Особенности распределения поровых давлений в битуминозных аргиллитах баженовской свиты (верхнеюрские отложения, пласт ЮС₀) на Ай-Пимском месторождении.

Авторы: Тарасова Е.В., Чебанов С.Н. (ООО «Петровайзер»), Яхшибеков Ф.Р. (ОАО «Сургутнефтегаз»)

Рассмотрены особенности определения и распределения поровых давлений по площади и разрезу для Ай-Пимского месторождения. 

Ключевые слова: поровые/пластовые давления, АВПД, баженовская свита, коэффициент аномальности К_а, нормализованная скорость проходки.

С продуктивными отложениями баженовской свиты (верхнеюрские отложения) связывается развитие геологоразведочных работ Северной части Западной Сибири. Битуминозные аргиллиты баженовской свиты Западной Сибири являются одновременно региональной верхнеюрской покрышкой и одной из основных нефтематеринских толщ в разрезе осадочного чехла Западной Сибири. 

Разведка этих отложений затруднена сложными термобарическими условиями. 

Основные проблемы при бурении глубоких скважин Ай-Пимского месторождения:

• Дизъюнктивные дислокации кровли и баженовских отложений; 
• Осыпи и обвалы пород в зонах тектонических разломов и под воздействием других факторов; 
• Непрохождение обсадных колонн, бурильного инструмента и приборов ГИС; 
• Проявления под башмаком обсадных технических колонн и при входе в верхнеюрские отложения;
• Поглощения промывочной жидкости при бурении в баженовских отложениях и ниже.

Оперативное определение поровых давлений и их учет при строительстве скважин позволяют избежать, проявлений и поглощений промывочной жидкости в участках аномальных параметров горных пород (плотности, пористости, влажности и пр.),   деформаций ствола скважины в интервалах глинистых пород. 

Для анализа особенностей распределения поровых давлений собран и обобщен фактический геологический, технологический и промыслово-геофизический материал (результаты ГИС и ГТИ по 28 скважинам Ай-Пимского, Восточно-Сахалинского и Западно-Сахалинского месторождения, из них 11 горизонтальных стволов, определения пластовых давлений по 2 скважинам,  экспресс-анализов кернового материала по 3 скважинам). Проведены полевые геологические исследования геологами геологической службы ГТИ ООО «Петровайзер». 

Опробована в полевых условиях методика прогнозирования аномально-высоких пластовых давлений (АВПД) в баженовской свите (пласт ЮС₀) по данным технологических, геофизических и геологических исследований (ГТИ и ГИС) в процессе строительства вертикальных и наклонно-направленных скважин. 

Основной тип пород в разрезе баженовской свиты (по микро- и макроописаниям кернового материала и шлама, литературным данным [2,3,4,9]) – микрослоистые битуминозные аргиллиты, представленные твёрдыми, неразмокающими, малопористыми породами преимущественно глинистого состава с различным содержанием органического вещества. Отличительной чертой баженовских аргиллитов является наличие трещин, заполненных карбонатным и углефицированным материалом, иногда с выпотами нефти.

Глинистые минералы представлены в основном гидрослюдой и смешанослойными образованиями ряда гидрослюда – монтмориллонит; в виде примесей присутствуют каолинит и хлорит.

На диаграммах ГИС битуминозные аргиллиты баженовской свиты очень резко обособляются в разрезе аномалией. Показания гамма-каротажа увеличиваются в 5 и более раз по сравнению с вышезалегающими глинистыми породами, резко (иногда до 600-700 Омм) увеличиваются значения удельных электрических сопротивлений, увеличивается интервальное время прохождения упругой волны Δt_АК (акустического каротажа), выраженные отрицательные аномалии потенциалов собственной поляризации ПС либо их отсутствие, значительное снижение плотности по ГГК. 

По результатам исследования шлама и керна баженовская свита характеризуется:

• изменением плотности и крепости пород, появлением темно-серых, черных, коричневых битуминозных аргиллитов, резко снижается количество размокающих переходящих в раствор глинистых пород, 
• при отмывании шлама наблюдается радужная иризирующая пленка на поверхности воды, появляется резкий запах УВ (углеводородов), 
• по газовому каротажу наблюдается увеличение газопоказаний при бурении и промывках, повышение содержания тяжелых УВ. 
• по результатам люминесцентно-битуминологического анализа (ЛБА) цвет люминесценции меняется с желтого и беловато-желтого на оранжево-желтый, светло-коричневый и коричневый (рис.1) в связи с появлением битумоидов с повышенным содержанием масел и асфальтенов (маслянисто-смолистых и смолистых).

Рис.1 Пример ЛБА керна баженовской свиты.

В глубокозалегающих отложениях Западной Сибири, в том числе баженовских, широкое распространение имеют зоны АВПД . 

По существующей классификации к АВПД относятся отложения, аномальность (К_а) поровых/пластовых давлений которых превышает нормальное гидростатическое давление более чем в 1.2 раза. Поскольку глинистые перегородки (в том числе аргиллиты) никогда не бывают герметичными и постоянными в масштабе геологических периодов, с течением времени давления имеют тенденцию к выравниванию с обеих сторон перегородки, образуются так называемые переходные зоны. 

Выделение интервалов разреза с аномальным давлением флюидов основано на сравнении фактических значений параметров с их значениями при поровых давлениях, равных гидростатическим, то есть с их значениями при нормальном гравитационном уплотнении. 

Определение АВПД по скважинам Ай-Пимского месторождения произведено по материалам ГИС, ГТИ, результатам экспресс - исследований керна с применением известных методик определения давлений (эквивалентных глубин, метода отношений Итона, Замора и т.п.). Линии нормального уплотнения глин (ЛНУ) построены статистическим методом. Для построения ЛНУ выбирались наиболее чистые глинистые породы без заметных примесей песчаного или карбонатного материала, свойства которых однозначно зависят от эффективного напряжения (давления) — разности между геостатическим давлением горных пород и давлением поровой жидкости. 

Основным методом определения АВПД в процессе бурения по-прежнему являются геолого-технологические исследования. Произведено определение Ка по ГТИ посредством применения комплекса программ “GeoPress” [7] оперативно в режиме реального времени и в ретроспективе с использованием 6 вариантов нормализации механической скорости проходки. 

Причинами, снижающими эффективность использования нормализованной скорости проходки для определения поровых давлений, которые лишь частично учитываются и корректируются с помощью нормализации, являются:

• резкое изменение диаметра скважины, режимных параметров бурения, удельного веса бурового раствора;
• сложные геологические и структурные условия проводки скважин;
• интервалы снижения скорости проходки за счет низкой эффективности работы долота и изменчивость гидравлических параметров бурения.

Значительно осложнила интерпретацию результатов ГТИ резкая смена режимов и способов бурения – роторное и турбинное бурение, применение винтовых забойных двигателей в пределах одного ствола скважины. Например, в скважине 4048 Ай-Пимская проектный горизонт (баженовская свита) вскрывался турбинным бурением (520 об/мин), вышезалегающие отложения – роторным (90 об/мин) и с применением винтовых забойных двигателей (285 об/мин). Формализовать соотношение между скоростью проходки и способом бурения сложно, поскольку на скорость проходки влияет множество факторов – литология пород, тип долота и др., а кроме того качество исходной информации. При интерпретации также учитывались различные штатные и нештатные ситуации, влияющие на скорость проходки – бурение с отбором керна, поглощения промывочной жидкости, зашламление забоя, сальникообразование,  и пр.

Определение поровых давлений по ГИС произведено по АК, методам сопротивления (ИК, БК) и ГГК как по методике эквивалентных глубин, так и методом отношений. Для введения соответствующих поправок использовались результаты кавернометрии, ГК. В разрезах, где чистые глинистые породы отсутствуют, применены специальные методики учета песчанистости и карбонатности глинистых пород [5]. 

Непосредственно в интервале баженовских аргиллитов поровые давления  по ГИС из выполняемого комплекса возможно оценивать только по АК.  По величине удельного сопротивления глин определить К_а можно только в вышезалегающих и подстилающих породах.

По результатам экспресс – анализов кернового материала и ГГК породы баженовской свиты обладают более низкой объемной плотностью аргиллитов, чем нормально уплотненные породы, что свидетельствует о наличии  АВПД. Однако по результатам полевых экспресс - анализов керна породы помимо низкой объемной плотности обладают и аномально низкой минералогической плотностью (рис. 2). Необходимо учитывать минералогический состав и значения минералогической и объемной плотности аргиллитов баженовской свиты по результатам лабораторных анализов кернового материала для уточнения результатов определения поровых давлений по плотности (шлама, керна, по ГГК). 

Рис. 2 Сопоставление объемной и минералогической плотности образцов керна, результаты экспресс анализа на буровой.

Для верхнеюрских отложений баженовской свиты Северной части Западной Сибири рекомендуется определять К_а АВПД по ГИС по результатам акустического каротажа (АК), по ГТИ по нормализованной скорости проходки (σ-log, а-экспоненте, d-экспоненте и нормализованному параметру буримости «Б»).

Сравнение различных методов и методик определения поровых давлений показало, что при удовлетворительном качестве исходного материала результаты оценки по различным методикам близки. Каждый вариант расчета имеет свои достоинства и недостатки. Причем результаты расчетов зачастую в десятки раз меньше зависят от варианта определения, чем от качества исходной информации.

При условии корректных исходных данных погрешность определения поровых давлений может достигать 5-10%. Погрешность определения поровых давлений оценена в основном косвенным методом (анализ осложнений и аварий, поведение скважины в процессе проводки при фактическом давлении столба промывочной жидкости). Наиболее эффективна оценка путем сравнения рассчитанных поровых давлений с замерами пластовых в начальный период эксплуатации залежи, однако количество таких замеров незначительно. 

Оперативно в процессе бурения определены коэффициенты аномальности К_а по ГТИ и ГИС при строительстве 4 горизонтальных скважин. Эффективность по сравнению с вертикальными скважинами снижается в связи со значительными искажениями результатов в горизонтальных скважинах (существенное влияние вмещающих пород на показания ГИС, сложности с отбором и привязкой шлама и газопоказаний к истинной глубине, определении истинной нагрузки на долото, что сказывается на величинах нормализованной скорости проходки и пр.). Однако результаты близки к полученным в опорных вертикальных скважинах. 

Существует ряд методик количественных оценок величины пластового давления по данным сейсморазведки, которые необходимо использовать для прогнозирования аномально - высоких пластовых давлений (АВПД) в баженовской свите (пласт ЮС₀). Предпосылкой является хорошее расчленение разреза по АК и достоверное определение поровых давлений по интервальному времени пробега упругой волны.  

Горизонтальная и вертикальная протяженность зон АВПД может составлять от нескольких метров до десятков, а иногда и сотен километров [1, 9]. В большинстве регионов, в том числе и в Западной Сибири, зоны АВПД имеют значительные объемы и коэффициенты аномальности. Выделяется зона нормальных давлений, переходная зона и зона АВПД. Типичная картина изменения по разрезу пластовых давлений по результатам испытаний одного из районов севера Западной Сибири представлена на рис. 3.  Зона АВПД с К_а от 1.45 до 1.9 отмечается от нижнемеловых  ачимовских отложений до палеозойских включительно. 

Рис. 3 Сопоставление Ка пластовых давлений (замеры при опробовании пластов) с глубиной залегания кровли пласта.

В отличие от наиболее часто встречающейся схемы распределения АВПД по разрезу (рис.3) в пределах Ай-Пимского, Восточно-Сахалинского и Западно-Сахалинского месторождений зоны АВПД локальны (аномальность Ка=1.3-1.65) (преимущественно 20-40м по мощности) и приурочены к баженовским отложениям (рис.4). Вероятно, наличие АВПД характерно для баженовских отложений в целом, а отсутствие признаков аномальности пластовых давлений  в отдельных скважинах может объясняться отсутствием в них коллекторов либо неполной изоляцией и возможностью оттока флюидов. 

Рис. 4 Пример определения поровых давлений баженовских отложений

По результатам определения поровых давлений ачимовские и доачимовские отложения (палеогеновые и меловые) залегают в условиях нормального гидростатического давления. В качестве кровли зоны АВПД принимается кровля подачимовских глин над отложениями баженовской свиты. В подачимовских отложениях по данным ГИС-ГТИ наблюдается постепенное повышение поровых давлений до Ка=1.1-1.25. При бурении подачимовских нижнемеловых отложений по мере приближения к кровле баженовских отложений для предупреждения обвалообразования и кавернообразования рекомендуется производить постепенное увеличение плотности раствора в связи с наличием по ГИС-ГТИ в них поровых давлений до Ка=1.2 – 1.25.

В породах, подстилающих битуминозные аргиллиты баженовской свиты, наблюдается понижение с Ка=1.1-1.25 до гидростатических давлений. Это подтверждается бурением подстилающих отложений без осложнений при плотности промывочной жидкости 1.14-1.2 г/см³ 

Несмотря на полную автоматизацию процесса обработки (Комплекс программ “GeOPress” [7]) определение поровых давлений требует глубокого анализа всей имеющейся информации, высокого уровня подготовки специалиста. При интерпретации необходимо учитывать влияние большого количества технологических, геологических и тектонических факторов: повышение битуминозности пород, смена режимных параметров бурения, типоразмера долота, изменение минерализации поровых вод, наличие тектонических нарушений, размывов, различные нештатные ситуации, влияющие на скорость проходки – отбор керна, поглощения промывочной жидкости, зашламление забоя, сальникообразование, и пр.

Наиболее целесообразным является оперативное сопровождение процесса бурения скважины квалифицированными специалистами, для чего необходимо обеспечить удаленный мониторинг информации в режиме реального времени.

Аномальные пластовые давления могут быть обусловлены многочисленными факторами [1,5,6,10]. Наиболее широко распространено представление о том, что аномальные давления образуются вследствие затрудненного оттока жидкости при уплотнении пород в процессе погружения, а также при уплотнении под действием тектонических напряжений. Часто они вызываются сочетанием нескольких наложенных факторов, что связано со стратиграфической, тектонической и геохимической историей района.

Одной из возможных причин образования АВПД  ряд исследователей считает миграцию высоконапорных флюидов по разломам в фундаменте и осадочном чехле из глубокозалегающих участков Земной коры. Отсутствие залежей и АВПД в отдельных скважинах и на месторождениях объясняют тем, что при отсутствии полной изоляции нефть, вероятно, эмигрировала в близлежащие проницаемые пласты других стратиграфических горизонтов.  

Другие гипотезы предполагают возникновение в глинах высоких поровых давлений за счет выделения кристаллизационной воды и сорбированного ОВ в процессе катагенетической гидрослюдизации монтмориллонита, теплового расширения нефти при погружении осадков, термодинамического фактора, радиоактивного распада, преобразования органического материала, уменьшения порового пространства при осаждении кальцита или кремния и/или прочих факторов [9, 11]. 

Характерные признаки зоны АВПД в пределах Ай-Пимского месторождения позволяют предположить, что основной вклад в образование зон АВПД в баженовских аргиллитах принадлежит факторам радиоактивного распада и преобразования органического материала. 

Для полного анализа причин образования и закономерностей распределения АВПД в баженовской свите Ай-Пимского месторождения собранного и проанализированного фактического материала недостаточно. Необходимо привлечь результаты сейсмических исследований для оценки влияния дизъюнктивных нарушений в осадочном чехле на процессы формирования, сохранности и размещения скоплений УВ, уточнения причин возникновения и размещения зон АВПД. 

Профилактикой осложнений ствола скважин может служить недопущение значительных знакопеременных гидродинамических нагрузок на стенки скважины. Промывка скважины должна обеспечивать полную очистку ствола от породы, плотность бурового раствора - соответствовать фактическим поровым давлениям в глинах, качество раствора - обеспечивать максимальную устойчивость стенок скважины. 

Непредвиденные задержки бурения при проходке склонных к осложнениям интервалов могут привести к осложнениям ствола скважины. Анализ данных кавернометрии и профилеметрии скважин Ай-Пимского месторождения, а также наличия и количества обвальной породы в процессе бурения, показал, что интенсивность осыпей значительно увеличивается при увеличении времени нахождения отложений во вскрытом состоянии (рис.5, 6). При сокращении до минимума технологических простоев, применении высокоскоростных долот и минимальном количестве спускоподъемных операций глинистые отложения Ай-Пимского месторождения возможно разбуривать при минимальной депрессии, допустимой Правилами безопасности [8].

Рис.5 Сопоставление величин каверн (Дс-Дн) с глубиной залегания глинистых пластов.

Рис.6 Сопоставление увеличения диаметра скважины с интервалом времени между вскрытием интервала и его исследованием (ГИС).

Отмечено, что каверны большого диаметра в короткие сроки менее 10 дней между вскрытием пласта и исследованием ГИС образовались в основном в ачимовских и подачимовских отложениях. 

Выводы

• В пределах изученных авторами разрезов Ай-Пимского, Восточно-Сахалинского и Западно-Сахалинского месторождений зоны АВПД локальны и приурочены к баженовским отложениям;  наблюдается повышение поровых давлений над гидростатическими  с коэффициентом аномальности К_а=1.3-1.65. Вероятно, наличие АВПД характерно для баженовских отложений в целом, а отсутствие признаков аномальности пластовых давлений  в отдельных скважинах может объясняться отсутствием в них коллекторов либо неполной изоляцией и возможностью оттока флюидов.
• В подачимовских отложениях по данным ГИС-ГТИ наблюдается постепенное повышение поровых давлений до К_а=1.1-1.25. В породах, подстилающих битуминозные аргиллиты баженовской свиты, наблюдается понижение  давлений до гидростатических.
• Для отложений баженовской свиты рекомендуется определять К_а АВПД по ГИС по результатам акустического каротажа (АК), и по ГТИ по нормализованной скорости проходки (σ-log, d-экспоненте c учетом влияния плотности бурового раствора и нормализованному параметру буримости «Б»).
• Сравнение различных методов и методик определения поровых давлений показало, что результаты расчетов в десятки раз меньше зависят от методики определения, чем от качества исходной информации.
• Необходимо учитывать минералогический состав и значения минералогической и объемной плотности аргиллитов баженовской свиты по результатам лабораторных анализов кернового материала для определения поровых давлений по плотности глин (шлама, керна, по ГГК).
• Для оценки эффективности определения поровых давлений, определения давлений гидроразрыва и начала поглощения рекомендуется произвести испытания скважин на приемистость, а также лабораторные определения коэффициента Пуассона (μ) на образцах керна.
• Необходимо проанализировать возможности сейсморазведки для прогнозирования зон аномальных давлений в отложениях баженовской свиты и глубины ее залегания. Предпосылкой является хорошее расчленение разреза по АК и достоверное определение поровых давлений по интервальному времени пробега упругой волны.
• Необходимы периодические остановки бурения с постоянными промывками для обеспечения нормального отбора и достоверной привязки шлама, что позволит по результатам геохимических методов ГТИ успешно выделять в разрезе аргиллиты баженовской свиты.
• Характерные признаки зоны АВПД в пределах Ай-Пимского месторождения позволяют предположить, что основной вклад в образование зон АВПД в баженовских аргиллитах принадлежит факторам радиоактивного распада и преобразования органического материала. 
• Несмотря на полную автоматизацию процесса обработки (Комплекс программ “GeOPress”) определение поровых давлений требует глубокого анализа всей имеющейся информации. Наиболее целесообразным является оперативное сопровождение процесса бурения скважины квалифицированными специалистами в области АВПД. Рекомендуется  обеспечить удаленный мониторинг информации в режиме реального времени.

Список литературы:

1. Добрынин В.М., Серебряков В.А.Методы прогнозирования аномально-высоких пластовых давлений. М., Недра, 1978
2. Ерёменко Н.А., Зонн М.С., Крылов Н.А., Орел В.Е., Филина С.И. (ИГиРГИ). Основные нефтегазоносные комплексы Западной Сибири и их перспективы. В кн. Геология и нефтегазоносность Западной Сибири. (сборник научных трудов) Изд-во: Москва 1982.
3. Ермаков В.И., Скоробогатов В.А. О соотношении газа и нефти в Юрских и Меловых отложениях на севере Западной Сибири. В кн. Геология и нефтегазоносность Западной Сибири (сборник научных трудов) Изд-во: Москва 1982. 
4. Зарипов О.Г. Литогенетические факторы, контролировавшие образование залежей нефти в пласте Ю₀ баженовской свиты Среднего Приобья (Западная Сибирь). . В кн. Геология и нефтегазоносность Западной Сибири. (сборник научных трудов) Изд-во: Москва 1982г. 
5. Комплексная технология определения и прогнозирования поровых, пластовых давлений и зон АВПД по геолого-геофизическим данным при бурении скважин глубиной до 7000м. РД 39-4-710-82.
6. Методика выбора комплекса мероприятий для предупреждения и ликвидации осложнений, связанных с нарушением устойчивости пород в процессе бурения. РД-39-0147009-723-88, ВНИКРнефть, 1988.
7. Нестерова Т.Н., Львов В.А., Кудрявцев Д.А. Комплекс программ определения и прогноза аномально-высоких пластовых давлений в реальном времени “GeoPress” ОАО НПП “ГЕРС”, г.Тверь, 2001 
8. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности", М., 2003 г.
9. Скоробогатов В.А., Строганов Л.В., Копеев В.Д. Геологическое строение и нефтегазоносность Ямала. М., Недра, 2003  
10. Фертль У.Х. Аномальные пластовые давления. М., Недра, 1980
11. Шалагин В.П.Особенности распределения АВПД в Юрских отложениях севера Западной Сибири. В сб. ЦИОНТ ПИК ВИНИТИ № 32