Строение коллектора и поведение пласта при разработке

Кратко о главном

Архитектуру описывают тремя вопросами: каковы тела (форма и размеры), как они сложены (порядок и наложение) и как соединены (связность, барьеры, перегородки). Ответы зависят от обстановки осадконакопления и от масштаба.
По соотношению размеров тел и расстояния между скважинами различают «слоёный пирог» (тела больше расстояния), «мозаику» (сравнимы) и «лабиринт» (много меньше). В отечественной практике макронеоднородность описывают коэффициентами песчанистости, расчленённости, литологической связанности и выдержанности.
Связность случайно расположенных тел растёт с долей коллектора не плавно, а резко около порога перколяции: в объёме — около 0,3, в плоском разрезе — около 0,67. Поэтому схема корреляции показывает тела разобщёнными там, где в объёме они уже соединены.
Доля коллектора, вскрытая скважинами, растёт с плотностью сетки; поддержка давления зависит ещё и от того, поперёк или вдоль вытянутых тел идут ряды нагнетательных и добывающих скважин.
Барьер останавливает поток на время разработки, перегородка лишь замедляет. За геологическое время перегородка выравнивает давления и контакты, поэтому одинаковые начальные давления не доказывают, что блоки будут сообщаться при добыче.
Строение видно в работе скважин: ранняя вода по сообщающимся проницаемым телам, скважины без отклика на закачку, быстрое падение давления в изолированных блоках, нефть в невскрытых телах.

Ключевые соотношения

C = \dfrac{V_{\max}}{V_{\text{к}}},\qquad C_w = \dfrac{V_w}{V_{\text{к}}}

связность: доля коллектора в наибольшем теле и доля, связанная со скважинами

K_{\text{пес}} = \dfrac{h_{\text{эф}}}{h_{\text{общ}}},\qquad K_{\text{р}} = \dfrac{1}{N}\sum_{i=1}^{N} n_i

песчанистость и расчленённость горизонта

\tau = \dfrac{V_p\,c_t}{T},\qquad T = \dfrac{k_b A}{\mu\,b}

время выравнивания давления блока через перегородку

Где чаще всего ошибаются

Считать тела разобщёнными только потому, что они не соединяются на схеме корреляции: в объёме тела соединяются при меньшей доле коллектора.
Считать, что одинаковые начальные давления и контакты доказывают сообщаемость блоков при разработке.
Переносить связность с одной сетки скважин на другую: доля коллектора, вскрытая скважинами, зависит от их плотности.
Принимать плотный прослой в керне одной скважины за выдержанный барьер.
Располагать ряды нагнетательных скважин, не зная, куда вытянуты песчаные тела.

После урока вы сможете

описать формы и размеры песчаных тел разных обстановок осадконакопления и иерархию масштабов строения — от слойка до залежи — и сказать, какой масштаб важен для какого решения;
объяснить, что такое связность коллектора, почему она меняется с долей коллектора скачком (перколяция) и почему разрез между скважинами занижает связность;
оценивать по модели, какую часть коллектора вскрывают скважины при данной сетке и как ориентировка рядов нагнетательных и добывающих скважин относительно вытянутых тел меняет поддержку давления;
различать барьеры и перегородки, распознавать изолированные блоки и оценивать по времени выравнивания давления, сообщаются ли блоки при разработке и сообщались ли за геологическое время;
связывать признаки в работе скважин — раннюю воду, отсутствие отклика на закачку, быстрое падение давления, невыработанные зоны — со строением коллектора и выбирать меры.

Тела, их сложение и связи

Коллектор — не сплошной «пласт» с одним набором свойств, а постройка из песчаных тел разной формы и размера, сложенных друг на друга, частично размытых и разделённых глинами. Описывая её, отвечают на три вопроса: каковы тела — форма, ширина, длина, толщина, внутренние слои; как они сложены — лежат ли раздельно или наложены и врезаны друг в друга; как соединены — где они соприкасаются песком, где их разделяют глины, плотные пропластки или разломы.

Ответы зависят от масштаба: что на одном масштабе неоднородность внутри тела, то на другом — граница между телами. Удобно мыслить иерархией, в которой каждый уровень сложен элементами предыдущего (масштабы неоднородности).

Уровни строения обломочного коллектора

Уровень: Слойки и косые серии
Размеры: мм — дм
Что разделяет: смена размера зёрен, слюдистые и глинистые слойки
Что решает: $k_v/k_h$ , остаточная нефть

Уровень: Элемент: русловая отмель, устьевой бар, лопасть
Размеры: метры по толщине, десятки — сотни метров по площади
Что разделяет: глинистые покровы, эрозионные поверхности
Что решает: вертикальный охват, конусы воды и газа

Уровень: Песчаное тело, пояс русел, береговой бар
Размеры: метры — десятки метров; сотни метров — километры
Что разделяет: пойменные и межрусловые глины
Что решает: связность, сетка скважин

Уровень: Горизонт, пачка
Размеры: десятки метров; километры — десятки километров
Что разделяет: выдержанные глины поверхностей затопления
Что решает: объекты разработки, перетоки

Уровень: Залежь и её блоки
Размеры: километры
Что разделяет: разломы, выклинивание, смена фаций
Что решает: раздельные блоки, запасы

Уровень	Размеры	Что разделяет	Что решает
Слойки и косые серии	мм — дм	смена размера зёрен, слюдистые и глинистые слойки	$k_v/k_h$ , остаточная нефть
Элемент: русловая отмель, устьевой бар, лопасть	метры по толщине, десятки — сотни метров по площади	глинистые покровы, эрозионные поверхности	вертикальный охват, конусы воды и газа
Песчаное тело, пояс русел, береговой бар	метры — десятки метров; сотни метров — километры	пойменные и межрусловые глины	связность, сетка скважин
Горизонт, пачка	десятки метров; километры — десятки километров	выдержанные глины поверхностей затопления	объекты разработки, перетоки
Залежь и её блоки	километры	разломы, выклинивание, смена фаций	раздельные блоки, запасы

Порядки величин. Элементы — генетические единицы урока о фациях (Фации, фациальные последовательности и литологические колонки); как свойства меняются внутри элементов — в уроке Качество коллектора: геологические факторы пористости и проницаемости.

Для разработки пласт часто делят на гидродинамические единицы (flow units) — прослеживаемые между скважинами пачки со сходными свойствами и общим поведением при течении, включающие и коллектор, и прослои неколлектора. Это понятие удобнее всего там, где пачки выдержаны, — в «слоёном пироге». Не путайте их с гидравлическими единицами — типами пород по индикатору зоны потока (типы пород): тип породы описывает поры и может встречаться по всему разрезу, а гидродинамическая единица — это место в разрезе.

Форма и размеры песчаных тел

Песчаные тела по форме в плане и разрезе делят на покровы (sheets) — широкие и протяжённые во все стороны, пояса и полосы (belts) — вытянутые вдоль течения или берега, ленты (ribbons, shoestrings) — узкие тела русел, лопасти (lobes) — веерообразные тела в устьях и на конусах выноса, линзы (pods) — небольшие изолированные тела. Для тел русел важно отношение ширины к толщине: у лент оно меньше примерно 15, у покровов — больше, нередко во много раз.

Песчаные тела главных обстановок осадконакопления

Обстановка: Эоловые дюны и эрги
Тела: покровы и клинья дюнных комплексов
Толщина тела: метры — десятки метров
Протяжённость: километры — десятки километров

Обстановка: Реки с разветвлённым руслом
Тела: наложенные русла и отмели, сливающиеся в покровы
Толщина тела: метры; пояса — десятки метров
Протяжённость: сотни метров — километры

Обстановка: Меандрирующие реки
Тела: русловые отмели и пояса меандрирования среди пойменных глин
Толщина тела: несколько метров
Протяжённость: русло — десятки — сотни метров, пояс — до километров

Обстановка: Дельты
Тела: рукава (ленты) и устьевые бары (лопасти)
Толщина тела: метры
Протяжённость: рукава — десятки — сотни метров, бары — сотни метров — километры

Обстановка: Береговой склон, пляжи, бары
Тела: покровы, вытянутые вдоль берега
Толщина тела: метры — десятки метров
Протяжённость: километры поперёк берега, десятки километров вдоль

Обстановка: Приливные каналы и отмели
Тела: ленты и линзы
Толщина тела: метры
Протяжённость: десятки — сотни метров

Обстановка: Подводные конусы выноса
Тела: каналы (ленты) и лопасти (покровы)
Толщина тела: метры — десятки метров
Протяжённость: каналы — сотни метров — километры, лопасти — километры — десятки километров

Обстановка	Тела	Толщина тела	Протяжённость
Эоловые дюны и эрги	покровы и клинья дюнных комплексов	метры — десятки метров	километры — десятки километров
Реки с разветвлённым руслом	наложенные русла и отмели, сливающиеся в покровы	метры; пояса — десятки метров	сотни метров — километры
Меандрирующие реки	русловые отмели и пояса меандрирования среди пойменных глин	несколько метров	русло — десятки — сотни метров, пояс — до километров
Дельты	рукава (ленты) и устьевые бары (лопасти)	метры	рукава — десятки — сотни метров, бары — сотни метров — километры
Береговой склон, пляжи, бары	покровы, вытянутые вдоль берега	метры — десятки метров	километры поперёк берега, десятки километров вдоль
Приливные каналы и отмели	ленты и линзы	метры	десятки — сотни метров
Подводные конусы выноса	каналы (ленты) и лопасти (покровы)	метры — десятки метров	каналы — сотни метров — километры, лопасти — километры — десятки километров

Ориентировочные порядки величин для первого суждения. Размеры конкретного пласта берут по аналогам того же бассейна, обнажениям, сейсмике и корреляции; сами обстановки разобраны в темах Континентальные обстановки: эоловые и речные и Прибрежные, мелководные и глубоководные обстановки.

Толщину тела измеряют по керну и каротажу, но мощный песчаник часто сложен несколькими наложенными телами, и толщина одного тела меньше толщины пачки (Фации, фациальные последовательности и литологические колонки). Ширину и длину в скважинах почти не измерить. Их оценивают по аналогам — обнажениям и современным рекам и побережьям, где известны связи ширины русла с его глубиной, — по сейсмике, когда тела толще её разрешения или выделяются на картах сейсмических атрибутов, по исследованиям скважин, где узкое тело проявляется как канал с параллельными границами (Несколько границ: параллельные разломы и клиновидные блоки), и по поведению скважин при разработке. Вероятность того, что тело, вскрытое одной скважиной, дойдёт до соседней, оценивают по ширине тела и расстоянию между скважинами (выбор модели корреляции).

«Слоёный пирог», «мозаика» и «лабиринт»

При корреляции разрезов различают «слоёный пирог» и «мозаику» (модели корреляции). Для разработки к ним добавляют третий случай — «лабиринт» (labyrinth): тела много меньше расстояния между скважинами, соединены редко и нередко лишь через тонкие плохие пески. Детерминированно их не сопоставить; строение описывают статистически — моделями с множеством равновероятных вариантов, — а связность тел со скважинами становится главной неопределённостью.

РасчётТри типа строения в одной и той же модели урока — разрезы поперёк тел через ряд скважин, расставленных через 500 м. Цветом показан коллектор, связанный хотя бы с одной скважиной сетки в объёме блока, и коллектор, не связанный ни с одной. Вертикальный масштаб увеличен в 15 раз.

Три типа строения

Тип: «Слоёный пирог» (layer-cake)
Тела и связи: выдержанные пласты, толщина меняется плавно
Корреляция: надёжная по каротажу
Модель и разработка: слоистая модель; даже редкая сетка вскрывает почти весь коллектор

Тип: «Мозаика» (jigsaw)
Тела и связи: тела сравнимы с расстоянием между скважинами и прилегают друг к другу; местами — плотные контакты
Корреляция: нужен фациальный анализ; несколько версий
Модель и разработка: модель с телами и перегородками; уплотнение сетки окупается выборочно

Тип: «Лабиринт» (labyrinth)
Тела и связи: мелкие тела и линзы, соединённые редко и через плохие пески
Корреляция: ненадёжна даже при расстоянии в сотни метров
Модель и разработка: стохастическая модель с многими вариантами; плотная сетка

Тип	Тела и связи	Корреляция	Модель и разработка
«Слоёный пирог» (layer-cake)	выдержанные пласты, толщина меняется плавно	надёжная по каротажу	слоистая модель; даже редкая сетка вскрывает почти весь коллектор
«Мозаика» (jigsaw)	тела сравнимы с расстоянием между скважинами и прилегают друг к другу; местами — плотные контакты	нужен фациальный анализ; несколько версий	модель с телами и перегородками; уплотнение сетки окупается выборочно
«Лабиринт» (labyrinth)	мелкие тела и линзы, соединённые редко и через плохие пески	ненадёжна даже при расстоянии в сотни метров	стохастическая модель с многими вариантами; плотная сетка

Это части непрерывного ряда, а не строгие классы: один пласт может менять тип по разрезу и по площади.

В отечественных проектах разработки макронеоднородность горизонта описывают числами, которые считают по всем скважинам и картам:

Коэффициенты макронеоднородности

K_{\text{пес}} = \frac{\sum h_{\text{эф}}}{\sum h_{\text{общ}}},\qquad K_{\text{р}} = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N} n_i,\qquad K_{\text{св}} = \frac{S_{\text{св}}}{S},\qquad K_{\text{лв}} = \frac{S_{\text{к}}}{S}

где:

$K_{\text{пес}}$ коэффициент песчанистости — доля коллектора в разрезе (net-to-gross), —
$h_{\text{эф}},\ h_{\text{общ}}$ эффективная толщина (сумма прослоев-коллекторов) и общая толщина горизонта в скважине, м
$K_{\text{р}}$ коэффициент расчленённости — среднее число прослоев-коллекторов на скважину, —
$n_i,\ N$ число прослоев-коллекторов в $i$ -й скважине; число скважин, —
$K_{\text{св}}$ коэффициент литологической связанности (слияния) — доля площади, где соседние пласты сливаются, без разделяющего неколлектора, —
$K_{\text{лв}}$ коэффициент литологической выдержанности — доля площади, где пласт представлен коллектором, —
$S_{\text{св}},\ S_{\text{к}},\ S$ площадь участков слияния, площадь распространения коллектора, площадь залежи, км²

Единицы: безразмерные; толщины и площади в одинаковых единицах

Справедливо, если

коэффициенты считают для пласта или горизонта, выделенного корреляцией;
$K_{\text{пес}}$ зависит от граничных значений, по которым выделен коллектор (граничные значения); здесь он посчитан с весом толщин;
$K_{\text{св}}$ и $K_{\text{лв}}$ берут с карт, построенных по скважинам, поэтому их точность ограничена плотностью сетки;
в части методик площадь слияния относят не ко всей площади залежи, а к площади распространения коллекторов пласта, — сравнивая объекты, проверяют, как посчитан $K_{\text{св}}$ .

Чем меньше песчанистость и выдержанность и чем больше расчленённость, тем сложнее строение. $K_{\text{р}} = 1$ — горизонт из одного пласта; большие значения — много тонких прослоев. Связанность показывает, где соседние пласты сообщаются по вертикали через «окна слияния». Эти числа удобны для сравнения объектов, но не говорят, как тела соединены в объёме, — для этого нужны модели связности (следующий раздел).

Расчётный примерМакронеоднородность горизонта по пяти скважинам

Исходные данные (условные)

Общая толщина горизонта, м: 42; 45; 40; 44; 39
Эффективная толщина, м: 18; 23; 14; 21; 16
Число прослоев-коллекторов: 4; 3; 6; 4; 5

Решение

Песчанистость: $K_{\text{пес}} = (18 + 23 + 14 + 21 + 16)/(42 + 45 + 40 + 44 + 39) = 92/210 = 0{,}44$ .
Расчленённость: $K_{\text{р}} = (4 + 3 + 6 + 4 + 5)/5 = 22/5 = 4{,}4$ .
Средняя толщина одного прослоя-коллектора: $92/22 = 4{,}2$ м; в скважине № 3 — $14/6 = 2{,}3$ м.

Ответ: Песчанистость около 0,44, расчленённость 4,4: горизонт сложен четырьмя-пятью прослоями коллектора средней толщиной около 4,2 м.

Что это значит. Такой разрез — переслаивание: коллектор занимает меньше половины толщины и разбит на несколько прослоев. Сообщаются ли они между скважинами, по этим числам не сказать: всё зависит от размеров тел и от того, сливаются ли прослои. Но доля коллектора около 0,4 лежит как раз в той области, где связность в объёме меняется с ней резче всего (следующий раздел), поэтому для такого горизонта модель связности и проверка давлениями особенно важны. Данные примера условные.

Связность и доля коллектора: перколяция

Связность (connectivity) коллектора — доля его объёма, соединённая в одно целое. Различают статическую связность — по геометрии тел — и динамическую, при которой учитывают ещё и то, насколько хорошо тела проводят флюид друг в друга. Здесь речь о статической.

Меры связности

C = \frac{V_{\max}}{V_{\text{к}}},\qquad C_w = \frac{V_w}{V_{\text{к}}}

где:

$C$ доля коллектора в наибольшем связном теле, доли единицы
$V_{\max}$ объём наибольшего связного тела, м³
$V_{\text{к}}$ объём всего коллектора, м³
$C_w$ доля коллектора, связанная хотя бы с одной скважиной, доли единицы
$V_w$ объём тел, вскрытых скважинами или соединённых с ними, м³

Единицы: доли единицы

Справедливо, если

тела связаны, если соприкасаются песком по поверхности; касание ребром или точкой не считается;
статическая связность: учитывает геометрию тел, но не проницаемость контактов и перегородки внутри тел.

$C$ показывает, есть ли в пласте одно большое тело, — это свойство геологии. $C_w$ показывает, сколько коллектора доступно данной сетке скважин, — это свойство геологии и сетки вместе.

Пока песчаных тел мало, каждое лежит само по себе. С ростом доли коллектора тела начинают касаться и сливаться в группы, и при некоторой доле одна группа впервые протягивается через весь пласт. Это порог перколяции (percolation threshold; в отечественной физической литературе — порог протекания). Около него связность меняется резко: немного ниже порога в наибольшем теле лишь малая часть коллектора, немного выше — большая часть. Для одинаковых тел, расставленных случайно и свободно перекрывающихся, теория даёт порог около 0,28–0,29 доли объёма в пространстве и около 0,67–0,68 доли площади на плоскости.

Разница между пространством и плоскостью объясняет частую ошибку. Схема корреляции — плоский разрез: тела на ней могут соединиться только в её плоскости. В объёме они соединяются в обход — через соседние разрезы, — поэтому порог вдвое с лишним ниже. Проверим это на модели.

Модель урока

1
Блок
3 × 3 км по площади и 40 м по толщине, ячейки 50 × 50 × 1 м.
2
Тела
пояса русел 300 м шириной, 1200 м длиной и 4 м толщиной, вытянутые в одном направлении; их бросают в блок в случайных местах, пока доля коллектора не достигнет заданной; перекрывающиеся тела сливаются.
3
Связи
тела связаны, если их ячейки касаются гранью; для каждой реализации находят связные группы ячеек в объёме и в вертикальном разрезе поперёк тел через середину блока.
4
Статистика
для каждой доли коллектора — 40 реализаций с воспроизводимыми случайными числами; в примерах — средние по ним (подробнее — в дополнительном разделе).

Расчётный примерСвязность в объёме и в разрезе

Исходные данные (условные)

Модель: описана выше; по 40 реализаций на каждую долю коллектора
Доля коллектора: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,7

Решение

При доле 0,2 в наибольшем теле блока 0,20 всего коллектора, в разрезе 0,17: тела разобщены и там, и там.
При доле 0,3 — 0,40 в объёме и 0,21 в разрезе; при 0,4 — 0,81 и 0,24; при 0,5 — 0,97 и 0,35.
При доле 0,7 связан и разрез: 0,88 (в объёме 1,00).
Разброс: при доле 0,3 стандартное отклонение $C$ между реализациями 0,14, стандартная ошибка среднего — около 0,02. Средние известны примерно с этой точностью, а отдельные реализации различаются сильно.

Ответ: В объёме связность растёт резко между долями коллектора 0,25 и 0,45: при 0,4 в одном теле уже 0,81 коллектора, а в разрезе через тот же блок — лишь 0,24. Разрез «догоняет» объём только к доле около 0,7.

Что это значит. Схема корреляции — плоский разрез. В «мозаике» с долей коллектора 0,4–0,5 она покажет разобщённые тела, хотя в объёме большая часть коллектора уже соединена в обход плоскости схемы; вывод «тела не связаны» по одной схеме занижает связность и завышает число нужных скважин. Модель, наоборот, считает сообщающимся любой контакт песков, тогда как на деле тела бывают разделены глинистым покровом или галькой глин на эрозионной поверхности, — в эту сторону она связность завышает. Порог в модели размыт, потому что блок всего в 2,5 раза длиннее тела; в бесконечном блоке переход был бы резче. Разброс между реализациями — напоминание, что связность конкретного пласта известна лишь вероятностно. Данные модели условные.

РасчётДоля коллектора в наибольшем связном теле в зависимости от доли коллектора: в объёме блока модели и в вертикальном разрезе через него (средние по 16 реализациям). Пунктирные вертикали — пороги перколяции для одинаковых случайно расположенных тел в неограниченном пространстве и на плоскости. При малой доле коллектора обе кривые отражают лишь размер самого крупного из немногих тел.

Реальные тела не одинаковы и расположены не случайно: русла собираются в пояса и врезаются друг в друга, тела вытянуты в одном направлении, крупные и мелкие перемешаны. Всё это сдвигает порог и делает его менее резким, поэтому связность конкретного пласта оценивают моделями с его размерами тел и долей коллектора и проверяют давлениями и поведением скважин.

Сколько коллектора видят скважины

Добычу дают не все связанные тела, а лишь те, что вскрыты скважинами или соединены с ними. Доля коллектора, связанная со скважинами, $C_w$ , растёт с плотностью сетки. При заводнении важна ещё и поддержка давления: тело работает с поддержкой, только если оно связано и с нагнетательной, и с добывающей скважиной. Тела, связанные лишь с добывающими, отдают нефть на истощение, лишь с нагнетательными — принимают воду без пользы для добычи.

Расчётный примерСетка скважин и поддержка давления в «мозаике»

Исходные данные (условные)

Модель: та же, доля коллектора 0,3; по 40 реализаций
Скважины: вертикальные, по квадратной сетке через 1000, 500 и 250 м — 1, 4 и 16 скважин на км²
Заводнение: рядное: ряды нагнетательных и добывающих скважин чередуются; ряды идут либо поперёк тел (вода движется вдоль них), либо вдоль тел (вода движется поперёк)

Решение

Доля коллектора, связанная со скважинами: при 1000 м — 0,86, при 500 м — 0,95, при 250 м — 0,99.
Ряды поперёк тел: с нагнетательной и добывающей скважинами связаны 0,68 коллектора при 1000 м и 0,92 при 500 м.
Ряды вдоль тел: 0,48 и 0,74.
При 500 м и рядах вдоль тел 0,11 коллектора связано только с добывающими скважинами — эти тела будут работать на истощение, — и 0,11 только с нагнетательными.

Ответ: Плотность сетки решает, сколько коллектора вскрыто: от 0,86 при одной скважине на км² до 0,99 при шестнадцати. Ориентировка рядов решает, сколько из вскрытого получает поддержку: при 500 м — 0,92 при рядах поперёк тел и 0,74 при рядах вдоль тел.

Что это значит. Переход от одной скважины на км² к четырём добавляет около 0,10 вскрытого коллектора, от четырёх к шестнадцати — ещё лишь около 0,04: уплотнение окупается, пока вскрывает несвязанные тела. Направление вытянутости тел узнают по фациальной модели, палеотечениям в керне и на скважинных имиджах (Первичные осадочные текстуры), по сейсмике и гидропрослушиванию. Ряды поперёк тел дают лучшую поддержку, но вода быстрее идёт вдоль тех же тел к добывающим скважинам: связность и охват — разные вопросы, охват рассчитывают отдельно (Вытеснение в неоднородных пластах). Модель считает связью любой контакт тел и не учитывает их проницаемость, поэтому реальная поддержка будет хуже рассчитанной. Данные модели условные.

Почему связность — это вероятность

Скважины видят лишь узкие столбики пласта; одна и та же картина в скважинах совместима со множеством расположений тел между ними. Поэтому связность и доступный скважинам объём задают диапазоном по многим равновероятным вариантам модели и уточняют по мере бурения и разработки — так же, как неопределённость запасов (Вероятностная оценка запасов методом Монте-Карло, Геологическая и техническая неопределённость проекта).

Барьеры и перегородки

Барьер (barrier) — преграда, непроницаемая для потока на время разработки: выдержанная глина, плотный сплошной пропласток, экранирующий разлом. Перегородка (baffle) — преграда, которая замедляет поток или заставляет его обходить себя, но не останавливает: прерывистые глинистые прослои, глинистые покровы на границах наложенных тел, плотные конкреции, частично проводящие разломы (Частично проводящие разломы). Одна и та же порода может быть барьером или перегородкой — решают её протяжённость и непрерывность.

Барьеры и перегородки в обломочных коллекторах

Что: Глины поверхностей затопления
Где: морские и дельтовые толщи
Протяжённость: километры — десятки километров
Как действует: разделяют пласты по вертикали; чаще барьеры

Что: Пойменные и межрусловые глины
Где: речные толщи
Протяжённость: сотни метров — километры
Как действует: перегородки между поясами русел; поток их обходит

Что: Глинистые покровы и галька глин на эрозионных поверхностях
Где: наложенные русла
Протяжённость: десятки — сотни метров
Как действует: перегородки между ярусами одного тела

Что: Глинистые слойки на склонах русловых отмелей
Где: меандрирующие реки
Протяжённость: метры — десятки метров
Как действует: наклонные перегородки внутри тела

Что: Карбонатные конкреции и сцементированные пропластки
Где: ранний цемент (погружение)
Протяжённость: метры — сотни метров
Как действует: перегородки, иногда барьеры

Что: Разломы
Где: любые толщи
Протяжённость: сотни метров — километры
Как действует: барьеры или перегородки (Разломы)

Что	Где	Протяжённость	Как действует
Глины поверхностей затопления	морские и дельтовые толщи	километры — десятки километров	разделяют пласты по вертикали; чаще барьеры
Пойменные и межрусловые глины	речные толщи	сотни метров — километры	перегородки между поясами русел; поток их обходит
Глинистые покровы и галька глин на эрозионных поверхностях	наложенные русла	десятки — сотни метров	перегородки между ярусами одного тела
Глинистые слойки на склонах русловых отмелей	меандрирующие реки	метры — десятки метров	наклонные перегородки внутри тела
Карбонатные конкреции и сцементированные пропластки	ранний цемент (погружение)	метры — сотни метров	перегородки, иногда барьеры
Разломы	любые толщи	сотни метров — километры	барьеры или перегородки (Разломы)

Протяжённость — порядки величин. Для барьера важнее всего непрерывность: выдержанная глина толщиной в десятки сантиметров разделяет пласты надёжнее, чем метровый прослой с промоинами.

Перегородки внутри пачки снижают её вертикальную проницаемость тем сильнее, чем длиннее они по сравнению с промежутками между ними, и решают, успевают ли слои обмениваться флюидом на расстоянии между скважинами (эффективное отношение длины к толщине). Барьеры позволяют разрабатывать пласты раздельно, сдерживают конусы воды и газа (Конусообразование воды и газа), но и отрезают части пласта от закачки.

Узнают барьеры по замерам давления по разрезу в уже работающем пласте: если давление выше и ниже прослоя отличается, прослой разделяет пласты (Замеры давления опробователем пластов на кабеле; подробнее — в теме Замеры давления в разрабатываемых пластах: барьеры и точность). Помогают профили притока и приёмистости, вертикальное гидропрослушивание между интервалами и история прорывов воды и газа. Плотный прослой в керне одной скважины ничего не говорит о его протяжённости.

Изолированные блоки залежи

Изолированный блок (compartment) — часть залежи, которая не сообщается с остальными за время разработки. Блоки бывают стратиграфическими — разобщённые тела, выклинивания, барьеры по разрезу — и структурными — разломы-экраны (Разломы); часто действуют обе причины.

До разработки блоки выдают разные контакты и зеркала свободной воды, разные линии давления по опробователю (Градиенты давления, контакты флюидов и капиллярное равновесие), различия в составе нефти и газа, разломы на сейсмике.
При разработке — давление, падающее быстрее, чем следует из объёма по карте; связанный поровый объём по исследованиям и материальному балансу меньше картированного (Исследование на ограниченность пласта); отсутствие отклика соседних скважин при гидропрослушивании (гидропрослушивание).

Сообщаемость зависит от времени. За миллионы лет даже плотная перегородка успевает выровнять давления и контакты по обе стороны, поэтому одинаковые начальные давления не доказывают, что блоки будут сообщаться при добыче. Оценку даёт время выравнивания давления — постоянная времени блока, соединённого с соседним пластом через перегородку.

Постоянная времени блока за перегородкой

\tau = \frac{V_p\,c_t}{T},\qquad T = \frac{k_b\,A}{\mu\,b}

где:

$\tau$ постоянная времени: за это время перепад давления между блоком и соседним пластом уменьшается в $e \approx 2{,}72$ раза, с
$V_p$ поровый объём блока, м³
$c_t$ общая сжимаемость пород и флюидов блока, 1/Па
$T$ проводимость перегородки — расход через неё на единицу перепада давления, м³/(с·Па)
$k_b$ проницаемость перегородки, м²
$A$ площадь перегородки поперёк потока — длина границы, умноженная на её высоту, м²
$\mu$ вязкость флюида, перетекающего через перегородку, Па·с
$b$ ширина (толщина) перегородки по направлению потока, м

Единицы: СИ

Справедливо, если

давление внутри блока одинаково — блок много проницаемее перегородки;
давление по другую сторону постоянно: соседний пласт много больше блока или поддерживается закачкой; если блоки соизмеримы, $V_p$ заменяют на $V_1V_2/(V_1 + V_2)$ ;
течение через перегородку однофазное и почти установившееся; сжимаемостью самой перегородки пренебрегают.

Перепад давления между блоком и соседом затухает как $e^{-t/\tau}$ (вывод — в дополнительном разделе). Если $\tau$ много больше срока разработки, блок работает отдельно, если много меньше — как часть общего пласта. За геологическое время — сотни тысяч и миллионы лет — почти любая перегородка успевает выровнять давление.

В других системах единиц (1)

Метрические промысловые единицы

T\,[\text{м}^3/(\text{сут}\cdot\text{МПа})] = 0{,}0853\,\frac{k_b\,[\text{мД}]\;A\,[\text{м}^2]}{\mu\,[\text{мПа·с}]\;b\,[\text{м}]},\qquad \tau\,[\text{сут}] = \frac{V_p\,[\text{м}^3]\;c_t\,[\text{МПа}^{-1}]}{T}

$k_b$ — мД, $A$ — м², $\mu$ — мПа·с, $b$ — м, $V_p$ — м³, $c_t$ — 1/МПа.

$0{,}0853$ — та же постоянная, что в законе Дарси в метрических промысловых единицах (закон Дарси).

Расчётный примерСообщаются ли блоки — при добыче и за геологическое время

Исходные данные (условные)

Блок: 1500 × 800 м, толщина 20 м, пористость 0,20; общая сжимаемость $1{,}5\cdot10^{-3}$ МПа⁻¹
Перегородка: полоса глинистого песчаника шириной 50 м вдоль длинной стороны блока (1500 м на всю толщину 20 м), проницаемость 0,002 мД
Флюид: нефть, 1,5 мПа·с
Соседний пласт: большой, давление в нём поддерживается закачкой
Добыча из блока: 80 м³/сут; перепад давления через перегородку через несколько лет — около 10 МПа

Решение

Поровый объём: $V_p = 1500\cdot 800\cdot 20\cdot 0{,}20 = 4\,800\,000$ м³; $V_p c_t = 7200$ м³/МПа.
Площадь перегородки $A = 1500\cdot 20 = 30\,000$ м²; проводимость $T = 0{,}0853\cdot 0{,}002\cdot 30\,000/(1{,}5\cdot 50) = 0{,}0682$ м³/(сут·МПа).
Постоянная времени: $\tau = 7200/0{,}0682 = 105\,572$ сут, или около 289 лет.
За 20 лет разработки перепад между блоком и соседним пластом затухает лишь до $e^{-20/289} = 0{,}93$ начального. Подпитка через перегородку при перепаде 10 МПа — $0{,}0682\cdot 10 = 0{,}68$ м³/сут при добыче 80 м³/сут.
Миллион лет — это около 3460 постоянных времени: к моменту открытия давления и контакты по обе стороны перегородки давно выровнялись.

Ответ: Постоянная времени около 289 лет: при разработке блок ведёт себя почти как замкнутый — подпитка 0,68 м³/сут, меньше 1 % добычи, — хотя до начала добычи давления и контакты в нём и в соседнем пласте одинаковы.

Что это значит. По начальным данным такой блок неотличим от сообщающегося: общий контакт, одна линия давления по опробователю. Выдаёт его лишь отклик на добычу: давление падает быстрее, чем ожидалось для всей площади, а скважины соседнего пласта не реагируют. Расчёт упрощён: давление в блоке считается одинаковым, а перегородка — однородной. Если в ней есть песчаные «окна», связь будет на порядки лучше, — это главная неопределённость, и её проверяют гидропрослушиванием до начала закачки. Многоблочные модели материального баланса разобраны в теме Упрощённая многоблочная модель материального баланса. Данные примера условные.

Как строение видно в работе скважин

Признаки в работе скважин и их возможные причины в строении пласта

Что видно: Ранний прорыв воды в отдельных скважинах, быстрый рост обводнённости
Вероятная причина: сообщающиеся высокопроницаемые тела между нагнетательной и добывающей скважинами
Что проверить и сделать: индикаторы в закачиваемой воде, профили приёмистости; ограничить закачку, выровнять профиль (Вытеснение в неоднородных пластах)

Что видно: Добывающая скважина не отвечает на закачку
Вероятная причина: её тела не связаны с нагнетательными
Что проверить и сделать: гидропрослушивание; перенести нагнетание или добавить нагнетательную скважину

Что видно: Давление падает быстрее расчётного
Вероятная причина: изолированный блок, малый связанный объём
Что проверить и сделать: исследования на ограниченность пласта, материальный баланс (Исследование на ограниченность пласта)

Что видно: Новая скважина между старыми вскрыла пласт с начальным давлением
Вероятная причина: тело, не связанное со старыми скважинами
Что проверить и сделать: уплотняющее бурение по модели связности

Что видно: Часть интервалов по разрезу не работает
Вероятная причина: барьеры и перегородки по вертикали
Что проверить и сделать: профили притока; дострел, раздельная эксплуатация пластов

Что видно	Вероятная причина	Что проверить и сделать
Ранний прорыв воды в отдельных скважинах, быстрый рост обводнённости	сообщающиеся высокопроницаемые тела между нагнетательной и добывающей скважинами	индикаторы в закачиваемой воде, профили приёмистости; ограничить закачку, выровнять профиль (Вытеснение в неоднородных пластах)
Добывающая скважина не отвечает на закачку	её тела не связаны с нагнетательными	гидропрослушивание; перенести нагнетание или добавить нагнетательную скважину
Давление падает быстрее расчётного	изолированный блок, малый связанный объём	исследования на ограниченность пласта, материальный баланс (Исследование на ограниченность пласта)
Новая скважина между старыми вскрыла пласт с начальным давлением	тело, не связанное со старыми скважинами	уплотняющее бурение по модели связности
Часть интервалов по разрезу не работает	барьеры и перегородки по вертикали	профили притока; дострел, раздельная эксплуатация пластов

У каждого признака есть и другие причины — состояние призабойной зоны, негерметичный цемент за колонной, работа оборудования; их исключают прежде, чем искать причину в геологии.

Обобщения промысловых данных показывают ту же закономерность: при прочих равных извлечение выше в выдержанных пластах морского мелководья и ниже в речных и других «лабиринтных» толщах, где часть нефти остаётся в невскрытых телах и за перегородками. Для таких пластов главный инструмент — не сила закачки, а размещение скважин по модели строения: уплотнение сетки там, где модель предсказывает невскрытые тела, наклонные и горизонтальные стволы через несколько тел (Горизонтальные скважины), перенос нагнетания на связанные с добывающими скважинами тела (Зачем закачивают воду: поддержание давления и вытеснение нефти).

Пример: юрские горизонты Южного Мангышлака

По опубликованным геологическим описаниям, в нижне- и среднеюрской толще Южного Мангышлака, где находятся Узень и Жетыбай, выделяют тринадцать продуктивных горизонтов. Общая толщина каждого — 35–65 м, эффективная — 10–30 м, а заметная прерывистость песчаников по латерали и их линзовидное строение сильно осложняют разработку. При средних значениях — около 20 м коллектора из 50 — доля коллектора около 0,4: как раз в той области, где связность, по моделям вроде модели урока, особенно чувствительна к размерам тел и плотности сетки.

Термины и обозначения

Архитектура коллектора: форма, размеры, строение и взаимное расположение тел коллектора и разделяющих их пород; в отечественной практике — макронеоднородность.
Покров, пояс, лента, лопасть, линза: формы песчаных тел: широкие во все стороны, вытянутые, узкие, веерные, мелкие изолированные.
«Слоёный пирог», «мозаика», «лабиринт»: тела больше расстояния между скважинами, сравнимы с ним и много меньше его.
$K_{\text{пес}}$ , $K_{\text{р}}$ , $K_{\text{св}}$ , $K_{\text{лв}}$: коэффициенты песчанистости, расчленённости, литологической связанности и выдержанности.
Связность $C$ и $C_w$: доля коллектора в наибольшем связном теле и доля, связанная со скважинами.
Порог перколяции: доля коллектора, при которой связная группа тел впервые протягивается через весь пласт.
Барьер и перегородка: преграда, непроницаемая на время разработки, и преграда, которая лишь замедляет поток.
Изолированный блок: часть залежи, не сообщающаяся с остальными за время разработки.
Гидродинамическая единица: прослеживаемая между скважинами пачка с общим поведением при течении.
Постоянная времени блока $\tau$: $V_p c_t/T$ : время, за которое перепад давления через перегородку уменьшается в $e$ раз.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«На схеме корреляции песчаники не соединяются — значит, тела разобщены».

На самом деле

Схема — плоский разрез, а в объёме тела соединяются в обход её плоскости. В модели урока при доле коллектора 0,4 в разрезе связано около четверти коллектора, а в объёме — больше 80 %.

Неверно

«Начальные давления и контакт в двух блоках одинаковы — значит, блоки сообщаются».

На самом деле

За миллионы лет давление выравнивает даже плотная перегородка. Сообщаются ли блоки при разработке, решает постоянная времени: в примере урока она около 290 лет, и блок при добыче работает почти как замкнутый.

Неверно

«В керне плотный прослой — значит, пласты разделены».

На самом деле

Керн видит одну точку, а прослой может выклиниться в сотне метров. Разделение проверяют давлениями по разрезу в работающем пласте, профилями притока и гидропрослушиванием.

Неверно

«Каждая новая скважина добавляет запасы пропорционально своему числу».

На самом деле

В «слоёном пироге» новые скважины лишь ускоряют отбор тех же запасов. Новые запасы они дают, когда вскрывают несвязанные тела: в модели урока при доле коллектора 0,3 переход от одной к четырём скважинам на км² добавляет около 10 % вскрытого коллектора, а от четырёх к шестнадцати — около 4 %.

Неверно

«Ряды нагнетательных скважин можно ориентировать как удобнее».

На самом деле

В пласте из вытянутых тел ряды поперёк тел дают заметно большую долю коллектора с поддержкой давления — в модели урока при 500 м около 0,92 против 0,74, — но вода быстрее идёт вдоль тех же тел.

Подробно: для продвинутых

Немного теории перколяции

Теория перколяции изучает, когда случайно расположенные элементы образуют связную сеть. В простейшей решёточной задаче каждая клетка с вероятностью $p$ — песок, иначе глина; соседние клетки песка связаны. Порог для квадратной решётки на плоскости — около 0,593, для кубической в пространстве — около 0,312. Для перекрывающихся тел, расставленных свободно, пороги в долях объёма такие: шары — около 0,290, одинаково ориентированные кубы — 0,277; на плоскости круги — около 0,676, одинаково ориентированные квадраты — около 0,667.

Пространство против плоскости. В пространстве у каждого тела больше соседей и больше путей в обход, поэтому порог вдвое с лишним ниже.
Вытянутые тела одной ориентировки. Растяжение всех тел и самого пласта в одном направлении не меняет связей, поэтому порог в долях объёма у одинаково вытянутых ориентированных тел тот же, что у кубов, — меняется лишь то, вдоль какого направления связь появляется раньше в пласте конечных размеров.
Разная ориентировка. Длинные тела с разными направлениями пересекают друг друга чаще, и порог у них ниже — вплоть до долей процента у очень вытянутых, как у трещин.
Конечный пласт. Если тела не намного меньше пласта, переход размыт: в пласте размером в несколько тел одно тело уже может связать скважины.
Связность и проводимость. Чуть выше порога связная сеть держится на узких перемычках, и её проводимость мала, хотя связь есть. Поэтому вблизи порога связность ещё не гарантирует хорошей поддержки давления.

Как устроена модель урока

Блок разбит на ячейки; все ячейки сначала — неколлектор.
Тело — прямоугольный блок ячеек заданных размеров с длинной стороной вдоль оси $y$ . Его угол выбирают равномерно случайно в расширенной области, так что тело может частично выходить за блок: тогда плотность тел одинакова и у краёв.
Тела добавляют по одному, пока доля ячеек-коллекторов не достигнет заданной (последнее тело может превысить её на доли процента); перекрывающиеся тела сливаются.
Связные группы находят объединением соседних по грани ячеек-коллекторов (алгоритм объединения множеств); в разрезе — так же, но только в его плоскости.
Скважина вертикальна и вскрывает все группы, через которые проходит её столбец ячеек. Группа связана с нагнетательной или добывающей скважиной, если её вскрывает хотя бы одна такая скважина.
Случайные числа даёт тот же воспроизводимый генератор, что в уроке Вероятностная оценка запасов методом Монте-Карло, с собственным начальным числом для каждой доли коллектора; результаты — средние по реализациям.

Ограничения модели: все контакты тел считаются проводящими, внутри тел нет перегородок, тела одинаковы и не тяготеют друг к другу, как реальные наложенные русла, а блок конечен. Первые два допущения завышают связность, последние два могут сдвигать её в обе стороны. Модель годится, чтобы понять поведение связности; для конкретного пласта размеры тел, их распределение и проводимость контактов берут из геологии и проверяют поведением скважин.

Откуда постоянная времени блока

Пусть давление в блоке $p$ одинаково по объёму, а по другую сторону перегородки поддерживается давление $p_n$ . Расход через перегородку по закону Дарси $q = T\,(p_n - p)$ , где $T = k_b A/(\mu b)$ . Этот приток повышает давление в блоке: $V_p c_t\,\dd p/\dd t = T\,(p_n - p)$ .

Обозначим перепад $\Delta = p_n - p$ ; тогда $\dd\Delta/\dd t = -\Delta/\tau$ с $\tau = V_p c_t/T$ , и $\Delta(t) = \Delta_0\,e^{-t/\tau}$ . Если блок одновременно дренируется скважиной, к правой части добавляется отбор, но время, за которое перегородка способна выровнять давление, остаётся тем же $\tau$ . Перегородка сама обладает объёмом и сжимаемостью, и возмущение проходит через неё не мгновенно, а за время порядка $\phi\mu c_t b^2/k_b$ ; при узкой перегородке оно много меньше $\tau$ .

Связь с другими темами

Корреляция скважин — «слоёный пирог» и «мозаика» при корреляции и вероятность, что тело дойдёт до соседней скважины.
Фации, фациальные последовательности и литологические колонки — фации, генетические единицы и вертикальные последовательности, из которых складываются тела.
Качество коллектора: геологические факторы пористости и проницаемости — что задаёт качество коллектора внутри тел и типы пород.
Неоднородность пласта и осреднение проницаемости — масштабы неоднородности, $k_v/k_h$ , число $R_L$ и длина корреляции.
Вытеснение в неоднородных пластах — расчёт заводнения слоистых пластов: охват по разрезу и обводнённость.
Разломы — разломы как барьеры и перегородки и экранирование залежей.
Градиенты давления, контакты флюидов и капиллярное равновесие — контакты и линии давления, по которым распознают раздельные гидродинамические системы.
Исследование на ограниченность пласта — связанный поровый объём скважины по исследованию на ограниченность пласта.
Горизонтальные скважины — стволы, вскрывающие сразу несколько песчаных тел.

Проверьте себя

1
Пласт сложен случайно расположенными песчаными телами, доля коллектора 0,4. На схеме корреляции через скважины тела выглядят разобщёнными. Что вероятнее всего в объёме?
1. А.Тела соединены только через стволы скважин
2. Б.Связность нельзя оценить без сейсмики
3. В.Тела так же разобщены
4. Г.Большая часть коллектора соединена в одно целое в обход плоскости схемы
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Большая часть коллектора соединена в одно целое в обход плоскости схемы
Порог перколяции в пространстве около 0,3, а на плоскости около 0,67. При доле 0,4 в объёме тела уже сливаются в большие группы (в модели урока — больше 80 % коллектора в одном теле), а в плоском разрезе ещё нет (около четверти). Схема корреляции занижает связность.
2
В четырёх скважинах горизонта выделено 3, 5, 4 и 6 прослоев-коллекторов; суммарная эффективная толщина по скважинам 58 м при общей 160 м. Найдите коэффициенты расчленённости и песчанистости и скажите, что они говорят о строении.
Показать ответ
$K_{\text{р}} = (3 + 5 + 4 + 6)/4 = 4{,}5$ ; $K_{\text{пес}} = 58/160 \approx 0{,}36$ . Коллектор занимает около трети разреза и разбит в среднем на четыре-пять прослоев толщиной около $58/18 \approx 3{,}2$ м. Доля коллектора близка к порогу перколяции в объёме, поэтому связность прослоев будет сильно зависеть от размеров тел и от того, где они сливаются; её надо оценивать моделью и проверять давлениями.
3
Почему одинаковые начальные давления в двух соседних блоках не доказывают, что блоки будут сообщаться при разработке?
1. А.За геологическое время перегородка выравнивает давление, а за годы разработки пропускает слишком мало флюида
2. Б.Давления в блоках никогда не бывают одинаковыми
3. В.Опробователь пластов измеряет давление неточно
4. Г.При разработке давление в блоках растёт
Показать ответ
Правильный ответ: А. За геологическое время перегородка выравнивает давление, а за годы разработки пропускает слишком мало флюида
Постоянная времени блока за плотной перегородкой может составлять сотни лет: это мгновение по меркам геологии, поэтому к открытию давления и контакты выравниваются. Но за 20–30 лет разработки через такую перегородку проходит лишь малая доля добычи, и блок работает почти как замкнутый.
4
Проводимость перегородки 0,5 м³/(сут·МПа), поровый объём блока $3\cdot10^6$ м³, общая сжимаемость $1\cdot10^{-3}$ МПа⁻¹, давление по другую сторону поддерживается. За какое время перепад давления через перегородку уменьшится вдвое?
Показать ответ
$V_p c_t = 3\cdot10^6\cdot 10^{-3} = 3000$ м³/МПа; $\tau = 3000/0{,}5 = 6000$ сут, около 16,4 года. Вдвое перепад уменьшается за $\tau\ln 2 \approx 4160$ сут, около 11,4 года: за срок разработки блок заметно подпитывается, но далеко не сразу.
5
Пласт сложен поясами русел шириной около 300 м, вытянутыми с севера на юг. Как расположить ряды нагнетательных и добывающих скважин, чтобы больше коллектора получило поддержку давления?
1. А.Только площадная система, рядная невозможна
2. Б.Ряды с запада на восток, вода движется с севера на юг
3. В.Ряды с севера на юг, вода движется с запада на восток
4. Г.Ориентировка рядов не важна
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Ряды с запада на восток, вода движется с севера на юг
Ряды поперёк тел (с запада на восток) пересекают каждый пояс несколькими скважинами обоих типов, и вода идёт вдоль поясов к добывающим скважинам. В модели урока при расстоянии 500 м так получают поддержку около 0,92 коллектора против 0,74 при рядах вдоль тел. Цена — более ранний прорыв воды вдоль тех же поясов.
6
Новая скважина, пробуренная между двумя старыми, которые уже дают много воды, вскрыла пласт с начальным давлением. О чём это говорит и что делать дальше?
Показать ответ
Скважина вскрыла тело, не связанное со старыми скважинами, — невыработанный запас, который заводнение не затронуло. Нужно оценить размеры этого тела (исследование на ограниченность пласта, корреляция, сейсмика), уточнить модель связности — таких тел может быть больше — и решить, как его разрабатывать: на истощение или с собственной нагнетательной скважиной.

Обновлено: 16 октября 2026 г.