Влияние песчаников с высокой концентрацией тяжелых минералов на распределение углеводородов в залежи на примере месторождения Западной Сибири

Введение

Шельфовые отложения широко распространены на севере Западной Сибири и имеют сложное геологическое строение. Разрез таких отложений характеризуется повышенной общей мощностью (Скачек и др., 2011) и на изучаемом месторождении эффективные толщины пласта достигают 50–60 м (рис. 1). По результатам опробования пластов на кабеле и гидродинамического каротажа (ОПК-ГДК), а также испытаний на рассматриваемой площади существуют противоречия в выделении флюидального контакта.

В разрезе пласта прослеживается песчаный интервал с высокими значениями естественной радиоактивности, выше и ниже которого происходит смена характера насыщения. Такая особенность выявлена и в современных отложениях: пески на пляжах острова Сонадия (Бангладеш) содержат тяжелые минералы, в которых монацит является радиоактивным из-за наличия в его составе тория (Kabir et al., 2018). Во всех случаях формирование отложений связано с песчаниками дельтового побережья, подверженного влиянию волновых процессов, где отмечается наличие базального слоя, состоящего из тяжелых минералов (Барабошкин, 2007).

В связи с вышеизложенным цель настоящей работы – изучение свойств песчаных отложений с высокой концентрацией тяжелых минералов для геометризации залежи углеводородов (УВ) и повышения эффективности эксплуатационного бурения.

Материалы и методы

В качестве объекта изучения выбран продуктивный пласт, накопление которого происходило в условиях дельтового побережья с влиянием волновых процессов, где нарушается гравитационное распределение УВ. К анализу привлечено 7 скважин с керном, суммарный вынос которого составляет 466 м (92–100% от проходки), результаты стандартных, специальных и литологических исследований (около 2000 образцов), а также испытаний в 45 разведочных скважинах. Для обоснования положения флюидального контакта и оценки гидродинамической связанности песчаных интервалов внутри продуктивного пласта привлечены результаты ОПК-ГДК в 13 пилотных скважинах.

В рамках седиментологического анализа выполнено макроописание керна и определены преобладающие обстановки осадконакопления, а также выделены ключевые поверхности затопления.

Лабораторные исследования проводили на керновом материале двух скважин в интервалах с повышенным содержанием естественно-радиоактивных элементов.

Для подтверждения и изучения аномалий, выявленных на гамма-каротаже (ГК), на полноразмерном керне выполнен профильный спектральный гамма-каротаж на гамма-спектрометрической установке «Мультирад-Гео» (Россия), фиксирующей концентрацию урана (U), тория (Th) и калия (K) в породах (аналитик О.Ю. Гурьев, ООО «НОВАТЭК НТЦ»). В тех интервалах, где отмечены аномалии естественной радиоактивности по ГИС, отбор образцов осуществляли в точках кривой естественной радиоактивности по керну c минимальным и максимальным значениями (рис. 2). По 16 образцам изготовлены и описаны шлифы, выполнены исследования методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), и проведены исследования минерального состава породы методом рентгенофазового анализа. Анализ пород проводился с помощью рентгеновского дифрактометра. Общий минеральный состав определялся в порошковых пробах, состав глинистых минералов – на выделенной путем отмучивания пелитовой фракции породы (аналитик У.Ю. Азарапина, ООО «НОВАТЭК НТЦ»). Для изучения морфологических особенностей породы и элементного состава использовался растровый электронный микроскоп. Рентгеноспектральный анализ в точках и построение рентгеновских карт проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра (ЭДС). Подготовка образцов для проведения точечного микроанализа заключалась в создании свежего скола породы, для построения площадных рентгеновских карт изготавливали аншлиф. В обоих случаях перед началом исследований на образцы напыляли углерод и золото (аналитик Е.В. Панев, ООО «НОВАТЭК НТЦ»). Петрографическое изучение горных пород выполнялось в прозрачных прокрашенных непокрытых шлифах с использованием микроскопа с цифровой камерой (аналитик А.Г. Сафронова, ООО «НОВАТЭК НТЦ»).

Результаты

По данным седиментологического анализа керна исследуемый объект сложен преимущественно песчаниками распределительных каналов и проксимальной части фронта дельты с преобладанием волновых процессов. Интенсивно биотурбированные песчаники продельты перекрываются песчаниками фронта дельты. В дистальной части фронт дельты представлен штормовыми слоями, а в проксимальной – песчаниками с текстурами волновой ряби. Распределительные каналы дельтовой системы залегают с эрозионным контактом, подчеркнутым обломками древесины и глинистыми интракластами (рис. 3).

Выявленные слои с повышенной естественной радиоактивностью связаны с песчаными отложениями фронта дельты.

По данным профильных гамма-спектрометрических исследований керна точно зафиксированы интервалы с аномалиями (рис. 2). Результаты выполненных рентгенофазовых исследований минерального состава породы на образцах приведены в табл. 1.

Все образцы представлены песчаниками мелкозернистыми, преобладающий размер обломочного материала от 0,10–0,12 до 0,16–0,19 мм. По минеральному составу обломков песчаники отнесены к группе граувакковых аркозов (Шутов, 1967; Шванов, 1987; Шванов и др., 1998). Цемент пленочно-порового типа, по составу преимущественно глинистый с примесью карбонатного и цеолитового материала. Содержание цеолитов в рассмотренных образцах при исследовании методом рентгенофазового анализа не превышает 1% (в силу особенностей метода и сложности интерпретации валового анализа).

По шлифам содержание ломонтита составляет от 1–2% до 8–10%. Слюдистый материал иногда выполняет роль цементирующего материала в слойках обогащения. Отмечается кварцевый регенерационный цемент в виде прерывистых каемок аутигенного кварца толщиной до 0,01–0,04 мм.

Аутигенный глинистый материал представлен преимущественно хлоритом, в виде скоплений в порах и в виде пленок на поверхности зерен, его количество изменяется от 5–10% до 15–17%. Прослоями отмечается первичный седиментогенный алеврито-глинистый материал. Его распределение в породе неравномерное – линзовидное, пятнистое, нарушенное биотурбацией и взмучиванием. Седиментогенный глинистый материал по составу гидрослюдисто-хлоритовый.

Во всех образцах песчаника отмечаются многочисленные сплошные и прерывистые слойки обогащения тяжелыми (акцессорными) минералами (рис. 4). Толщина слойков изменяется от долей миллиметра до 2,0–2,5 мм.

В целом для пород пласта характерно повышенное содержание тяжелых акцессорных минералов – их количество составляет 2–11%. Для выше- и нижележащих пластов обычное содержание акцессориев – не более 1% на породу.

В шлифах встречены следующие тяжелые акцессорные минералы: гранат, минералы эпидотовой группы, циркон, апатит, сфен, турмалин, ильменит и т.д. (табл. 2). Так как содержание этих минералов доходило до 15–40% (от площади шлифа), корректно считать их уже породообразующими минералами, а не акцессорными. Для отличия именно этих минералов от обычного породообразующего комплекса (кварца, полевых шпатов, обломков пород) оставим название тяжелые акцессорные. В интервалах, где отмечены максимумы естественной радиоактивности, доля тяжелых акцессорных минералов существенно увеличивается (рис. 5).

По данным рентгенофазового анализа количество тяжелых акцессорных минералов в изученных образцах меняется от 1,5% до 6,8% (табл. 1). Минимальное и максимальное значения содержания тяжелых акцессорных минералов соответствуют минимальному и максимальному значениям профильной радиоактивности (рис. 5). Количество калиевых полевых шпатов составляет в среднем 13–16%, что является характерным для пласта. Количество глинистого материала варьирует от 10% до 17%, что также характерно для песчаников пласта.

Содержание тяжелых минералов по данным рентгенофазового анализа определяется несколько ниже, чем по шлифам. Например, в обр. 3452 в случае усредненной пробы, представляющей достаточно большой объем породы, первоначально количество тяжелых минералов составило 6,8% (табл. 1). Небольшое содержание минералов в пробе является препятствием для более точной их идентификации именно методом рентгенофазового анализа. В обр. 3452 дополнительно выбран участок, обогащенный тяжелыми акцессорными минералами, и подготовлена проба. При работе с этой пробой содержание тяжелых минералов по данным рентгенофазового анализа увеличилось до 21%, что ближе к количеству, определенному в шлифе, – 37%.

На дифрактограммах определены минералы, с которыми могут быть связаны аномальные значения естественной радиоактивности: это титанистые минералы (сфен/титанит, ильменит), цирконы, минералы эпидотовой группы (алланит/ортит, цоизит, эпидот), минералы группы гранатов.

Таким образом, по результатам и рентгенофазового анализа, и описания шлифов отмечена тесная связь между увеличением содержания тяжелых минералов в породе и повышением естественной радиоактивности, зафиксированным при гамма-спектрометрии.

По данным профильного спектрального ГК полноразмерного керна (рис. 2) в изучаемых интервалах отмечены резкие увеличения концентраций тория (колонка 3 C TH) и в меньшей степени урана (колонка 4 C U), при этом концентрации калия (колонка 2 C K) меняются незначительно.

Многими исследователями отмечено, что концентрации Th и U находятся в положительной корреляции с содержанием глинистого материала в породе, содержание К зависит от количества калиевых полевых шпатов в породообразующем минеральном комплексе, а концентрации U связываются с содержанием органического вещества (Готтих, 1980; Смыслов, 1974; Зубков, 2001, 2006, 2009).

Содержание калия по данным профильной гамма-спектрометрии слабо дифференцировано по разрезу, что подтверждают данные рентгенофазового анализа, где количество калишпатов изменяется на уровне среднего для пласта. Содержания глинистого материала и органического вещества (углефицированных растительных остатков) в изученных образцах соответствуют среднему количеству этих компонентов породы по пласту. Таким образом, аномалии Th и U по профильным определениям нельзя связать с резким увеличением глинистости или количества органического вещества. Аномалии естественной радиоактивности связаны именно с послойным увеличением содержания тяжелых акцессорных минералов.

Из акцессорных минералов, которые могут содержать в своем составе радиоактивные элементы, в шлифах встречаются зерна циркона, торита, сфена и минералы эпидотовой группы – зерна ортита (рис. 6).

Методом РЭМ подтверждено наличие большого количества тяжелых акцессорных минералов: часто встречаются ортит и другие минералы группы эпидота, сфен, гранат, циркон, реже – фторапатит, монацит, торит. По данным спектрального анализа зерна граната в основном андрадитового ряда.

На РЭМ-изображениях хорошо видны окатанная форма зерен тяжелых минералов и их разнообразие (рис. 7). Тяжелые акцессорные минералы имеют чуть меньший размер по сравнению с обломочным материалом (0,08–0,10 мм) и более окатанную форму.

Для большего представления об элементном составе и количественном содержании тяжелых минералов в породе проведено элементное картирование с помощью ЭДС-детектора электронного микроскопа, которое дает представление о том, как распределены те или иные элементы по площади образца.

Для этого вида исследований изготовлен аншлиф образца, в котором по результатам описания шлифов отмечается максимальная концентрация (до 37%) тяжелых минералов (обр. 3452). Аншлиф и петрографический шлиф изготовлены из одного кусочка породы и максимально возможно дублируют друг друга. На рис. 8 видно послойное распределение акцессорных минералов: яркие белые зерна – циркон.

В связи с недостаточной разрешающей способностью детектора при небольшом увеличении (×100) не удалось количественно оценить содержание радиоактивных элементов в пределах изучаемого поля (рис. 9). При съемке другого участка аншлифа, проведенной уже с большим увеличением (×300), были зафиксированы радиоактивные элементы (рис. 10).

В результате появилась возможность оценить распределение минералов в породе по карте (рис. 11), полученной путем наложения отдельных карт элементов (рис. 10): зеленые зерна – кварц и калишпат, коричневатые зерна – плагиоклазы, сиренево-розовые зерна – фторапатит, голубые – сфен, анатаз, ильменит, а белые зерна – монацит.

К сожалению, не удалось с достаточной точностью определить содержание радиоактивных элементов при элементном картировании участков аншлифа по площади (рис. 12). Но при точечном детектировании наличие минералов с содержанием радиоактивных элементов подтверждается. Благодаря РЭМ-исследованиям появилась возможность выделить среди минералов эпидотовой группы, преобладающих среди тяжелых минералов в породе, радиоактивный ортит. На одном из участков аншлифа 3452 обнаружен минерал торит с высоким содержанием Th и других радиоактивных элементов (церия, иттрия), окруженный органическим веществом (рис. 13). Из-за высокой внутренней радиоактивности кристаллическая решетка минерала постепенно разрушается, зерна минерала с течением времени могут становиться рентгеноаморфными.

Торит найден в шлифе этого же образца (рис. 14). Присутствие торита даже в небольшом количестве значительно увеличивает радиоактивность породы.

Ранее в ряде работ М.Ю. Зубкова, посвященных неокомским и юрским объектам Западной Сибири, получены доказательства того, что на увеличение радиоактивности пород оказывает влияние наличие монацитовых микрокристаллических включений, обогащенных Th и U, в глинистом материале породы (Зубков, 2001, 2006, 2009). В ходе изучения седиментогенного глинистого материала песчаников пласта нами не отмечено обогащение микрокристаллами монацита ни в одном из образцов. Основной вклад в естественную радиоактивность породы вносит присутствие тяжелых акцессорных минералов песчаной размерности (0,08–0,12 мм), содержащих в своем составе радиоактивные элементы.

Выполненные литолого-минералогические исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Изучаемые породы представлены песчаниками мелкозернистыми, с преобладающим размером обломочного материала от 0,10–0,12 мм до 0,16–0,19 мм, по минеральному составу обломков относящихся к группе граувакковых аркозов, с глинистым цементом, с примесью карбонатного и цеолитового материала.
2. Во всех образцах песчаника отмечается слоистая текстура, которая обусловлена многочисленными сплошными и прерывистыми слойками обогащения тяжелыми акцессорными минералами. Толщина этих слойков изменяется от долей миллиметра до 2,5 мм.
3. В целом для пород пласта фоновое содержание тяжелых акцессорных минералов составляет 2–11%, в отдельных прослоях их доля может увеличиваться до 15–40%. Минимальное и максимальное содержания тяжелых минералов соответствуют минимальному и максимальному значениям профильной радиоактивности на керне и на каротаже ГК.
4. Концентрации калия контролируются содержанием калиевых полевых шпатов, слюды, обломков пород. По данным профильной гамма-спектрометрии содержание калия слабо дифференцировано по разрезу, это подтверждают данные рентгенофазового анализа, где количество калишпатов изменяется около среднего для пласта (13–16%) и не оказывает значительного влияния на радиоактивные характеристики породы.
5. Основной вклад в повышение естественной радиоактивности пород вносит обогащение элементами Th и U. Влияние увеличения глинистости или количества органического материала (углефицированного растительного детрита) на аномальные значения радиоактивности не зафиксировано. Аномалии Th и U связаны именно с увеличением содержания тяжелых акцессорных минералов песчаной размерности.
6. Среди тяжелых акцессорных минералов основными минералами, с которыми связано повышенное содержание радиоактивных элементов, являются: циркон, торит, фторапатит и минерал группы эпидота – ортит. Монацит в породах отмечается реже.
7. Тяжелые минералы имеют сопоставимый или чуть меньший размер зерен с зернами обломочного материала песчаников, но характеризуются хорошей окатанностью, что является свидетельством более длительного цикла или нескольких циклов осадкопереноса по сравнению с обломками породообразующего комплекса.
8. Предполагается, что к такому сильному обогащению тяжелыми акцессорными минералами, содержащими уран и торий, приводило естественное шлихование под действием волновых процессов. Источником этих минералов служили специфические породы типа пегматитов (?), метаморфических и контактово-метасоматических (?) пород.
9. Породы, обогащенные тяжелыми минералами с повышенным радиационным фоном, являются реперным горизонтом при проведении корреляции в пределах изучаемого района.

Обсуждение результатов

Выделенные слои с высокой концентрацией тяжелых минералов характеризуются низкой проницаемостью и по ГИС интерпретируются как неколлектор. Данные слои способны формировать непроницаемые перемычки и контролировать УВ в песчаном разрезе залежи, что отражается на фактических результатах ГДК-ОПК и испытаний.

На рис. 15 представлен разрез через две близко расположенные скважины. В скважине 2PL выделяется интервал с повышенными значениями ГК (отмечен красным прямоугольником), относительно которого происходит изменение типа флюида.

По керну этот интервал представлен песчаником, который на макроскопическом уровне не выделяется в отдельный прослой и не дифференцируется от выше- и нижележащих песчаных отложений (рис. 16).

С точки зрения осадконакопления прослои, обогащенные акцессорными тяжелыми минералами, являются маркером трансгрессии. При поступлении осадочного материала такие минералы, имеющие схожее с песчаниками гранулометрическое распределение, равномерно рассеяны в них. При повышении уровня моря происходит размыв песчаных отложений и их сортировка по удельному весу. Размыв и волновая переработка отложений характерны в условиях трансгрессии и известны на других площадях (Жемчугова и др., 2021; Скачек и др., 2011). На схеме (рис. 17) представлен механизм формирования изучаемых прослоев. При трансгрессии первыми из взвеси выпадают тяжелые минералы, далее песчаная фракция, которая переходит во фракции с меньшим размером зерна, а затем вверх по разрезу накапливается типовой разрез проградирующей дельты с нормальной концентрацией акцессорных минералов в песчаниках.

На основе построенной концептуальной модели (рис. 17) можно сделать выводы, что отложения с повышенным содержанием тяжелых минералов являются одновозрастными с глинистыми отложениями трансгрессивного слоя, хорошо прослеживаются и коррелируется между собой. В зоне распространения песчаных отложений и отсутствия глинистых перемычек такие слои могут выступать в роли «гидродинамической заплатки».

Современным аналогом изучаемых отложений являются гранатовые пески берегов Кольского полуострова, Карелии и побережья озера Байкал, магнетитовые пески Восточной Камчатки и оливиновые пески некоторых вулканических островов Тихого океана (рис. 18), образующие тонкие прослои, которые могут надстраиваться и смещаться латерально в зависимости от количества и длительности этапов трансгрессии.

Рассматриваемые интервалы песчаных отложений с повышенным содержанием тяжелых минералов являются уникальным ориентиром и хорошо выделяются в разрезе скважин. Такие прослои были интегрированы в геологическую модель в виде изолирующих границ номинальной толщины, которые объясняют результаты данных ОПК в близкорасположенных скважинах 1PL и 2PL (рис. 19).

В скважине 3PL отложения, которые так же характеризуются повышенной концентрацией тяжелых минералов (граница 1 и 2), выступают в качестве литологического барьера между пачками (рис. 20). Резкое изменение пластового давления объясняется тем, что в верхних двух пачках ведется отбор флюида, и эти пачки гидродинамически не связаны с нижележащими отложениями.

Заключение

Рассматриваемый в работе шельфовый объект представлен песчаными отложениями фронта дельты. Фактические результаты исследований скважин, таких как ОПК-ГДК и испытания, не объясняют различное положение флюидального контакта даже в близрасположенных скважинах. Изменение характера насыщения наблюдается после тонкого интервала с аномально высокими значениями естественной радиоактивности по данным ГК.

Для изучения таких песчаников выполнен седиментологический анализ керна и проведены специальные лабораторные исследования, включающие профильный спектральный ГК, рентгенофазовый анализ минерального состава пород, петрографическое описание шлифов, изучение методом растровой электронной микроскопии.

В результате комплексного анализа в песчаных отложениях выявлено высокое содержание тяжелых минералов (до 15–40% от площади шлифа). Среди них основными являются циркон, торит, фторапатит и ортит. Они сконцентрированы в тонких прослоях, которые по данным измерений проницаемости на образцах и полноразмерном керне характеризуются низкими фильтрационными свойствами. Накопление этих прослоев происходило в условиях трансгрессии за счет гравитационной сортировки осадка. Они сформировали комплексный флюидоупор в пласте. Они хорошо выделяются в разрезе скважин и коррелируются как между собой, так и с отложениями трансгрессивного слоя и глинистыми отложениями продельты.

Построенная концептуальная модель с учетом непроницаемых прослоев песчаных отложений с высоким содержанием тяжелых минералов объясняет распределение УВ в залежи, что повышает прогностическую способность геологической модели и эффективность бурения эксплуатационных скважин.

Благодарности

Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные замечания и предложения, а также сотрудникам компании ПАО «НОВАТЭК» А.C. Потаповой и Н.А. Шадчневу.