Оценка влияния минерализации и емкости катионного обмена на параметр насыщения глинистых песчаников на примере меловых отложений одного из месторождений Западной Сибири

Качество оценки начальных геологических запасов во многом зависит от точности определения одного из ключевых параметров — коэффициента водонасыщенности (Кв). В настоящее время существует множество моделей оценки водонасыщенности по данным удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород. Основоположниками темы исследования электрических свойств в зависимости от водонасыщенности считаются советский ученый В.Н. Дахнов и американский петрофизик Г. Арчи, которые связали сопротивление породы с коэффициентами водонасыщенности и пористости через уравнения, известные как модель Дахнова — Арчи.

Наличие глинистых минералов, как правило, снижает сопротивление горных пород (при относительно низких минерализациях пластовых вод). Снижение сопротивления связывают с дополнительной проводимостью, обусловленной наличием двойного электричекого слоя (ДЭС). Образование ДЭС преимущественно связывают с избытком отрицательных электрических зарядов, чаще всего образующихся путем замены одних элементов на другие (например, замена Al³⁺ на Mg²⁺) в октаэдрической решетке глинистых минералов. В результате на границе твердой и жидкой фаз происходит взаимодействие отрицательно заряженных центров на поверхности твердой фазы и гидратированных катионов, образуя слой Штерна, мощность которого зависит от размеров гидратированных катионов, и слой Гуи, мощность которого зависит от их концентрации [9].

Для случая глинистых пород ряд российских и западных ученых [1, 3, 10] разработали модифицированные версии модели Дахнова — Арчи, учитывающие дополнительную проводимость. Основные подходы учета дополнительной проводимости включают в себя: использование коэффициента цементации m как переменной величины; учет расхождения параметра пористости в глинистых и чистых песчаниках; представление общей проводимости воды как соединение двух проводников: «раствора», который содержится в порах горных пород, и «связанной» воды, обеспечивающей обмен катионов, связанных с глиной. В западной практике в основном используется два последних из перечисленных способов.

Одним из важных параметров, входящих в состав большинства общепринятых комплексных моделей определения водонасыщенности, является показатель насыщенности n, который находится как угловой коэффициент прямой на графике параметра насыщения и коэффициента водонасыщенности в логарифмическом масштабе.

Материалы и методы

В качестве исходных данных используются результаты исследования 23 образцов керна, отобранных из меловых отложений одного из месторождений Западной Сибири, расположенного в Среднеобской нефтегазовой области. Образцы представлены мелко-тонкозернистыми алевритовыми песчаниками. Диапазон пористости исследуемых образцов составляет 16—21%. Минеральный состав преимущественно кварцево-полевошпатовый. Содержание кварца варьируется в диапазоне 43—88%, полевых шпатов — 7—38%. Содержание глинистых минералов — 5—34%. В состав глины, по данным рентгеноструктурного анализа, входят: каолинит (33—68%), хлорит (23—43%), гидрослюды (4—17%) и смешаннослойные образования гидрослюдисто-монтморилонитового ряда (4—10%).

Образцы, предварительно экстрагированные и высушенные, поочередно насыщались натриево-хлоровой моделью пластовой воды с минерализациями 5, 10, 15, 20, 50, 100, 300 г/л, а также моделью воды, по составу приближенной к реальному составу пластовой воды («сложная вода») с минерализациями 15 и 20 г/л.

Исследования при каждом варианте модели пластовой воды включали в себя:

1) измерение открытой пористости, объемной и минералогической плотностей методом жидкостенасыщения;

2) определение УЭС полностью водонасыщенных образцов в атмосферных условиях;

3) определение текущей водонасыщенности методом ультрацентрифугирования при давлении 0,02, 0,1, 2 МПа;

4) Определение УЭС частично насыщенных образцов в атмосферных условиях.

Для каждого образца определена емкость катионного обмена (мэкв/100 г) методом «мокрой химии».

Анализ влияния смачиваемости на показатель насыщенности n, проведенный В.Г. Андерсеном [8], указывает на то, что в гидрофильных коллекторах, где на поверхности зерен находится достаточно большое количество воды, обеспечивающей непрерывный путь для перемещений тока, показатель n остается относительно постоянным во всем диапазоне изменения водонасыщенности. В гидрофобных коллекторах, в области низких значений текущей водонасыщенности, где происходит частичный разрыв пленки воды на поверхности зерен породы, происходит возрастание показателя n.

Исследования проводимостей полностью водонасыщенных образцов керна при разных минерализациях [11] показывают, что в зоне высоких минерализаций отношение проводимостей воды и глинистой породы имеет линейный вид, тогда как в зоне низких минерализаций отношение проводимостей породы и воды отклоняется от линейного вида. Данное отклонение объясняется увеличением подвижности катионов в зоне низкоминерализованных растворов, тогда как выше некоторого значения минерализации подвижность катионов остается постоянной.

М. Ваксман и Л.Дж. Смитс в своей работе [10] предполагали, что в случае глинистых пород на параметр насыщения влияет геометрический фактор, который зависит от пористости, водонасыщенности и емкости катионного обмена. Для учета геометрического фактора, по аналогии с показателем цементации m, М. Ваксманом и Л.Дж. Смитсом вводится показатель насыщенности глинистого песчаника n*, необходимый, по мнению авторов, для учета влияния глинистости на УЭС частично водонасыщенных пород.

Авторы подчеркивают, что изменение минерализации и даже незначительное изменение емкости катионного обмена значительно влияют на параметр насыщения для глинистых пород.

Развитием концепции дополнительной проводимости глинистых пород, предложенной М. Ваксманом и Л.Дж. Смитсом, является модель, предложенная С. Клавье [9] и др. В данной работе С. Клавье описывает принцип формирования ДЭС, однако за отсутствием экспериментальных данных оставляет неизменными принципы влияния глинистости на показатель насыщенности.

Стоит отметить, что в работах [9, 10] высказывается предположение о том, что с уменьшением текущей водонасыщенности, влияние «связанной» воды на общую проводимость породы увеличивается.

И если тезисы о влиянии гидрофобизации пород на параметр насыщения и стабилизации подвижности катионов в высокоминерализованных растворах являются обоснованными и подтвержденными экспериментальными данными, то оценка влияния минерализации и емкости катионного обмена на показатель насыщенности проведена расчетным способом исходя из предложенных математических моделей, но без экспериментального подтверждения. Увеличение влияния «связанной» воды при уменьшении текущей водонасыщенности также требует экспериментального подтверждения.

Результаты

Для оценки влияния минерализации на параметр насыщения был построен график сопоставления Рн = f(Кв) для каждой ступени минерализации (рис. 1).

Из графика, представленного на рисунке 1, видно, что все точки керна лежат в едином тренде, значения показателя насыщенности остаются стабильными. Данный факт можно объяснить тем, что в процессе замещения воды не проводящей электричество фазой (УВ или газом) в первую очередь происходит вытеснение воды, свободно находящейся в порах. При этом молекулы воды и положительно заряженные противоионы, относящиеся к ДЭС и крепко связанные с твердой фазой за счет молекулярной адсорбции, вызванной вандерваальсовыми силами [6], не подвергаются воздействию и остаются на месте. Таким образом, мощность ДЭС не меняется и проводимость породы уменьшается пропорционально уменьшению свободной воды.

В таблице приведены медианные значения показателя насыщенности при разной минерализации.

Медианные значения для большинства минерализаций имеют значения 1,83—1,85, без какой-либо закономерности. Исключение составление значение 1,78 для минерализации 10 г/л, но данное отклонение можно связать с погрешностью измерений.

Согласно современным представлениям, ДЭС состоит из двух частей: слоя Штерна, толщина которого зависит от радиуса противоионов, и диффузионного слоя Гуи, размер которого зависит главным образом от концентрации противоионов [7]. Отмечается, что в растворах с низкой минерализацией толщина слоя Гуи может достигать десятков нанометров, что значительно больше размера молекул воды и противоионов в растворе. Таким образом, можно предположить, что увеличение толщины ДЭС может быть связано с минерализацией пластовой воды и определяется размерами диффузионного слоя. В свою очередь, размер слоя Штерна зависит только от ионного состава пластовой воды.

К основным компонентам химического состава пластовой воды, имеющим положительный заряд, помимо Na²⁺, можно отнести Ca²⁺, Mg⁺, NH₄⁺, реже встречаются K⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, B³⁺, Li²⁺. Ионный радиус иона Na²⁺, который входит в состав большинства лабораторных моделей пластовой воды (чаще всего для моделирования используется NaCl), составляет 0,98×10^-10 м, тогда как ионный радиус Ca²⁺ равен 1,04×10^-10 м, Mg — 0,74×10^-10 м, NH₄⁺ — 1,59×10 ^-10 м, а, например, B³⁺ — 0,21×10^-10 м [2]. Таким образом, толщина слоя Штерна может меняться более чем в два раза в зависимости от химического состава пластовой воды.

Для оценки влияния состава воды построены аналогичные графики сопоставления Рн = f(Кв) для «простой» и «сложной» моделей воды с минерализациями 15 и 20 г/л. Сопоставления приведены на рисунке 2.

Медианное значение показателя насыщения для «сложной» воды с минерализацией 15 г/л составляет 1,83 (для воды NaCl показатель равен 1,85), для минерализации 20 г/л — 1,8 (для воды NaCl показатель равен 1,83). Величина показателей насыщенности для моделей воды разного состава, но одинаковой минерализации существенно не отличаются. Близость значений величины показателя насыщенности может говорить о том, что изменения в слое Штерна не несут значимого влияния на проводимость воды, состоящей как из ДЭС, так и части свободного раствора, которая остается в порах при ее частичном вытеснении.

Таким образом, для исследуемой коллекции образцов можно сделать вывод о том, что ни минерализация, ни состав пластовой воды не оказывают существенного влияния на показатель насыщенности.

Предположение об увеличении влияния доли «связанной» воды на общую проводимость фигурирует в различных, в основном западных, комплексных моделях электропроводности [9][10]. В работе [4], основываясь на анализе текущей водонасыщенности при различных минерализациях, при давлении вытеснения 1 МПа, сделан вывод о том, что с уменьшением текущей водонасыщенности влияние «связанной» воды остается постоянным. Однако исследования лишь на одной ступени вытеснения оставляют неопределенность в данном вопросе.

Для уточнения влияния «связанной» воды в зависимости от текущей водонасыщенности на показатель насыщенности для данной коллекции образцов было проведено вытеснение воды на трех ступенях: 0,02, 0,1 и 2 МПа для каждого значения минерализации. С увеличением давления вытеснения количество воды в образцах уменьшается, и если влияние «связанной» воды действительно увеличивается с уменьшением текущей водонасыщенности, то логично предположить, что зависимость Рн = f(Кв) для каждой ступени вытеснения будет иметь свой тренд, если же влияние остается постоянным — тренд будет оставаться единым. Зависимость Рн = f(Кв) при различных минерализациях для разных давлений вытеснения показана на рисунке 3.

Из графика, представленного на рисунке 3, видно, что зависимости Рн = f(Кв) для каждой ступени вытеснения лежат в едином тренде. Таким образом, текущие данные подтверждают отсутствие увеличения влияния «связанной» воды на общую проводимость породы.

Следующим этапом проведена оценка влияния емкости катионного обмена (ЕКО) на показания параметра насыщенности.

Принято считать, что толщина двойного электрического слоя (ДЭС) связана с емкостью катионного обмена через концентрацию ионов и структуру ионного распределения у поверхности [5]. При этом величина ЕКО не влияет на слой Штерна, так как его свойства определяются физическим размером ионов и их адсорбцией на поверхности. Таким образом, влияние ЕКО на толщину ДЭС происходит главным образом в слое Гуи. Увеличение ЕКО приводит к возможности удержания большего количества положительных ионов на границе двух фаз, что приводит к уменьшению толщины слоя Гуи (и толщины ДЭС в целом). Оценка влияния емкости катионного обмена на показатель насыщенности в основном основывается на расчетных данных и требует экспериментальных подтверждений.

Для оценки влияния ЕКО на параметр насыщения из общей коллекции были выбраны 5 образцов со схожими фильтрационного-емкостными свойствами, имеющие различные значения емкости катионного обмена. Диапазон пористости выбранных образцов составляет 18,7—19,5%, диапазон абсолютной проницаемости — (8,3—13,4)×10^-15 м², диапазон изменения приведенной емкости катионного обмена — 0,06—0,11 моль/л.

График зависимости Рн = f(Кв) для образцов с различной приведенной емкостью катионного обмена приведен на рисунке 4.

Из графика видно, что точки керна для образцов с близкими фильтрационного-ёмкостными свойствами (ФЕС), но с отличающейся приведенной емкостью катионного обмена лежат в едином тренде. Для выбранных образцов с приведенной ЕКО 0,06, 0,08, 0,09, 0,09 и 0,11 моль/л значения параметра насыщения составляют 1,91, 1,72, 1,82, 1,71, 1,84 соответственно. Связь между ЕКО и параметром насыщенности n отсутствует, видимо, по тем же причинам, что и связь с минерализацией. Различная способность притягивать положительные ионы связана в основном со «связанной» водой, тогда как все изменения текущей водонасыщенности вследствие вытеснения углеводородами связаны главном образом со «свободной» водой.

График сопоставления величины приведенной емкости катионного обмена (ЕКО) со значением показателя насыщенности (n) для каждого образца из коллекции приведен на рисунке 5.

И хотя из результатов следует, что предположение о влиянии изменения ЕКО на параметр насыщения не подтверждается, следует учитывать небольшой диапазон значений емкости катионного обмена для данной коллекции. Для более достоверного подтверждения отсутствия влияния необходимо провести дополнительный анализ коллекции образцов с более широким диапазоном изменения ЕКО. Также следует отметить, что эксперименты проводились на экстрагированных образцах, что дает неопределенность, связанную с возможным изменением естественной смачиваемости образцов.

Выводы

В результате анализа влияния минерализации и емкости катионного обмена глинистых минералов, содержащихся в песчаниках, можно сделать следующие выводы:

1) параметр насыщения Рн и показатель n практически не зависят от минерализации, а также от состава пластовой воды;

2) емкость катионного обмена, которой обладают глинистые минералы, входящие в состав песчаников, существенно не влияет на величину показателя насыщенности. Данное наблюдение можно связать с тем, что влияние ЕКО главным образом распространяется на «связанную» воду, тогда как процесс вытеснения воды до текущего уровня связан с уменьшением доли «свободной воды»;

3) значимое влияние «связанной» воды на общую проводимость пород с уменьшением текущей водонасыщенности не подтверждается экспериментальными данными;

4) с целью повышения достоверности полученных результатов необходимо дополнить статистику исследования образцами с более широким диапазоном ЕКО, а также образцами с естественной или восстановленной смачиваемостью.