Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальные исследования процесса образования зоны проникновения в коллекторах нефти и газа и пути повышения эффективности ГИС

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Федин, Константин Леонидович

ОР*л©н^ я©«*|*||*««1(«(«»*1»*1»»м1»

Часть 1 .Экспериментальные исследования процесса образе вания зоны проникновения в коллекторах нефти и газа.

Глава 1. Теория образования зоны проникновения.

1.1 Гидродинамическое взаимодействие коллекторов и

О КВ ЗЖИН е еН«М1(<Нв(««С«<МП«1)«»ме1«1)««Нв(«««М9<«М«Н*1«СМ »(«Э!«

1.2. Изменение насыщенное гей в зоне проникновения,.

Глава 2. Теоретическое обоснование модели упругого наПОрНОГО КО Л Л 6К1 Ор й . 999999999^999999999999999999999999999999999999%* Ф

2.1. Расчет размеров модели.

2.2. Расчет продолжительности циклов изменения давления.

Глава 3.Выбор конструкции лабораторной установки.

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса образования зоны проникновения.

4.1. Подготовка модели.

4.2. Измерение удельного электрического сопротивления

4.3. Экспериментальные исследования процесса образования зоны проникновения.

4.3.1. Модель изотропного коллектора.

4.3.2. Модель анизотропного коллектора.

4.3.3. Изучение зависимости процесса образования зоны проникновения от величины импульса изменения давле

Глава 5. Анализ результатов экспериментальных исследований.

Часть 2. Пути повышения эффективности ГИС на примере

Тимано-печорской нефтегазоносной провинции.

Глава 6, Анализ результатов изучения коллекторов сложного строения в Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.

6.1. Временные замеры электрического сопротивления.

6.2. Метод двух растворов.

6.3. Каротаж-испытание-каротаж.

6.4. Каротаж-давлен и е-каротаж. •.••.*.

Глава 7.Теоретические и экспериментальные исследования эффективности применения технологии временных замеров, метода двух растворов, каротаж-испытание-каротаж и каротаж-давление-каротаж для изучения коллекторов сложного строения.

7.1. Временные замеры электрического сопротивления.

7.2. Метод двух растворов. •<•••.•.•*.•»•.<•.»•».«.««<••».•.•*•

7.3. Каротаж-испытание-каротаж.

7.4. Каротаж-давление-каротаж.

Глава 8. Экспериментальные исследования новых технологий ГИС для изучения коллекторов сложного строения.

8.1. Каротаж-каротаж под давлением.

8.2. Каротаж-циклические изменения давления-каротаж.

Глава 9. Результаты исследования скважин.

Глава! 0. Новое направление применения геофизических и других методов исследования скважин.

10.1. Обнаружение коллекторов в процессе бурения и оценка их гидродинамических параметров.

10.2. Оценка гидродинамических параметров коллекторов по данным электрометрии по технологии каротаж-каротаж под давлением.

103. Исследования фонтанных скважин.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальные исследования процесса образования зоны проникновения в коллекторах нефти и газа и пути повышения эффективности ГИС"

В настоящее время и в обозримом будущем геофизические исследования (ГИС) будут оставаться основным инструментом геологической документации разрезов нефтяных и газовых скважин. При этом одной из главных задач ГИС остается разделение горных пород на коллекторы и неколлекторы и оценка характера их насыщения.

Основным отличием коллекторов от неколлекторов является то, что при бурении подавляющего большинства нефтяных и газовых скважин в коллекторы внедряется промывочная жидкость или ее фильтрат, что приводит к изменению их свойств в прискважинной части и изменению физических полей, регистрируемых при ГИС. Проникновение промывочной жидкости или фильтрата в коллекторы (образование зоны проникновения) является, с одной стороны, положительным фактором, поскольку наличие или отсутствие зоны проникновения позволяет судить о наличии или отсутствии коллекторов. С другой стороны, образование зоны проникновения приводит к изменению свойств коллекторов и искажению физических полей, которое необходимо учитывать при интерпретации результатов ГИС или применять методы, на которые влияние зоны проникновения было бы минимальным.

Объективное знание процессов образования и эволюции зоны проникновения, искажение физических полей, изменения физических и реологических свойств коллекторов нефти и газа имеют основополагающее значение при разработке концепции применения ГИС, приемов интерпретации результатов ГИС, в направлении аппаратурных разработок, технологии освоения скважин и т.д. Именно поэтому с самого начала массового применения ГИС проявляется постоянный интерес к изучению процессов образования и эволюции зоны проникновения.

Первые представления об образовании зоны проникновения сводились к тому, что объем внедрившейся из скважины в коллектор жидкости должен быть тем больше, чем выше проницаемость коллектора и перепад давлений между скважиной (Рс) и пластом (Рпл). Из этого следовало, что глубина проникновения (при прочих равных условиях) пропорциональна проницаемости коллекторов.[ 1 ]

Практика ГИС не подтвердила эту гипотезу, и на смену ей была выдвинута новая. Ее принципиальные положения впоследствии были изложены в работе [2]. Последующие исследования касались только уточнений некоторых деталей и попыток математического описания процесса.

Согласно новой гипотезе, внедрение фильтрата промывочной жидкости коллектора контролируется исключительно проницаемостью глинистой корки и зоны кольматации. В коллекторы с разной пористостью внедряется одинаковый удельный объем фильтрата, а глубина проникновения тем больше, чем меньше величина пористости коллектора. Образование зоны кольматации и глинистой корки приводит к значительному снижению скорости фильтрации, а частичное или полное разрушение глинистой корки приводит к возобновлению интенсивной фильтрации, которая затухает по мере роста толщины глинистой корки.

В реальных условиях бурения скважин это означало, что в коллекторы постоянно или эпизодически должен внедряться фильтрат промывочной жидкости и глубина проникновения должна возрастать.

Необходимость возрастания глубины проникновения во времени и фактические результаты ГИС входили в противоречие, и для их разрешения было введено понятие о процессе «расформирования зоны проникновения», который протекает с процессом формирования зоны проникновения. Процессу «расформирования» зоны проникновения отводилась роль нейтрализатора изменений, которые возникают в коллекторах в результате внедрения в них все новых и новых порций фильтрата.

Показателен тот факт, что за многие годы экспериментов никому не удалось наблюдать на моделях, близких к реальным, процесс «расформирования зоны проникновения».

Несмотря на прямую противоположность выводов, обе гипотезы базируются на одной и той же предпосылке, а именно:

Поскольку бурение скважин осуществляется всегда при условии, что РС>РПЛ, то и фильтрация может происходить исключительно из скважины в коллекторы, а не наоборот - из коллекторов в скважину.

Практика геофизических, геохимических и других исследований скважин засвидетельствовала, что некоторые явления не укладываются в рамки последней гипотезы. Так, например:

1. Изучая методами ГИС коллекторы сложного строения исследователи [3, 4 и др.] замечали некоторые отклонения в «поведении» коллекторов. В первые 10 суток после вскрытия скважиной нефтегазоносных трещинно-кавернозных коллекторов их электрическое сопротивление убывает, а после этого срока начинает возрастать. Это явление попытались объяснить опреснением блоков породы за счет диффузии из них солей в трещины и каверны.

2. Ю.М. Юровский [5] отмечает, что количество углеводородных газов, поступающих в промывочную жидкость во время разбуривания нефтегазоносных коллекторов, во много раз превышает возможное предельное содержание их в выбуриваемой породе. Он попытался объяснить это поступление пластовых флюидов в скважину следствием образования в области вращающегося долота вакуума аналогичного явлению кавитации.

3. Необъяснимым остался факт точного соответствия компонентного состава углеводородных газов, поступающих в скважины в периоды отсутствия циркуляции, пластовым газам, чего не должно быть в случае процесса их диффузии из пластов в скважины.

В 70-х годах публикуются работы [6 и др.], в которых физические свойства коллекторов нефти и газа рассматриваются не только в зависимости от их емкостных и вещественных, но и от их упругих свойств. Появляются сведения о том, что в реальных условиях бурения скважин коллекторы поглощают промывочную жидкость при увеличении давления в скважине, а затем отдают ее после прекращения действия дополнительного давления [7,8 и др.].

Внедрение станций геолого-технологического контроля за процессом бурения позволило инструментально наблюдать за процессом знакопеременной фильтрации промывочной жидкости из скважины в коллекторы и из коллекторов в скважину [8,9 и др.].

При включении насосов (увеличение давления в кольцевом пространстве), объем промывочной жидкости в замкнутой циркуляционной системе буровой убывает, а при прекращении циркуляции (восстановление статического давления) - возрастает.

Анализ противоречий существующей гипотезы и новых фактических данных вызвал появление теории образования зоны проникновения в коллекторах нефти и газа [10]. Существенным отличием ее является то, что она стала теоретическим осмыслением накопленного опыта с позиций теории нестационарной фильтрации жидкости и газа в пористых упругих средах, с учетом термобарических, реологических и других свойств сред и насыщающих их флюидов [11,12].

Экспериментальными исследованиями предстояло подтвердить или опровергнуть основополагающие принципы теории образования зоны проникновения в коллекторах нефти и газа. Для этого предстояло решить массу проблем, которые до этого не ставились перед экспериментаторами.

В ходе исследований предстояло решить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать возможность создания модели упругого напорного пласта-коллектора, удобного для проведения экспериментов.

2. Построить модели изотропного и анизотропного по пористости и проницаемости сложного упругого напорного коллекторов, вскрытых «бурящейся скважиной».

3. Разработать методику наблюдений за процессом образования зоны проникновения.

4. Обобщить результаты экспериментов.

5. Показать возможность практического использования результатов экспериментов для повышения эффективности ГНС при изучении коллекторов сложного строения на примере Тимано-Печор-ской нефтегазоносной провинции.

Для решения этих задач были использованы обобщенные литературные и фондовые материалы и результаты экспериментальных модельных и скважинных исследований, выполненных в рамках опытно-методических работ в Ухтинской геофизической экспедиции ПРО «Ухтанефтегазгеология» в 1980-90 гг. под научным руководством и при непосредственном участии автора.

Автор выражает глубокую благодарность ученым, геофизикам, геологам и технологам (Басину Якову Наумовичу, Кравченко Валерию Ивановичу, Зубареву Алексею Павловичу и другим), которые оказали ему большую помощь в осуществлении и высказали критические замечания по существу настоящей работы.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Федин, Константин Леонидович

Выводы.

1. Разработаны принципиально новые направления применения ГИС для изучения коллекторов нефти и газа: обнаружение коллекторов в процессе бурения скважин и оценка их коэффициента продуктивности и комплекса параметров ае/Як2; оценка коэффициента продуктивности и комплекса параметров ае/Як2 коллекторов по данным электрометрии по технологии каротаж-каротаж под давлением;

122 оценка комплекса параметров зе/гс2 по данным дебитом етр и и фонтанных скважин. 2. Показана хорошая сходимость первого и третьего направлений с результатами гидродинамических и геофизических исследований.

Заключение (выводы и рекомендации)

Выполненные по теме диссертации исследования позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации дальнейших исследований.

1. Анализ исследований прошлых лет показал, что:

1.1. Процесс образования зоны проникновения изучался на моделях ненапорных пластов без проявления упругих и реологических свойств коллекторов, пластового флюида и промывочной жидкости, без имитации реальных условий бурения скважин.

1.2. Предполагалось, что процесс образования зоны проникновения в анизотропных коллекторах не отличается от такового в изотропных коллекторах, и на моделях не изучался.

2. На основе теорий упругого режима и нестационарной фильтрации жидкости и газа выполнены расчеты и обоснована линейная модель упругого напорного коллектора.

3. Изготовлена принципиально новая лабораторная установка для изучения процесса образования зоны проникновения в изотропных и анизотропных упругих напорных коллекторах в условиях, максимально приближенных к реальному бурению скважин.

4. Произведены эксперименты по изучению процесса образования зоны проникновения на моделях изотропных и анизотропных напорных, упругих нефте- и газонасыщенных коллекторов с имитацией вскрытия их и бурения скважинами на воде и на глинистом растворе, и установлено, что:

4.1. Фронтальное вытеснение нефти и газа происходит только в момент вскрытия коллектора скважиной и быстро прекращается. Последующие изменения давления в скважине приводят к замещению пластового флюида фильтратом, в силу различия их реологических свойств.

4.2. При бурении скважины на глинистом растворе стабилизация распределения насыщенностей и глубины зоны проникновения происходит быстрее, чем при бурении на воде.

4.3. Механизм образования зоны проникновения и распределения насыщенностей в анизотропных коллекторах и изотропных коллекторах существенно различен.

4.4. Процесс образования зоны проникновения и распределения насыщенностей не зависит от величины изменения давления в скважине.

5. Анализ результатов моделирования показал, что:

5.1. Результаты экспериментальных исследований полностью согласуются с основными положениями теории образования зоны проникновения.

5.2. В изотропных коллекторах в реальных условиях бурения на стенке скважины располагается глинистая корка, затем зона кольма-тации, промытая зона, зона проникновения с переменной насыщенностью от остаточной до первоначальной.

5.3. Стабилизация перераспределения насыщенностей при бурении, происходит не за счет «расформирования зоны проникновения», а за счет изменения фазовой проницаемости для пластового флюида (нефти и газа) и фильтрата промывочной жидкости в прискважинной части коллектора. При одинаковых реологических свойствах флюидов «стабилизация» зоны проникновения происходит за счет медленного процесса разбавления флюидов.

5.4. В анизотропных коллекторах не образуются четко выраженные: зона кольматации, промытая зона и зона проникновения. Даже длительное бурение скважины не приводит к стабилизации электрического сопротивления зоны проникновения.

6. Анализ результатов применения технологий временных замеров электрического сопротивления, метода двух растворов, каротаж - испытание - каротаж и каротаж - давление -каротаж в Тимано-Печор-ской провинции показал, что:

6.1. Выделение коллекторов сложного строения, оценка характера их насыщения, а так же их пропуск и ошибочные суждения о характере их насыщения являются равновероятными.

6.2. Совпадение результатов исследований и теоретических основ этих технологий носит не закономерный, а случайный характер.

7. Аналитическое и экспериментальное моделирование технологий: временных замеров, метода двух растворов, каротаж - испытание - каротаж и каротаж - давление -каротаж показало, что в традиционных вариантах применения этих технологий, вероятность выделения коллекторов чрезвычайно мала.

8. На основании экспериментального моделирования для изучения коллекторов сложного строения рекомендуются принципиально новые технологии:

- каротаж - каротаж под давлением;

- каротаж - циклические изменения давления - каротаж.

9. На примере исследования разведочных скважин №1 Чедтыйская и №203 Верхний Возей и литературных источников [34] показана высокая эффективность рекомендованных технологий для выделения коллекторов сложного строения:

9.1. По технологии каротаж-циклические изменения давления -каротаж выделены интервалы коллекторов, которые по стандартным ГИС не выделяются. В пяти из них получены промышленные притоки нефти.

9.2. Разработана технологическая схема производства ГИС под давлением без герметизации устья скважины.

10. Разработаны принципиально новые направления применения ГИС для изучения коллекторов нефти и газа:

- обнаружение коллекторов в процессе бурения скважин и оценка их коэффициента продуктивности и комплекса параметров аг/Як .

- оценка коэффициента продуктивности и комплекса параметров коллекторов ае/^2 по данным электрометрии по технологии каротаж-каротаж под давлением;

- оценка комплекса параметров ае/гс2 по данным дебитометрии фонтанных скважин.

Показана хорошая сходимость испытаний первого и третьего направлений с результатами гидродинамических и геофизических исследований.

Направления дальнейших исследований

Новые знания о процессах образования зоны проникновения и гидродинамическом взаимодействии коллекторов и скважины, безусловно станут основой дальнейшего совершенствования традиционных и разработки новых технологий ГИС, направленных на повышение их эффективности.

Сегодня еще нет возможности детализировать эти направления. Можно только определить возможные тенденции дальнейших исследований.

Таковыми могут стать:

1. Углубленные изучения образования зоны проникновения в анизотропных сложно построенных коллекторах.

2. Применения традиционных ГИС для наблюдения за переходными гидродинамическими процессами в коллекторах нефти и газа.

3. Применение акустических методов для «самопрослушивиния» коллекторов.

127

4. Разработка способов восстановления фазовой проницаемости коллекторов для нефти и газа. И другие .

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Федин, Константин Леонидович, Москва

1. Дахнов В.Н. Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин. Гостоптехиздат, 1955.

2. Орлов Л.И., Ручкин A.B., Свихнушин Н.М. Влияние промывочной жидкости на физические свойства коллекторов нефти и газа. М., Недра, 1976, 89 с.

3. Залуцкий A.M., Африкян А.Н. Использование фактора времени и точек максимумов кривых электрического зондирования при изучении карбонатных отложений Волгоградской области. Геофизические исследования скважин. Тр. МИ ИХ и ГП, вып. 56, Недра, 1966.

4. Орлов Л.И., Ручкин A.B. О выделении трещиноватых коллекторов по данным электрического каротажа. Разведочная геофизика, вып. 4, Недра, 1965.

5. Юровский Ю.М. Разрешающая способность газового каротажа. М., Недра, 1970.

6. Добрынин В.М. Физические свойства нефтегазоносных коллекторов в глубоких скважинах. М., Недра, 1970.

7. Федин Л.М. О влиянии гидродинамического воздействия бурового раствора на изменение свойств трещинных коллекторов. Нефтяная и газовая промышленность, №3, Техника, Киев, 1975 с. 28-29.

8. Федин Л.М. О формировании зоны проникновения. Нефтяная и газовая промышленность, №4, Техника, Киев, 1982. С. 32-34.

9. Федин Л.М., Рейтенбах В.Г. Новые представления о зоне проникновения. Нефтяное хозяйство, №8,1966, с. 28-33.

10. Федин Л.М. Образование зоны проникновения в коллекторах нефти и газа. Ухтинский индустриальный институт. Ухта, 1990, 181 с. деп. ВИНИТИ №1477-В90.

11. Щелкачев В.Н. Разработка нефтеводоносных пластов при упругом режиме. Гостоптехиздат, 1959.

12. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. М. Недра, 1972.

13. Миржанзаде А.Х., Ковалев А.Г., Зайцев Ю.В. Особенности эксплуатации месторождений аномальных нефтей. М., Недра, 1972.

14. Оркин К.Г., Кучинский П.К. Физика нефтяного пласта. Гос-топтехиздат, 1955.

15. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. Гостоптехиздат, 1960.

16. Амикс Дж., Босс Д, Уайтинг Р. Физика нефтяного пласта, 1962.

17. Щербатова И.Н. Сургучев М.Л. Циклическое воздействие на неоднородные нефтяные пласты. М., Недра, 1988.

18. Забродин П.Н. Раковский Н.П., Розенберг М.Д. Вытеснение нефти из пласта растворителями. М., Недра, 1968.

19. Орлов Л.И. Изменение электрического сопротивления песчаников в процессе вытеснения нефти соленой и пресной водой. В кн. Новости нефтяной и газовой техники. №7 М., Изд. Гос. Института научно-технической информации. 1961., с. 34-37.

20. Боярчук А.Ф. Результаты экспериментального изучения проникновения глинистых растворов в карбонатные коллекторы. Прикладная геофизика, вып. 95, М., Недра, 1979, с. 190-199.

21. Жигач К.Ф., Паус К.Ф. Влияние промывочной жидкости на проницаемость кернов. Нефтяное хозяйство, №11, 1957, с. 62-67.

22. Бузинов С.Н., Умрихин Н.Д. Исследование нефтяных и газовых скважин и пластов. М., Недра, 1984.

23. Дахнов В.Н. Электрические и магнитные методы исследования скважин. М., Недра, 1967.

24. Бабаян Г.А. Вопросы механизма нефтеотдачи. Баку, Азнефте-издат, 1956.

25. Березин В.М. Нефтеотдача образцов песчаников девона и угленосной свиты нижнего карбона Башкирии при вытеснении нефтиводой. М. Гостоптехиздат, 1959. Труды Всесоюзного нефтегазового научно-исследовательского института, вып. 24 с. 79-102.

26. Мелик-Пашаев B.C., Кочетов М.Н., Лисунов В.Р. Нефтеотдача пласта в зависимости от объема воды, прошедшей через залежь. Геология нефти и газа №11, 1963, с. 23-28.

27. Пирвердян A.M. Вытеснение нефти водой из пористой среды. Труды Азербайжанского научно-исследовательского института по добычи нефти, вып. 1, 1954, с. 269-286.

28. Эфрос Д.А. Исследование фильтрации неоднородных систем. М., Гостоптехиздат, 1963.

29. Маскет М. Физические основы технологии добычи нефти. М. Гостоптехиздат, 1953.

30. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1. Под редакцией В.В. Солодовникова. Машиностроение, М., 1967.

31. Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. Справочник под редакцией В.М. Добрынина. М., Недра, 1988.

32. Молчанов A.A. Сираев А.Х. Скважинные автономные измерительные системы с магнитной регистрацией. М., Недра, 1979.

33. Федин Л.М. Выделение и прогнозированиие насыщения коллекторов по данным электрометрии при гидродинамическом воздействии. Диссертация на соискание ученой степени к.г.-м.н. Фонды МИНХиГП, Москва, 1972.

34. Латышова М.Г., Вендельштейн Б.Ю., Тузов В.П. Обработка и интерпретация материалов геофизических исследований скважин. М., Недра, 1975.

35. Мительман Б.И. Справочник по гидравлическим расчетам в бурении. М. Гостоптехиздат, 1963, 345 с.

36. Дахнов В.Н. Геофизические методы определения коллектор-ских свойств и нефтегазонасыщения горных пород. М., Недра, 1985.

37. Дебранд Р. Теория и интерпретация результатов геофизических методов исследования скважин. М., Недра, 1972.

38. Пирсон Дж. Справочник по интерпретации данных каротажа. М., Недра, 1966.

39. Федин Л.М. Бондаренко Е.С., Лисин Н.И., Рейтенбах В.Г. Фе-дин К.Л. Способ гидродинамических исследований скважин и пластов. A.c. СССР №983262, 1982.

40. Федин Л.М. Рейтенбах В.Г., Федин К.Л. Лисин Н.М., Бондаренко Е.С. Определение фильтрационных свойств пластов по данным дебитометрии. Нефтяное хозяйство, №1, 1983, с. 27-29.

41. Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред. М., Недра, 1970.

42. Котяхов Ф.И. Основы физики нефтяного пласта. Гостоптехиздат, 1956.

43. Лукьянов Э.Е. Исследования скважин в процессе бурения. Недра, 1979.

44. Федин Л.М. Способ выделения коллекторов в процессе проводки скважин. A.C. СССР №1003586, 1982.

45. Федин Л.М., Рейтенбах В.Г., Федин К.Л. Способ выделения проницаемых пластов в процессе проводки скважин. A.c. СССР №1153616, 1985.132

46. Руководство по применению промыслово-геофизических методов для контроля за разработкой нефтяных месторождений. М., Недра, 1978.

47. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти и газа. М., Недра, 1983.