Горно-геологическая характеристика включает в себя совокупность следующих параметров:
1) Стратиграфия разреза скважины с указанием глубин каждого стратиграфи- ческогоподразделения.
2) Литологическое описание горных пород по стратиграфическим подразде- лениям.
3) Физико-механические свойствапород.
4) Баротермическиеусловия.
5) Характеристика и свойства пластовыхфлюидов.
6) Зоны возможныхосложнений.
1.2.1. Стратиграфическая характеристикаразреза
Для определения положения и характеристик горных пород необходимо уста- новить их возраст. Возраст устанавливается на основании изучения органических остатков животных и растений, встречающихся в осадочных породах, и сопоставле- ния этих результатов с порядком залегания пород в различных участках земной ко- ры. Изучением последовательности залегания и взаимоотношения слоев горных пород и их относительного и абсолютного возраста занимается стратиграфия. В ре- зультате изучения строения земной коры и истории развития жизни появилась воз- можность разделить всю геологическую историю на ряд отрезков времени и составить шкалу геологического времени (геохронологическую шкалу), которая представлена в таблице1.1.
Таблица 1.1 – Геохронологическая таблица
| Эон | Возраст, млн лет | Эра (группа) | Период (система) | Эпоха (отдел) | Ярус |
| Фанерозой | 67 ± 3 | Кайнозойская KZ | Четвертичный Q | Современный Q 4Верхний Q 3 Средний Q 2 Нижний Q 1 | |
| Неогеновый N | Плиоцен N2 | Апшеронский Акчагыльский Куяльницкий Киммерийский Понтический | |||
| Миоцен N1 | Мэотический Сарматский Тортонский Гельветский Бурдикальский Аквитанский | ||||
| Палеогеновый Р | Олигоцен Р3 | Хатский Рупельский Латторфский | |||
| Эоцен Р2 | Веммельский Ледский Лютетский Ипрский | ||||
| Палеоцен Р1 | Танетский Монтский | ||||
| 210 ± 10 | Мезозойская MZ | Меловой К | Верхний К2 | Датский Маастрихтский Кампанский Сантонский Коньякский Туронский Сеноманский | |
| Нижний К1 | Альбский Аптский Барремский Готеривский Валанжинский | ||||
| Юрский J | Верхний J3 | Титонский Кимериджский Оксфордский Келловейский | |||
| Средний J2 | Батский Байосский Ааленский | ||||
| Нижний J1 | Тоарский Домерский Плинсбахский Лотарингский Синемюрский Геттангский | ||||
| Триасовый Т | Верхний Т1 | Рэтский Норийский Карнийский |
| Эон | Возраст, млн лет | Эра (группа) | Период (система) | Эпоха (отдел) | Ярус |
| Средний Т2 | Ладинский Анизийский | ||||
| Нижний Т3 | Оленекский Индский | ||||
| 510 ± 30 | Палеозойская PZ | Пермский Р | Верхний Р2 | Татарский Казанский Уфимский | |
| Нижний Р1 | Кунгурский Артинский Сакмарский | ||||
| Каменноугольный С | Верхний С3 | Оренбургский Гжельский Касимовский | |||
| Средний С2 | Московский Башкирский | ||||
| Нижний С1 | Намюрский Визейский Турнейский | ||||
| Девонский D | Верхний D3 | ФаменскийФранский | |||
| Средний D2 | Живетский Эйфельский | ||||
| Нижний D1 | Кобленцкий Жединский | ||||
| Силурийский S | Верхний S2 | Лудловский | |||
| Нижний S1 | Венлокский Лландоверский | ||||
| Ордовикский О | Верхний О3 | Ашгильский Карадокский | |||
| Средний О2 | Лландельский Лландвирнский | ||||
| Нижний О1 | Аренигский Тремадокский | ||||
| Кембрийский Cm | Верхний Cm3 | ||||
| Средний Cm2 | Майский Амгинский | ||||
| Нижний Cm1 | Ленский Алданский | ||||
| Криптозой | 2700±100 | Протерозойская PR | Верхний PR3 | ||
| Средний PR2 | |||||
| Нижний PR1 | |||||
| 4600±200 | Архейская AR | Не имеет общепринятых подразделений |
1.2.2. Литологическая характеристика горныхпород
Горные породы – это минеральные тела, которые слагают земную кору. Важ- нейшими характеристиками горных пород являются минералогический состав, строе- ние и неоднородность. Минералы – это природные соединения, которые имеют определённый химический состав и физические свойства. В земной коре содержится более 7 000 видов и разновидностей минералов. Различают восемь основных групп по- родообразующих минералов: алюмосиликаты, железисто-магнезиальные силикаты, слюды, окисные, сульфатные, карбонатные, хлориды, глинистые. Большая часть пород состоит из частиц нескольких минералов, то есть они являются полиминеральными.
Строение горных пород характеризуется структурой и текстурой. Структура породы – особенность строения, обусловленная размером, формой, характером и ко- личественным соотношением зёрен, а также разновидностью скрепляющего зерна цемента. Текстура – особенности строения, обусловленные взаимным простран- ственным расположением зёрен. Текстурными признаками являются слоистость, сланцеватость, пористость и трещиноватость горных пород.
По происхождению горные породы делятся на три основные группы: магмати- ческие (габбро, базальты, граниты, диориты), метаморфические (филлиты, гнейсы, кварциты, мрамор) и осадочные. В разрезах нефтяных и газовых скважин наиболее часто встречаются породы осадочного происхождения. Осадочные породы состоят в основном из глинистых (монтмориллонит, каолинит, гидрослюды, хлориты), суль- фатных (гипс, ангидрит, барит), карбонатных (кальцит, доломит) и окисных (кварц) минералов. По способу образования осадочные породы делятся на обломочные поро- ды, породы органического происхождения (органогенные), породы химического про- исхождения и породы смешанного происхождения.
Обломочные породы образуются из продуктов механического разрушения ра- нее существовавших и разрушенных пород. По размеру и форме они делятся на четы- ре группы: грубые, песчаные, пылеватые и глинистые (табл. 1.2).
Таблица 1.2 – Классификация обломочных пород (по В. В. Охотину)
| Название и размер обломков, мм | Рыхлые породы | Сцементированные породы | |
| угловатые | окатанные | ||
| Грубые >200 200-40 40-2 | Глыбы Щебень Дресва | Валуны Галька Гравий | Брекчия (из угловатых обломков) и конгломерат (из окатанныхобломков) |
| Песчаные 2-0,05 | Пески | - | Песчаники |
| Пылеватые0,05-0,005 | Пылеватые | - | Алевролиты |
| Глинистые < 0,005 | Глинистые | - | Аргиллиты |
Грубообломочные породы состоят из смеси обломков различных размеров, со- отношение между которыми определяется по весу в процентах (гранулометрический состав).
Песчаные породы (пески) состоят из обломков минералов, которые представ- лены кварцем (60-90%), полевыми шпатами (10-30%), слюдой (< 1%). Песчаники об- разуются в результате цементации песков, состоят из зёрен кварца и цемента и имеют окраску от серых до бурых тонов.
Пылеватые частицы не образуют самостоятельных пород и являются составной частью песков и глинистых пород. Однако, если в песках их более 5%, то пески уже бу- дут относиться к пылеватым. Алевролиты имеют чаще всего гидрослюдистый состав и залегают в основном прослоями в толще песчаных и песчано-карбонатных пород.
Глинистые породы состоят из неоднородной смеси глинистых минералов с примесью кварца, полевого шпата, кальцита и других. Типы глинистых минералов подразделяются на монтмориллонит, гидрослюды, хлориты и каолиниты. Монтмо- риллонит имеет подвижную кристаллическую решётку и при контакте с водой значи- тельно набухает, не теряя связности между частицами. В случае присутствия в монтмориллоните катионов натрия степень набухания резко увеличивается, вызывая интенсивное кавернообразование, особенно при использовании неингибирующих растворов. В отличие от монтмориллонита гидрослюды имеют более жёсткую кри-
сталлическую решётку, в результате чего такие глины набухают значительно слабее. Каолиниты, имея значительные водородные связи между слоями, практически не набухают. Хлориты занимают промежуточное положение между гидрослюдами и ка- олинитами. В целом глины характеризуются массивными и слоистыми структурами, очень редко с чётко выраженной ритмичностью. Аргиллиты – твёрдые глинистые по- роды, которые возникли в результате уплотнения и цементации пластичных глин. При обогащении известью аргиллиты переходят вмергели.
Породы органического (органогенные) и химического происхождения образу- ются путём осаждения из воды веществ биохимическим и химическим путём. Эти по- роды характеризуются неустойчивыми в воде ионными связями и делятся на кремнистые (опока), карбонатные (известняк, мел, доломит), сульфатные (гипс, ан- гидрит) и галоидные (каменная соль).
Опока – тёмно-серого цвета, тонкопористая порода, содержащая в своём соста- ве до 85-90% аморфного опала (SiO2). Является самой распространённой кремнистой породой.
Известняки состоят в основном из минерала кальцита (СаСО3) и представляют собой массивные, плотные породы тонкозернистого, реже кристаллического строе- ния. Является самой распространённой карбонатной породой. Известняки могут быть биохимического (органогенного), химического (хемогенного) или обломочного про- исхождения. Если известняк целиком состоит из раковин моллюсков, то он называет- ся ракушечником. При замещении части СаСО3 диоксидом кремния известняк называется окремнелым или кремнистым. Известняк, издающий при нагревании за- пах нефти, называется битуминозным. Известняк способен растворяться пластовыми водами с образованием системы пустот (каверн, пещер), которые называются карсто- выми или просто карстом. Мел является разновидностью известняка и отличается вы- сокой пористостью (30-55%).
Доломиты (CaCO3×MgCO3) представляют собой породы, которые состоят из минералов доломита (около 90%) и примесей кальцита, гипса, кремнезёма и других веществ. Породы серые, розовато-серые, мелко-, средне- и крупнозернистые. Как и известняки, доломит имеет достаточно широкое распространение. Различают зерни- стые и кристаллические доломиты. Доломит может образовываться из известняков путём замещения молекул CaCO3 молекулами MgCO3.
Гипс (CaSO4×2H2O) имеет белую и серую с оттенками окраску. Структура крупнозернистая, волокнистая. Состоит из минерала гипса с примесями ангидрита и глинистых минералов.
Ангидрит (CaSO4) – имеет белый или серый цвет. Представляет собой плотную зернистую породу. Залегает обычно в нижней части осаждённых солей. При погло- щении воды может перейти в гипс с увеличением объёма до 33%.
Каменная соль (NaCl) представляет собой галоидное соединение натрия. При контакте с водой соль способна растворяться, образуя систему пустот (каверн, пе- щер). При возникновении критических нагрузок способна течь, в результате чего происходит сужение ствола скважины.
Породы смешанного происхождения состоят частично из обломочного мате- риала и частично из пород органогенного и химического происхождения. К поро- дам смешанного происхождения относятся: мергель, глинистые известняки, песчаные известняки.
Мергель – уплотнённые и обогащённые углекислым кальцием глины. Состоят из известняков и доломитов (около 50-80%) и глинисто-песчанистого материала (20-50%). Из пород смешанного происхождения являются наиболее распространёнными. Имеют
тонкозернистую структуру и серую, светло-серую окраску. Залегают пластами и имеют достаточно большую мощность. На воздухе быстро разрушаются и растрескиваются до грязеобразной массы. При содержании в мергелях СаСО3 менее 50% порода называется известковистой или мергелистой глиной, более 80% – глинистым известняком.
Наиболее распространёнными осадочными горными породами, слагающими разрезы нефтяных и газовых месторождений, являются глины, глинистые сланцы, алевролиты, пески, песчаники, известняки, доломиты, мергели, аргиллиты, каменная соль, ангидрит, гипс.
1.2.3. Физико-механические свойства горныхпород
Каждая горная порода характеризуется определенными физико-механическими свойствами, основными из которых являются: пористость, проницаемость, плотность, прочность, абразивность, трещиноватость и другие.
Наличие пустот в горных породах характеризует пористость. Различают об- щую (Побщ) и эффективную (открытую) (Пэф) пористости. Общая пористость – это отношение общего объёма всех существующих пор (Vобщ) к объёму всего образца горной породы (Vгп):
|
|
гп
Значения общей пористости представлены в таблице 1.3. Эффективная пори- стость – это отношение объёма соединяющихся между собой пор (Vс) ко всему объё- му горной породы (Vгп):
|
|
|
гп
Эффективная пористость подразделяется насверхкапиллярнуюсразмеромпор 0,5 мм и более, капиллярную (0,2 мкм – 0,5 мм), субкапиллярную (менее 0,2 мкм). Эффек- тивнаяпористостьвсегдаменьшеобщейиз-заналичиявпородахзамкнутыхтрещин.
Таблица 1.3 – Значения общей пористости осадочных горных пород
| Порода | Коэффициент пористости | Порода | Коэффициент пористости |
| Кремень | 0,01-0,06 | Алевролит | 0,05-0,26 |
| Доломит | 0,02-0,17 | Мергель | 0,05-0,35 |
| Ангидрит | 0,02-0,17 | Глина | 0,05-0,38 |
| Аргиллит | 0,02-0,20 | Гипс | 0,13-0,16 |
| Известняк | 0,02-0,23 | Мел | 0,25-0,39 |
| Песчаник | 0,02-0,35 | Опока | 0,35-0,50 |
Пористые горные породы, слагающие разрез скважины, должны не только иметь поры, но и обладать способностью фильтровать через них жидкости или газыпод действием перепада давления, то есть проницаемостью, которая измеряется вДарси. За один Дарси принимается проницаемость, при которой через поперечное се- чение площадью 1 см2 и перепаде давления в одну атмосферу (760 мм рт. ст.) на 1 см длины фильтруется 1 см3 флюида вязкостью 1 спз. Породы с проницаемостью менее 50 мД считаются непроницаемыми, 50-100 мД – проницаемыми, более 100 мД – весь- ма проницаемыми.
Одной из основных характеристик горных пород является плотность. Различа- ютплотностьтвёрдыхчастицпородыиобъёмнуюмассувлажнойпороды. Плот-
ность твёрдых частиц – это отношение массы твёрдых частиц породы (mгп) к их объёму (Vгп):
r= mгп. (1.9)
Vгп
Объёмная масса влажной породы – это отношение массы породы (mгпв) к её объёму (Vгпв) при естественной влажности и пористости:
r= mгпв. (1.10)
Vгпв
В таблице 1.4 представлены значения объёмной массы влажных пород (плот-
ность горных пород).
Таблица 1.4 – Плотность горных пород
| Порода | Плотность, г/см3 | Порода | Плотность, г/см3 |
| Алевролиты | 2,40-3,04 | Известняки | 2,41-2,98 |
| Ангидриты | 2,72-2,99 | Каменная соль | 2,10-2,20 |
| Аргиллиты | 2,63-2,86 | Мергели | 2,37-2,92 |
| Доломиты | 2,55-3,19 | Песчаники | 2,40-3,20 |
Прочность – способность твёрдого тела оказывать сопротивление разрушению от внешнего воздействия. Прочностными характеристиками горных пород являются их вре- менное сопротивление элементарным видам напряжений – сжатию, растяжению, сдвигу и изгибу. Наибольшее сопротивление разрушению горные породы оказывают при их сжа- тии. При бурении скважин основной составной частью процесса разрушения горных по- родявляется вдавливание. Поэтому наибольшее распространение для определения прочностных характеристик горных пород нашёл метод вдавливания цилиндрического пуансона (штампа) с плоским основанием, разработанный Л. А. Шрейнером. Сущность метода заключается в измерении нагрузки, при которой при вдавливании штампа проис- ходит хрупкое разрушение породы, соответствующее её пределу прочности. На основании большого числа исследований Л. А. Шрейнером все горные породы разделены на 3 груп- пы, каждая из которых делится на 4 категории (табл. 1.5).
Таблица 1.5 – Прочность горных пород
| Группа твёрдости | Категория твёрдости | Твёрдость по штампу, кг/мм2 | Горная порода |
| 1 (мягкие) | 10-25 25-50 | Глинистые породы, аргиллиты, пористые алевролиты, песчаники и известняки | |
| 50-100 | |||
| 100-150 | |||
| 2 (средние) | 150-200 200-300 | Алевролиты, известняки, ангидриты, доло- миты и песчаники | |
| 300-400 | |||
| 400-500 | |||
| 3 (твёрдые) | 500-600 600-700 | Кремень, кварцит, окремнелые известняки и доломиты | |
| > 700 |
Абразивность – способность горных пород изнашивать при трении о них ме- таллы и твёрдые сплавы. Чем выше абразивность породы, тем интенсивнее изнашива- ется инструмент в процессе работы, а при достижении предельной величины износа он выходит из строя и требует замены. Абразивность зависит от размера породообра- зующих минералов и обломков, слагающих породу, присутствия в ней кремнистых материалов (кварц, кремень и халцедон), её абсолютной пористости. Чем больше раз- мер минералов и обломков, тем выше абразивность. С увеличением размеров и коли- чества кварца, кремня и халцедона в породе абразивность возрастает. Присутствие в породе глинистого материала снижает абразивность. С ростом пористости породы её абразивность увеличивается. Для определения абразивности пород на сегодняшний день разработано достаточно большое количество методов и методик, но наибольшее распространение получил метод изнашивания эталонного стержня, разработанный в институте горного дела им. А. А. Скочинского. В качестве эталона металла принят стержень из стали У8 «серебрянка» диаметром 8 мм с плоскими торцами. На одном из концов сверлится отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм. Стержень уста- навливается в патрон сверлильного станка и при частоте вращения 400 об./мин. и нагрузке 147 Н сверлят испытываемый образец горной породы по 10 минут каждым концом стержня. Показатель абразивности А определяется поформуле:
где n – числоиспытаний;
А = 1 n
|
D m, (1.11)
Δ m – износ по массе обоих торцов за 1 испытание, мг.
Согласно этой методике все породы разделены на 8 классов (табл. 1.6).
Таблица 1.6 – Классы абразивности горных пород
| Класс | Абразивность | А, мг/10 мин. | Горная порода |
| Весьма малоабразивные | < 5 | Гипс без примесей и глинистый ангидрит | |
| Малоабразивные | 5-10 | Известняк, мергель, глина мономине- ральная, углистый сланец | |
| Ниже средней абразивности | 10-18 | Доломит, известняк алевритовый, глина и мергель алевритовые и песчанистые | |
| Среднеабразивные | 18-30 | Глина кремнистая, опока, трепел, аргиллит песчанистый и алевритистый | |
| Выше средней абразивности | 30-45 | Известняк и доломит кремнистые, песчанистые, алевролит полимиктовый | |
| Повышенной абразивности | 45-65 | Песчаники мелкозернистые с глинистым и известково-глинистым цементом | |
| Высокоабразивные | 65-90 | Известняк песчанистый, алевролит, песчаники мелкозернистые | |
| Весьма абразивные | > 90 | Средне- и крупнозернистые кварцевые песчаники |
Трещиноватость – это рассеченность массива горных пород трещинами. Основ- ными показателями трещиноватости являются: раскрытие и густота трещин, ориентировка трещин в пространстве. Обычно с глубиной раскрытость и густота трещин затухает.
1.2.4. Баротермическиеусловия
Горные породы находятся в напряженном состоянии, что обусловлено давле- нием вышележащих пород и тектоническими процессами. Естественные напряжения в земной коре называются горным (геостатическим) давлением и определяются по формуле:
Рг =å(r i × g ×D h),
i =1
где r i – средняя плотность горных пород i -го пласта,кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2; Δ h – мощность i -го пласта, м.
(1.12)
Давление флюида в коллекторах, насыщенных флюидом, называется пласто- вым, а в непроницаемых породах (глины) – поровым. В нормальных условиях пласто- вое давление приблизительно равно гидростатическому давлению воды и определяется по формуле:
где r в – плотность воды,кг/м3;
Рпл =r в × g × h,
(1.13)
g – ускорение свободного падения, м/с2;
h – глубина залегания пласта, м.
Наиболее точно пластовое давление определяется с помощью глубинных ма- нометров при испытании скважины и геофизическими методами.
Для характеристики геологических условий бурения используются понятия градиента пластового давления (gradРпл) и коэффициента аномальности (Ка) (эквива- лента градиента), которые соответственно определяются по формулам:
gradPпл
= Рплh, (1.14)
h
Ка =
Рплh
r в × g × h
, (1.15)
где Рплh – пластовое давление на глубине h,Па;
r в – плотность воды, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
h – глубина залегания пласта, м.
Если коэффициент аномальности находится в диапазоне от 1,0 до 1,1, то пла- стовое давление считается нормальным, если меньше 1,0, то аномально низким (АНПД), если больше 1,1, то аномально высоким (АВПД). Обычно с увеличением глубины бурения вероятность встречи пластов с АВПД возрастает.
При увеличении давления в скважине возможен гидроразрыв горных пород, слагающих стенки, или раскрытие существующих трещин. В результате этого наблю- дается резкое увеличение интенсивности поглощения. Давление гидроразрыва горных пород можно определить по формуле Итона-Андерсона:
Р = m
× (Р - Р) + Р
, (1.16)
гр 1 -m
г пл пл
где m – коэффициент Пуассона (табл.1.7).
Для характеристики геологических условий бурения используются понятия градиента давления гидроразрыва (gradРгр) и коэффициента гидроразрыва (Кгр) (экви- валента градиента), которые соответственно определяются по формулам:
gradPгр
= Ргрh, (1.17)
h
Кгр
= Ргрh
r в × g × h
, (1.18)
где Ргрh – давление гидроразрыва на глубине h,Па;
r в – плотность воды, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
h – глубина залегания пласта, м.
Таблица 1.7 – Коэффициент Пуассона для горных пород
| Горная порода | Коэффициент Пуассона | Горная порода | Коэффициент Пуассона |
| Глинистые сланцы | 0,10-0,20 | Граниты | 0,26-0,29 |
| Песчаники | 0,30-0,35 | Базальты | 0,20-0,25 |
| Известняки | 0,15-0,30 | Аргиллиты | 0,10-0,25 |
| Доломиты | 0,15-0,30 | Алевролиты | 0,20-0,30 |
|
где Т – температура на глубине Н.
Гт = Н,
(1.19)
С увеличением глубины скважины температура увеличивается, но для различных площадей и месторождений она различна. Например, на глубине 12 000 м в Кольской сверхглубокой скважине температура составила 203°С, на глубине 9 590 м в штате Оклахома – 232°С, на глубине 7 010 м в Южном Техасе – 290,5°С. При отсутствии дан- ных о геотермическом градиенте можно использовать среднее значение 3°/100 м.
1.2.5. Характеристика и свойства пластовыхфлюидов
Нефть представляет собой смесь углеводородов метанового, нафтенового и ароматического рядов. Кроме углеводородов в нефти содержится в небольшом коли- честве кислород, сера, азот и микрокомпоненты (хлор, йод, фосфор и др.). Плотность нефти находится в диапазоне от 750 до 980 кг/м3. По содержанию смолистых веществ нефти делятся на малосмолистые (до 8%), смолистые (8-28%), высокосмолистые (бо- лее 28%). В зависимости от содержания парафина различают беспарафинистые (до 1%), слабопарафинистые (1-2%), парафинистые (более 2%). В большинстве случаев в пластовых условиях нефть содержит растворённый газ. Давление, при котором рас- творённый газ при заданной температуре начинает выделяться из нефти, называется давлением насыщения.
Природный и попутный нефтяной газы – это смесь углеводородов, которая со- держит метан (97-99%) и более тяжёлые углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. При содержании в газе менее 100 г тяжёлых углеводородов в 1 м3 они относятся к
«сухим», более 100 г – к «жирным». В попутных газах число тяжёлых углеводородов достигает 50%, в природных – до 6%. Кроме углеводородных газов в пластах сов- местно могут находиться сероводород, углекислота, азот и другие.
Пластовая вода оказывает значительное влияние на характер движения нефти и газа в пласте. Если вода насыщает пласт, находящийся выше продуктивного, то она называется верхней; если ниже, то – нижней; если под залежью, то – подошвенной; если пропласток, то – промежуточной. Пластовая вода содержит в своём составе растворён- ные соли, ионы и коллоиды. Их суммарное содержание в воде называется минерализа- цией. По степени минерализации воды делятся на пресные (минерализация менее 1 г/л), солёные или минерализованные (минерализация 1-50 г/л) и рассолы (минерализация бо-лее 50 г/л). По содержанию ионов воды делятся на сульфонатно-натриевые, гидрокарбо- натно-натриевые, хлоридно-кальциевые и хлоридно-магниевые.