. Тектонические трещины разгрузки — образуются в результате изменения геостатического давления, вызванного воздыманием пород. К этой категории относятся трещины, параллельные слоистости (в случае ориентированной текстуры породы), а также хаотические короткие трещины, преимущественно открытые, за исключением районов с активной неотектоникой, где они могут быть и залеченными в результате интенсивных гидрохимических процессов.
• 4. Тектонические соскладчатые трещины — сопровождают пликативные деформации (изгибы разного масштаба). Они пользуются преимущественным развитием на участках перегиба слоев.
• 5. Тектонические оперяющие или опережающие дизъюнтивы трещины. Имеют локальное развитие и линейно-вытянутый ареал распространения. Их ориентировка жестко связана с направлением тектонических напряжений, а интенсивность обусловлена механизмом формирования разрыва, физическими свойствами вмещающих пород, а также морфологией самого смещения.

Микротрещины по своему происхождению разделяются на:

• — литогенетические;
• — катагенетическо-тектонические;
• — трещины разгрузки;
• — собственно тектонические (табл.).

Для получения параметров трещиноватости замеряются:

• — площадь шлифа;
• — длина следов трещин;
• — раскрытие трещин (ширина).

Площадь шлифа (S) определяется измерительной линейкой или палеткой, ширина трещин (b) с помощью линейного окуляр-микрометра при любом объективе несколькими измерениями в различных ее частях. За расчетную величину расстояния между стенками трещин принимается наиболее часто встречаемое значение.

По данным замеров в шлифах ширины трещин и микронах, их суммарной длины в мм и площади шлифа в мм2 производится подсчет параметров трещиноватости:

— трещинной проницаемости (Кт), 1.10−3 мкм2.

Кт = А b3 l / S.

В зависимости от геометрии систем трещин в формулу проницаемости вводятся соответствующие коэффициенты (А).

• 1) при одной системе горизонтальных (по отношению к слоистости) трещин 3,42. 10 6(степень)
• 2) при двух взаимно перпендикулярных системах вертикальных трещин 1,71. 10 6(степень)
• 3) для трех взаимно перпендикулярных систем трещин 2,28. 10 6;
• 4) в случае хаотического расположения трещин 1,71. 10 6.
• — трещинной пористости (mт), %

mт = b l / S.

— объемной плотности трещин (Т), 1/м Т = 1,57 l / S.

Рассчитанные величины трещинной пористости, трещинной проницаемости и объемной плотности трещин характеризуют трещиноватость пород данного разреза, участка разреза или определенной литологической разности пород.

— объемной плотности трещин (Т), 1/м Т = 1,57 l / S.

Рассчитанные величины трещинной пористости, трещинной проницаемости и объемной плотности трещин характеризуют трещиноватость пород данного разреза или участка разреза.

Количественная оценка параметров трещиноватости, пористости и вторичных изменений в сложных коллекторах нефти и газа (по методу больших шлифов ВНИГРИ) проводится с указанием и описанием следующих параметров:

• 1. Площадь, месторождение
• 2. Номер скважины
• 3. Номер образца
• 4. Глубина залегания, м
• 5. Возраст
• 6. Структурно-генетический тип породы (породообразующие компоненты, %; цемент, %; состав; тип)
• 7. Площадь шлифа, S мм2

Стилолиты.

• 8. Раскрытие, b, мкм
• 9. Длина, l, мм
• 10. Ориентация, заполнение
• 11. Плотность, Тст, 1/м

Минеральные трещины.

• 12. Раскрытие, b, мкм
• 13. Длина, l, мм
• 14. Ориентировка заполнения
• 15. Плотность, Тм, 1/м

Трещины, заполненные твердым битумом (черным или корич-невым).

• 16. Раскрытие, b, мкм
• 17. Длина, l, мм
• 18. Характер битума (коричневый или черный)
• 19. Плотность, Тб

Трещины открытые и с примазками желтого битума.

• 20. Раскрытие, b, мкм
• 21. Длина, l, мм
• 22. Ориентировка
• 23. Плотность, То, 1/м
• 24. Трещинная проницаемость, Кт, 10−3 мкм2
• 25. Трещинная пористость, mт, %

Пористость по шлифу, mш, %.

• 26. Открытая и с примазками желтого битума
• 27. Поры, заполненные коричневым битумом
• 28. Заполненые черным битумом

Степень преобразованности пород вторичными процессами, %.

Диагенетическими.

• 29. Перекристаллизация
• 30. Доломитизация
• 31. Сульфатизация
• 32. Окремнение
• 33. Засолонение
• 34. Кальцитизация

Эпигенетическими.

• 35. Перекристаллизация
• 36. Доломитизация
• 37. Сульфатизация
• 38. Окремнение
• 39. Кальцитизация
• 40. Засолонение

Петрофизические параметры.

• 41. Открытая пористость, m, %
• 42. Газопроницаемость, К, 10−3 мкм2
• 43. Плотность, Р, 103 кг/м3
• 44. Тип коллектора

Оценка первичной и вторичной пористости с учетом генезиса пустотного пространства и параметров трещиноватости способствует всестороннему изучению сложных коллекторов, позволяя:

• — выявлять корреляционные связи между параметрами коллекторских свойств пород и вторичными процессами;
• — прогнозировать оптимальные зоны развития вторичной пористости на территории региона, либо в пределах локальных структур;
• — выявлять региональные и локальные зоны повышенной трещиноватости в разрезе и на площади;
• — осуществлять дифференцированный подсчет запасов в трещинах и порах;
• — выбирать объект для интенсификации добычи.

Оценочные классификации.

По величине коэффициента (мкм²) проницаемости Г. И. Теодоровичем все коллекторы делятся на пять классов:

I — очень хорошо проницаемые — более 1;

II — хорошо проницаемые — 0,1−1;

III — среднепроницаемые — 0,01−0,1;

IY — слабопроницаемые — 0,001−0,01;

Y — непроницаемые — менее 0,001.

Практическое значение с точки зрения нефтенакопления имеют коллекторы первых трех классов, а для газов также и IY класса.

Исследования П. П. Авдусина и М. А. Цветковой показали, что проницаемость зависит прежде всего от структуры порового пространства. Ими впервые была предложена классификационная схема коллекторов по величине открытой пористости (%) и выделено пять классов: А — более 20; В — 15−20; С — 10−15; D — 5−10; Е — менее 5.

Практическое значение имеют коллекторы первых четырех классов.