Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальные исследования влияния остаточной воды на коллекторские свойства Керна при одно- и двухфазной фильтрации

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследования влияния остаточной воды на коллекторские свойства Керна при одно- и двухфазной фильтрации"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ НЕФТИ И ГАЗА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИПНГ РАН)

УДК 622.276

Муртазалиев Айитбек Шамильевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ВОДЫ НА КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА КЕРНА ПРИ ОДНО - И ДВУХФАЗНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Специальность 25.00.17 "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Москва, 2014 6 НОЯ Щ

005554329

005554329

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки - Институте проблем нефти и газа Российской Академии наук (ИПНГ РАН).

Научный руководитель: Закиров Сумбат Набиевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Ступоченко Владимир Евгеньевич

доктор технических наук,

технический директор ООО НТЦ КОРНТЕХ Гайдуков Леонид Андреевич кандидат технических наук, начальник отдела геологии и разработки Тюменского нефтяного научного центра

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М. Губкина»

Защита состоится «26» ноября 2014 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д.002.076.01 ИПНГ РАН в зале Учёного Совета ИПНГ РАН по адресу: 119333, г. Москва, ул. Губкина, 3, ИПНГ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ИПНГ РАН http://www.ipng.ru/.

Автореферат разослан «20» октября 2014 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат технических наук

М.Н. Баганова

Общая характеристика работы Актуальность темы

ЗО компьютерное моделирование с 2000 г. по решению ЦКР Роснедра стало обязательным в стране для целей проектирования разработки месторождений нефти и газа. Анализ результатов внедрения методов компьютерного моделирования привел сотрудников ИПНГ РАН к выводу о неприемлемости для них докомпьютерной методологии исследований во многих научных дисциплинах нефтегазового профиля.

В результате вместо традиционной концепции абсолютного порового пространства (АПП) была обоснована альтернативная концепция эффективного порового пространства (ЭПП). Согласно публикациям, новая концепция ЭПП устраняет недостатки традиционной концепции АПП и открывает возможности для повышения эффективности отечественного нефтегазового недропользования.

Несмотря на это, а также соответствующего положительного признания со стороны ЦКР Роснедра, не приходится говорить о широком внедрении концепции ЭПП в отечественное нефтегазовое недропользование. Одна из причин состоит в недостаточном количестве экспериментальных данных, свидетельствующих о необходимости учета положений концепции ЭПП и, в частности, существенного влияния остаточной водонасыщенности на геолого-физические параметры коллекторов, используемых при построении достоверных ЗО геолого-газогидродинамических моделей пластов.

По мнению автора, сказанное объясняет актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Цель работы

Выполнить и проанализировать результаты сопоставительных лабораторных исследований в рамках традиционной концепции абсолютного порового пространства (АПП) и новой концепции эффективного порового пространства (ЭПП) и обосновать рекомендации применительно к ЗО компьютерному моделированию.

Основные задачи исследований

• Провести цикл исследований и проанализировать результаты сопоставительных лабораторных опытов по нахождению корреляционных зависимостей логарифма абсолютной проницаемости к^ от открытой пористости т0 в рамках концепции АПП и логарифма эффективной проницаемости кэф от эффективной пористости тэф в рамках концепции ЭПП.

• Осуществить эксперименты и проанализировать результаты определения коэффициента вытеснения Кв газа водой при вытеснении и капиллярной пропитке с учетом остаточной водонасыщенности.

• Провести сопоставительные лабораторные исследования и проанализировать результаты определения параметров фильтрации газа при нарушении закона Дарси в рамках концепций АПП и ЭПП.

• Осуществить эксперименты и провести сопоставительный анализ результатов оценки смачиваемости кернов методой сидячей капли в рамках концепций АПП и ЭПП.

Научная новизна

На основе сопоставительных лабораторных экспериментов в рамках концепций абсолютного и эффективного порового пространства впервые выявлены следующие положения.

1. Показано, что коэффициенты детерминации у зависимостей кэ(р = /(тэф) в случае концепции ЭПП значительно более высокие, чем у зависимостей /£ кабс = Дт0) в концепции АПП. То есть, следование концепции ЭПП повышает степень достоверности результатов ГИС.

2. Коэффициенты вытеснения Кв газа водой при капиллярной пропитке на 0,79 - 6,2 % превосходят Кв при процессе вытеснения, а значения Кв от керна к керну в пределах одного литотипа различаются до 24 - 31% при вытеснении и пропитке соответственно.

3. В сопоставительных лабораторных экспериментах в случае нарушения закона Дарси выявлено, что значения т0 превышают тэф до 80%, величина каес больше кэф до 88%, а значения коэффициента макрошероховатости Р*абс превосходят Р*эф до 71%. Кроме того, установлено наличие значимых корреляционных

связей между Р*эф и тэф.

4. Показано, что для насыщенных газом образцов при наличии остаточной водонасыщенности показатель краевого угла смачивания имеет значительные количественные (до 5 раз по значению угла и его косинуса) и качественные (в сторону гидрофильности) отличия от показателей, определенных на сухих образцах.

Практическая значимость

По мнению автора, она заключается в следующем.

• В результате сопоставительных экспериментов показано наличие более тесной корреляционной зависимости логарифма коэффициента проницаемости от коэффициента пористости в концепции ЭПП по сравнению с концепцией АПП, что обеспечивает построение более достоверных распределений фильтрационных параметров в ЗЭ моделях продуктивных пластов по данным геофизических исследований скважин (ГИС).

• Наличие значимой корреляционной связи между коэффициентами эффективной пористости тэф и Р*эф позволяет учитывать неоднородность пластов по параметру Р*эф при нарушении закона Дарси в ЗБ геолого-газогидродинамических моделях. Кроме того, переход к определению значений коэффициента Р*эф в рамках концепции ЭПП обеспечивает их сопоставимость с данными газодинамических исследований скважин.

• Различие коэффициентов вытеснения газа водой при капиллярной пропитке и при процессе вытеснения, а также неоднородность коллектора по данным параметрам в пределах единого литотипа, необходимо учитывать при проектировании и анализе разработки газовых, газоконденсатных и

нефтегазоконденсатных залежей в терригенных и карбонатных пластах.

• На примере параметров двухчленного закона фильтрации газа и показателя угла смачивания показано, что для 3D моделирования лабораторные эксперименты по определению геолого-физических свойств газонасыщенного пласта необходимо проводить в соответствии с концепцией ЭПП (при создании в керне остаточной водонасыщенности). В противном случае, в рамках концепции АПП, искомые результаты будут характеризоваться значительными погрешностями.

Защищаемые положения

1. Доказательство целесообразности для интерпретации результатов ГИС

определения зависимостей lg кэф =/(тэф), отличающихся большей коррелируемо-стью, чем традиционные зависимости lg kafc = f(mq).

2. Целесообразность нахождения, в соответствии с концепцией ЭПП, на образцах с наличием остаточной водонасыщенности исходных геолого-физических параметров коллектора, в частности, параметров, определяющих фильтрацию газа и показатели смачивания - для достоверного 3D моделирования.

3. Целесообразность определения коэффициентов вытеснения газа водой на основе капиллярной пропитки и вытеснения, а также для образцов с различными фильтрационно-емкостными параметрами в пределах единого литотипа.

Степень обоснованности выводов и рекомендаций

Эксперименты в рамках концепции АПП выполнены на основе традиционных, апробированных подходов и методик в области физики и петрофизики пласта. Методики экспериментов в рамках концепции ЭПП были аналогичны традиционным, при учете особенностей, накладываемых концепцией ЭПП. Выводы и рекомендации основаны на сопоставлении результатов отдельных лабораторных опытов и соответствующих серий экспериментов.

Апробация результатов исследований

Результаты исследований неоднократно докладывались автором на заседаниях научного семинара лаборатории газонефтеконденсатоотдачи ИПНГ РАН, а также в виде докладов на следующих конференциях:

• Международная конференция «Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири», Тюмень, 17-19 сентября 2008 г.

• VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 1-3 февраля 2010 г.

Основные результаты исследований также неоднократно демонстрировались специалистам научно-исследовательских и производственных организаций нефтегазового профиля в рамках лекций на семинарах повышения квалификации Института нефтегазового бизнеса под рук. проф. Р.Г. Шагиева.

Публикации

Результаты выполненных исследований опубликованы в 4 статьях, все в журналах списка ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Диссертационная работа изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 101 наименования.

* * *

Автор приносит свою глубокую благодарность проф. Закирову С.Н. за научное руководство, а также докторам технических наук Закирову Э.С. и Индрупскому И.М., кандидатам технических наук Файзрахманову Р.Р. и Аникееву Д.П., а также всем сотрудникам лаборатории газонефтеконденсатоотдачи за помощь, советы и поддержку при выполнении намеченных исследований.

Содержание работы

В первой главе «Обзор предшествующих исследований. Обоснование тематики диссертационной работы» изложены актуальность выбранной темы, степень научной новизны, практической значимости результатов исследований, защищаемые положения. Рассмотрены известные методики лабораторных экспериментов в физике и петрофизике пласта. Проведен обзор предшествующих исследований. Обоснована тематика диссертационной работы.

Отмечается вклад отечественных и зарубежных ученых в становление и развитие физики нефтегазового пласта - М.Т. Абасова, Г.А. Бабаляна, Ш.К. Гиматудинова, Н.С. Гудок, В.М. Добрынина Ю.В. Желтова, P.M. Кондрата, Ф.И. Котяхова, A.C. Кундина, М.М. Кусакова, В.Н. Мартоса, А.Х. Мирзаджанзаде, H.H. Михайлова, В.А. Николаева, В.Г. Оганджанянца, П.А. Ребиндера, Н.Д. Таирова, P.M. Тер-Саркисова, Д.А. Эфроса, Дж. Амикса, Д. Басса, Р. Уайтинга, Д.Т. Катца, С. Баклея, М. Леверетта и др.

В области петрофизики отмечается вклад следующих отечественных и зарубежных исследователей - Б.Ю Вендельштейна, В.Н. Дахнова, Б.Б. Дерягина, Г.М. Золоевой, В.Н. Кобрановой, Д.А. Кожевникова, С.Г. Комарова, Г.С. Кузнецова, М.Г. Латышовой, Е.И. Леонтьева, Н.И. Нефедовой, H.H. Сохранова, A.A. Ханина, М.М. Элланского, Г.Е. Арчи, Р.Х. Брукса, Н.Т Бурдайна, ЭЛ. Донаддсона, С.Л. Закса, Г.Р. Коатса, Н. Морроу и др.

Описаны основы традиционной концепции абсолютного порового пространства и альтернативной концепции эффективного порового пространства. На рис.1 приводится схема базисных моделей пористой среды и определяемых параметров применительно к концепции АПП (рис. 1а) и концепции ЭПП (рис. 16).

а б

Рис. 1. Схема базисной структуры порового пространства согласно концепциям АПП (а) и ЭПП (6)

Отмечаются известные факторы целесообразности перехода от концепции АПП к концепции ЭПП.

Во второй главе «Сопоставительные эксперименты по определению корреляционных связей между проницаемостью и пористостью согласно

концепциям АПП и ЭПП» описаны методики подготовки и проведения экспериментов на лабораторной установке, а также результаты исследований.

Зависимости логарифма проницаемости от коэффициента пористости являются важными для петрофизики пласта. Так как они позволяют на основе определяемых по данным ГИС коэффициентов пористости находить расчетные значения коэффициентов проницаемости.

Уже из предыдущего изложения можно предположить, что рассматриваемые корреляционные зависимости в рамках концепций АПП и ЭПП могут различаться. Поэтому выполнение соответствующих сопоставительных экспериментов представляет немалый научный и прикладной интерес.

Ранее проводившиеся петрофизические исследования ряда авторов показывали целесообразность построения корреляционных зависимостей для проницаемости на основе коэффициентов эффективной пористости тэф вместо открытой пористости т0. Возможность применения таких связей в концепции АПП ограничена тем, что базисными параметрами являются значения т0. При этом предшествующими исследователями рассматривались зависимости логарифма абсолютной проницаемости ка^с от т0 и тэф. Коэффициенты эффективной проницаемости (фазовой проницаемости для нефти/газа при остаточной водонасыщенности) кэф не рассматривались. Поэтому автором поставлены и выполнены эксперименты с целью определения на одной выборке образцов керна связей ка^с от та в концепции АПП и кэф от тэф в концепции ЭПП.

В распоряжении автора не было необходимой готовой лабораторной базы. Поэтому возникла необходимость сконструировать, собрать и отладить собственную установку для определения искомых парных коэффициентов кадС и т0\ кэф и тэф.

Для проведения экспериментов были изготовлены 35 искусственных

сцементированных кернов на основе песка различных фракций с добавлением различного количества цемента. Благодаря этому были получены керны с отличающимися значениями пористости и проницаемости, но в рамках единого литотипа.

Готовые образцы подвергались сушке в муфельной печи до постоянства массы. Высушенные образцы на лабораторной установке исследовались по стандартной методике в рамках концепций АПП и ЭПП.

Лабораторная установка (рис. 2) предназначена для измерения пористости и проницаемости кернов. Установка рассчитана на максимальное давление 1 МПа и расходы от 0,004 см3/с до 1 см3/с.

В состав установки входят следующие элементы.

1. Плунжерный насос периодического действия. Используется в процессах измерения пористости и проницаемости.

2. Блок управления насосом. Осуществляет управление производительностью насоса.

3. Регулятор расхода газа (РРГ). Позволяет регулировать расход газа, а также может работать в режиме расходомера.

4. Редуктор. Понижает баллонное давление после себя в диапазоне 0 2 МПа.

5. Бак с водой. Предназначен для увлажнения проходящего через него сухого газа, используемого в дальнейшем для фильтрации.

6. Кернодержатель - устройство, предназначенное для крепления кернов и осуществления процесса фильтрации через них.

7. Вакуумный насос. Предназначен для вакуумирования установки, а также применяется для насыщения кернов жидкостью под вакуумом.

8. Датчики давления. Позволяют определять избыточное давление в разных местах установки.

9. Вентили. Служат для целей переключения и регулирования давления в системе.

10. Ловушка. Предотвращает попадание в регулятор расхода газа жидкости и твердых примесей при вытеснении воды из керна.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для проведения исследований

Лабораторные эксперименты по определению коэффициентов кацс и та проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении на выходе из керна.

Для проведения исследований в рамках концепции ЭПП керны предварительно насыщались водой под вакуумом, после чего в них создавалась остаточная водонасыщенность путем вытеснения воды азотом. Подаваемый в керн азот предварительно пропускался через сосуд с водой для его увлажнения.

Результаты выполненных лабораторных экспериментов приводятся в табл. 1 и на рис. 3 и 4.

№ образца 39 37 36 32 26 21 9 24 41 23 3 35

кабс.мД 23 24 22 17 66 18 78 71 97 103 70 21

Цф. "Д 3 3 3 11 30 4 17 30 26 24 22 11

т, % 19.42 22.33 29.93 27.28 26.93 25.58 27.47 29.07 29.13 26.33 23.62 28.55

ПЦф.% 2.49 6.16 8.82 11.87 10.83 7.50 11.93 10.22 14.22 11.51 5.52 10.51

.4? образца И 42 25 27 17 29 30 18 38 вЗ в4 в5

кабо «Д 74 102 58 44 50 59 48 39 24 94 110 111

кэф. МД 11 20 23 8 10 7 13 9 5 46 37 46

т, % 25.06 28.06 25.5 23.47 26.41 24.32 24.62 23.51 20.01 31.86 33.31 34.16

пЬф, % 9.35 11.69 10.83 7.36 6.78 8.26 8.49 7.01 2.69 13.07 17.14 18.26

№ образца нб в7 н8 н9 В10 В11 н12 в 13 н14 в15 в16

кабс* "Д 90 98 95 101 103 106 109 113 116 116 117

41 39 40 43 45 46 45 46 47 45 46

т. % 32.51 34.86 31.53 33.21 34.51 34.6 34.61 34.8 33.79 34.82 34.8

Шэф,% 19.06 18.92 17.96 18.67 18.79 18.77 18.8 18.8 18.49 18.6 18.69

Анализ результатов исследований позволяет отметить следующее.

1. Переход к концепции эффективного порового пространства заметно увеличивает коэффициент детерминации Л2 в зависимостях логарифма проницаемости от пористости. В проведенных экспериментах увеличение коэффициента детерминации Р.2 имеет место от 0,4781 (концепция АПП) до 0,7376 (концепция ЭПП).

2. Как сказано выше, отдельные специалисты-петрофизики ранее отмечали факт повышения коэффициента детерминации для зависимости логарифма проницаемости от пористости в случае перехода от та к тэф. Однако здесь необходимо отметить следующее.

• Во-первых, коэффициенты тэф не являются базисными коэффициентами в дифференциальных уравнениях многофазной фильтрации Маскета - Мереса в рамках концепции АПП. Поэтому они не могут служить интерпретационными параметрами в традиционных подходах в области ГИС. То есть, получаемые преимущества в оценке проницаемости оставались не востребованными.

Во-вторых, рассматриваемые зависимости от эффективной пористости с достаточным для значимых выводов объемом точек в литературе представлены для логарифма абсолютной, а не эффективной проницаемости.

2.5

1.5

0.5

15

Igk.

2.5 2 1.5 1

0.5 0

•эф

20

R2 = 0.4781

♦ ♦

♦ ♦ ♦ '

25

30

10

15

35

m „,%

R2 = 0.7376 ♦

♦ --- « *

__—♦ ♦

Рис. 3. Зависимость логарифма абсолютной проницаемости от коэффициента открытой пористости

Рис. 4. Зависимость логарифма эффективной проницаемости от коэффициента эффективной пористости

20

тэф,%

• Таким образом, именно полученные в данной работе зависимости полностью соответствуют корректному сопоставлению концепций АПП и ЭПП.

При этом учитывается, что возможность использования зависимостей от тэф в рамках концепции ЭПП обеспечивают новые подходы в интерпретации стандартного комплекса ГИС (Д.А. Кожевников и К.В. Коваленко, B.C. и C.B. Афанасьевы), а также специальные методы, например, ядерно-магнитный каротаж.

3. После публикаций авторов концепции ЭПП и приведенных выше результатов экспериментов в печати все в большем объеме стали появляться работы с построением разных петрофизических зависимостей от тэф. В

13

качестве примера, на рис. 5 для одного из месторождений (согласно работе Индрупского И.М. с соавторами, Нефтяное хозяйство, 7/2013) приводятся зависимости /£ от т0 и £абс от тэф- Если концепция АПП здесь обеспечивает коэффициент детерминации на уровне 0,1068, то в рамках концепции ЭПП он становится равным 0,8821, то есть, возрастает кратно. Более высокие значения Я2, по сравнению с результатами экспериментов данной работы, связаны с большим объемом выборки и, возможно, иным характером микро неоднородности естественных, а не искусственных образцов керна.

а б

Рис. 5. Зависимости абсолютной проницаемости от открытой и эффективной пористости Таким образом, приведенные во второй главе результаты и выводы являются важным аргументом в пользу перехода к концепции ЭПП. Ибо возрастает степень достоверности результатов интерпретации данных ГИС и создаваемой 30 газогидродинамической модели продуктивного пласта.

Третья глава «Сопоставительные эксперименты по определению коэффициентов вытеснения в рамках разных методологий».

Сопоставительные эксперименты для коэффициентов вытеснения Кв применительно к нефтенасыщенным кернам в рамках концепций АПП и ЭПП не актуальны. Так как в концепции АПП они, как правило, проводятся при учете остаточной водонасыщенности.

Поэтому актуальными были признаны сопоставительные эксперименты в рамках разных методологий. А именно, более практичными были признаны исследования применительно к разработке газовых месторождений при водонапорном режиме. Это потребовало проведения экспериментов на газонасыщенных искусственных кернах.

В проведенных экспериментах использованы 18 искусственных сцементированных кернов на основе песка различных фракций, благодаря чему они характеризуются различными коэффициентами пористости и проницаемости.

Выполненные исследования характеризовались следующими некоторыми особенностями.

1. Искусственные керны представляли собой сцементированные образцы с разными коллекторскими свойствами. Различия в свойствах предопределялись соотношением песка и цемента в образце. Привлекательность такого подхода состояла в том, что все результаты и выводы делаются в пределах одного литотипа коллекторов.

2. Коэффициенты вытеснения определялись для каждого керна в отдельности на основе данных капиллярной пропитки, а также по результатам традиционных исследований по вытеснению. В отличие от предшествующих исследований, вытеснение газа водой осуществлялось не из сухих кернов, а из кернов с остаточной водонасыщенностью.

3. Как отмечено, коэффициенты вытеснения находились для систем газ -вода, а не для системы нефть - вода. Это чтобы исключить влияние множества привходящих воздействий на поверхность пористых образцов, таких как процессы экстрагирования, явлений адсорбции, десорбции и др.

Особенность лабораторных экспериментов заключалась в следующем.

Сначала моделировался процесс вытеснения газа водой из кернов с остаточной водонасыщенностью. Коэффициент вытеснения определялся весовым методом. Результаты таких экспериментов в наибольшей степени важны применительно к терригенным коллекторам.

На тех же кернах, после подготовительных процедур, вновь создавалась

остаточная водонасыщенность. И на них моделировался процесс прямоточной капиллярной пропитки. По его завершению также весовым методом находилась величина коэффициента вытеснения. Подобные эксперименты в большей мере представляют интерес для карбонатных трещиновато-пористых коллекторов. Однако и в неоднородных терригенных отложениях процессы капиллярной пропитки могут играть значимую роль.

Исходные параметры исследованных кернов и результаты определения коэффициентов вытеснения по методикам капиллярной пропитки и традиционного вытеснения одного флюида другим приводятся в таблице 2 и на рис. 6-8.

Рассмотрение результатов экспериментальных исследований позволяет отметить следующие моменты.

1. Значения Кв в режиме вытеснения и при капиллярной пропитке различаются. Так в среднем значения Кв при пропитке на 0,79% - 6,2% больше, чем при режиме вытеснения. Выполненные лабораторные эксперименты

Таблица 2. Характеристика кернов и результаты лабораторных экспериментов

№ -керна *-аос ^эф тэф в гв ^вкп % 1? ка6с

1 17 11 0.2528 0.087 0.59 0.623 5.59 1.230 1.041

2 70 22 0.2362 0.0552 0.536 0.558 4.10 1.845 1.342

3 21 12 0.2558 0.051 0.509 0.513 0.79 1.322 1.079

4 66 30 0.2693 0.1083 0.548 0.582 6.20 1.820 1.477

5 97 26 0.2913 0.1422 0.634 0.666 5.05 1.987 1.415

6 78 17 0.2747 0.1193 0.613 0.625 1.96 1.892 1.230

7 71 30 0.2907 0.1022 0.615 0.646 5.04 1.851 1.477

8 103 24 0.2633 0.1151 0.581 0.608 4.65 2.013 1.380

9 41 11 0.2855 0.1051 0.532 0.548 3.01 1.613 1.041

10 74 13 0.2506 0.0935 0.529 0.536 1.32 1.869 1.114

11 58 23 0.2550 0.1083 0.593 0.616 3.88 1.763 1.362

12 44 8 0.2347 0.0736 0.522 0.536 2.68 1.643 0.903

13 50 10 0.2641 0.0678 0.563 0.592 5.15 1.699 1.000

14 59 7 0.2432 0.0826 0.554 0.574 3.61 1.771 0.845

15 48 13 0.2462 0.0849 0.584 0.606 3.77 1.681 1.114

16 39 9 0.2351 0.0701 0.515 0.531 3.11 1.591 0.954

17 24 5 0.2001 0.0269 0.509 0.521 2.36 1.380 0.699

18 84 26 0.2986 0.1307 0.588 0.619 5.27 1.924 1.415

1Л I/»

ГВ5 КП

0.7 т-

0.65 0.6 0.55 0.5

0 20 40 60 80 100 120

кэф,мД

Рис.6. Зависимости Кв от кацс при вытеснении (кружочки) и Кв от к,ф при капиллярной пропитке

(квадратики)

ТГ

в кп

0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

ш„, тЭф, д.е

Рис. 7. Зависимости Кв при капиллярной пропитке от коэффициентов открытой (кружочки) и эффективной (квадратики) пористости

И2 = 0.562 ■ Я2 = 0.43^ •

Я ■ • • ^

• > * / ■ •у

■ /1 •

1С

лв гв

ш0» тэф,д.е

Рис. 8. Зависимости Кв по данным вытеснения от коэффициентов открытой (кружочки) и эффективной (квадратики) пористости

свидетельствуют о недостаточном внимании к определению коэффициентов вытеснения. Так как даже в пределах одного литотипа и при относительно небольшом различии коллекторских свойств имеют место значительные расхождения в величинах Ке. Значения Кв в режиме вытеснения для разных кернов изменяются в пределах от 0,509 до 0,634 (разница в 24,5%), в режиме капиллярной пропитки - от 0,513 до 0,666 (разница в 29,8 %). При этом для обоих процессов корреляционные зависимости значений Кв от тэф предпочтительны по сравнению с зависимостями Кв от т0. Это соответственно сказывается на достоверности задания функций ОФП, точности ЗЭ компьютерного прогноза газоотдачи, а для нефтяных залежей - нефтеотдачи, а значит, и коэффициента охвата. С соответствующими последствиями по обоснованию технологий разработки и доразработки.

2. Другими словами, лабораторным экспериментам по определению Кв следует подвергать представительное количество кернов даже в пределах

одного литотипа. Переносимые в ЗЭ гидродинамические модели результаты экспериментов по всем литотипам целесообразно подвергать процедуре осреднения применительно ко всей совокупности элементарных ячеек. При этом заимствование Кв от соседних месторождений представляется некорректным.

3. В терригенных и особенно карбонатных коллекторах целесообразно определять Кв не только по данным вытеснения одного флюида другим, но и результатам капиллярной пропитки. Ибо именно капиллярная пропитка матричных блоков предопределяет газоотдачу и нефтеотдачу по залежам с карбонатными коллекторами.

В четвертой главе «Сопоставительные лабораторные эксперименты по определению коэффициентов проницаемости и макрошероховатости при нарушении закона Дарси в рамках концепций АПП и ЭПП» описана методика подготовки и проведения намеченных сопоставительных экспериментов.

Для исследований данной главы использовалась приведенная ранее лабораторная установка с небольшими отличиями.

В исследованиях в рамках концепции АПП традиционно использовались сухие керновые образцы. У этих кернов по традиционной процедуре определялись коэффициенты открытой пористости та, абсолютной проницаемости ка^с и коэффициенты макрошероховатости р*абс, характеризующие фильтрацию газа при нарушении закона Дарси.

Соответствующая совокупность экспериментов в рамках концепции АПП выполнялась практически при атмосферном давлении на выходе из керна. На входе в керн давления на режимах несколько отличались в связи с тем, что керны различались по коллекторским свойствам. Давления на входе в керн изменялись от режима к режиму, что вызывало изменения расхода газа ц, фильтрующегося через керн.

Результаты лабораторных экспериментов обрабатывались в координатах Др2 ^ ц. Это позволяло устранять возможные субъективные ошибки в

единичных замерах. Здесь Ар2 — разница квадратов давления на входе и на выходе из керна.

Затем результаты экспериментов обрабатывались в координатах Ар2/д + д. Это позволяло по величине отрезка, отсекаемого на оси ординат, находить величину коэффициента аабс, а по тангенсу угла наклона в зависимости Др2/д =/(д) определять коэффициент 6абс.

Тогда из известных соотношений для коэффициентов фильтрационных сопротивлений аабс и Ьабс вычислялись коэффициент абсолютной проницаемости кабс керна по азоту и коэффициент «макрошероховатости» Р*абс керна без остаточной водонасыщенности.

В качестве примера, на рис. 9 и 10 приводятся результаты исследований в координатах Ар2 н- д и Ар2/д + д соответственно для одного из кернов. Отсюда видно, что результаты экспериментов характеризуются хорошим соответствием двухчленному закону фильтрации газа. Значения же коэффициентов ка^с и Р*абс для всех кернов даются в табл. 3.

В серии лабораторных экспериментов в рамках концепции ЭПП сухие керны насыщались водой под вакуумом.

АР2, 0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

МПа

Керн13

s

Концепция ЭПП

Концепция АПП

ж-"

Рис.9 Индикаторные линии для керна MIS в рамках концепций АПП и ЭПП

12

q, см3/с

ДР*/д

0.08 0.07

о.об Н

0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0

Керн13

Концепция АПП

Я = 0.8368

Концепция ЭПП И2 = 1.9826

Рис.10.

Обработка результатов исследований керна М13 в рамках концепций АППиЭПП

о

10

12

Ч, см3/с

Затем вода из керна вытеснялась газом с целью создания остаточной водонасыщенности. Факт создания остаточной водонасыщенности контролировался весовым способом с использованием электронных весов. Неизменность веса исследуемого образца свидетельствовала о создании остаточной водонасыщенности.

Значение коэффициента пористости при остаточной водонасыщенности, то есть, коэффициента эффективной пористости тэф определялось по методу падения давления и контролировалось весовым способом.

Аналогично предыдущему случаю, на каждом керне фиксировалось несколько режимов по расходам азота. На каждом режиме определялись значения расхода азота <у и величина давления на входе в керн.

Результаты исследований обрабатывались в координатах Др2 + Др2/ц + ц. В качестве примера, для того же кернового образца экспериментальные данные представлены на рис. 9 и 10. Это позволяет сопоставить результаты исследований в рамках концепций АПП и ЭПП. Видно, что указанные зависимости при следовании концепции ЭПП располагаются выше, чем в случае концепции АПП. Кроме того, индикаторные линии Ар2 + ц в концепции ЭПП

21

ожидаемо характеризуются меньшим искривлением в силу исключения из фильтрации пор, заполненных в керне (и в реальном пласте) неподвижной водой.

Как и ранее, из графика на рис. 10 находятся коэффициенты а и Ь, обозначаемые как аэф и Ьэф. В случае концепции ЭПП используемые выражения для коэффициентов аэф и Ьэ(р записываются следующим образом _ 2уРатЬ _ 2р1фРатРатЬ

Теперь из этих формул находятся значения коэффициента эффективной проницаемости кэф (проницаемости керна по воздуху (азоту) при остаточной водонасыщенности) и коэффициента "макрошераховатости" /3*эф, также при остаточной водонасыщенности. Искомые параметры для всех исследуемых кернов приводятся в табл. 4.

Результаты исследований, представленные в табл. 3 и 4, были подвергнуты графической обработке для сопоставления результатов экспериментов, выполненных в рамках концепций АПП и ЭПП. По результатам исследований были построены корреляционные зависимости:

1г кавс =/(т0); /§■ кэф =/(тэф);

кабс =/(тп); кэф =Дтэф); Кбс - \ кэф ~ \

то у тэф

Р*абс=/(т0); Р\Ф=Ятэф); Р'аес = Лл\~); Р'3Ф =

т„ V т.

Сопоставительные графики показывают, что в случае концепции ЭПП эти зависимости вновь характеризуются большими, чем в концепции АПП, коэффициентами детерминации.

Представленные результаты исследований позволяют отметить следующее.

Необходимость и целесообразность перехода в ЗЭ компьютерном моделировании к концепции ЭПП приводит к изменению методологии

исследований в области физики нефтегазового пласта.

Таблица 3. Результаты исследований кернов в рамках концепции АПП.

№ ^абс Чтт Чтах Р*а6с (к1б<Ут|,)1'2 аа6с ^абс ррг

обр д.ед. мД см'/сек см'/сек 1/см мД

1 0,2528 17 0,59 9,89 5,71Е+08 8,20 1,091 16,299

2 0,2362 70 0,6 9,8 5,11Е+08 17,22 0,242 73,454

3 0.2558 21 0,5 9,9 1,10Е+09 9,06 0,877 20,275

4 0.2693 66 0,5 9.84 1,ООЕ+09 15,66 0,258 68,954

5 0.2913 97 0.83 9.94 1,06Е+09 18,25 0,189 94,196

6 0.2747 78 0,5 9.84 9,76Е+08 16,85 0,230 77,344

7 0.2907 71 0,6 9.8 1,01Е+09 15,63 0,241 73.839

8 0.2633 103 0.5 9,9 5.70Е+08 19.78 0,178 99,876

9 0.2855 41 0,52 9.89 1,04Е+09 11.98 0,400 44.425

10 0.2506 74 0.61 9.87 5.08Е+08 17,18 0,251 70,775

11 0.2550 58 0,5 9,9 5ДЗЕ+08 15.08 0.306 58,125

12 0.2347 44 0.55 9.91 4,82Е+08 13.69 0,395 45,064

13 0.2641 50 0.49 9.81 1Д0Е+09 13,76 0,366 48,556

14 0.2432 59 0.51 9,94 5,70Е+08 15.58 0,331 53,659

15 0,2462 48 0,5 9,84 4.43Е+08 13.96 0,364 48,855

Таблица 4. Результаты исследований кернов в рамках концепции ЭПП.

№ тэф •В Р*эф (кэф/ГОэф)1' Р-ца между тоитэф% Р-ца между кабсикэф% Р-ца между Р*а6с и Р*эф аэф ^эф ррг

обр д.ед. мД 1/см мД

1 0.087 11 3,70Е+08 11.24 65.59 35.29 35.30 1,672 10,639

2 0,0552 22 2,53Е+08 19,96 76,63 68,57 50,48 0,846 21,026

3 0,051 12 3.14Е+08 15,34 80,06 42,86 71,33 1,496 11,890

4 0,1083 30 5.53Е+08 16,64 59.78 54,55 44,80 0,578 30,787

5 0.1422 26 6,05Е+08 13.52 51.18 73,20 42,86 0,696 25,547

6 0.1193 17 5.82Е+08 11.94 56.57 78,21 40.36 1,058 16,807

7 0,1022 30 6,50Е+08 17,13 64,84 57,75 35,39 0,571 31,164

8 0,1151 24 4,68Е+08 14,44 56,29 76,70 17,90 0,780 22,800

9 0.1051 И 5.50Е+08 10.23 63,19 73,17 47,30 1,672 10,639

10 0.0935 13 4,37Е-Ю8 11.79 62.69 82,43 13,99 1,359 13,084

11 0,1083 23 4,10Е+08 14.57 57,54 60,34 20,10 0,795 22,376

12 0,0736 8 2,10Е+08 10,43 68,65 81,82 56,43 2,240 7,939

13 0,067в 10 4,06Е+08 12,14 74,33 80,00 62,99 1,733 10,259

14 0,0826 7 2,92Е+08 9,20 66,02 88,14 48,71 2,331 7,628

15 0,0849 13 3,10Е+08 12,37 65,52 72,92 30.17 1,292 13,766

Результаты выполненных исследований, в свою очередь, подтверждают

указанную целесообразность. Она связана с тем, что значения проницаемостей и коэффициента макрошероховатости, согласно концепции ЭПП, на десятки процентов (до 70%) отличаются от соответствующих коэффициентов в рамках

23

концепции АПП.

Отдельно необходимо отметить, что именно результаты определения коэффициентов р*эф, с поправкой на эффект масштаба, корректно сопоставлять с результатами промысловых газодинамических исследований скважин и, на основе зависимости от тэф, учитывать их различие в пределах продуктивного пласта в ЗБ газогидродинамической модели.

В пятой главе «Сопоставительные эксперименты по смачиваемости в рамках концепций АПП и ЭПП» описана методика подготовки и проведения экспериментов по смачиваемости.

Известные публикации по оценке смачиваемости прямыми методами, в частности, методом "сидячей капли" предполагают проведение работ на сухом керне или керне, заполненном однородным флюидом (водой или той или иной углеводородной жидкостью). В данной работе, согласно концепции АПП, параметры смачиваемости определялись на сухих кернах. Согласно же концепции ЭПП, они должны определяться при наличии остаточной водонасыщенности. При этом оставшееся поровое пространство, не заполненное неподвижной водой, остается насыщенным воздухом (азотом). То есть, моделируется начальное насыщение газового пласта.

Лабораторные исследования выполнялись на искусственных сухих кернах и на тех же кернах с остаточной водонасыщенностью. Искусственные керны представляли собой сцементированные образцы песчаника с разным процентом содержания цемента. То есть, они различались по величинам каес, кэф, та, тэф и Яост- В общей сложности было подвергнуто исследованию 14 кернов.

В экспериментах в рамках концепции АПП на торцевую поверхность сухого керна наносилась капля воды. Форма капли воды на поверхности керна фотографировалась. По фотографии замерялся краевой угол смачивания в и вычислялась величина с<мв. Важность этих параметров в том, что они входят в качестве исходных данных в расчетные формулы взаимосвязи капиллярного давления и функции Леверетта, а также показывают ожидаемый характер

взаимодействия коллектора с подвижной водой при водонапорном режиме.

Затем керн насыщался водой под вакуумом. Вода из керна вытеснялась азотом до момента неизменности массы керна. Масса керна контролировалась на электронных весах. После этого на торцевую поверхность керна с остаточной водонасыщенностью наносилась капля воды. Форма этой капли также фотографировалась с последующим определением краевого угла смачивания.

Выполнить такого рода сопоставительные эксперименты, например, по известному тесту Амотта невозможно. Так как в этих исследованиях эксперименты с сухими кернами не выполняются.

Исходные данные и результаты сопоставительных экспериментов представлены в табл. 5.

Таблица 5. Сопоставление краевых углов смачивания в в рамках концепций АПП и ЭПП

№ керп;1 т0 тэф ^абс Цэф 9 ск в ов де Дсозб

% % мД мД град град % %

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 23.62 5.52 70 22 124 40 210 -173

2 24.62 8.49 48 13 117 44 166 -163

3 25.58 5.10 21 12 113 83 36 -421

4 29.07 10.22 71 30 114 53 115 -168

5 23.47 7.36 44 8 123 63 95 -220

6 25.50 10.83 58 23 46 0 0 -31

7 28.55 10.51 41 11 127 24 429 -166

8 24.32 8.26 59 7 45 15 200 -27

10 20.01 2.69 24 5 110 59 86 -166

11 29.13 14.22 97 26 111 53 109 -160

12 25.28 8.70 17 И 39 0 0 -22

13 26.93 10.83 66 30 81 26 212 -83

14 25.06 9.35 74 13 63 52 21 -26

15 27.47 11.93 78 17 111 63 76 -179

На рис. 11 и 12 в качестве примера приводятся фотографии для керна № 1 с каплей воды соответственно для случаев сухого керна и керна с остаточной водонасыщенностью. Результаты экспериментов по смачиваемости говорят о следующем.

1. Серия лабораторных экспериментов по смачиваемости применительно к газонасыщенным коллекторам в рамках концепций АПП и ЭПП

свидетельствует о возможности получения некорректных выводов о характере смачиваемости, а также значительных (до более чем 400%) погрешностей в определении краевого угла в и сояб при проведении экспериментов в рамках концепции АПП.

2. В рамках концепции ЭПП все керны оказались гидрофильными, тогда как в рамках концепции АПП преобладающая часть из них (64%) проявили себя как гидрофобные. Можно предположить, что, по крайней мере, для залежей газа в терригенных отложениях опубликованные данные о наличии на ряде месторождений гидрофобных коллекторов могут не соответствовать действительности и являться следствием «жесткой» экстракции исследуемых образцов перед проведением исследований.

Рис. 11. Форма капли воды на торце сухого керна М1

Рис. 12. Форма капли воды на торце керна №1 с остаточной водонасыщенностью

Общие выводы

Проведенные автором сопоставительные лабораторные эксперименты в рамках концепций АПП и ЭПП показывают на необходимость перехода к концепции ЭПП при определении искомых для ЗП компьютерного моделирования параметров. То есть, выполненные исследования являются важными для методологии физики и петрофизики пласта. Так как именно эти научные дисциплины предоставляют исходную информацию для интерпретации ГИС, ГДИС, подсчета запасов нефти и газа, для создания ЗБ геологических и ЗБ гидродинамических моделей пластов. Что позволяет говорить об

26

актуальности выполненных сопоставительных экспериментов для повышения эффективности разработки месторождений нефти и газа.

• Выполненные эксперименты показывают, что зависимости кэф = /(тэф), согласно концепции ЭПП, имеют почти кратно лучшие коэффициенты детерминации, чем ка^с = /(те) в концепции АПП. Следовательно, концепция ЭПП способствует повышению достоверности данных о фильтрационных параметрах пласта, основанных на результатах интерпретации ГИС.

Сопоставительные эксперименты показали, что коэффициенты вытеснения газа водой Кв при капиллярной пропитке оказываются выше, чем при традиционной процедуре вытеснения одного флюида другим. Вследствие близкой природы процессов вытеснения можно предположить, что аналогичные тенденции характерны для вытеснения нефти водой. Тогда применительно к нефтяным месторождениям допустимо говорить, что определяемые на практике по известной накопленной добыче нефти и Кв по данным вытеснения коэффициенты охвата вытеснением Кохв являются завышенными, что не стимулирует работы по увеличению КИН.

• Традиционные исследования в области физики газового пласта обычно ограничиваются экспериментами на сухих кернах. Сопоставительные лабораторные эксперименты показывают на значительные расхождения коэффициентов кавс и кэф, а также Р*абс и Р*эф при исследованиях в рамках концепций АПП и ЭПП. То есть, указывают на необходимость проведения соответствующих исследований в рамках концепции ЭПП.

• Выполненные исследования по определению смачиваемости кернов подтверждают мнение ряда ученых в области физики пласта о целесообразности отказа от «жесткого» экстрагирования кернов. А именно, в сопоставительных экспериментах исследования в рамках концепции АПП показали, что значительная часть кернов оказалась гидрофобными. Эксперименты же в рамках концепции ЭПП показали, что все керны являются гидрофильными. Известно,

что характер смачиваемости оказывает заметное влияние на выбор технологических решений в практике добычи нефти и газа.

• Анализ результатов экспериментов показывает, что с уменьшением количества исследуемых кернов снижается коэффициент детерминации. То есть, увеличение керновых исследований в области петрофизики пласта способствует повышению степени достоверности интерпретации результатов ГИС.

Общий вывод состоит в следующем. Переход на концепцию ЭПП в методологиях исследований в области физики и петрофизики пласта поднимает на новый уровень достоверность оценки свойств пласта по данным ГИС, подсчета запасов нефти и газа, 3D гидродинамического моделирования с соответствующими положительными последствиями в области разработки месторождений нефти и газа.

Публикации

1. Индрупский И.М., Закиров Э.С., Муртазалиев А.Ш., Файзрахманов P.P. Исследования кернов на основе концепций абсолютного и эффективного порового пространства / Недропользование - XXI век, № 2,2009, с. 74 - 76

2. Закиров С.Н., Муртазалиев А.Ш. К определению коэффициентов вытеснения для терригенных и карбонатных коллекторов / Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений, № 9, 2009, с. 45 - 48

3. Закиров С.Н., Муртазалиев А.Ш., Аникеев Д.П. Сопоставительные лабораторные эксперименты в рамках концепций АПП и ЭПП / Газовая промышленность, № 3,2011, с. 70 - 73

4. Закиров С.Н., Муртазалиев А.Ш. Сопоставительные эксперименты по смачиваемости в рамках концепций абсолютного и эффективного порового пространства / Нефтяное хозяйство, №11,2011, с. 78 - 79

Подписано в печать: 24.09.14

Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 544 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д. 2 (495) 978-66-63, www.reglet.ru