CC BY
98
УДК: 622.276.6
A.A. Липаев1, Р.Ш. Абсалямов1, В.Г. Изотов2, Е.А. Дорофеева3
'Альметьевский государственный нефтяной институт, Альметьевск, absalyamovr@mail.ru
2Казанский (Приволжский) федеральным университет, Казань 3ТГРУ ОАО «Татнефть», Альметьевск
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ ГОРНЫХ ПОРОД
В настоящей статье рассмотрены процессы деформации горных пород, происходящие при термоциклическом нагреве, на примере образцов керна песчаника и известняка. Проиллюстрированы микро структурные изменения, происходящие в горных породах, при помощи изготовленных шлифов.
Ключевые слова: термоциклический нагрев, проницаемость, пористость, призабойная зона, керн, шлифы, песчаник, известняк, трещиноватость.
Результаты положительного технологического эффекта от использования циклического нагрева призабойной зоны скважины встречаются в работах многих исследователей и ученых (Сургучев и др., 1975).
Эффект проявляется в гравитационном разделе продукции скважины в самой скважине, в результате чего происходит ее оптимальная эксплуатация. Циклический нагрев в промысловых условиях позволяет использовать
Окончание статьи Е.Б. Груниса «Новые представления теории геологических процессов и перспектив нефтегазоносности Русской платформы»
к изменению условий накопления осадков, но и к несоответствию структурных планов между пластами.
Следы минувших землетрясений на Русской платформе обнаруживаются по многочисленным признакам. Особенно интенсивно они проявились в конце пашийского и в начале кыновского времени в девоне. Они образовали большое количество так называемых грабенообразных прогибов, как правило, контролирующих размещение залежей нефти в отложениях девона. Кроме того, эти землетрясения в отдельных случаях сопровождаются выжиманием из трещин расплавленного вещества, из которых образовались эффузивные породы. Последние установлены многочисленными скважинами в отложениях кыновского горизонта на Южно-Татарском своде, на юге Татарстана и севера Самарской области.
Таким образом, законы природы устанавливают природную причину землетрясений, а землетрясения - причины формирования геологических структур в осадочном чехле платформ. На платформах нет ни одной геологической структуры, образованной тепловой энергией магмы.
В заключении отметим, что данное доказательство о причастности законов природы к геологическим процессам вовсе не принадлежит автору статьи.
Догадку о необходимости изучения геологических процессов на основе законов природы впервые высказал М.В. Ломоносов, что... «причиной формирования гор является»... «жар в земной утробе!».
В самом деле, «жар в земной утробе» на современном научном языке означает высокую температуру (в данном случае высокую температуру магмы); неравновесную термодинамическую систему; фазовое превращение вещества; закон сохранения и превращения энергии; закон постоянства массы вещества и т.д. Все эти законы природы шаг за шагом обнажают природную сущность и последовательность всех геологических процессов без исключения.
Все природные законы, причастные к геологическим процессам, имеют достаточно простые математические формулы, доступны алгоритмированию и, следовательно, могут являться основой изучения геологических про-
цессов путем их моделирования с использованием современных компьютерных технологий.
Глубокое осмысление природных законов и их применение во многом будут способствовать повышению результативности геологического изучения и геолого-поисковых работ.
Литература
Бюллетень: «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки». 1979. №443.
Открытия в СССР. М.: Центральный научно-исследовательский институт патентной информации. 1973. 24.
E.B. Grunis. New conceptions of the geological processes theory and oil and gas potential of the Russian Platform.
The article examines the role of the nature laws in geology and points out on the possibility of developing a theory of geological processes as these processes are ordinary natural processes. Taking into account that all natural processes are described by accurate and clear laws, hence the geological processes like all natural processes can be described by the same laws. The mechanism of geological structures formation is discussed on the example of the Ural geosynclinal area and the Russian Platform. According to the author the second stage of the Paleozoic magmatism in many ways has defined the spatial distribution of hydrocarbon fields in the east of the Russian Platform and the Western Siberia parts adjacent to the Ural geosynclinal area. Under these conditions geological model of oil and gas formation that admits polygenic genesis of hydrocarbons could get ideal conditions for its implementation. These circumstances explain low oil and gas potential of the western parts of the Russian Platform and at the same time high oil and gas potential of its eastern parts.
Keywords: laws of nature, magmatism, metamorphism, crystallization, tectonic movements, earthquakes, volcanism, hydrocarbons.
Евгений Борисович Грунис Руководитель Дирекции по науке ИГиРГИ, доктор геол.-мин.наук, профессор, академик РАЕН.
117312, Москва, ул. Вавилова, 25, корп. 1. Тел.: (495) 124-91-55.
1— научно-технический журнал ж—
71Щ
Рис. 1. Обр. 1сп. Скв. №15, Мо- Рис. 2. Обр. 2сп. Скв. №15, Морозное месторождение, инт. розное месторождение, инт. отбора 199 м. Ув. 82х, ник. ||. отбора 199 м. Ув. 82х, ник. ||.
Рис. 3. Обр. 11с. Скв. №15, Мо- Рис. 4. Обр. 1сл. Скв. №15, Морозное месторождение, инт. розное месторождение, инт. отбора 199 м. Ув. 82х, ник. ||. отбора 199 м. Ув. 82х, ник. ||.
один комплект оборудования, включающий в себя скважин-ный нагреватель, электрический кабель, станцию контроля электрических параметров типа СУЭПС-12, НЭСИ-50-122 и др. для обработки большого количества проблемный скважин. Циклическая работа скважин позволяет в трещинова-то-поровыгх коллекторах интенсифицировать работу блоков матрицы как элементов системы «мини-насосов».
Однако в этих экспериментах не рассматривались процессы, происходящие в скелетах горных пород, с точки зрения изменения порового пространства, а также деформации, происходящие в связующем цементном материале, которые в определенных случаях становятся необратимыми. Данные процессы достаточны, сложны и в различных типах горных пород их интенсивность проявляется по-разному (Липаев и др., 2003). Наиболее затруднительно это проследить на рыгхлыгх песчаниках, которые сцементированы битуминозной составляющей. Проследить изменения на конкретном примере образца горной породы можно при исследовании шлифов.
С этой целью авторами быши исследованы шлифы, снятые с образцов горных пород до и после термоциклического воздействия. Для проведения экспериментов были взяты 5 образцов песчаника и 1 образец известняка.
Керн для исследований был взят из скважины №15 Морозного месторождения (песчаник водонасыщенный, образцы не экстрагированные). Интервал отбора керна в скважине составляет 199 м (Уфимский ярус, Шешминс-кий горизонт). Подобран интервал керна, на котором участок водонасыщенного керна на отрезке 2-3 метров переходит в рыхлый битумонасыщенный песок. Выборочный анализ керна показал, что литологический состав скелета породы представляет собой мелко-тонкозернистый песчаник. Наиболее интенсивно изменяется цемент от базаль-ного, который сложен тонкозернистым кальцитом с небольшой примесью глинистого материала, до битумона-сыщенного. При данных условиях подвергать термоциклическому воздействию и исследовать можно керн, в котором нефте-битумопроявления отсутствуют. Образцы
для исследований были выпилены последовательно с одного интервала (50 см).
Кроме того для исследований был взят образец известняка 15б из керна со скважины №8266 Ново-Елховского месторождения. Интервал отбора - 1054,8 м, турнейский горизонт.
После каждого этапа циклического нагрева до 200 0С и 300 0С изготавливались шлифы с опытных образцов. Таким образом получилось 18 шлифов. В статье даны описания по 16 фотографиям шлифов. Рассмотрим шлифы с образцов горных пород до теплового воздействия.
Образец 1сп (Рис. 1). Песчаник мелкозернистый поли-миктовый, зерна размером 0,1 мм и менее. Появляются отдельные крупные зерна. Цемент базальный, карбонатный (кальцит с легким ожелезнением). Наблюдается легкая отдельная трещиноватость (вверху), трещинки с рас-крытостью до 0,001 мм и менее, волосовитые и извилистые. Минеральный состав - кварц (обломки кварцитов, 57 % полевого шпата). Соотношение цемента и обломочной массы 40 к 60 %. В цементе точечная пиритизация с размером кристаллов до 0,01 мм. Кристаллы диаморфных очертаний. В цементе легкое пятнистое ожелезнение в виде размытых пятен (вверху).
Образец 2сп (Рис. 2). Песчаник мелко-среднезернис-тый. Размер зерен от 0,08 до 0,2-0,3 мм. Зерна окатаны, округлых очертаний. Представлены кварцем - 10 %, обломки метаморфических пород: кварциты, сланцы, обломки основных эффузивов.
Цемент карбонатный, базального типа и типа выполнения пор. Обломочная масса 60 %. Цементно-поровая масса 40 %. В цементе встречается отдельные поры изолированного типа, размером до 0,2 мм. Легкое ожелез-нение по обломкам сланцев. Пятнистое легкое ожелез-нение по цементу. Отдельные кристаллы пиритов от алот-риформных до гипидиформных (сохраняется до 50 % очертаний).
Образец 11с (Рис. 3). Песчаник мелкозернистый. Зерна от 0,2-0,1 мм и менее до 0,01 мм. Легкая пиритизация, кварц
Рис. 5. Обр. 2сл. Скв. №15, Мо- Рис. 6. Обр. 2сп (2000С). Скв. №15, розное месторождение, инт. Морозное месторождение, инт. отбора 199 м. Ув. 82х, ник. ||. отбора 199 м. Ув. 82х, ник. ||.
Рис. 7. Обр. 11с (200 0С). Скв. Рис. 8. Обр. 1сл (200 0С). Скв. №15, Морозное месторождение, №15, Морозное месторождение, инт. отбора 199м. Ув. 82х, ник.Ц. инт. отбора 199м.Ув. 82х, ник.Ц.
научно-технический журнал
ШЬ Георесурсы 6 (48) 2012
10-15 %, полевой шпат 5 %, обломки кварца 25-30 %. Обломки метаморфических пород (сланцев кристаллических). Зерна окатаны, местами полуокатаны. Соотношение зерен к цементу 60 к 40 %. Преобладает цемент выполнения пор, участками базальный - межзерновой. Отдельные выделения пирита.
Образец 1сл (Рис. 4). Песчаник полимиктовый, мелко-среднезернистый. Обломочные зерна: кварц - 30 %, полевой шпат - 15 %, обломки метаморфических пород (кварциты - 15 %, обломки иффузивных пород - 15 %). Зерна полуобкатаны, частично угловатые.
Зерна метаморфических пород частично разложены и ожелезнены.
Цемент - глинистый, известковый. Тип цемента базальный, участками с заполнением пор. Соотношение обломочной массы к цементу, как 40-60 % к 50-40 %. В цементе развита слабая пиритизация в виде отдельных зерен и срастаний размером от 0,08-0,1 мм.
Образец 2сл (Рис. 5). Песчаник полимиктовый. Обломочные зерна: кварц - 10 %, полевые шпаты - 10-15 %, обломки кремнистых пород, обломки дибазов. Зерна полуокатаны и окатанные, обломки диабазов обычно оже-лезнены. Цемент базальный, местами выполнение пор. Цемент - карбонатный (кальцит) от микритового (зерна меньше 0,001 мм) до мелкозернистого. В цементе участками слабая пиритизация.
Шлифы с образцов горных пород после термоциклического воздействия при нагреве до 200 0С и охлаждения до 20 0С
Для определения изменений происходящих с горными породами в результате переменного теплового воздействия были проведены опыты с нагревом и охлаждением при атмосферных условиях. Нагрев образцов происходил до 200 0С, а охлаждение - до 20 0С. Время нагрева 10-12 часов. Время охлаждения при атмосферных условиях составляло 10-12 часов. Таким образом, нагрев сменялся охлаждением. Период нагрева и охлаждения составлял одни сутки. Термоциклическое воздействие составляло 3 периода. В данной серии исследований предполагалось определить, в какой степени внутренняя структура образцов подвержена деформациям. Как изменилось цементирующее вещество при нагреве и охлаждении. Предполагалось выяснить механизм, по которому происходят необратимые деформации в горных пород.
Рассмотрим шлифы после термоциклического воздействия с максимальной температурой нагрева 200 0С и охлаждения до 20 0С.
Образец 2сп 200 0С (Рис. 6). В результате нагрева обломочные зерна не изменяются. Однако иногда наблюдается их еще больше ожелезненность. Цемент становится более тонкозернистым (процесс микритизации). Появление пор и трещин не наблюдается.
Образец 11с 200 0С (Рис. 7). Цемент становится более микритовым, увеличение пористости не наблюдается. Появляются тонкодисперсный пирит. Крупные выделения пирита кородируются.
Образец 1сл 200 0С (Рис. 8). Наблюдается перекристаллизация цемента. Цемент становится более мелкозернистым и более железистым (появляются окислы железа), количество пирита уменьшается. Обломочные зерна практически не изменяются. За счет перекристаллизации це-
Рис. 9. Обр. 2сл (200 0С). Скв. Рис. 10. Обр. 156 (200 0С). Скв. №15 Морозное месторождение, №8266 Ново-Елховское место-инт. отбора 199м. Ув. 82х, ник.\\. рождение, инт. отбора 1054,8м.
Рис. 11. Обр. 1сп (300 0С). Скв. №15. Морозное месторождение, инт. отбора 199м. Ув. 82х, ник.\\.
Рис. 12. Обр. 2сп (300 0С). Скв. №15. Морозная залежь, инт. отбора 199м. Ув. 102х, ник.\\.
мента меняется его объем, появляются отдельно изолированные поры размером 0,1-0,2 мм и менее. Намечается некоторая извилистая трещиноватость.
Образец 2сл 200 0С (Рис. 9). Преобладает микритизиро-ванный кальцит. Но сохраняются отдельные зерна кальцита. Существенного ожелезнения кальцита не наблюдается. Исчезают крупные выделения пирита, появляются тонкодисперсные вкрапленности (зерна 0,001-0,005 мм).
Образец 15б 200 0С (Рис. 10). Известняк. Изменений после циклического нагрева не наблюдается.
Шлифы с образцов горных пород после циклов нагрева до 300 °С и охлаждения до 20 °С
Технология проведения термоциклического воздействия аналогична при нагреве до 200 0С. Рассмотрим ре-
Рис. 13. Обр. 11с (300 0С). Скв. Рис. 14. Обр. 1сл (300 0С). Скв. №15 Морозное месторождение, №15 Морозное месторождение, инт. отбора 199м. Ув. 82х, ник.\\. инт. отбора 199м. Ув. 82х.
Рис. 15. Обр. 2сл (300 0С). Скв. Рис. 16. Обр. 15б (300 0С). Скв. №°15 Морозное месторождение, №з8266 Ново-Елховское место-инт. отбора 199м. Ув.102х, ник.\\. рождение, инт. отбора 1054,8 м.
|— научно-техническим журнал
6 (48) 2012 I еоресурсы
зультаты, которые были получены при исследовании шлифов при нагреве до 300 0С.
Образец 1сп 300 0С (Рис. 11). Цемент становится тонкозернистым, размер зерен кальцита в пределах 0,0010,005 мм. В отдельных случаях появляются изолированные поры крайне неправильных очертаний размером до 0,2 мм (вверху пора) за счет перекристаллизации кальцита. Увеличивается количество тонкодисперсного пирита за счет уменьшения крупных, последние приобретают бесформенные корродированные очертания.
Образец 2сп 300 0С (Рис. 12). В ходе нагрева наблюдается увеличение зернистости цемента. Размер зерен повышается до 0,01 мм. Появляются изолированные поры. Вырастает ожелезненность цемента.
Образец 11с 300 0С (Рис. 13). Наблюдается повышение зернистости цемента. Преобладают зерна кальцита от 0,01 до 0,03 мм. Повышается его ожелезненность. В местах активной перекристаллизации цемента появляются поры неправильных очертаний, повышается ожелезненность цемента (внизу в углу).
Образец 1сл 300 0С (Рис. 14). Наблюдается дальнейшая перекристаллизация цемента, выражающаяся в повышении его дисперсности. Однако в отдельных участках появляются относительно крупные до 0,2 мм фенокристаллы кальцита, в отдельных участках появляются отдельные поры за счет переупаковки цемента. Крупные кристаллы пирита исчезают, появляются тонкодисперсные формы. Наблюдается дальнейшее пятнистое ожелезнение.
Образец 2сл 300 0С (Рис. 15). Происходит перекристаллизация цемента. Преобладает мелкозернистый кальцит (0,006-0,03 мм) появляются отдельные поры размером до 0,1 мм. Возрастает ожелезненность цемента, участками с пятнистым развитием по нему бурых окислов железа. Намечается в отдельных участках тонкая трещиноватость в цементе.
Образец 15б 300 0С (Рис. 16). Известняк микритовый неяснокомковатый. Поры неправильной формы, неравномерно рассеянные по объему пород, местами биту-мизированные.
Результаты проведенных исследований
После термоциклического воздействия (при нагреве до 200 0С) у одного образца 1сл (Рис. 8) наблюдается перекристаллизация цемента, в результате которой появляются изолированные поры. У образцов 2сп, 11с, 1сл, 2сл (Рис. 6-9) цемент становится тонкозернистым, активно идет процесс микритизации.
Исчезают крупные выделения пирита, появляются тонкодисперсные вкрапленности (образцы 11с, 1сл, 2сл, рис. 7-9).
После термоциклического воздействия с нагревом до 300 0С у некоторых образцов наблюдается дальнейшая пе-рекристализация цемента, выражающаяся в повышении его дисперсности (образец 1сл 300 0С, рис. 14).
Наблюдается появление отдельных пор за счет переупаковки цемента (образцы 1сп, 2сп, 11с, 1сл, 2сл, рис. 11, 15). После термоциклического воздействия в образцах наблюдается дальнейшее увеличение тонкодисперсного пирита за счет уменьшения крупных кристаллов пирита образцы 1сп, 1сл (Рис. 11, 14). В образце 2сп видно возрастание оже-лезнености цемента (Рис. 12). Пятнистое ожележнение це-
мента наблюдается в образцах 1сл, 2сл (Рис. 14, 15). У образца 156 (известняк) в результате термоциклического воздействия видимых изменений выявить не удалось.
По результатам анализа шлифов после термоциклического воздействия можно сделать выводы, что в образцах идет перекристализация цемента с образованием изолированных пор, сам цемент становится тонкодисперсным. Также видоизменяются кристаллы пирита, из крупных кристаллов они переходят в тонкодисперсную форму.
Эти изменения в сочетании с разными коэффициентами теплопроводности зерен обломочной массы (кварца, полевого шпата, обломков метафорфических пород) и цементно-поровой массы (т.е. элементы слагающие горную породу будут расширяться и сжиматься с различной амплитудой, тем самым предопределяя деформацию и образовывая микротрещины) будут приводить к значительным деформациям в зоне термоциклического воздействия, увеличивая тем самым коэффициент проницаемости при-забойной зоны скважины.
Литература
Сургучев М.Л., Кузнецов О.Л., Симкин Э.М. Гидродинамическое, акустическое, тепловое циклическое воздействия на нефтяные пласты. М.: Недра. 1975.
Липаев A.A., Дорофеева Е.А., Изотов В.Г., Абсалямов Р.Ш. Исследование влияния термоциклического воздействия на коллек-торские характеристики пород. Тр. 5-й науч.-техн. конф.: «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». Москва. 2003.
A.A. Lipaev, R.S. Absalyamov, V.G. Izotov, E.A. Dorofeeva. Study of thermal cycling influence on the rocks structure.
Thermal cycling heating results in improved permeability of the bottomhole zone. This paper discusses processes of rocks deformation due to thermal cycling heating modeled on sandstone and limestone core samples. Microstructural changes that occur in rocks are illustrated by means of produced slides.
Keywords: thermal cycling heating, permeability, porosity, bottomhole zone, core, slides, sandstone, limestone, fracturing.
Александр Анатольевич Липаев Доктор тех. наук, профессор
Руслан Шамилевич Абсалямов Аспирант
Альметьевский государственный нефтяной институт 423450, Альметьевск, ул. Ленина, 2. Тел: +7(8553)31-98-12, (8553)23-25-98.
Изотов Виктор Геннадьевич Канд.геол.-мин.наук, доцент кафедры региональной геологии и полезных ископаемых.
Казанский (Приволжский) федеральный университет 420008, Казань, ул. Кремлевская 18. Тел.: +7 (843) 2388471.
Елена Александровна Дорофеева Инженер-химик ТГРУ ОАО «Татнефть».
423450, Альметьевск, ул. Промышленная 8.
I-•— научно-технический журнал
^^ Георесурсы 6 (48) 2012
