Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальные исследования особенностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследования особенностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз"

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ НЕФТИ И ГАЗА РАН

На правах рукописи УДК 622.276.5.1/4

а:р

г, / - ^ 2

ЧУМИКОВ РОМАН ИГОРЕВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ КАПИЛЛЯРНО-ЗАЩЕМЛЕННЫХ ФАЗ

Специальность: 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О Ш 2011

Москва-2011 год

004619529

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт проблем нефти и газа РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Михайлов Николай Нилович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Закиров Сумбат Набиевич

кандидат технических наук Губанов Владимир Борисович

Ведущая организация:

ОАО «ВНИИнефть» им. академика А.П.Крылова

Защита состоится 16 февраля 2011 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.076.01 Учреждения Российской академии наук Институт проблем нефти и газа РАН в зале Ученого Совета ИПНГ РАН (119333, г.Москва, ул. Губкина, д.З, ИПНГ РАН).

С диссертацией можно ознакомиться у ученого секретаря Диссертационного Совета ИПНГ РАН. Отзывы на автореферат можно присылать по адресу: 119333, г.Москва, ул. Губкина, д.З, ИПНГ РАН.

Автореферат разослан 28 декабря 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

Кандидат технических наук

М.Н. Баганова

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Известно, что закономерности двухфазной фильтрации определяют эффективность вытеснения нефти водой. Они влияют на качество проектирования и достоверность анализа показателей разработки месторождений. Экспериментальные исследования двухфазной фильтрации проводятся в течение нескольких десятилетий многими исследователями. Относительные фазовые проницаемости (ОФП) и коэффициенты вытеснения стандартизованы и входят в перечень обязательных определений при проектировании процесса разработки месторождений. Однако существующие стандарты и методики базируются на исследованиях при «стандартных» скоростях фильтрации и предполагают наличие двухфазной фильтрации лишь в диапазоне от остаточной (неподвижной) водонасыщекности до максимально возможной водонасьпценнности, определяемой неподвижной (остаточной) нефтенасыщенностью. Сами же значения неподвижных во-до- и нефтенасыщенностей считаются неизменными величинами, зависящими только от свойств изучаемых пластов. Такой подход не учитывает явлений капиллярного защемления фаз. Капиллярно-защемленные нефте- и водонасыщенность являются составной частью неподвижных (остаточных) фаз и обладает особыми свойствами.

При двухфазной фильтрации под действием капиллярных сил происходит защемление фаз. Непрерывная фаза дробится и блокируется этими силами в виде разветвленных капель (ганглий). Капиллярно-защемленные фазы (КЗФ) демонстрируют двоякую природу. С одной стороны, при неизменных условиях фильтрации они являются «неподвижными» (остаточными). С другой стороны, при изменении сложившихся условий фильтрации эти фазы могут приобретать подвижность и вовлекаться в фильтрационный процесс. Подвижность защемленных фаз контролируется проявлением капиллярных и напорных (гидродинамических) сил в масштабах, соизмеримых с размерами капель защемленной фазы. Проявления капиллярных и напорных сил зависят от геометрических особенностей внутрипоровых пластовых систем, характера смачиваемости, эффектов межфазного взаимодействия, градиентов давлений, вязкости вытесняемой и вытесняющей фаз и других параметров. Специфическая подвижность капиллярно защемленных фаз (КЗФ) очевидно может обусловливать особые условия их фильтрации. Капиллярное защемление может оказывать влияние на важнейшие характеристики двухфазной фильтрации - функции относительных фазовых проницаемостей (ОФП) и

капиллярного давления (КД). Значение насыщенности защемленной фазой контролирует величины коэффициентов вытеснения, эффективной и динамической пористости.

Несмотря на важное значение явлений капиллярного защемления, до настоящего времени комплексные экспериментальные исследования фильтрации капиллярно-защемленных фаз не проводились. Поэтому выполнение таких исследований, по мнению автора, и определяет актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Цель работы - экспериментальное изучение закономерностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз (нефть, вода) в микронеоднородных сложнопостроенных коллекторах с различным типом смачиваемости.

Объект исследования: терригенный и карбонатный керновый материал, характеризующийся сложным микростроением и различным характером смачиваемости.

Основные задачи исследования

1. Проанализировать существующие представления о капиллярно-защемленных фазах, определить факторы, влияющие на защемление, оценить возможности стандартных методик экспериментального исследования для изучения фильтрации защемленных фаз.

2. Дать экспериментальное и теоретическое обоснование методики определения лараметров фильтрации защемленных фаз (остаточные насыщенности, скорости фильтрации, фазовые проницаемости) на кернах в широком диапазоне изменения скоростей фильтрации.

3. Разработать техническое и информационное обеспечение проведения экспериментальных исследований на кернах.

4. Выявить:

- закономерности фильтрации подвижных фаз при наличии защемленных;

- характер подвижности защемленных фаз;

- динамику изменения насыщенности защемленной фазы в процессе ее вытеснения;

- времена установления равновесного состояния при фильтрации защемленной фазы;

- поведение защемленных фаз при их вытеснении водогазовой смесью.

5. Экспериментально установить закономерности изменения проницаемости по фильтрующейся фазе в присутствии защемленных фаз.

6. Исследовать влияние подвижности защемленных фаз на коэффициенты вытеснения, значения остаточной и начальной нефтенасыщенности.

Методы исследования. Лабораторное моделирование процессов образования и фильтрации капиллярно-защемленных фаз в микронеоднородных коллекторах в условиях приближенных к пластовым.

Научная новизна

1. Показано, что для сложнопостроенных коллекторов эффекты подвижности капиллярно-защемленной водо- и нефтенасыщенности влияют на закономерности двухфазной фильтрации за счет изменчивости значений неподвижных насыщенностей при изменении условий фильтрации.

2. Экспериментально установлена нелинейная зависимость объемной скорости фильтрации подвижной фазы от градиента давления, и определена кинетика защемления.

3. Показано, что при наличии капиллярно-защемленных водо- и нефтенасыщенности нефте- и водопроницаемость зависят от градиента давления, типа пористой структуры и характера смачиваемости внутрипорового пространства.

4. Установлена зависимость защемленного нефте-, водонасыщекия от градиента давления для сложнопостроенных коллекторов с различным типом смачиваемости, отличающаяся от известных тем, что на характер зависимости оказывает влияние тип защемленной фазы, изменение смачиваемости и структуры порового пространства.

Практическая значимость

Экспериментально показано влияние КЗФ на важнейшие характеристики двухфазной фильтрации, что позволяет рекомендовать полученные результаты для совершенствования методик определения функций ОФП, коэффициентов вытеснения, водо-, нефтенасыщенности, эффективной и динамической пористости по данным лабораторного моделирования. Предлагаемую методику также целесообразно использовать при лабораторном моделировании технологий увеличения коэффициентов вытеснения путем закачки различных реагентов. Результаты, полученные в работе, позволяют совершенствовать лабораторные методы подбора химических композиций для повышения качества вскрытия пластов и повышения продуктивности скважин за счет снижения содержания КЗФ и повышения проницаемости в околоскважинной зоне пласта.

Защищаемые положения

1. Экспериментально установленные закономерности фильтрации непрерывных фаз при наличии капиллярного защемления заключаются в нелинейности зависимости объемной скорости фильтрации от градиента давления, влиянии характера смачиваемости внутрипоровой поверхности на вид зависимости скорости фильтрации от градиента давления, кинетики достижения новых стационарных состояний при изменении градиента давления.

2. Нелинейный характер изменения проницаемости по фильтрующимся фазам от градиента давления при наличии капиллярного защемления, зависящий от смачиваемости коллектора и вида защемленной фазы.

3. Сложный характер зависимости насыщения защемленными фазами от градиента давления в непрерывных фазах, меняющийся при изменении структуры порового пространства и смачиваемости, а также типа защемленной фазы.

4. Влияние эффектов капиллярного защемления на коэффициент вытеснения, эффективную и динамическую пористости. Возможность доизвлечения капиллярно-защемленных фаз при использовании водогазового воздействия на пласт.

Апробация работы

Научные, методические и прикладные аспекты и результаты, использованные и полученные в диссертации, доложены на международной конференции молодых ученых « Молодежная наука - нефтегазовому комплексу» (Москва, 30-31 марта, 2004 г.), на международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (Москва, 24-26 ноября, 2004 г.), на ХЬУШ научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва - Долгопрудный - Жуковский, 25-26 ноября, 2005 г.), на седьмой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», (Москва, 29-30 января 2007 г.), на Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности», (Москва, 24-26 апреля 2007 г.), на научно-практической конференции «Методы интенсификации добычи углеводородного сырья. Опыт и перспективы», (Москва, РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, ноябрь 2008 г.), на 2 Международном научном симпозиуме «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов» (Москва, ОАО «ВНИИнефть», 15-16 сентября 2009 г.), на

научных семинарах ИПНГ РАН. Результаты работы обсуждались на научном семинаре компании Schlumberger.

Объем работы. Работа содержит введение, 4 главы текста, выводы и список используемой литературы. Общий объем работы составляет 178 страниц, в том числе 85 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 75 наименований.

Работа выполнена в ИПНГ РАН. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н., действительному члену РАЕН, проф. Михайлову H.H., который был идейным вдохновителем и постоянным наставником данной работы. Автор выражает глубокую признательность зам. директора по научной работе проф. Максимову В.М. за поддержку работы. Автор также признателен ведущим специалистам ИПНГ РАН докторам технических наук С.Н.Закирову, Э.С.Закирову, А.М.Свалову, В.А.Черных за ценные замечания, сделанные на этапе апробации работы.

Содержание работы

Во введении показана актуальность, цели, взаимосвязь с предыдущими исследованиями, новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ механизмов защемления фаз (нефть, вода). Даются виды остаточного нефтенасыщения (ОН) разрабатываемых пластов. Показана роль капиллярного защемления в формировании остаточных водо- и нефтенасыщения. На основе анализа литературных данных показано, что капиллярно защемленная нефте- и водонасыщенность является важной составляющей частью остаточных (неподвижных) насыщенностей.

Эксперименты по изучению КЗФ проводились многими зарубежными и отечественными исследователями. В качестве варьируемых параметров рассматривались соотношение гидродинамического и капиллярного перепада давлений, характеризуемого в зарубежной литературе числом капиллярности (Nc), в отечественной - параметрами подобия Эфроса.

За рубежом соответствующие исследования проведены следующими авторами: М. Леверетт (1939), Е. Оджеда (1953), Т. Мур и Р. Слобод (1956), О. Вагнер и Р. Лич (1966), Дж. Гэйбер (1969), В. Фостер (1973), Е. Лефебр дю Прей (1973), Д. Эрлих, X. Ха-сиба, П. Раймонди (1974), А. Абраме (1975), Ф. Дульен (1976), С Гупта и С. Трушенский (1978), Дж. Батицкий и Ф. Маккаффери (1978), Б. Сонкран (1979), Дж. Амафьюл (1982), И. Чадзис и Н. Морроу (1984). В дальнейшем эти исследования развивали и детализиро-

вали многие зарубежные экспериментаторы. В Советском Союзе и России специальные исследования капиллярно - защемленных фаз проводились в ограниченном объёме -попутно с изучением нефтеотдачи и коэффициентов вытеснения. Такие исследования выполнены М.Т.Абасовым, В.С.Афанасьевым, А.Г.Бабаляном, В.М.Березикьгм, Ш.К.Гиматудиновым, А.Т.Горбуновым, В.Б.Губановым А.Е. Евгеньевым, А.Г.Ковалевым, А.М.Кузнецовым, С.А.Кундиным, В.Н.Мартосом, И.Л.Мархасиным, А.А.Мацем, В.Г.Огаджанянцем, М.М. Саттаровым, Н.Д.Таировым, А.Л.Хавкиным, Д.А.Эфросом и др. исследователями.

Н.Н. Михайлов (1983 г.) обобщил имеющиеся экспериментальные данные и обосновал механизмы и закономерности капиллярного защемления.

По существующим представлениям, механизмы образования и вытеснения капиллярно защемлённых фаз зависят от проявления перепадов капиллярных (ДРК) и гидродинамических (ДРГ) сил. При условии ДРК >>ДРГ характер распределения фаз полностью определяется капиллярными силами. Под действием капиллярного давления смачивающая фаза (вода) внедряется в микропоры и опережает прохождение несмачиваю-щей фазы (нефти). Нефть остается в макропорах частично в виде капиллярно-защемленной ОН, частично в адсорбированном виде. Это капиллярный режим вытеснения, и в данном режиме формируются максимальные значения КЗФ. При увеличении градиента гидродинамического давления может происходить прорыв смачивающей фазы по микропорам и защемление определенного количества нефти в порах большого диаметра. В то же время в некоторой части наиболее крупных пор гидродинамического перепада оказывается достаточно для проталкивания защемленной фазы и вовлечения ее в общий фильтрационный поток. Такой режим вытеснения и образования капиллярно-защемленной фазы является капиллярно-напориым. Здесь характер распределения фаз определяется действием как капиллярных, так и гидродинамических сил. По мере роста ДРгвсе большая доля пор охватывается гидродинамическим вытеснением и объем капиллярно-защемленной нефти уменьшается. При некотором критическом градиенте давления систему фильтрующих поровых каналов начинает предопределять только ДРГ. Условия для защемления отсутствуют, и ОН соответствует условиям автомодель-ности Д.А.Эфроса. Это автомодельный режим вытеснения и при нем формируются минимальные значения защемленной насыщенности.

Проведённый в диссертации анализ разрозненных экспериментальных данных показал, что подавляющая часть экспериментов направлена на изучение зависимости ОН от капиллярного числа и на аналогичные эксперименты по зависимости нефтеотдачи (коэффициентов вытеснения) от скорости. Имеющиеся эксперименты выполнены либо на искусственных насыпных моделях, либо на однородных базовых песчаниках типа песчаника ВЕЮА. Эксперименты осуществлены на экстрагированных чисто гидрофильных образцах.

Исследования закономерностей фильтрации при капиллярном защемлении, значений проницаемости при наличии защемлённых фаз и исследование капиллярно-защемлённой водонасыщенности практически не проводились.

Соответственно для комплексного исследования фильтрации капиллярно-защемлённых фаз в сложнопостроенных коллекторах с различным типом смачивания необходима модернизация существующих методик для изучения влияния подвижности капиллярно-защемленных фаз на выше обозначенные закономерности и проведение специальных экспериментальных исследований.

Во второй главе разрабатывается методика экспериментов, позволяющая изучать особенности фильтрации капиллярно-защемленных фаз. Для этого выполнен анализ существующих методик проведения экспериментов по фильтрации флюидов через образцы породы, приведены общие схемы экспериментальных установок, описаны основные требования к их узлам и агрегатам, базирующиеся на действующих отраслевых стандартах.

Показано, что при стандартных экспериментах по двухфазной фильтрации значения остаточных (неподвижных) нефте- и водонасыщенностей принимают постоянными и они отождествляются с прочно связанным постоянным насыщением. Опыты проводятся при фиксированных скоростях фильтрации и на экстрагированных, чисто гидрофильных образцах. Такая методика не позволяет исследовать закономерности фильтрации капиллярно-защемлённых фаз, ибо значения коэффициентов остаточного насыщения изначально принимаются неизменными.

В работе обосновывается усовершенствованная методика проведения экспериментов, которая расширяет диапазон скоростей фильтрации, изменение типа смачиваемости, изменение типа фильтрующихся и защемленных фаз. Дается подробное описание используемой экспериментальной установки. Описываются устройство и работа уста-

новки, приводится принципиальная пневмогидравлическая ее схема, характеризуется работа и назначение составных узлов, их параметры, отличие от существующих стендов, ее преимущества, а также проведенная модернизация с целью подключения к компьютеру (см. рис.1).

Предлагаемая методика включает следующие эксперименты:

1. Насыщение керна или керновой колонки моделью пластовой воды с определением проницаемости по воде при 100% водонасыщенности. Эксперименты проводятся при условиях, максимально приближенных к пластовым.

2. Вытеснение воды моделью нефти в широком диапазоне скоростей фильтрации с фиксацией перепадов давления на образце, определением значений проницаемостей, остаточной водонасыщенности, времени выхода на стационарный режим течения.

3. Вытеснение модели нефти моделью пластовой воды при разных скоростях фильтрации с определением перепадов давления на образце, остаточной нефтенасыщен-ности, фазовых проницаемостей при остаточном насыщении, времени выхода на стационарный режим течения.

4. Вытеснение высоковязкой нефти водогазовой смесью при различной скорости с целью увеличения коэффициента вытеснения за счет снижения остаточной нефтена-сыщенности.

5. Экстракция образцов керна от адсорбированных компонентов. После экстракции керны подвергаются изотермической сушке.

6. Эксперименты по пунктам 1-4 повторяются на экстрагированных образцах керна. Это сопоставительный цикл исследований, характерный для традиционных экспериментов.

Специфика предложенной методики, отличающей ее от стандартной, является:

- возможность вариации скоростями фильтрации от минимальных (близких к скорости пропитки) до максимальных, характерных для околоскважинной части пласта;

- возможность сравнительных экспериментов на природно гидрофобизованных и чисто гидрофильных образцах;

- возможность изучать динамику защемления для различного типа капиллярно-защемленных фаз и различного типа непрерывно фильтрующихся фаз.

Дф1 ДФ2

КВД

М(1,..,5) - манометры, Дф(1,2) - дифманометры, Б - бак с касторовым маслом, НВД - насос высокого давления, КВД - камера высокого давления, Вн(1,..14)-вентили сдвоенные, Д(1,2,3)-дозаторы, Фс-фильтр-смеситель, С(1,2) - смесители, Е(1,2) - емкости, Б(1,2,3) - баллоны с жидкостью или газом, Кл(1,2,3) - клапаны.______

Рис. I. Принципиальная пневмогидравлическая схема установки для изучения процессов многофазного вытеснения

В заключение главы даются алгоритмы ввода экспериментальной установки в эксплуатацию, отладки работы установки, проведения тестовых экспериментов. Подготовка к экспериментам, ввод стенда в работу - ответственный и трудоемкий процесс и требует особого внимания.

Третья глава посвящена экспериментальному изучению закономерностей фильтрации при наличии защемленных фаз. В экспериментах использовались составные модели, включающие следующие группы образцов.

Самотлорская группа представляла собой три цилиндра диаметром по 30 мм терригенного коллектора. Общая длина составного образца равнялась 99,6 мм, его пористость - 0,23. Суммарный геометрический объем образца получился равным 70,37 см3, объем пор - 15,996 см3. Характеристика другой группы образцов Тимано-Печорской провинции дана в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика образцов Тимано-Печорской провинции

Номер образца Интервал глубин, м Открытая пористость, % Объемная плотность, г/см3 Кажущ. минер. плотность, г/см3 Газопроницаемость, мД

147 2109,942114,07 6,99 2,51 2,70 0.17

69 1836,212187,89 15,30 2,29 2,71 10

220 3396,833401,83 1,69 2,79 2,84 22.5

221 3396,833401,83 4,26 2,74 2,86 160

Фильтрация при вытеснении воды нефтью

Соответствующие исследования сделаны для обеих групп образцов. Первая группа образцов (Самотлорское месторождение) предварительно была насыщена моделью пластовой воды с концентрацией хлористого натрия 15,75 гр. на литр дистиллированной воды, характерной для месторождения. Образцы не экстрагировались и содержали в порах прочносвязанную нефть и воду. Эксперименты по вытеснению проведены с использованием модели нефти (керосин). Использование керосина позволило в явном виде изучать капиллярно-защемленное нефтенасыщение без влияния изменения характера смачиваемости под воздействием полярных компонентов природных нефтей.

В ходе этих экспериментов выявлено, что действующий перепад давления на образце не является линейной функцией от скорости течения (фильтрации) керосина. Зависимость имеет явно нелинейный характер (рис.2, зависимость «а»). При увеличении скорости течения керосина происходит отклонение рассматриваемой зависимости к оси абсцисс.

По окончании соответствующего эксперимента, составной образец извлекался из кернодержателя и подвергался экстрагированию. После экстракции эксперимент повторялся на тех же образцах. Условия эксперимента остаются неизменные. Полученные результаты приведены на рис.2 в виде зависимости «б». Хоть и в меньшей степени, но нелинейный эффект имеет место. Перепад давления с увеличением скорости течения керосина по-прежнему отклоняется в сторону оси абсцисс. При этом просматривается заметное влияние процесса экстракции на исследуемую зависимость.

Вторая группа образцов также была подвергнута аналогичным исследованиям. Предварительно все образцы были насыщены пластовой водой. Соленость пластовой воды для этих образцов (примерно 200 грамм/литр дистиллированной воды) соответствует реальным условиям залегания. Эксперименты проводились согласно схеме, описанной во второй главе. Как показали исследования, при вытеснении воды моделью нефти нелинейность закона фильтрации также имеет место (зависимость «в» на рис.2).

Зависимость «в» показывает, что характер отклонения от линейности в сторону оси абсцисс, аналогичен Самотлорским образцам.

Фильтрация при вытеснснин нефти водой

Для выявления закономерности фильтрации при вытеснении модели нефти водой выполнена другая серия экспериментов. Рассматриваемые эксперименты проведены и для образцов второй группы (Тимано-Печорская провинция). Образцы до начала эксперимента были насыщены одновременно двумя фазами. А именно: начальной нефтена-сыщенностью при присутствии остаточной воды, полученной в ходе выполнения выше описанных экспериментов. Эксперименты проведены при условиях, аналогичных предыдущим по давлению и температуре для исследуемой группы образцов. Оказалось, что при вытеснении несмачивающей фазы смачивающей из карбонатных образцов выявленный эффект также наблюдается (зависимость «г» на рис 2).

Однако здесь нелинейность выражена ярче и её проявление наступает при меньших значениях скорости фильтрации.

60

50

га

С

х 40

га 30

с

0)

о. 20

и

с

10

0

Перепад давления в зависимости отскорости фильтрации

у = -31Д27х*+~Ш35х^51.в9'8 2 режим;_____________

у = -4.4898Х1 + 28.036Х - 13.745

2 оежиим ,

—* -----------

1у_=-=5.£26х1 ± Л5.95ах_+ .1.2214....._

' 2 режиим У = 3.34931.п(х) + 2.1851

-в

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Расход , ммЗЛек х [(ХД1574) мЗ/:ут]

Рис. 2. Зависимости объемной скорости фильтрации подвижной фазы от перепада давления: а) (модель нефти) при наличии защемленной фазы (воды); б) при наличии защемленной фазы (вытеснение воды нефтью); в) при наличии капиллярно-защемленной воды; г) при наличии капиллярно-защемленной нефти

В следующем разделе рассматриваются закономерности изменения количества защемленной фазы при увеличении действующего градиента давления в непрерывной фазе.

Остаточная водонасыщенность при вытеснении воды нефтью

Эксперименты по определению остаточных насыщенностей проводились аналогично с вышеописанными экспериментами по определению влияния перепада давления на скорость фильтрации на образце. Конструкция экспериментального стенда позволяет это делать.

При наступлении стационарного режима для минимального перепада давления производилась оценка насыщенности по балансу закаченной и вышедшей жидкости. После этого осуществлялся переход на большую скорость течения, и так далее.

В результате проведенных исследований установлено, что защемленная остаточная водонасыщенность при широком диапазоне скоростей фильтрации не является константой. Она зависит от скорости течения (фильтрации) керосина. При переходе на большую скорость происходит довытеснение защемленной воды. Зависимость остаточной водонасьцценности от скорости имеет нелинейный характер. При дальнейшем увеличении скорости вытеснения зависимость постепенно выполаживается, что свидетельствует об изменении характера защемления.

Зависимость остаточной водонасыщенности для Самотлорских образцов от скорости течения керосина приведена на рис.3 в виде зависимости «а».

Остаточная водонасыщенность в зависимости от скорости фильтрации

1 1.5 2 2.5 3 35 4 Расход , ммЗ/сек х [(1/11574)мЗ/сут]

Рис. 3. Зависимости капиллярно-защемленной водонасыщенности от объемной скорости фильтрации модели нефти: а) неэкстрагированные керны Самотлорского месторождения; б) экстрагированные керны Самотлорского месторождения; в) неэкстрагированные керны Тимано-Печорской провинции

После проведения экстракции на этой же группе образцов проведены повторные эксперименты по определению изменения остаточной водонасыщенности. После экстракции происходит большее довытеснение остаточной воды при той же скорости фильтрации (зависимость «б» на рис.3).

Кроме того, эксперименты выполнены и со второй группой образцов. Динамика остаточной водонасыщенности для модели, состоящей из второй группы образцов приведена на рис.3 (зависимость «в»). Исследования проведены на неэкстрагированных кернах. В этом случае эффект снижения тоже имеет место.

Как видно из зависимости «в» на рис.3, Тимано-Печерская группа образцов характеризуется более высокой остаточной водонасыщенностью при фиксированных значениях скорости фильтрации. Данное обстоятельство для этой группы образцов независимо подтверждено на основе капилляриметрии.

Остаточная нефтенасыщенность при вытеснение нефти водой

На образцах второй группы выполнены эксперименты по вытеснению нефти водой непосредственно после эксперимента по изучению изменений остаточной водона-сыщенности. Для этого было смоделировано состояние начальной нефтенасыщенности. Затем реализованы эксперименты по достижению остаточной нефтенасыщенности путем вытеснения нефти водой, начиная с самой малой скорости фильтрации воды.

Как видно из рис.4, довытеснение остаточной нефти при увеличении скорости имеет место, хотя и не так сильно, как в случае с остаточной водонасыщенностью. Это можно объяснить сложной структурой карбонатного коллектора изучаемой группы образцов, и их малой пористостью и проницаемостью (табл.1).

Согласно рис.4, видно, что эти образцы характеризуются еще и высокой остаточной нефтенасыщенностью.

На этом исследования данного цикла были завершены, а образцы извлечены из кернодержателя и подвергнуты экстракции для последующих экспериментов.

Остаточная нефтенасыщенность в зависимости от

1 скорости фильтрации

! - Расход , ммЗ/сек х [(1/11574)мЗ/сут]

Рис. 4. Зависимость защемленной нефтенасыщенности от объемной скорости фильтрации воды

Кинетика защемления при вытеснении воды нефтью

В процессе проведения экспериментов выявлено, что при смене режима фильтрации (увеличение скорости фильтрации непрерывной фазы) очередное стационарное состояние достигается не мгновенно, а через некоторое время. Таким образом, изменения количества защемленной фазы при смене условий фильтрации характеризуются опреде-

ленной кинетикой. Закономерности кинетики защемления важны для адекватного моделирования изучаемых процессов. Насколько известно автору, соответствующие исследования ранее не проводились, поэтому в работе исследована кинетика защемления фаз. В экспериментах определялось время выхода на новый стационарный режим течения в зависимости от значений изменения перепада давления.

Эти эксперименты проводились дополнительно к экспериментам по определению влияния градиентов давления на коэффициенты остаточной водонасыщенности. Исследования по вытеснению воды моделью нефти проведены для двух описанных выше групп образцов.

В ходе экспериментов установлено, что время выхода на стационарный режим течения может достигать нескольких часов. Данный факт отмечали ранее многие экспериментальные группы. Однако количественного анализа кинетики не проводилось. Поэтому намеченные эксперименты были направлены на определение времени выхода на стационарный режим при изменении количества защемленной фазы. Кроме того, представляло интерес изменение этого промежутка времени при следующем увеличении скорости течения, до достижения нового стационарного режима.

Данные о зависимости времени выхода на новые стационарные состояния при изменении перепада давления приведены на рис.5. Здесь зависимость «а» соответствует Самотлорской группе образцов. Зависимость «б» на рис.5 характеризует исследуемую закономерность для второй группы образцов (Тимано-Печора).

Зависимости «а» и «б» для обеих групп образцов имеют схожую тенденцию -уменьшение времени выхода на следующий стационарный режим при очередном увеличении скорости. Или, что тоже самое - при очередном увеличении перепада давления. Однако поведение этих зависимостей отличается.

Так, в случае первой группы образцов (рис.5а) заметно сильное уменьшение времени выхода на второй стационарный режим после первого. В случае же второй группы (рис.5б) соответствующее уменьшение не настолько заметно. Главное состоит в том, что время наступления стационарного режима действительно может достигать многих часов. Данное обстоятельство целесообразно учитывать при гидродинамических расчётах и планировании фильтрационных экспериментов по вытеснению воды нефтью для моделирования начального нефтенасыщения.

Кинетика защемления при вытеснении нефти водой

Эксперименты по изучению кинетики защемления выполнены и при вытеснении нефти водой дополнительно к экспериментам по определению зависимостей остаточных насыщенностей от градиентов давления. Данные исследования осуществлены на второй группе образцов (Тимано-Печора). Исследовалось время выхода на стационарные режимы и его изменения при последовательном увеличении градиента давления.

Экспериментальные данные о времени выхода на стационарные режимы для этой группы образцов приведены в виде зависимости «в» на рис.5.

Отсюда можно сделать вывод, что уменьшение времени выхода на следующие стационарные режимы имеет место и при вытеснении модели нефти водой. Если сравнить образцы Тимано-Печорской группы при вытеснении воды нефтью (зависимость «б» на рис.5) и при вытеснении нефти водой (зависимость «в» на рис.5), то видно, что во втором случае времена выхода на стационарный режим увеличились. Такое поведение объясняется спецификой внутрипоровой структуры защемления - вода защемляется в самых мелких капиллярах, нефть в порах крупного размера.

Периоды наступления стационарных режимов

3 _

г-

10000 20000 30000 40000 В ремя, сек

50000

60000

Рис. 5. Зависимости времени выхода на стационарный режим течения, а) Вытеснение воды нефтью. Керны Самотлорского месторождения; б) Вытеснение воды нефтью. Керны Тимано-Печорской провинции; в) Вытеснение нефти водой. Керны Тимано-Печорской провинции. Цифры на графиках соответствуют ступеням увеличения перепада давления

Четвертая глава посвящена исследованию влияния капиллярного защемления на эффективность вытеснения нефти водой и воды нефтью. Существующие стандарты

определения коэффициентов вытеснения эти эффекты не учитывают. То есть считается, что ОН и коэффициенты вытеснения соответствуют фиксированным скоростям фильтрации и имеют постоянные значения. Такой подход не учитывает влияния эффектов защемления на степень вытеснения. Соответственно необходимо изучение влияния градиентов давления на коэффициенты вытеснения нефти водой и воды нефтью.

Влияние эффектов защемления на степень вытеснения воды нефтью Вначале коэффициенты вытеснения определялись на керне до его экстракции. Из зависимости «а» на рис.6 видно, что скорости фильтрации модели нефти влияют на коэффициент вытеснения воды нефтью.

После проведения первой серии экспериментов с Самотлорскими образцами они были подвергнуты процедуре экстрагирования. Сделаны аналогичные эксперименты с чистыми экстрагированными образцами. Соответствующая зависимость «б» на рис.6 характеризует изменения коэффициента вытеснения воды нефтью от скорости фильтрации модели нефти. Как и в первом случае, имеется зависимость коэффициента вытеснения воды нефтью от скорости фильтрации модели нефти.

Зависимость «в» на рис.6 характеризует влияние скорости фильтрации нефти на зависимость для другой группы образцов (карбонатный'коллектор) коэффициента вытеснения воды моделью нефти. В этом случае также имеется сильная зависимость коэффициента вытеснения воды нефтью от скорости фильтрации модели нефти: Влияние эффектов защемления на степень вытеснения нефти водой Зависимость коэффициента вытеснения модели нефти водой от скорости фильтрации воды характеризуется прямой «г» на рис.6. В этом случае эксперименты выполнены для карбонатных образцов до их экстракции.

В выполненных экспериментах, в отличие от стандартного подхода, при нахождении искомых зависимостей учтены подвижности всех капиллярно-защемленных фаз.

Следующий раздел работы посвящен исследованиям влияния капиллярно защемлённых фаз на проницаемость по фильтрующейся фазе.

Проницаемость по нефти в присутствии капиллярно-защемлённой воды На рис.7а,б приводится характер изменения проницаемости (зависимость от перепада давления) в присутствии защемленных фаз (при вытеснении воды нефтью). Отсюда видно, что проницаемость по нефти не является постоянной величиной, а зависит

от перепада давления па образце при наличии капиллярно-защемленной воды. Соответ' ствующая зависимость является нелинейной.

Коэффициент вытеснения в зависимости от скорости фильтрации

0.5 1 15 1 2.5 3 3.5 4

Расход ( ммЗ^ек х [(1Д1574)мЗ/:ут]

Рис. 6. Зависимости коэффициента вытеснения от объемной скорости фильтрации: а) вытеснение воды моделью нефти, Самотлорские образцы, до экстракции; б) вытеснение воды моделью нефти, Самотлорские образцы, после экстракции; в) вытеснение воды моделью нефти, Тимано-Печорские образцы, до экстракции; г) вытеснение модели нефти водой, Тимано-Печорские образцы, до экстракции

На рис.7б дается аналогичная зависимость проницаемости по нефти в присутствии защемленной воды после экстракции. Как видно из рис.7 (а и б) для той же группы исследуемых образцов после проведения экстракции наблюдается существенный рост нефтепроницаемости.

Фазовая проницаемость

0.03

О 2 4 6 8 10 12 14

Перепад давления, кПа

Рис. 7. Фазовые проницаемости по нефти, керны Самотлорского месторождения: а) до экстракции; б) после экстракции

Эксперимент со второй группой образцов показал что зависимость проницаемости по нефти от перепада давления при наличии защемленной воды носит сложный кусочно-нелинейный характер (рис.8а), при этом можно выделить два режима защемления, разделяемые критическими значениями перепада давления.

Проницаемость по воде в присутствии капиллярно - защемленной нефти

На рис.8б представлено изменение проницаемости по воде в присутствии защемленной нефти. Проницаемость по воде также сложным образом зависит от перепада давления и демонстрирует два режима защемления, разделяемые критическими значениями перепада.

Из сравнения рис.8 а и б видно, что критические значения перепада по нефтепро-ницаемости кратно ниже, чем значения критического перепада по водопроницаемости. Это указывает на различие подвижностей несмачивающей и смачивающей капиллярно -защемленных фаз в условиях природной смачиваемости.

Фазовая проницаемость

0.005

£ 0.004

и

о

5 гч 0.003 о 5 10 а

5 0.002

х

° 0.001 с

о

>

«г 6

в—

0 10 20 30 40 50 60

Перепад давления, кПа

Рис. 8. Тимано-Печорская группа образцов до экстракции:

а) проницаемость по нефти; б) проницаемость по воде

Третий раздел данной главы посвящен оценкам возможностей доизвлечения капиллярно-защемленной остаточной нефти на основе водогазового воздействия. При оценке эффективности водогазового воздействия обычно используют значения коэффициента вытеснения. Однако, учитывая возможную подвижность как защемленной остаточной нефти, так и защемленной остаточной воды, в экспериментах изучалось уменьшение значений насыщенности целевого флюида - капиллярно защемлённой нефтена-

сыщенности. Экспериментальный базовый стенд был существенно модернизирован и адаптирован для проведения экспериментов по трехфазной фильтрации.

Очевидно, что в экспериментах по водогазовому воздействию важен вопрос об используемой модели нефти. В соответствии с общепринятой практикой в лабораторных условиях для достижения требуемой вязкости поверхностную дегазированную нефть разбавляют керосином. Для выяснения особенностей разбавления нефти керосином проведены специальные исследования. В результате получена зависимость вязкости смеси нефти и керосина от количества добавленного керосина.

В пятом пункте приводятся данные о месторождении и об образцах, используемых в этих экспериментах, а также описываются особенности методики проведения данной серии экспериментов.

В шестом пункте даны основные результаты проведенных экспериментов по водогазовому воздействию. В табл. 2 приведены зависимости значений капиллярно защемлённой остаточной нефтенасыщенности от газосодержания закачиваемой смеси для каждой группы образцов, используемых в экспериментах. Для образцов Бобриковского пласта использовалась нефть более высокой вязкости.

Таблица 2. Зависимость остаточной нефтенасыщенности от газосодержания

Пласт Тульский 2а Пласт Тульский 26 Пласт Бобриковский

Газосодер Защемлен. Газосодер Защемлен. Газосодер Защемлен.

жание, % нефте- жание, % нефте- жание, % нефте-

нас-ть, % нас-ть, % нас-ть, %

0 51 0 46 0 55

6 43 29 42 27 53

Результаты экспериментов по водогазовому воздействию представлены на рис.9.

Приведенные результаты экспериментов наглядно демонстрируют эффекты до-извлечения капиллярно-защемленной остаточной нефти посредством технологии водо-газового воздействия.

Начало подачи газа

4 0.55

01 х

0.4

О

2

4

6

п*\/пор

8

10

12

Рис. 9. Зависимости нефтенасыщенности от объемов прокачки флюидов, сначала вода с ПАВом без газа, пока не прекратилась фильтрация нефти, после чего в смесь был добавлен газ: а) пласт Тульский 2а; б) пласт Тульский 26; в) пласт Бобриков-ский

1. Показано, что фильтрация флюидов при наличии защемленных фаз контролируется насыщенностью защемленной фазы и смачиваемостью породы. В общем случае зависимость объемной скорости фильтрации от градиента давления при наличии защемленной фазы является нелинейной.

2. Остаточные капиллярно-защемленные водо- и нефтенасыщенности не являются константами, а зависят от скоростей фильтраций. При переходе на большую скорость происходит довытеснение защемленных фаз; зависимости насыщенности от градиента давления имеют нелинейный характер. На вид этих зависимостей оказывает влияние смачиваемость породы.

3. Эксперименты показали, что при наличии защемлённых фаз времена (периоды) выхода на новый стационарный режим течения подвижной фазы уменьшаются с увеличением скорости фильтрации и зависят от типа коллектора.

4. Показано, что в случае двухфазного вытеснения (водогазовое воздействие) имеет место явное уменьшение капиллярно защемлённой остаточной нефтенасыщенности, в том числе высоковязкой нефти по сравнению со случаем вытеснения нефти водой или водой с ПАВом.

5. Исследования влияния подвижности защемлённых фаз на фазовые проницаемости по непрерывной фазе и коэффициенты вытеснения показали, что:

Основные выводы и результаты работы

- проницаемость rio фильтрующейся фазе при наличии защемленных фаз не является постоянной, а увеличивается с увеличением перепада давления;

- на зависимость проницаемости от перепада давления оказывает влияние смачиваемость коллектора;

- коэффициенты вытеснения нефти водой и воды нефтью растут при росте скорости вытеснения воды и нефти;

- изменения коэффициентов вытеснения обусловлены изменением насыщенно-стей капиллярно-защемленных фаз при росте скорости вытеснения; эффективность вытеснения контролируется уменьшением капиллярно-защемлённой остаточной нефтена-сыщенностью;

- на зависимости коэффициентов вытеснения от скорости вытеснения оказывает влияние смачиваемость пласта и тип коллектора.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Чумиков Р.И. Установка для экспериментальных исследований особенностей вытеснения флюидов на образцах керна в условиях, приближенных к пластовым. - Научно-техническое приложение «Нефть, газ и бизнес», № 1, 2004, с. 60-63.

2. Михайлов H.H., Чумиков Р.И. Экспериментальные исследования закономерностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз. - Нефтяное хозяйство, № 2, 2010, с.74-76.

3. Михайлов H.H., Чумиков Р.И. Влияние капиллярно-защемленных фаз на проницаемость коллекторов по непрерывной фазе. - Бурение и нефть, № 7-8,2009, с.27-28.

4. Михайлов H.H., Чумиков Р.И. Экспериментальные исследования подвижности капиллярно-защемленных фаз. - Вестник ЦКР РОСНЕДРА, № 5, 2009, с.42-48.

5. Михайлов H.H., Чумиков Р.И. Экспериментальные исследования закономерностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз. - Материалы 2 Международного симпозиума «Теория и практика применения методов увеличения нефтеотдачи пластов», г.Москва, 15-16 сентября 2009 г., с.86-90.

6. Чумиков Р.И. Экспериментальные исследования особенностей вытеснения флюидов на керновом материале в условиях, приближенных к пластовым. - Тезисы докладов конференции «Молодежная наука - нефтегазовому комплексу», г.Москва, 30-31 марта 2004 г., с.45.

7. Чумиков Р.И. Экспериментальные исследования фильтрации защемленной фазы. - Труды XLVLI1I научной конференции МФТИ, 25-26 ноября 2005 г., с.51-52.

8. Чумиков Р.И. Стенд для экспериментального исследования динамики вытеснения флюидов на образцах керна в условиях, приближенных к пластовым. - Материалы международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья», г.Москва, 24-26 ноября 2004 г., с. 127.

9. Чумиков Р.И., Михайлов H.H. Экспериментальные исследования фильтрации защемленной фазы при условиях, максимально приближенных к пластовым. - Тезисы докладов Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности», г.Москва, 24-26 апреля 2007 г., с.161.

10. Чумиков Р.И. Экспериментальные исследования фильтрации защемленной фазы. - Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», г.Москва, 29-30 января 2007 г., с.169-171.

Соискатель ' Чумиков Р.И.

Подписано в печать:

23.12.2010

Заказ № 4758 Тираж -110 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Чумиков, Роман Игоревич

Введение.

Глава 1 Существующие представления о механизмах защемления фаз.

1. Виды остаточного нефтенасыщения разрабатываемых пластов.

2. Обзор существующих экспериментов.

Глава 2 Разработка методики исследования фильтрации защемленных фаз.

1. Требования к проведению экспериментов.

2. Установка.J.

3. Методика подготовки керна, флюидов, тестовые эксперименты.

Глава 3 Экспериментальное изучение закона фильтрации защемленных фаз

1. Выявление зависимости скорости фильтрации подвижной фазы от градиента давления при наличии защемленной фазы

2. Изучение количества защемленной фазы от действующего градиента. Расчет остаточных водо/нефтенасыщенностей.

3. Исследование кинетики защемления фаз. Определение времени выхода на новый стационарный режим течения, снятие графика зависимости времени от номера ступеньки.:.

Глава 4 Исследование влияния капиллярного защемления на эффективность вытеснения нефти водой и воды нефтью .;.

1. Влияние градиентов давления на коэффициенты вытеснения нефти водой и воды нефтью.

2. Исследования закономерностей проницаемости по непрерывной фазе при капиллярном защемлении.¿^.

3. Исследование влияния эффективности вытеснения защемленных фаз при реализации водогазового воздействия.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальные исследования особенностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз"

Актуальность работы.

В настоящее время при проектировании и анализе разработки месторождений для создания новых технологий и совершенствования существующих необходимо использовать надежные данные об эффективности вытеснения углеводородов в пластовых условиях. По существующим стандартам для этой цели используются:

1). Функции относительных фазовых проницаемостей.

2). Коэффициенты вытеснения нефти водой и другими флюидами.

3). Остаточные насыщенности (какой-либо фазой).

Эти параметры определяются в лабораториях на керновом материале при фиксированных пластовых условиях, то есть при постоянных давлениях и температурах, а также при постоянстве свойств нефти и вытесняющего агента. В то же время опыт разработки свидетельствует о существенных изменениях термобарических условий при разработке месторождений. Так наряду с изменениями температуры и давления меняется состав и свойства нефти, состав и свойства вытесняющих агентов (вода, химические реагенты и т.д.). Поэтому представляет научно-практический интерес исследования изменения этих параметров в зависимости от изменения давления и температуры и их влияние на эффективность вытеснения. Для решения этих задач предполагается использовать установку трехфазной фильтрации. Установка предназначена для изучения фазовой проницаемости, коэффициента вытеснения, остаточной насыщенности нефтегазового пласта посредством фильтрации через них смеси нефти, газа и воды в условиях давления и температуры, близких к естественным. Принцип исследования трехфазной фильтрации состоит в моделировании совместного течения воды, нефти и газа через образец породы, на котором моделируются пластовые условия — горное и пластовое давление и температура. В процессе фильтрации обеспечивается измерение параметров каждой фазы: давления, расхода, температуры и перепада давления при совместном течении в образце (перепад давления в каждой фазе от 0 до 6.3 атмосфер), а также удельного электрического сопротивления образца (для расчета насыщенности). Кроме того, установка позволяет использовать агрессивные (например, щелочные) среды, а также проводить исследования в циклическом режиме. В первую очередь представляет интерес определение фазовых проницаемостей и функций относительных фазовых проницаемостей (ФОФП). Понятие ФОФП относится к числу фундаментальных в современной подземной; гидромеханике: Без них невозможно моделирование фильтрационных процессов , при проектировании • разработки месторождений углеводородного сырья; ФОФП лежат, в основе методик подсчета запасов, коэффициента нефтеотдачи; технологических показателей;; разработки: месторождений углеводородного сырья. Применение приближенных к пластовым условиям ФОФП; позволит воссоздать ~ более точную картину фильтрационных процессовшри том или ином способе разработки месторождения.

Известно, что закономерности двухфазной фильтрации определяют эффективность вытеснения; нефти: водой. Они влияют на качество проектирования и достоверность анализа разработки месторождений. Экспериментальные исследования. двухфазной- фильтрации проводятся в течение нескольких десятилетий многими исследователями. Функции» относительных фазовых проницаемостей; (ОФП) и коэффициентов вытеснения, стандартизированы, и входят в обязательный: перечень параметров проектирования разработки; Однако существующие стандарты и методики« предполагают наличие двухфазной фильтрации лишь в диапазоне от остаточной; (неподвижной) водонасыщенности до максимально возможной водонасыщеннности, определяемой неподвижной (остаточной) нефтенасыщенностью. • , Сами же значения . неподвижных насыщенностей считаются неизменными величинами, зависящими от свойств изучаемых пластов. Такой подход не учитывает явлений капиллярного защемления. Капиллярно - защемленная нефте и водонасьпценность является составной частью неподвижных (остаточных) фаз.

При двухфазной фильтрации в процессе вытеснения одной фазы другой; под действием * капиллярных сил происходит защемление фаз. Непрерывная фаза дробится и блокируется этими силами в виде .разветвленных капель (ганглий): Капиллярно-защемленные фазы (КЗФ) демонстрируют двоякую природу. С одной; стороны, при: неизменных условиях фильтрации они являются «неподвижными» (остаточными).С другой стороны, при изменении сложившихся условий фильтрации эти фазы могут приобретать подвижность и; вовлекаться в фильтрационный процесс. Подвижность защемленных фаз контролируется, проявлением капиллярных и напорных (гидродинамических) сил в масштабах, соизмеримых с размерами капель защемленной фазы. Проявления капиллярных и напорных сил зависят от геометрических особенностей; внутрипоровых пластовых систем; характера смачиваемости,. эффектов ' межфазного. взаимодействия, градиентов давлений, вязкости- вытесняемой: и вытесняющей фаз ; и, других параметров; Специфическая .подвижность./защемленных.фаз очевидно может обуславливать особые условия;их фильтрации. Капиллярное защемление-может оказывать влияние на: важнейшие характеристики двухфазной, фильтрации: — функции относительных фазовых проницаемостей (ОФП) капиллярного- давления (КД). Значение защемленной насыщенности контролирует величины коэффициентов вытеснения; эффективной и динамическойпористости.

Несмотря наважное.значение явлений капиллярного защемления до настоящего времени комплексных экспериментальных исследований фильтрации:, капиллярно-защемленных фаз: не проводилось. Поэтому выполнение таких исследований позволит уточнить влияние защемленных фаз на характеристики двухфазной фильтрации. Это, по мнению автора, и определяет актуальность-выбранной темы диссертационной работы.

Цель работы. .■"'.••'••

Экспериментальное определение, закономерностей: фильтрации капиллярно-защемленных. фаз (нефть,, вода) в микронеоднородных сложнопостроенных коллекторах с различш,ш типом смачиваемости., . ' Объект исследования.

Терригенный и карбонатный ксрновый материал, характеризующийся сложным микростроением и различным характером смачиваемос ти. Основные задачи исследований. . .

1. Дать, анализ существующих представлений о капиллярно-защемленных: фазах, определить факторы,, влияющие на защемление, оценить возможности стандартных методик экспериментального исследования для изучения фильтрации защемленных фаз. .

2. Дать экспериментальное и теоретическое обоснование методики определения параметров; фильтрации защемленных фаз (остаточные насыщенности- скорости: фильтрации, фазовые проницаемости) на кернах в широком диапазоне изменения: скоростей фильтрации:

3. Разработать техническое ' и информационное обеспечение проведения: экспериментальных исследований на кернах.

4. Выявить:. ' ;■ . " . , \ : -' • Закономерности фильтрации подвиэюных фаз при наличии защемленных;,

• ; Характер подвижности защемленных фаз; л • Динамику изменения насыщенности защемленной, фазы в процессе ее: вытеснения;

Времена установления/ равновесного состояния при фильтрации защемленной фазы; . .

• Поведение защемленных фаз при их вытеснении водогазовой смесью.

5. Экспериментально установить,закономерности изменения проницаемости по фильтрующейся фазе в присутствии защемленных фаз.

6. Исследовать влияние подвижности* защемленных фаз на коэффициенты вытеснения, значения начальной и остаточной нефтенасыщенности. . Методы исследования.

Лабораторное моделирование процессов образования, и фильтрации капиллярно-защемленных; фаз в микронеоднородных коллекторах в условиях приближенных к пластовым. '

Научная новизна работы.

Г. Показано,,что для сложнопостроенных коллекторов эффекты подвижности капиллярногзащемленной водо: и нефтенасыщенности. влияют на закономерности двухфазной: фильтрации за. счет изменчивости значений неподвижных насьпценностей при изменении условий фильтрации. .

2. Экспериментально установлена? нелинейная зависимость скорости фильтрации подвижной фазы от градиента давления, и определена кинетика защемления; ,

3. Показано, что при наличии капиллярно-защемленных водо- и нефтенасыщенности нефте- и водопроницаемость зависят от градиента давления, типа пористой структуры и характера смачиваемости внутрипорового пространства.

4. Установлена зависимость защемленного нефте-, водонасыщения-от градиента давления для сложнопостроенныхч коллекторов с различным типом смачиваемости, отличающаяся от известных тем; что на характер зависимости оказывает влияние тип защемленной фазы^ изменение смачиваемости и структуры порового пространства.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов следует из того, что они основаны на общих законах и методах механики сплошных сред, которые являются теоретической основой подземной'гидромеханики.

Практическая значимость работы.

Экспериментально показано влияние КЗФ на важнейшие характеристики двухфазною фильтрации, что позволяет рекомендовать полученные результаты для совершенствования методик определения функции ОФП, коэффициентов вытеснения, водонефтенасыщенности, эффективной» и динамической пористости по данным лабораторного моделирования. Предлагаемую методику также целесообразно использовать при лабораторном моделировании технологий увеличения коэффициентов вытеснения путем закачки различных реагентов. Результаты, полученные в работе позволяют совершенствовать лабораторные методы подбора химических композиций для повышения качества вскрытия пластов и повышения продуктивности скважин за счет снижения содержания КЗФ и повышения целевой проницаемости в околоскважинной зоне пласта.

Защищаемые положения.

1. Экспериментально установленные закономерности фильтрации непрерывных фаз при наличии капиллярного защемления заключаются в нелинейности зависимости \ скорости фильтрации от градиента" давления, влиянии характера смачиваемости внутрипоровой поверхности на вид зависимости скорости фильтрации от градиента давления, кинетики достижения новых стационарных состояний при изменении градиента давления.

2. Нелинейный характер изменения проницаемости по фильтрующимся фазам от градиента давления при наличии капиллярного защемления, зависящий от смачиваемости коллектора и вида защемленной фазы.

3. Сложный характер зависимости насыщения защемленными фазами от ' градиента давления в непрерывных фазах, меняющийся при изменении структуры порового пространства и смачиваемости, а также типа защемленной фазы.

4. Влияние эффектов капиллярного защемления на коэффициент вытеснения, эффективную и динамическую пористости. Возможность доизвлечения капиллярно-защемленных фаз при использовании водогазового воздействия на пласт.

Апробация работы.

Научные, методические и прикладные методы и результаты, использованные и полученные в диссертации, обсуждались на международной конференции молодых ученых « Молодежная наука - нефтегазовому комплексу» (Москва , 30-31 марта, 2004г.), на международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (Москва, 24-26 ноября, 2004г.), а также на XLVIII научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных' наук» (Москва — Долгопрудный - Жуковский, 25-26 ноября , 2005г.), на седьмой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», (Москва, 29-30 января 2007г.), на Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности», (Москва, 24-26 апреля 2007 г.), на научно-практической конференции «Методы интенсификации добычи углеводородного сырья. Опыт и перспективы», (Москва, РГУнефти и газа им И.М.Губкина, ноябрь 2008г.), на Международном симпозиуме (Москва, ОАО « ВНИИнефть», 15-16 сентября 2009г.), на научных семинарах ИПНГ РАН. Результаты работы обсуждались на научном семинаре компании Schlumberger.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы.

Работа содержит введение, 4 главы текста, выводы и список используемой литературы. Общий объем работы составляет 178 страниц, в том числе 85 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 75 наименований.

Работа выполнена в ИПНГ РАН. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н., действительному члену РАЕН, проф. Михайлову H.H., который был идейным вдохновителем и постоянным наставником данной работы. Автор выражает глубокую признательность зам. директора по научной работе проф. Максимову В.М. за - поддержку работы. Автор также признателен ведущим специалистам ИПНГ РАН докторам технических наук С.Н.Закирову, Э.С.Закирову, А.М.Свалову, В.А.Черных за ценные замечания, сделанные на этапе апробации работы.

Заключение Диссертация по теме "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений", Чумиков, Роман Игоревич

Основные выводы и результаты работы

1. Показано, что фильтрация флюидов при наличии защемленных фаз контролируется насыщенностью защемленной фазы и смачиваемостью породы. В общем случае зависимость скорости фильтрации от градиента давления при наличии защемленной фазы является нелинейной.

2. Остаточные капиллярно-защемленные водо- и нефтенасыщенности не являются константами, а зависят от скоростей фильтраций. При переходе на большую скорость происходит довытеснение защемленных фаз; зависимости насыщенности от градиента давления имеют нелинейный характер. На вид этих зависимостей оказывает влияние смачиваемость породы.

3. Эксперименты показали, что при наличии защемлённых фаз времена (периоды) выхода на новый стационарный режим течения подвижной фазы уменьшаются с увеличением скорости фильтрации и зависят от типа коллектора.

4. Показано, что в случае двухфазного вытеснения (водогазовое воздействие) имеет место явное уменьшение капшшярно защемлённой остаточной нефтенасыщенности, в том числе высоковязкой нефти по сравнению со случаем вытеснения нефти водой или водой с ПАВом.

5. Исследования влияния подвижности защемлённых фаз на фазовые проницаемости по непрерывной фазе и коэффициенты вытеснения показали, что:

- проницаемость по фильтрующейся фазе при наличии защемленных фаз не является постоянной, а увеличивается с увеличением перепада давления;

- на зависимость проницаемости от перепада давления оказывает влияние смачиваемость коллектора;

- коэффициенты вытеснения нефти водой и воды нефтью растут при росте скорости вытеснения воды и нефти; изменения коэффициентов вытеснения обусловлены изменением насыщенностей капиллярно-защемленных фаз при росте скорости вытеснения; эффективность вытеснения контролируется уменьшением капиллярно-защемлённой остаточной нефтенасыщенностью;

- на зависимости коэффициентов вытеснения от скорости вытеснения оказывает влияние смачиваемость пласта и тип коллектора.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Чумиков, Роман Игоревич, Москва

1. Гиматудинов III.K., Ширковский А.Г. Физика нефтяного и газового пласта. М. Недра, 1981.

2. Дахнов В.Н. Геофизические методы определения коллекторских свойств и нефтегазонасыщения горных пород. М., '"Недра", 1975. 344с.

3. Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика. М.: «Недра», 1991.-368 с.

4. Котяхов Ф.И. Основы физики нефтяного пласта. М.: «Гостоптехиздат», 1956. — 3364 е.: ил.

5. Михайлов Н. Н. Остаточное нефтенасыщение разрабатываемых пластов. — М.: Недра, 1992.-270 с.

6. Михайлов H.H., Кольчицкая Т.Н., Джемесюк A.B., Семенова H.A. Физико-геологические проблемы остаточной нефтенасыщенности. М.: Наука, 1993. — 173 с.

7. Amaefule J.O., Handy L.L. The effect of interfacial tensions on relative oil/water permeabilities of consolidated porous media // Ibid. 1982. Vol. 22. № 22. P. 371—381.

8. Тульбович Б.И. Методы изучения пород-коллекторов нефти и газа. М.: «Недра», 1979 г. 199 с.

9. Архипов С.В., Дворак С.В., Сонич В.П. Николаева Е.В. Геологические причины ускоренного обводнения скважин пласта БС210 Суторминского месторождения. Геология нефти и газа, 1988/1, стр. 49 52.

10. Изучение структуры остаточных запасов и распределение остаточной нефти в обводненных пластах Талинского месторождения. Отчет, авт. Михайлов Н.Н. и др., Москва, ИПНГ, 1992 г., 129 с.

11. Andersen W.G. Wettability literature survey Part 1. Rock/Oil/Brine Interactions and the Effects of Core Handling on Wettability // JPT. 1986/ Vol. 38, № 10. P. 1125 -1144.

12. Сургучев М.Л., Симкин Э.М. Факторы, влияющие на состояние остаточной нефти в заводненных пластах. Нефтяное хозяйство, 1988/9, стр. 31-36.

13. Andersen W.G. Wettability Literature Survey. Part 6. The effects of wettability on waterflooding // JPT. 1987. Vol. 39, № 12. P. 1605 1622.

14. Rathmel J.J., Braun P.H., Perkins Т.К. Reservoir waterflood residual oil saturation from laboratory tests//JPT. 1973. Febr. P. 175 -185.

15. Сургучев M. Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. -М.: Недра, 1985. 308 с. (рецензент Ш.К. Гиматудинов)

16. Pack A., Devier С.A. Improved oil saturation data using sponge core barrel // Proc. Open. Symp. Tulsa (Okla), 1083. P. 20 29.

17. Михайлов Н.Н., Глазова В.М., Высоковская Е.С. Прогноз остаточного нефтенасыщения при проектировании методов воздействия на пласт и призабойную зону: Обзорная информация сер. Нефтепромысловое дело М.: ВНИИОЭНГ, 1983, вып. 22, 73с.

18. Михайлов Н.Н. Физико-геологические проблемы доизвлечения остаточной нефти из заводненных пластов. Нефтяное хозяйство, 1997/11, стр. 14 — 17.

19. Основные проектные решения, анализ их выполнения состояние разработки красноленинского месторождения, в том числе по площадям и объектам. Отчет. Том 1. ОАО «ЦГЭ», СибНИИНП, Тюмень, 1999г.

20. Wyckoff, RD. and Botset, H.G. Flow through Unconsolidated Sands // Physics, 1936, vol.7, N9, p.325.

21. Muskat, M., Meres, M.W., // Physics, 1936, vol.7, N9, p. 346.

22. Muskat, M., Wyckoff, R.D., Botset, H.G., Meres, M.W. Flow of Gas-liquid Mixtures Through Sands // Physics, 1937, p. 69.

23. Leverett, M.C. Capillary Behavior in Porous Solids // Trans. AIME, 1942, vol.142, p.152.

24. Muskat, M., Physical Principles of Oil Production. New-York Toronto - London, Mc. Grow Hill Book Co, 1949.

25. Берлин A.B., Сургучев M.JI. О факторах, влияющих на фазовые проницаемости для нефти и воды // Тр. ВНИИ, 1984, вып.87, стрЗЗ -40.

26. Панфилов М.Б. Влияние характера распределения фаз на относительные проницаемости при фильтрации несмешивающихся жидкостей // Тр. МИНХ и ГП, 1979, вып. 146, с. 102-109.

27. Дмитриев Н.М., Максимов В.М. Определяющие уравнения двухфазной фильтрации в анизотропных пористых средах. // Изв. РАН. МЖГ. 1998 N2. С.87-94.

28. Дмитриев Н.М., Максимов В.М. О структуре тензоров коэффициентов фазовых и относительных проницаемостей для анизотропных пористых сред // Докл. РАН. 1998. том 358, N3. С.337-339.

29. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Овчаренко Ф.Д. « Вода в дисперсных системах» М.: Химия. 1989. -285с.

30. Buleiko V.M., Voronov V.P. Effect of surface on the thermodynamic properties of polar liquids and liquid crystals trapped in a porous medium // Supramolecular Science. 1977. vol.4, N3-4, p.235-240

31. Булейко B.M., Воронов В.П. Исследование пористой среды на термодинамические параметры одно и двухкомпонентных жидких систем // Газовая промышленность 1987. N7 с.54-56.

32. Максимов В.М. Основы гидро-термодинамики пластовых систем. М.: Недра, 1994. -201с.

33. Булейко В.М., Воронов В.П. Экспериментальное исследование поведения теплоемкости в конечных системах в окрестности критической точки смешения // ЖЭТФ РАН. 1998. том 113, вып. 3, -с.1071-1080

34. Амикс Дж., Басе Д., Уайтинг Р., Физика нефтяного пласта. М.: Гостоптехиз,дат, 1962. -570с.

35. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Раздел "Проектирование разработки". Под ред. Ш.К. Гиматудинова. М.: Недра, 1983.-703с.

36. Добрынин В.М., Ковалев А.Г., Кузнецов A.M., Черноглазов В.Н. Фазовые проницаемости коллекторов нефти и газа. Обзорная информация. Сер. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. М.: ВНИИОЭНГ, 1988. -55с.

37. Corey А.Т., Rathjens С.Н. Henderson J.H., Wyllie M.R. Three — phase relative permeability // Trans. AIME, 1956. vol207 -p.349-351.

38. Hassler G.L. Methods and apparatus for permeability measurements. U.S. Letter Patent No. 2,345,935. 1944.

39. Delshad. M., Pope G. A. Comparison of the three-phase oil relative permeability models // Transport in Porous Media 1989, vol. 4, p.59

40. Johnson, F.F., Bossier, D.P., Naumann V.O. Calculation of Relative Permeability from Displacement Expirements // J. Petr. Technology, vol. XI, N1, 1959.

41. Sarma H.K., Mani B.B., Jha K.N. An unsteady state technique for three-phase relative permeability measurements // The J. of Canadian Petrol. Technol. Feb 1994. vol.33, N2 — p.27-33.

42. Lohe, A., Skjaeveland, S.M., Vatne, K.O., Virnovsky, G.A. Implementation of Multirate Technique to Measure Relative Permeabilities Accounting // SPE Ann. Tech. Conf. New Orleans, Louisiana, Sept. 1998. SCA49321 -7p.

43. Требин Ф.А., Оноприенко В.П. Распределение водонефтенасытценности в пористой среде при вытеснении из нее нефти водой // Азерб. Нефт. Хоз., 1957, N4

44. Parsons R.W. Microwave attenuation A new tool for monitoring saturation in laboratory flooding experiments. // Trans. AIME, 1975, voll95, p.302

45. Михайлов H.H. "Информационно технологическая геодинамика околоскважинных зон" М.: Недра 1996г.

46. А.К. Курбанов, М.Ю. Константинов. К вопросу определения функций фазовых проницаемостей // Газовая промышленность, N10, 2000, с.46-48.

47. Пеньковский В.И. Концевой эффект капиллярного запирания вытесняемой фазы при фильтрации несмешивающихся жидкостей // Изв. АН СССР, МЖГ, 1983 N5, с. 184.

48. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. М.ТИФ-МЛ, 1961 — 524с.

49. Желтов Ю.П., Розенберг М.Д. О фильтрации многокомпонентных систем // НТС по добыче нефти, вып. 12, М.: Гостоптехиздат, 1961, с. 26-31.

50. Rapoport, L.A., Leas, W.J. Properties of Linear Waterfloods // Trans. AIME. 1953. vol. 198 — p.l 39-148.

51. Г.И.Баренблатт, КС. Басниев, И.Н.Кочина Математическая модель фильтрации газоконденсатных смесей в трещинновато-пористой среде // Сборник научных трудов ВНИИГАЗ "Фильтрация неоднородных газов", 1988

52. Николаевски.'! В.Н. О выборе системы уравнений фильтрации газоконденсатных смесей // Изв. АН Азерб. ССР, серия геолого- географических наук, N1, 1965, с.91-98

53. Rose W. Some problems connected with the use of classical descriptions of fluid / fluid displacement processes // in Fundamentals of Transport Processes in Porous Media, Elsevier, Amsterdam, 1972. p.229

54. Эфрос. Д.А Определение относительных проницаемостей и функций распределения при вытеснении нефти водой. // ДАН СССР, г.10, N5, 1956.

55. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах — М.: Недра, 1985 — 208с.

56. Булейко В.М., Савелова Т.И. Применение метода регуляризации при обработке результатов теплофизических экспериментов/ Тр. ВНИИГАЗ, 1986, с57.

57. Басниев КС, Жданов С.Ф., Николаевский В.Н. Фундаментальные проблемы разработки месторождений углеводородов // материалы Всероссийской науч. конф. "Фундаментальные проблемы нефти и газа", Москва, 22-25 января 1996г.

58. Мархасин И.Л., К вопросу о диспергировании нефти в процессе ее вытеснения водой из горных пород. Тр. УфВНИИ, вып. XVIII, 1967.

59. Nielsen, СМ. Larsen, J.K., Bech, N., Reffstrup, J., Olsen, D. Determination of Saturation Functions of Tight Core Samples Based on Measured Saturation Profiles. // Int. Symp. Of the Society of Core Analysts. Calgary, Alberta, Canada, Sept. 1997.

60. Эфрос Д.А., Куранов И.Ф. Определение относительных проницаемостей по данным внешних измерении при плоскорадиальном течении // Труды ВНИИ, 1962, вып 37.

61. Liang Q., Lohrenz J. Dynamic method of measuring coupling coefficients of transport equations of two-phase flow in porous media // Transport in Porous Media vol. 15, 1994, p.71.

62. Reinsch C.H. Smoothing by spline functions //Numerische Mathematik vol.10, 1967, p. 177.

63. Меры и предложения по улучшению состояния разработки Талинского месторождения п/о «Красноленинскнефтегаз». СибНИИНП, г. Нягань, 1985 г.

64. Тульбович Б.И. Коллекторские свойства и химия поверхности продуктивных пород. Пермь, пермск. книжное изд-во, 1975, 198 с.

65. Тульбович Б.И. Нефтенасыщенность и коллекторские свойства терригенных пород некоторых месторождений Пермской области. — Геология нефти и газа, 1975/1, стр. 61-64.

66. Василевский B.JL Изменение фазовой проницаемости газонасыщенной породы при фильтрации воды. ВНИИГПЭ, 1984г.

67. Анализ разработки Кальчинского месторождения. ЗАО «ТННЦ», 2005г.

68. Jairam Kamath, Robert F. Meyer, Frank M. Nakagawa. Understanding Waterflood Residual Oil Saturation of Four Carbonate Rock Types. Society of Petroleum Engineers Inc, 2001r.

69. Torabzadeh S.J. Handy L.L. The Effect of Temperature and Interfacial Tension on Water/Oil Relative Permeabilities of Consolidated Sands. SPE, 1984r.

70. Lefebvre du Prey E.J. Factors Affecting Liquid-Liquid Relative Permeabilities of a Consolidated Porous Medium. SPE, 1973r.

71. Добрынин B.M., Ковалев А.Г., Кузнецов A.M., Черноглазое B.H. Нефть. Метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной стационарной фильтрации. Отраслевой стандарт, ОСТ 39-235-89, 1989г.