1.3. Электро-фациальный анализ
В практике нефтегеологических работ применимость традиционного литолого-фациального анализа, основанного на натурных наблюдениях, ограничена. При неизменности общих представлений методы исследования обстановок накопления осадков, находящихся в погребенном состоянии, существенно отличны. В большинстве скважин керн либо полностью отсутствует, либо его выход очень невелик, что не позволяет получить полного представления о составе и строении исследуемых отложений. В этой связи, комплекс промыслово-геофизических исследований скважин становится главным, а зачастую единственным источником информации для литолого-фациальных построений. При проведении седиментологических исследований применение геофизического каротажа имеет целый ряд преимуществ: 1) непрерывность информации о процессе осадконакопления, содержащейся в диаграммах каротажа, на которых можно следить за изменением литологической характеристики с детальностью, сопоставимой с геологическими наблюдениями в обнажениях горных пород; 2) получение объективных количественных параметров, практически независимых от исследователя; 3) возможность наблюдать изменение текстуры породных ассоциаций по вертикали, перерывы в осадконакоплении, цикличность от микро- до макроциклов.
Методика седиментологических исследований по форме кривых каротажных графиков хорошо разработана и уже многие годы широко применяется при поисковых и разведочных работах на нефть / 39, 16, 19, 42 /. Среди отечественных литологов наибольшей популярностью пользуется методика электро-фациального анализа, разработанная В.С.Муромцевым / 28 /.
Согласно представлениям В.С.Муромцева, электрометрическая модель фации – это отрезок кривой ПС, отражающий литофизические свойства пород, обусловленные характерной последовательностью смены палеогидродинамических уровней среды седиментации во времени. Всего было выделено пять гидродинамических уровней: очень высокий, высокий, средний, низкий, очень низкий. Каждый из этих режимов характеризуется рядом первоначальных признаков, отражающих динамическую активность среды осадконакопления.
Для каждой фации имеются свои, только ей свойственные, сочетания палеогидродинамических режимов седиментации. Смена этих уровней в характерной для данной фации последовательности носит название седиментологической модели фации. Эти модели дают возможность реконструировать палеогидродинамическую обстановку и определять генезис осадков по электрокаротажным разрезам скважин.
Каротаж по естественным потенциалам (ПС), на котором основан метод, отражает литологические свойства терригенных пород (относительную глинистость и размеры обломочных зерен), а также их проницаемость. Проницаемость обычно падает с уменьшением размера зерен, которое сопровождается увеличением содержания глинистого матрикса, закупоривающего поровые каналы. Поскольку каротаж по ПС регистрирует главным образом проницаемость, которая в основном определяется размером частиц, то его можно использовать для построения непрерывных гранулометрических разрезов. С целью исключения влияния изменения химического состава буровых растворов и масштабов записи на характер кривой ПС используются относительные значения ПС или αпс.
В пределах электрокаротажных диаграмм максимальным значениям αпс соответствуют участки разреза, сложенные относительно более грубым материалом, сформированным в периоды наиболее высокой палеогидродинамической активности среды седиментации. Изменения этого значения отражают соответствующие смены палеогидродинамических уровней, а, следовательно, наличие постепенных или резких переходов с подстилающими и перекрывающими породами.
Для каждой фации характерна особая, только ей свойственная форма аномалий кривой ПС, содержащая важную информацию по целому ряду признаков. Эти признаки позволяют оценивать строение и мощность изучаемых отложений, переходы их к ниже- и вышележащим породам, характер контактов и др. Форма кривой ПС дает возможность предварительно устанавливать генезис осадка (до проведения детального анализа слагающих ее элементов), определять группу, к которой принадлежит та или иная фация. Для установления фациальной природы осадка и направленности процесса седиментации имеет значение использование рядов близких в генетическом отношении фаций. Знание таких рядов позволяет уверенно определять фации, расположенные между двумя известными. С помощью этого приема может быть уточнена фациальная природа осадка, электрометрическая модель которого недостаточно четко выражена, а выше- и нижезалегающие модели допускают их уверенное определение. Кроме того, использование рядов фаций дает возможность определять общую направленность процесса седиментации (трансгрессивный или регрессивный), а также выявлять ритмическое строение.
Применение метода предполагает обязательную прямую калибровку размерности зерен, наблюдаемой в керне и соответствующих значений естественных потенциалов. При этом необходимо чтобы керном были охвачены все разновидности литотипов, встречаемые в пределах исследуемой территории. Это дает возможность корреляции формы и параметров интенсивности кривой ПС и соответствующих им литологических разностей пород.
Хотя каротаж по естественным потенциалам применяют весьма широко при составлении гранулометрических разрезов, он имеет ряд ограничений / 39 /. Так, например, указанная зависимость проницаемости от размера зерен справедлива лишь для осадочных пород с первичной межзерновой пористостью. В сцементированных песчаниках со сложной историей диагенетических преобразований результаты каротажа по естественным потенциалам не могут отражать размера частиц. Кроме того, кривая ПС демонстрирует хорошо выраженные амплитуды лишь при наличии существенного различия бурового раствора и пластовых вод по степени солености.
Вторым геофизическим методом, используемым для реставрации фациальных условий осадконакопления, является гамма-каротаж. В методике В.С.Муромцева он рассматривается как дополняющий и корректирующий к основному методу ПС. Поскольку оба метода дают сходную информацию, то кривые ГК могут использоваться в тех случаях, когда появляется необходимость для уточнения границ и мощности пластов. Гамма-каротаж позволяет уточнять и коррелировать характер изменения литологического состава пород, устанавливаемый по кривой ПС для определения фациальной природы осадка. Преимуществом метода ГК является возможность самостоятельно получать данные о литологическом составе пород в обсаженных стволах скважин при бурении на соленом буровом растворе или с применением нефтяных эмульсий, когда метод ПС вообще не может быть использован.
Метод ГК основан на изменении естественной радиоактивности горных пород, которая обусловлена присутствием в них радиоактивных элементов. Радиоактивность связана в основном с глинистой фракцией и глинистыми минералами, следовательно, гамма-излучение будет возрастать пропорционально содержанию глинистого компонента в осадочной породе. Количество глинистых минералов в породе обычно растет с уменьшением размера слагающих ее частиц, что позволяет по данным ГК построить непрерывный гранулометрический разрез. Как и в случае каротажа по естественным потенциалам, график гамма-каротажа должен быть прокалиброван относительно реальных пород и увязан с соответствующими литологией, структурами и текстурами.
В большинстве зарубежных седиментологических исследований, основанных на геофизическом картировании фаций, используются либо две кривые (ПС и ГК), либо предпочтение отдается методу ГК, как более чувствительному и обладающему большей разрешающей способностью. При этом отмечается, что результативность гамма-каротажа зависит от диаметра скважины: слишком низкие значения могут быть обусловлены интенсивным заполнением скважины за счет обрушения со стенок обломков породы и в этом случае требуется вводить поправку, полученную по результатам кавернометрии. Неопределенность возникает и в связи с присутствием радиоактивных минералов, отличных от тех, которые содержатся в глинах. Например, некоторые песчаники могут содержать значительное количество слюды, глауконита или циркона, что существенно повышает их радиоактивность и на графиках гамма-каротажа такие породы будут выглядеть как тонкозернистые и глинистые песчаники. Ошибки при использовании седиментологического каротажа ГК могут возникать и при наличии в разрезах базальных отложений, представленных интраформационными конгломератами / 39 /. При врезании русел, нередко происходит размыв подстилающих пойменных или баровых глин и появление в подошве песчаных тел глинистой гальки. В этом случае на графике гамма-каротажа будет наблюдаться регрессивный гранулометрический профиль с укрупнением материала снизу вверх, тогда как реальная картина имеет обратный тренд.
Практически, несмотря на имеющиеся ограничения, оба вида каротажа можно успешно использовать при фациальных построениях, особенно при наличии опорных скважин с керном, характеризующим все разнообразие слагающих разрез литотипов. В настоящее время существуют многочисленные сводки по морфологии кривых ПС и ГК, а также соответствующим им фациальным моделям / 28, 31, 39, 42 /. Большинство этих кривых по форме можно подразделить на три вида: цилиндрические, треугольные и являющиеся комбинацией этих двух видов. На рис. 5 приведены типичные формы кривых ПС, характеризующие чистые, глинистые, переслаивающиеся песчаники, резкие и постепенные границы между пластами и т.д.
1 2 3 4 5
Рис. 5. Обобщенные идеализированные формы каротажных кривых: 1 – цилиндрическая (без тренда): эоловые отложения, речные каналы, карбонатный шельф, риф, выполнение подводных каньонов; 2 - воронкообразная (с регрессивным гранулометрическим трендом): пески пойменных разливов, устьевые бары распределительных каналов, кластическая прибрежная равнина, барьерный остров, мелководные морские песчаные покровы, подводный конус выноса; 3 – колоколообразная (с трансгрессивным гранулометрическим трендом): внутрирусловые бары-побочни, приливные бары, глубоководные морские каналы, некоторые трансгрессивные шельфовые песчаники; 4 – симметричная (яйцевидная): песчаные прибрежные бары, некоторые трансгрессивные шельфовые песчаники, амальгамированные регрессивные и трансгрессивные последовательности; 5 – неупорядоченная (без тренда – смешанные песчаные и глинистые отложения): флювиальная пойма, карбонатный склон, обломочный склон, выполнение каньона.
Обзор существующих данных по формам кривых ПС и ГК показывает, что одни и те же графики каротажа могут отвечать самым различным обстановкам. Поэтому надежная седиментологическая интерпретация данных каротажа невозможна без использования таких необходимых материалов как керн и палеонтологические данные. В случае их отсутствия можно использовать вспомогательную информацию по минералам-индикаторам и включениям, полученную по буровому шламу. Пример такой интерпретации мотивов каротажных графиков ГК с использованием глауконита, обломков раковин, слюды и углистого детрита показан на рис. 6.
Более детальную информацию о строении и фациальной принадлежности терригенных толщ можно получить при комплексном анализе физических свойств, таких как электрическая, акустическая проводимость и анизотропия, плотность, водородосодержание, радиоактивность и разрушаемость, поляризуемость. Это позволяет разделять толщу пород на разные по физическим свойствам пласты с большей детальностью, а выявленные закономерности между физическими и минералого-петрографическими свойствами дают возможность с такой же детальностью определять литотипы и их минералого-структурные характеристики. По комплексу геофизических исследований скважин устанавливаются парагенезы литотипов, структура и текстура песчаников и глин, текстура сообществ пород (слоистость, частота и относительная скорость смены фаций), перерывы в осадконакоплении, цикличность.
Применение комплекса различных методов геофизического каротажа позволило приблизиться к расшифровке природы глинистых пород, которые являются составной частью большинства терригенных разрезов нефтегазоносных бассейнов. Установлено / 40 /, что глинистые породы, образовавшиеся в континентальных условиях характеризуются повышенными (на 2-20 Ом.м) по сравнению с морскими глинами значениями удельных электрических сопротивлений.
Причина столь существенного различия в сопротивлениях заключается в структуре (примесях песчано-алевритового материала), степени дисперсности, а также минералогическом составе глин. Особенно аномально высокими (20-30 Ом.м) удельными электрическими сопротивлениями обладают сухарные глины, состоящие из каолинита. Их присутствие является надежным показателем континентального происхождения осадков. Некоторыми авторами / 13 / отмечалась повышенная радиоактивность глинистых пород морского глубоководного происхождения – радиоляриевых илов и тонкодисперсных битуминозных глин.
Таким образом, комплексное осмысление геофизических показателей может существенно повысить детальность фациальных реконструкций и дополнить результаты седиментационного каротажа, полученные только на основе типовых кривых ПС и ГК, новыми уточняющими характеристиками.
Рис. 6. Фациальная диагностика терригенных отложений по форме кривых гамма-каротажа / 39 /.