Породы-коллекторы нефти и газа: Системный анализ классификаций, петрофизических свойств и условий залегания в контексте современных технологий и нетрадиционных резервуаров

метки: Коллектор, Порода, Пористость, Терригенный, Проницаемость, Цементация, Поровый, Цемент

Введение: От классических определений к задачам геологии ТРИЗ

В нефтегазовой геологии порода-коллектор является центральным объектом исследования. По определению, коллекторы — это горные породы, обладающие достаточной пористостью и проницаемостью для вмещения и последующей отдачи флюидов (нефти, газа, воды) при разработке месторождения. На протяжении десятилетий классическое понимание коллектора было основано на анализе относительно высококачественных, традиционных резервуаров, характеризующихся хорошими фильтрационно-емкостными свойствами (ФЭС).

Однако в условиях истощения фонда традиционных, легкодоступных месторождений, геологическая наука столкнулась с современным вызовом — необходимостью перехода к разработке трудноизвлекаемых запасов (ТРИЗ). Эти резервуары, включая плотные газы (Tight Gas), сланцевые нефть и газ (Shale Oil/Gas) и уникальные формации вроде Баженовской свиты, радикально меняют традиционные критерии оценки. Их разработка требует не только инновационных технологий, но и глубокой ревизии методологий, используемых для их изучения и классификации, а также детального моделирования микроструктуры.

Актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью системной интеграции классических петрофизических основ с требованиями современной нефтегазовой индустрии. Комплексный обзор, представленный ниже, объединяет классические классификационные модели, достижения цифровой петрофизики, анализ критической роли литогенетических процессов и детальное изучение нетрадиционных резервуаров, что обеспечивает высокий уровень проработки для академического исследования.

Эволюция и современное состояние классификаций коллекторов

Ключевой задачей петрофизики является не только измерение, но и систематизация коллекторских свойств. На протяжении второй половины XX века были разработаны классические схемы, позволяющие оценить и ранжировать коллекторы по их потенциальной продуктивности. Однако современные сложнопостроенные и низкопроницаемые коллекторы требуют пересмотра этих моделей и их дополнения новыми критериями, ведь точное ранжирование — залог успешной стратегии разработки месторождения.

Классические классификационные модели

Классические классификации коллекторов, разработанные в советской и российской геологической школах, послужили основой для оценки запасов и проектирования разработки месторождений. Эти системы базируются на сочетании литологического состава, эффективной пористости ($K_{\text{п} \text{ эфф}}$) и проницаемости ($K_{\text{пр}}$).

Инвестиционная деятельность: от классических экономических теорий ...

... соотношения собственного и заемного капитала). Однако в более реалистичной, пересмотренной модели (с учетом корпоративных налогов) Модильяни и Миллер показали, что ... Она показывает прямую зависимость между процентной ставкой и национальным доходом. Модель IS-LM позволяет анализировать, как фискальная (через IS) и ... Исследование структурировано таким образом, чтобы обеспечить глубокую проработку ...

Классификация А.А. Ханина (1969 г.) является одной из наиболее распространенных для песчано-алевролитовых пород. Она подразделяет коллекторы на шесть классов (от I до VI) в зависимости от их ФЭС. Например, I класс характеризуется очень высокими свойствами ($K_{\text{п} \text{ эфф}} > 17\%$ и $K_{\text{пр}} > 1 \text{ мкм}^2$) и относится к высокопродуктивным пластам. В то время как IV класс (пониженные свойства) имеет $K_{\text{п} \text{ эфф}}$ в диапазоне 5,8–11% и $K_{\text{пр}}$ 0,01–0,1 мкм². Эта схема позволяет инженеру оперативно оценить качество резервуара и спрогнозировать потенциальный дебит скважины.

Классификация Г.И. Теодоровича делает акцент на величине проницаемости для нефти, выделяя пять классов:

Класс коллектора (по Теодоровичу)	Проницаемость ($K_{\text{пр}}$)	Качество коллектора
I	> 1 мкм² ( > 1000 мД)	Очень хорошо проницаемые
II	0,1–1 мкм² (100–1000 мД)	Хорошо проницаемые
III	0,01–0,1 мкм² (10–100 мД)	Средне проницаемые
IV	0,001–0,01 мкм² (1–10 мД)	Слабо проницаемые
V	< 0,001 мкм² ( < 1 мД)	Плохо проницаемые (ТРИЗ)

Примечание: 1 мкм² ≈ 1 Дарси (Д) ≈ 1000 мД.

Типологизация пустотного пространства и современные критерии

В современной геологии, особенно при работе со сложнопостроенными резервуарами, классификация по типу пустотного пространства приобретает первостепенное значение, поскольку именно геометрия порового пространства определяет характер фильтрации. Почему же нам недостаточно просто знать общую пористость?

Выделяют три основных типа коллекторов по их структуре:

1. Гранулярный (поровый): Характерен для терригенных пород (песчаники, алевролиты).

   Флюид вмещается в межзерновом пространстве.

2. Трещинный: Флюид движется преимущественно по сети тектонических или вторичных трещин (актуально для метаморфических и некоторых карбонатных пород).
3. Смешанный: Комбинация типов (например, трещиновато-пористый или трещиновато-кавернозный).

   Характерен для многих карбонатных и нетрадиционных резервуаров.

Для коллекторов порового типа диапазон изменения объема порового пространства велик, достигая 40–50% (для слабоцементированных песчаников).

При этом проницаемость может варьироваться на порядки: от $n \cdot 10^{-16}$ до $n \cdot 10^{-12} \text{ м}^2$.

Важно отметить, что классические схемы, основанные на макро-ФЭС, хорошо работают для традиционных резервуаров, составляющих значительную часть мировых запасов (60% гранулярных и 39% карбонатных коллекторов).

Однако они становятся недостаточными для ТРИЗ, где определяющими являются не средние, а предельные значения ФЭС и геометрия микропор.

Следовательно, для работы с ТРИЗ необходимо использовать мультимасштабный подход, который учитывает как макро-, так и микропористость, что позволяет избежать критических ошибок при оценке запасов.

Критическая роль литогенетических процессов в формировании ФЭС

Качество породы-коллектора — это не только результат исходного осадконакопления (седиментации), но и, зачастую, итог интенсивных вторичных преобразований, происходящих в процессе погружения, диагенеза и катагенеза. Эти процессы могут как улучшать (например, выщелачивание), так и катастрофически ухудшать (цементация, уплотнение) фильтрационно-емкостные свойства.

Механизмы и количественное влияние цементации терригенных коллекторов

Для терригенных пород, исходно обладающих хорошей сортировкой и высоким потенциалом пористости (до 38–40%), основным фактором деградации ФЭС является цементация. Цементация — это процесс заполнения пустотного пространства аутигенными минералами, кристаллизующимися из поровых растворов.

Особо критическое значение имеет наличие базального карбонатного цемента. Кейс цементации показывает, что даже относительно небольшое количество цемента может вызвать драматическое падение коллекторских свойств. Наличие аутигенного базального карбонатного цемента в объеме 30–35% в терригенных прослоях способно снизить общую пористость с потенциальных 38–40% до критически низких 3–8%. Подобное снижение делает пласт непродуктивным, несмотря на его благоприятный литологический состав.

И что из этого следует? Даже при благоприятной первичной седиментации, высокотемпературный катагенез и активная цементация могут полностью обнулить коллекторский потенциал, превращая высококачественный песчаник в плотный флюидоупор.

Таким образом, цементация действует как необратимый геологический «замок», блокирующий фильтрацию флюидов и переводящий потенциальный коллектор в разряд флюидоупоров.

Формирование вторичной пористости в карбонатных коллекторах

Карбонатные породы (известняки, доломиты) принципиально отличаются от терригенных, поскольку их коллекторские свойства в значительной мере определяются именно вторичными процессами, часто нивелирующими более ранние диагенетические изменения.

1. Выщелачивание (Растворение): Это процесс избирательного растворения первичных карбонатных минералов (например, раковин организмов или нестабильных форм кальцита) кислыми поровыми флюидами. В результате образуются диагенетические поры выщелачивания и каверны (размер пор: 0,05–1 мм, каверн: > 1 мм).

   Этот процесс, как правило, приводит к улучшению ФЭС.

2. Доломитизация: Замещение кальцита доломитом ($\text{CaMg(CO}_3)_2$) сопровождается уменьшением объема твердой фазы на 10–13%, что может привести к формированию новой вторичной пористости — пор перекристаллизации и доломитизации. Они обычно имеют угловатую форму (0,1–0,25 мм) между зернами доломита.
3. Деградация ФЭС: Процессы вторичной минерализации, такие как окремнение (замещение карбонатов кремнеземом) и сульфатизация (образование ангидрита или гипса), всегда приводят к резкому понижению ФЭС. Например, в некоторых кальцитизированных разностях карбонатных пород при пористости 10,6–15,0% проницаемость может составлять всего 0,88–52,80 мД, что соответствует IV–V классам по Теодоровичу и классифицируется как низкопродуктивный коллектор.

Современные методы оценки коллекторов: Цифровая петрофизика и мультимасштабное моделирование

Разработка сложнопостроенных, литологически неоднородных и низкопроницаемых коллекторов невозможна без применения высокоточных, неразрушающих методов исследования, которые стали возможны благодаря развитию цифровой петрофизики.

Технология «Цифровой керн»: РКМТ и СЭМ

Цифровая петрофизика керна (ЦПК) является краеугольным камнем современных исследований. Она позволяет получить трехмерную (3D) модель порового пространства, необходимую для компьютерного моделирования и машинного обучения.

Основным методом в ЦПК является Рентгеновская компьютерная микротомография (РКМТ). Этот неразрушающий метод позволяет сканировать образцы керна с высоким разрешением, достигающим 2,8 мкм. РКМТ дает возможность:

• Визуализировать и количественно оценить геометрию порового пространства.
• Выявлять микротрещины, каверны и неоднородности.
• Определять связь между порами и эффективность фильтрации.

Дополняет РКМТ Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), используемая для сверхдетального изучения поверхности пор, типа цемента и микроминералогического состава.

Для корректной интеграции данных петрографического анализа (полученных в шлифах) и ФЭС применяется Комплексный количественный анализ в шлифах. Этот алгоритм переводит качественные петрографические наблюдения в числовой формат. Анализ включает измерение гранулометрического и вещественного состава, а также количественную оценку типов и размеров пор (например, анализ до 200 зерен на шлиф), что позволяет получить точные входные данные (объем цемента, тип пор) для последующего математического моделирования ФЭС и корреляции с результатами РКМТ.

Моделирование фильтрационных характеристик

В случае сильно неоднородных коллекторов (особенно карбонатных с двойной пористостью) возникает проблема масштаба. Одномасштабные (бинарные) цифровые модели не могут одновременно охватить большой физический размер образца и при этом обеспечить детализацию на уровне микропор (размер вокселя).

Поэтому в современной практике используется многомасштабное цифровое моделирование керна. Оно позволяет объединять данные, полученные на разных уровнях детализации (например, от РКМТ для миллиметровых образцов до СЭМ для нанопор), что критически важно для корректного расчета проницаемости в сложных породах.

Ведь если мы не сможем точно учесть вклад нанопор и микротрещин, разве не приведет это к катастрофической недооценке потенциала всего пласта?

Цифровое моделирование микротечений в поровом пространстве коллекторов позволяет рассчитывать течения однофазных и двухфазных жидкостей, а также газов. Для газов это моделирование учитывает эффект проскальзывания (Кнудсена), который становится значимым в низкопроницаемых (плотных) коллекторах, где средняя длина свободного пробега молекул газа сравнима с размером пор. Это обеспечивает более точный прогноз продуктивности, чем классические лабораторные измерения, поскольку учитывает физические эффекты, игнорируемые законом Дарси.

Специфика нетрадиционных коллекторов: Баженовская свита и инновации в разработке

Сланцевые и плотные коллекторы, объединенные понятием нетрадиционные коллекторы (ТРИЗ), представляют собой стратегический ресурсный потенциал. Их ключевое отличие — крайне низкая проницаемость и часто высокое содержание органического вещества.

Геологическая и петрофизическая характеристика ТРИЗ

Нетрадиционные коллекторы характеризуются проницаемостью, составляющей единицы или доли мД. В российской практике, по критериям, используемым для целей НДПИ (налога на добычу полезных ископаемых), к ТРИЗ относятся коллекторы с проницаемостью менее $0,001 \text{ мкм}^2$ ($\sim 1 \text{ мД}$), а также в интервалах 1–2 мД.

Баженовская свита (Западная Сибирь) является одним из наиболее значимых и сложных объектов ТРИЗ в мире. Она сложена карбонатными, глинистыми и кремнистыми породами, сформировавшимися в позднеюрско-раннемеловое время.

Уникальные характеристики Баженовской свиты:

1. Сингенетичная нефтегазоносность: Свита является одновременно и нефтематеринской породой, и коллектором, благодаря высокому общему содержанию органического вещества (ОВ) — до 14% (кероген типа II).

   Нефть и газ генерируются и вмещаются в пределах одного пласта.

2. Крайне низкие ФЭС: Петрофизические исследования (например, на Приобском месторождении) показывают, что пористость варьирует в диапазоне от 0,02% до 6,95%, а абсолютная газовая проницаемость достигает всего 1,364 мД.

Пустотное пространство и технологии освоения (Кейс-стади)

Коллекторские свойства Баженовской свиты обусловлены специфическими типами пустотного пространства:

• Пористость выщелачивания: Связана с растворением раковинок радиолярий в кремнистых интервалах (силицитах-радиоляритах).
• Поры, связанные с керогеном: Образуются за счет освобождения пространства между глинисто-кремнистой матрицей и керогеном в процессе его термохимического дозревания.
• Естественная трещиноватость: Развита благодаря хрупкости кремнисто-глинистой породы.

Разработка таких коллекторов традиционными методами нерентабельна. Требуется применение горизонтального бурения и многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП).

Однако в России, особенно на Баженове, активно внедряются инновационные методы.

Кейс-стади: Термогазовое Воздействие (ТГВ) на Баженовской свите.

Компания РИТЭК успешно применила технологию термогазового воздействия (ТГВ) на Средне-Назымском месторождении для интенсификации добычи из Баженовской свиты. ТГВ сочетает закачку горячих агентов (газа, пара) с целью:

1. Снижения вязкости тяжелой нефти, связанной с керогеном.
2. Создания термически индуцированной трещиноватости.
3. Повышения пластового давления.

Результаты применения ТГВ подтвердили его высокую эффективность, обеспечив дополнительную добычу нефти около 23 тыс. тонн на первом опытном участке и повысив пластовое давление с 15 МПа до 20–25 МПа. Это демонстрирует, что для освоения ТРИЗ необходим не только детальный петрофизический анализ, но и разработка принципиально новых, адаптированных к литологии технологий, о чем мы подробно говорили в разделе о моделировании фильтрационных характеристик.

Прогнозирование условий залегания: Неантиклинальные ловушки

В условиях высокой изученности антиклинальных структур в старых нефтегазоносных провинциях (Волго-Урал, Западная Сибирь) возрастает значение поисков неантиклинальных ловушек — стратиграфических, литологических и комбинированных.

Типы ловушек и факторы их формирования

Неантиклинальные ловушки формируются не за счет тектонического поднятия (складки), а за счет латерального изменения коллекторских свойств или несогласия пластов.

Прогнозные оценки подчеркивают стратегическую значимость этих ловушек: в Западной Сибири доля ресурсов нефти, приуроченных к неантиклинальным ловушкам, составляет до 67%.

На формирование неструктурных ловушек влияют:

1. Генетический признак: Ловушки приурочены к элементам древнего палеорельефа, таким как дельты, русла рек, бары, склоны бассейнов (клиноформы) или рифовые постройки.
2. Литологический контроль: Выклинивание или замещение коллектора флюидоупором (например, замещение песчаника глиной).
3. Стратиграфический контроль: Ловушки, связанные с угловыми или параллельными несогласиями.

Комплексирование геолого-геофизических методов

Современный подход к прогнозированию неантиклинальных ловушек основан на комплексном анализе геолого-геофизических данных, ключевым из которых является 3D-сейсморазведка, интегрированная с палеореконструкциями.

Кейс Западной Сибири (Терригенные коллекторы):

Прогноз литологических ловушек в юрских и нижнемеловых комплексах (например, Тюменская свита) тесно связан с выявлением песчаных тел, приуроченных к континентальным и прибрежно-морским обстановкам осадконакопления. Наиболее перспективные коллекторские тела формируются в русловых, пойменно-болотных и озерных фациях древних рек (например, Палеоиртыш и Палеодемьянка).

3D-сейсморазведка позволяет визуализировать эти палеогеографические объекты и, используя сейсмофациальный анализ, прогнозировать зоны наилучших ФЭС.

Кейс Волго-Уральской НГП (Карбонатные коллекторы):

Прогноз структурно-литологических ловушек в карбонатных комплексах (Верхний Девон-Турне) базируется на седиментологическом анализе. Здесь ловушки часто связаны с рифовыми постройками, склоновыми и оползневыми телами. Основная задача — диагностика генетических типов отложений и построение детальных седиментационно-емкостных моделей, учитывающих распределение вторичной пористости (доломитизация, выщелачивание), контролируемой палеоструктурным планом, что позволяет значительно повысить точность поисково-разведочных работ.

Заключение

Исчерпывающий анализ пород-коллекторов в контексте современной нефтегазовой геологии показывает критическую важность интеграции классических и инновационных подходов.

Синтез основных выводов:

1. Преемственность Классификаций: Классические классификации (Ханина, Теодоровича) остаются актуальными для ранжирования традиционных, высокопродуктивных коллекторов, но требуют дополнения новыми критериями, продиктованными петрофизикой ТРИЗ (V класс — проницаемость < 1 мД).
2. Литогенетический Контроль: Формирование и сохранение ФЭС критически зависит от вторичных процессов. Количественный анализ показал, что цементация терригенных пород (30–35% цемента) может снизить пористость с 40% до 3–8%, в то время как выщелачивание и доломитизация формируют ключевую вторичную пористость в карбонатах.
3. Цифровая Революция: Применение методов Цифровой Петрофизики (РКМТ, СЭМ) и многомасштабного моделирования является обязательным условием для точной оценки сложнопостроенных коллекторов, позволяя моделировать фильтрацию флюидов с учетом микроструктуры пор и эффекта проскальзывания газа.
4. Стратегическое Значение ТРИЗ: Нетрадиционные коллекторы (Баженовская свита) требуют комплексного изучения их уникальной сингенетичной нефтегазоносности и специфики пустотного пространства. Успешное освоение этих ресурсов, как показал кейс ТГВ (прирост добычи $\sim 23$ тыс. тонн), напрямую зависит от внедрения инновационных, адаптированных технологий интенсификации.
5. Прогнозирование Ловушек: В условиях зрелых НГП акцент смещается на поиск неантиклинальных ловушек, которые составляют до 67% ресурсного потенциала Западной Сибири. Их успешный прогноз достигается за счет комплексирования 3D-сейсморазведки и детального фациального и седиментологического моделирования.

Перспективы развития нефтегазовой отрасли неразрывно связаны с дальнейшим освоением ТРИЗ. Это требует от геологов и петрофизиков постоянной интеграции фундаментальных знаний с достижениями в области цифровых технологий и разработки новых методов воздействия на пласт.

Список использованной литературы

1. Ханин А.А. Основы учения о породах-коллекторах нефти и газа. Москва: Недра, 1965. 360 с.
2. Котяхов Ф. И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. Москва: Недра, 1977. 287 с.
3. Киркинская В. Н., Смехов Е. М. Карбонатные породы — коллекторы нефти и газа. Ленинград: Недра, 1981. 255 с.
4. Медведев Ю. А. Физика нефтяного и газового пласта: Курс лекций. Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. 158 с.
5. Недоливко Н. М., Ежова А. В. Вторичные преобразования терригенных пород-коллекторов // gubkin.ru. 2012. URL: https://gubkin.ru
6. Что такое Коллекторы и флюидоупоры? // neftegaz.ru. 29.09.2013. URL: https://neftegaz.ru
7. Игнатова К.П., Малюков В.П. Инновационная технология термогазового воздействия на нетрадиционные коллекторы Баженовской свиты // Cyberleninka. 2018. URL: https://cyberleninka.ru
8. Цифровой керн. Моделирование микротечений в поровом пространстве пород-коллекторов // neftegaz.ru. 15.07.2019. URL: https://neftegaz.ru
9. Bazhenov formation // gem.wiki. 29.04.2021. URL: https://gem.wiki
10. Мамяшев В. Г., Кузнецова А. М. Особенности уплотнения терригенных осадочных пород нефтегазоносных отложений // Cyberleninka. 2022. URL: https://cyberleninka.ru
11. Классификация песчано-алевролитовых коллекторов по ФЕС. Томск: tpu.ru, 2022. URL: https://tpu.ru
12. Вторичные изменения карбонатных пород нефтегазоносных комплексов / M.A. Tugarova // elpub.ru. URL: https://elpub.ru
13. Выявление неструктурных ловушек на поисково-разведочном этапе // runeft.ru. URL: https://runeft.ru
14. Лекция 1. Коллекторы — Общая и нефтяная геология // tou.edu.kz. URL: https://tou.edu.kz
15. Методика прогноза структурно-литологических и литологических ловушек нефти и газа… / Фортунатова Н. К. и др. // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru
16. Многомасштабная модель цифрового керна для сложнопостроенных карбонатных коллекторов // cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru
17. Нетрадиционные трудноизвлекаемые ресурсы нефти и газа: проблемы освоения и экологии // geologyscience.ru. URL: https://geologyscience.ru
18. Породы-коллекторы // ddmfo.ru. URL: https://ddmfo.ru/kursovaya/porodyi-kollektoryi/
19. СТРОЕНИЕ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА КОЛЛЕКТОРСКИХ ИНТЕРВАЛОВ БАЖЕНОВСКОЙ СВИТЫ ПРИОБСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru
20. Фильтрационно-емкостные свойства пород баженовской свиты // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru
21. Цифровой керн. Комплексирование данных петрографических исследовани… / Идрисова С.А., Тугарова М.А., Стремичев Е.В., Белозеров Б.В. // elpub.ru. URL: https://elpub.ru
22. Цифровые технологии в добыче углеводородов // rn.digital. URL: https://rn.digital