Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование капиллярных свойств коллекторов с целью решения промыслово-геологических задач и повышения энергоэффективности вытеснения нефти водой

ВАК РФ 25.00.12, Геология, поиски и разведка горючих ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Моделирование капиллярных свойств коллекторов с целью решения промыслово-геологических задач и повышения энергоэффективности вытеснения нефти водой"

На правах рукописи

БОРИСОВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ КОЛЛЕКТОРОВ С ЦЕЛЬЮ РЕШЕНИЯ ПРОМЫСЛОВО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ И ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ВОДОЙ

Специальность 25.00.12 - Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых

месторождений

0.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005544854

Тюмень, 2013

005544854

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете (ТюмГНГУ).

Научный руководитель ІМедведский Родион Иванович!,

доктор технических наук, профессор кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, ТюмГНГУ

Официальные оппоненты: Большаков Юлий Яковлевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии месторождений нефти и газа, ТюмГНГУ Вольф Альберт Альбертович

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ТО СугрутНИПИнефть Ведущая организация ОАО «Сибирский научно- исследовательский институт

нефтяной промышленности» (СибНИИНП)

Защита диссертации состоится 13 декабря 2013г в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.273.05 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 56, Институт геологии и нефтегазодобычи, аудитория 515.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Отзывы, заверенные печатью учреждения, в 2 экземплярах просьба направлять по адресу 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 56, ученому секретарю диссертационного. Факс: (3452) 46-30-10, e-mail: t_v_semenova@list.ru

Автореферат разослан 9 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Т.В. Семенова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Капиллярные силы оказывают большое влияние на формирование нефтегазовых залежей и их разработку. Так, при скоплении органического вещества в ловушках, распределение флюидов происходит согласно капиллярно-гравитационному принципу. Согласно этому же принципу формируется поверхность водонефтяного контакта в различных частях залежи, возникают капиллярные барьеры. При разработке месторождений капиллярные процессы проявляются в виде прямоточной и противоточной пропитки, перетоков флюидов и капиллярных концевых эффектов.

При таком активном вилянии очень важно учитывать капиллярные процессы при построении геологических и гидродинамических моделей залежей, планировании геолого-технологических мероприятий и решения прочих геолого-промысловых задач. Неучет капиллярных процессов приводит к неправильным представлениям о строении залежей углеводородов, недостоверным оценкам их запасов, неэффективности выбираемых систем разработки и ГТМ, пониженным коэффициентам извлечения и повышенным издержкам на эксплуатацию залежей.

Для учета капиллярных явлений необходимо достоверное их изучение и построение специальных капиллярных моделей, которые бы дополняли традиционные геологические и гидродинамические модели, повышая тем самым их информативность и достоверность. Проблемам создания таких моделей посвящена данная работа.

Цель работы

Повышение точности методов изучения и моделирования капиллярных характеристик горных пород с целью улучшения геологических моделей и геологического обоснования способов разработки залежей.

Основные задачи исследований

1. Обобщение и анализ ранее выполненных исследований в области капиллярных свойств горных пород.

2. Повышение качества исследований капиллярных свойств горных пород.

3. Повышение качества построения капиллярных петрофизических моделей.

4. Геологическое обоснование рекомендаций по эксплуатации залежей, для наиболее полного использования потенциала капиллярных сил, с целью экономии эксплуатационных энергозатрат.

Научная новизна

1. Разработан метод исследования капиллярных характеристик горных пород методом центрифугирования, основанный на трехмерном математическом моделировании. В отличие от аналогов, метод позволяет получать кривые капиллярного давления с количеством точек большим, чем количество скоростей центрифугирования. Также в отличие от всех ранее разработанных методов обработки, данный метод позволяет работать с роторами наклонного типа, что весьма актуально для центрифуг отечественного производства.

2. Разработана методика построения капиллярных петрофизических моделей, которые успешно заменяют ^функцию Леверетга, обеспечивая более точное описание формы капиллярных кривых и значений водонасыщенности. Данная методика позволяет на основе лабораторных экспериментов получать кривые капиллярного давления для заданных значений проницаемости.

3. Разработан способ оценки вклада капиллярных сил в добычу нефти. В отличие от ранее существующих способов, разработанный основывается на анализе истории добычи.

4. Разработаны способы нагнетания, позволяющие наиболее эффективно задействовать потенциал капиллярных сил залежи и снизить эксплуатационные затраты. В отличие от известного ранее циклического заводнения, предлагаемые режимы обеспечивают плавный запуск и остановку нагнетательных скважин, а также вытеснение нефти в промежуточных направлениях между скважинами.

Основные защищаемые положения

1. Применение трехмерного математического моделирования при исследовании капиллярных свойств методом центрифугирования позволяет получать более достоверные и детальные кривые капиллярного давления, чем при использовании традиционных методик.

2. Использование авторских эмпирико-аналитических моделей позволяет повысить точность математического описания и обобщения экспериментальных кривых капиллярного давления.

3. Замена единичного капиллярного числа на кривую капиллярных чисел, построенную по предлагаемой автором формуле, позволяет более достоверно и детально рассматривать соотношения капиллярных и гидродинамических сил в поровых каналах.

Теоретическая значимость работы

В результате выполненной работы расширены представления о соотношении и взаимодействии капиллярных и гидродинамических сил в нефтегазоносных пластах введен ряд новых понятий и формул. В работе расширено понятие двойной среды, переработаны представления о механизме вытеснения из нее углеводородов.

Практическая ценность работы

Реализация разработок, сделанных в ходе данной работы, позволит повысить качество исследования капиллярных характеристик, точность геологических моделей залежей и подсчета запасов углеводородов.

Разработанный метод исследования капиллярных характеристик путем центрифугирования позволяет работать с роторами наклонного типа, которые наиболее часто используются в лабораториях России и стран бывшего СССР.

Кроме того, использование предложенных капиллярных моделей позволяет оценить потенциальный вклад капиллярных процессов в добычу нефти, что позволит более правильно выбрать режимы разработки залежи. Последнее позволяет увеличить нефтеотдачу и снизить эксплуатационные энергозатраты.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 25.00.12 — «Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений», а именно пунктам:

1. Происхождение и условия образования месторождений нефти и газа:

- условия формирования скоплений нефти и газа в земной коре;

2. Прогнозирование, поиски, разведка и геолого-экономическая оценка месторождений:

- методология прогнозирования, оценки ресурсов и подсчет запасов нефти и газа;

3. Геологическое обеспечение разработки нефтяных и газовых месторождений.

Реализация работы

Материалы диссертации используются в научно-исследовательской деятельности ООО «ТюменНИИгипрогаз». Методика построения капиллярных петрофизических моделей, внедрена в практику исследования керна ООО «ТюменНИИгипрогаз».

Личный вклад автора

Автором разработаны: метод обработки результатов центрифугирования, метод построения капиллярных петрофизических моделей; способ оценки потенциального вклада капиллярных сил в добычу нефти. В соавторстве с Р.И. Медведским был разработан спо-

соб оценки доли нефти, добываемой за счет капиллярных процессов. Все выводы по результатам исследований сделаны лично автором.

Апробация работы

Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений ТюмГНГУ а также на ряде конференций, в числе которых:

Международные и с иностранным участием. «Трофимуковские чтения - 2008» (Новосибирск, 2008), II международная конференция геологов и геофизиков «Тюмень -2009» (Тюмень, 2009), «Современные технологии капитального ремонта скважин и повышения нефтеотдачи пластов» (Геленджик, 2009) , «Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения» (Оренбург, 2009), «Петрофизика: современное состояние, проблемы, перспективы»(Москва, 2010), «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (Астрахань, 2010).

Всероссийские. «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень, 2008). Региональные. «Пути развития нефтегазового и рудного потенциала Ханты-Мансийского - Югры» (Ханты-Мансийск, 2008);

Конференции молодых ученых и специалистов. «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири» (Тюмень, 2006, 2008, 2010), «Молодежь как инновационная составляющая развития Тюменской Области» (Тюмень, 2007), «Современные методы изучения, моделирования и разработки нефтегазовых и газоконденсатных месторождений» (Тюмень, 2008), научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Газпром добыча Надым (Надым, 2009), «Газовой отрасли - энергию молодых ученых!» (Ставрополь, 2010).

Публикации

Основные положения работы изложены в 10 печатных работах, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц и 66 рисунков. Список использованных источников включает 131 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, обозначены научная новизна и практическая ценность.

В первом разделе изложены и обобщены теоретические положения о роли капиллярных процессов в процессе формирования и разработки нефтяных залежей.

Описаны различные виды пустотного пространства, существующие в гранулярных коллекторах, показаны естественные и техногенные неоднородности в гранулярных коллекторах. Рассмотрена проблема определения радиуса порового канала различными способами.

Исследована форма кривых капиллярного давления. Предложена детальная разбивка кривой: 1 стенка; 1 изгиб; субгоризонтальный участок; 2 изгиб; 2 стенка. Рассмотрены методы лабораторного изучения структуры порового пространства, описаны причины различия получаемых результатов.

Проведен анализ понятия «капиллярное число», рассмотрены различные формулировки капиллярного числа, предложенные различными авторами. На основании проведенного анализа разработана улучшенная формула капиллярного числа (1), которая в отличие

от ранее известных содержит ряд дополнительных параметров, позволяющих учитывать различные геолого-технологические условия:

и _ gradP-г* ■ PL-P„ • Pr-Pt П)

2 aCosd

где gradP - градиент пластового давления, Па/м; гк - радиус порового канала по капил-ляриметрии, м; PL - параметр длины канала (отношение длинны канала его радиусу), б/р; Ра - ориентационный параметр (отношение проекции канала на вектор градиента давления к длине канала), б/р; Рг - параметр эффективного радиуса (отношение эффективного радиуса канала к радиусу по капилляриметрии), б/р; Р - параметр учитывающий прочие эффекты (не учтенные другими параметрами), б/р; а - межфазное натяжение Н/м; в - угол смачивания, град.

Рассчитаны значения капиллярных параметров для отсортированного гранулярного коллектора. На основании данных капилляриметрии произведены расчеты кривых капиллярных чисел для коллекторов ачимовских отложений Уренгойского района. Для удобства использования было введено понятие «коэффициент капиллярности», представляющее собой капиллярное число без градиента давления, угла смачивания и межфазного натяжения. Удобство капиллярного коэффициента (Рис.1) заключается в том, что он является характеристикой породы. Из него всегда можно получить капиллярное число, домножив и разделив его на недостающие величины, таким образом, нет необходимости рассчитывать капиллярное число для каждой скорости фильтрации.

В разделе на основе литературного обзора сформулированы основные понятия, использующиеся в дальнейших главах. Рассмотрены основные капиллярно-гидродинамические процессы, влияющие на разработку нефтяной залежи: капиллярная прямоточная пропитка; противоточная пропитка; капиллярное защемление нефти; капиллярные перетоки, капельная проводимость.

Особое внимание уделено явлению двойной среды, которая, согласно исследованиям Р.И. Медвед-ского и A.A. Севастьянова, имеет место на большинстве месторождений Западной Сибири. В данной работе понятие «двойная среда» было несколько расширено. Кроме первоначального значения - пористо трещиноватый (блочно-матричный) пласт, в данное понятие были включены и другие значения: слоисто-неоднородный пласт и пласт с лин-зовидными включениями. Исследованиями автора было подтверждено, что такие явления широко распространены на месторождениях Западной и Восточной Сибири. Если быть точнее, то распространена даже не двойная, а множественная

Модельные кривые коэффициентов капиллярности

1.00Е-06-----

Дрля поровото пространства, %

Рис. 1 - кривые коэффициентов капиллярности для пласта Ач 3-4 Уренгойского НГКМ (шифр кривых - проницаемость пород кривые с буквой Э получены путем экстраполяции)

среда. В естественных пластах присутствует множество пропластков, линзочек, замещений и др. неоднородностей, каждая из которых характеризуется своими ФЕС. Однако для случая вытеснения нефти водой имеет смысл условно разделить все литотипы на две среды: промываемая и пропитываемая (проводящая и подпитывающая). Первая среда представляет собой поры и пропластки, в которых вытеснение нефти происходит преимущественно под действием градиента давления. Во второй - под действием капиллярных сил. Первая представляет собой наиболее проницаемые разности с наиболее крупными порами, что обеспечивает хорошую их промываемость и слабое влияние капиллярных сил. Вторая представлена низкопроницаемыми неоднородностями, в силу чего потоки воды их огибают, однако из-за малого размера пор в них развиты капиллярные процессы. В процессе выработки нефтяного пласта соотношения сред плавно меняются в сторону увеличения промываемой среды, тем не менее, капиллярная пропитка продолжает играть важную роль в вытеснении нефти.

Представления о двойной среде подтверждаются результатами исследования кривых падающей добычи нефти. При анализе добычи нефти на 3-4 стадии разработки автором было установлено, что в падающей добыче, помимо экспоненциальных составляющих, присутствует квазипостоянная составляющая. Из известных пластовых процессов такое может быть присуще только капиллярной пропитке. В поддержку этого говорят те факты, что добыча на 4 стадии практически не зависит от объемов закачки, ввод новых скважин приносит лишь кратковременный эффект, после чего добыча нефти выходит на предыдущий уровень. Также примечательно, что постоянной составляющей практически не наблюдается при эксплуатации газовых месторождений, где капиллярная пропитка практически не влияет на объемы добычи. Такого же эффекта не наблюдается при исследовании коэффициента вытеснения нефти на однородных образцах в лабораторных условиях. Гипотеза капиллярной пропитки подтверждается и математическими расчетами, выполненными автором.

В конце раздела сделаны выводы о преобладающей роли капиллярных сил при вытеснении нефти водой на микроуровне, в то время как гидродинамический градиент давления обеспечивает транспортировку этой нефти к стволам добывающих скважин.

Во втором разделе рассматриваются способы изучения капиллярных характеристик коллектора. Ввиду массового применения метода центрифугирования, этот метод был подробно рассмотрен. Поскольку ключевую роль в получении капиллярных кривых методом центрифугирования играет способ обработки результатов центрифугирования, было рассмотрено 17 способов, предложенных различными авторами: К. Аяппой, Е. Брунером, Б. Вендельштейном, Р. Кристенсеном, Б. Тульбовичем, Б. Скузе, Р. Слободом, Г. Хассле-ром, Р. Хоффманом, и т.д. Методы были классифицированы по следующим категориям: методы сопоставления частоты вращения с капиллярным давлением (наиболее простые и популярные); дифференциальные методы (наиболее сложные); интегральные методы (упрощенные). Было установлено, что практически все методы одномерны, т.е. образец породы в них представляется как цилиндр бесконечно малого диаметра, что не позволяет учитывать радиальные и гравитационные эффекты. Также все методы ориентированы на центрифуги с горизонтальным положением образца, в то время как в отечественных лабораториях наиболее популярны центрифуги с наклонным (под 45°) положением.

Было также установлено, что универсальной физической зависимости между частотой вращения ротора и создаваемым капиллярным давлением не существует. Такая зависимость носит вероятностно-статистический характер и зависит от особенностей исследуемого коллектора. Также с помощью математического моделирования было установле-

но, что в силу особенностей вытеснения при центрифугировании происходит существенное искажение формы капиллярных кривых. В результате искажения капиллярное давление на отдельных участках кривой носит заниженный, а на других - завышенный характер. Из-за искажения кривые приобретают несвойственную гиперболическую форму, на которой не наблюдается выхода на асимптоту (остаточную водонасыщенность).

Проанализировав достоинства и недостатки вышеперечисленных методов, было решено применить принципиально новый подход, основанный на трехмерной математической модели центрифугируемого образца. Автором было разработано 3 метода моделирования, которые получили следующие названия: метод радиальных капилляров; метод сообщающихся капилляров; метод параллельных капилляров. Все три метода различаются между собой формой ячеек, их ориентацией и способом подсчета насыщенности. В первом методе ячейки представляют собой неправильные трапеции, расположенные радиально и наклоненные вниз под углом вытеснения. Метод хорошо моделирует радиальные и гравитационные эффекты в роторах малого диаметра, однако не учитывает перетоки между соседними капиллярами, из-за чего дает завышенные значения насыщенности. Во втором методе ячейки представляют собой кубики, которые в зависимости от часоты вращения могут быть либо насыщенными, либо дренированными. Метод хорошо моделирует перетоки между капиллярами и радиальные эффекты, пренебрегая гравитационными, поэтому его рекомендуется применять для режимов, в которых центростремительное ускорение существенно выше ускорения свободного падения, погрешность метода находится в прямой зависимости от размера ячейки. Для устранения этих недостатков был разработан третий метод, в котором ячейки представляют собой параллелепипеды и располагаются параллельно в направлении вытеснения, но при этом сообщаются между собой. Сравнение результатов моделирования, полученных всеми тремя методами, показало, что результаты, полученные с помощью методов сообщающихся и параллельных капилляров, практически совпадают при частотах вращения более 500 об/мин и радиусе вращения ближайшей точки образца более 10 см. Таким образом, при выполнении данных условий гравитационными эффектами можно пренебрегать.

Также было разработано 2 метода интерпретации результатов центрифугирования: приближенный и точный. Приближенный метод основан на использовании слэш-функции, которая представляет собой характеристику, показывающую относительное отклонение кажущегося капиллярного давления (по ОСТ 39-204-86) от истинного. Интерпретация представляет собой приведение капиллярной кривой, полученной по одной из классических методик, к условиям другой методики или к условиям капилляриметра по формуле:

(2)

где (£) - кажущееся капиллярное давление для исходной системы, МПа;

- кажущееся капиллярное давление для системы к которой осуществляется

приведение, МПа;

5/, (5) - значение слеш-функции для исходной системы, б/р;

5/, (5) - значение слеш-функции, для системы к которой осуществляется приведение,

б/р.

Если производится приведение к условиям капилляриметра, то Л72 (5) принимается равным единице.

Точный метод заключается в разложении кривой центрифугирования образца на серию кривых центрифугирования капилляров, при этом кривые центрифугирования капил-

ляров получаются одним из вышеописанных методов для конкретной геометрии образца и ротора центрифуги. Разложение осуществляется путем решения системы уравнений типа (3) для каждой угловой скорости со. В процессе решения подбираются объемные доли капилляров, по которым потом восстанавливается исходная форма капиллярной кривой:

= V,,?, (со) + у,52 (со) + (а)+ .... + (со), (3)

где 5(со) - насыщенность образца при угловой скорости со; 5,(<в),52(ю),53(<и)....5„(<а) - насыщенности капилляров при угловой скорости со; у1,у2,у},...,^ - объемные доли капилляров в образце.

Благодаря большому количеству точек разложения, метод позволяет точно подобрать форму кривой центрифугирования и получить капиллярную кривую и распределение поровых каналов с большим количеством точек (большим, чем число скоростей вращения). Были также оценены интервалы достоверности метода (Рис.2).

е 2

"Кривая капиллярного давления

20 40 60 80 100 Водонасыщенность, %

25

20 -

15

10

Распределение поровых каналов

0.01 0.1 1 10 100 Радиус поровыхканалов, мкм

1000

а) б)

Рис 2. Результаты обработки результатов центрифугирования: а) кривая капиллярного давления; б) распределение поровых каналов (синим цветом показан результат обработки по ОСТ, зеленым - точки, попадающие в интервал достоверности)

Преимуществом разработанного метода является возможность интерпретации результатов центрифугирования для роторов с любым положением образца, в т.ч. и плавающим. Были составлены модельные кривые центрифугирования для роторов с наклонным и вертикальным положением образца. Было установлено, что кривые центрифугирования наклонных образцов существенно отличаются от кривых центрифугирования горизонтальных образцов, в то время как кривые центрифугирования горизонтальных и вертикальных образцов мало отличаются друг от друга. Это позволяет сделать вывод о том, что методики интерпретации, разработанные для горизонтальных роторов, неприемлемы для наклонных, но могут быть успешно применены для центрифугирования образцов в вертикальном положении. В целом характеристики вертикального центрифугирования несколько круче, чем горизонтального, что позволяет четче разделять кривые от разных капилляров.

В конце раздела сделаны выводы об эффективности разработанного метода, рекомендации к применению на центрифугах с наклонным ротором, а также обозначены перспективы и технические преимущества центрифугирования в вертикальном положении.

Третий раздел посвящен проблеме построения капиллярных петрофизических моделей. Ввиду того, что в результате лабораторных испытаний получается серия капиллярных кривых разной формы, возникает проблема их осреднения, обобщения, выявления общих закономерностей, а также формирования характерных кривых, которые бы представительно отражали свойства коллектора.

Решением данной проблемы впервые занялся М.Леверетт (1941 г.), им впервые была предложена безразмерная .Г-Функция (4), позволяющая обобщать кривые капиллярного давления от песчаников. Изначально .Г-Функция задумывалась с целью создания некой универсальной капиллярной кривой для всех песчаников вне зависимости от их пористости т и проницаемости к, а также угла смачивания в и межфазного натяжения флюидов а

аСп.ч 0

Однако позже было выявлено несколько ее недостатков. .Г-Функция дает серьезные погрешности (порядка 10-20 % по водонасыщенности), что является ее главным недостатком. Необходимо обратить внимание, что в силу устоявшейся практики кривая капиллярного давления графически изображается как функция капиллярного давления от водонасыщенности, что физически не является правильным. В реальном же пласте не водонасы-щенность создает капиллярное давление, а капиллярное давление определяет водонасы-щенность, поэтому критерием точности модели является не точность описания капиллярного давления, а точность описания насыщенности.

Проведенный анализ показал, что наибольшие погрешности 1-Функции (по насыщенности) наблюдаются в области низких капиллярных давлений, которым соответствуют поры, содержащие углеводороды. Таким образом, искажения на начальном участке кривой влекут за собой неправильное описание структуры продуктивного порового пространства. Необходимо отметить, что, в силу своей математической формулы, .Г-функция не обобщает кривые с разной формой, а выделяет некую среднюю форму, которую "растягивает" либо "сжимает" в зависимости от параметра 4к!т .

Причиной вышеописанных недостатков .Г-функции является то, что в ее основе лежит модель фиктивного коллектора, который лишь частично моделирует свойства реального (табл. 1).

Были рассмотрены различные модификации .(-функции, а также модели, предложенные другими исследователями: Р. Гутри и М. Гринбургером, А. Джонсоном и т.д. Данные модели описывают ККД точнее, чем 1-функция, позволяют обобщать кривые разной формы, однако точность описания не всегда удовлетворительна. Общей ошибкой авторов является стремление описать широкий диапазон кривых исключительно аналитическими функциями, что приводит к новым погрешностям.

Проанализировав ряд методов обобщения, в рамках данной работы был разработан метод капиллярных палеток (МКП). Сущность предлагаемого метода состоит в выявлении зависимости отдельных участков кривой капиллярного давления от определяемых напрямую петрофизических свойств, которыми могут быть проницаемость, пористость, глинистость, и т.д. Однако в силу тесной связи капиллярных свойств с проницаемостью предпочтение отдается ей, остальные параметры могут быть использованы в комбинации. Построение модели в МКП осуществляется в 4 этапа.

и

Табл. 1

Сравнение свойств реального и фиктивного коллекторов

Характ-ка Фиктивный коллектор Реальный коллектор

Геометрия порового пространства Грубки с круглым сечением Пустоты неправильной формы представляющие собой пространство между зернами неправильной формы.

Ориентация каналов В направлении потока Хаотическая, иногда наблюдается преимущественная ориентация в каком-либо направлении

Пересечения каналов Отсутствуют Многократные пересечения

Сечение канала Постоянное Переменное по форме и размерам (зависит от размера слагающих зерен)

Длина канала Одинаковая для всех каналов Не постоянная, зависит от диаметра канала (размера слагающих зерен)

Поверхность канала Гладкая Шероховатая

Тупиковые поры Отсутствуют Имеются

Пористость и проницаемост ь зависят от: Диаметра и количества грубок на единицу поперечного сечения Диаметра зерен, текстуры и характера распределения гранулометрического состава

Пленочные явления Отсутствуют На зернах имеется пленка воды и двойной электрический слой

Гип воды в порах Вода гравитационная, либо капиллярно-удерживаемая Присутствует гравитационная, капиллярно-удерживаемая, рыхло и прочно связанная вода.

На первом этапе производится приведение всех ККД к стандартному набору давлений. В качестве стандартного набора рекомендуется использовать давления экспериментальных точек, присутствующих в большинстве обобщаемых ККД. Если в анализируемых ККД нет повторяющихся давлений, то рекомендуется использовать математические ожидания из всей совокупности представленных давлений. В кривых, где отсутствуют давления из стандартного набора, производится логарифмическая интерполяция давлений и насыщений. В промежутках, проходящих через давление, начала вытеснения интерполяция не производится, поскольку это внесет искажения в форму. Само давление начала вытеснения будет вычислено более точным способом.

На втором этапе осуществляется построение капиллярных изобар (палетки р-типа). Для этого из всего множества кривых, полученных лабораторным путем, берутся точки с одним капиллярным давлением и наносятся на график зависимости водонасыщенности от выбранного петрофизического параметра (проницаемости). Полученная зависимость называется капиллярной изобарой и аппроксимируется аналитической, либо кусочно-непрерывной функцией, после чего аналогичные операции выполняются над точками с другим давлением и т.д.

На третьем этапе вычисляются давления начала вытеснения (Рс1), которые являются характерными точками на ККД. Для этого вычисляются точки, в которых капиллярные изобары выходят на 100 %-ю водонасыщенность. Таким образом, вычисляются значения х, в которых давление изобары является давлением начала вытеснения. Затем строится и ап-

проксимируется зависимость Рс1 от х. (Рис.За) Если четкой функции не получается, то с графика убираются точки, которые соответствуют проницаемостям, отсутствующим в данном коллекторе. Если и это не решает проблемы (что встречается весьма редко), то зависимость аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией. Достоинством данного способа является то, что давление вытеснения определяется не графическим способом на глаз (как это в классическом способе), а вычисляется математически, при этом в расчете участвуют не только первые, но и остальные точки ККД.

а) б)

в) г)

Рис. 3. Капиллярная петрофизическая модель пласта Ач 3-4 Уренгойского НГКМ

Если аппроксимация капиллярных изобар степенными функциями (З^'(х) = ах") прошла на втором этапе успешно, выполняется построение палеток типа а и п. Если изобары аппроксимируются кусочно-непрерывной функцией, то такие палетки строятся для каждого участка аппроксимации. Аппроксимировать палетки а и п-типа аналитическими функциями не рекомендуется. Как показала практика, даже при визуально хорошей ап-

проксимации небольшие отклонения приводят к существенным искажениям в форме ККД, поэтому такие палетки лучше оставить в точечном виде, а промежуточные значения интерполировать между соседними точками.

В общем случае при успешном выполнении четвертого этапа всю совокупность ККД исследуемого диапазона можно описать функцией:

5„(дг,Рс)=а(Рс)х"^' (5)

При аппроксимации капиллярных изобар логарифмическими функциями формула будет выглядеть так:

5„(х,Рс)=я(^)1пМ + ^с)> (6)

где а(Рс), Ь(РС) и п(Рс) определяются по соответствующим палеткам.

Достоинством метода является то, что он не является ни полностью аналитическим -ни полностью эмпирическим, а также может быть гибко изменен в зависимости от сложности коллектора.

В конце раздела приведен пример построения капиллярной модели разреза на основе МКП. Применимо для залежей это позволяет определить потенциальные направления капиллярных перетоков и оценить объемы промываемой и подпитывающей сред.

Четвертый раздел посвящен повышению энергоэффективности вытеснения нефти водой за счет наиболее полного использования потенциалов капиллярных сил. Максимальное использование этих потенциалов позволит сократить закачку воды до необходимого уровня и снизить добычу жидкости, что приведет к существенной экономии энергии, затрачиваемой на эксплуатацию залежи.

Необходимо отметить, что успешный опыт подобных мероприятий был получен на Малочерногорском месторождении. В ходе мероприятий была полностью прекращена закачка воды в пласт. В течение 10 лет закачка возобновлялась дважды в ограниченном объеме (в объеме текущей добычи нефти). В результате была получена существенная экономия электроэнергии, при этом текущий КИН был повышен с 6 % до 35 %, а рост обводненности составил 2 %.

В данной работе рассматриваются геологические аспекты таких мероприятий. В начале раздела представлен способ оценки капиллярных потенциалов для двойной среды. Предлагается оценка по формам капиллярных кривых, характерных для промываемой и пропитываемой сред. Для этого на кривых отсекаются капилляры, которые в условиях пласта насыщены водой, и капилляры, промываемые под действием, создаваемого при разработке, градиента давления (Рис.4). Оставшиеся участки пропорциональны потенциальному вкладу перетоков в добычу.

Согласно представлениям, сформированным в первом разделе, оптимальный режим должен обеспечивать:

1 Накопление нефти в промываемой среде, достаточное для ее фильтрации.

Потенциал

миграционных

перетоков

Граница

нефтенасыщенных "нор Граница промываемых "нор

Потенциал

немиграционных

перетоков

_ ККД промываемой среды

- ККД подпитывающей среды

Рис. 4 - оценка потенциалов капиллярных перетоков

2 Своевременный вынос нефти, перемещенной миграционными и немиграционными перетоками.

3 Достаточный подвод воды для поддержания капиллярных процессов в пропитываемой среде.

4 Градиент давления, обеспечивающий проталкивание капель нефти через горловины промываемых пор (обеспечение капельной проводимости, снижение объемов капиллярно-защемленной нефти).

5 Экономию энергозатрат на эксплуатацию залежи.

6 Максимально полное извлечение нефти.

7 Экономически рентабельную эксплуатацию.

Одновременное выполнение всех этих условий при стационарных режимах эксплуатации невозможно. Поскольку в условиях анизотропии порового пространства смена направления вытеснения приносит увеличение нефтеотдачи, было предложено использовать циклическое разнонаправленное заводнение (Рис.5). Применительно к 5- точечной схеме это означает периодическое нагнетание разными скважинами. При этом каждая последующая скважина ячейки повторяет цикл предыдущей со сдвигом по фазе 90°. Это позволяет создавать потоки не только по направлениям от нагнетательных скважин, но и формировать промежуточные направления благодаря суперпозиции градиентов от разных скважин.

Было рассмотрено несколько вариантов циклического разнонаправленного заводнения, различающихся по продолжительности работы скважин и форме импульса нагнетания. При этом учитывалось, что резкое включение нагнетательных скважин создает сильные нагрузки на насосное оборудование и приводит к появлению техногенных трещин в прискважинной зоне и цементном камне. Важным критерием являлась возможность плавного регулирования соотношения циклов нагнета-ния/выстойки. В связи с этим наиболее перспективным представляется регулирование нагнетания по гармоническому закону. Интенсивность нагнетания каждой скважины описывается при

А

) А

А ) * А

А

А ) * А ) <

А

) у

А

А ) <

А ) <

А ) <

А

А

А ) <

А

) у

А

\6)

- добывающая скважина

- нагнетательная скважина (цифра означает номер фазы нагнетания)

- направление чередования фаз

Рис. 5. - Чередование фаз нагнетания при циклическом разнонаправленном заводнении

этом по формуле: <2 = А- ЛиШ + ру

+ 1

(7)

где А - максимальная амплитуда импульсов нагнетания м3/сут; к- постоянная времени, б/р; I - время, сут; <р-номер фазы нагнетания (1-4); п- показатель степени (от 1 до 5).

Регулировка режимов нагнетания осуществляется следующим образом. Объемы закачки изменяются путем изменения амплитуды А, длительность циклов - постоянной к, соотношение циклов нагнетания/выстойки - постоянной п.

В конце раздела выполнена оценка экономии электроэнергии от реализации предложенного метода. Анализ промыслового энергопотребления показывает, что более 60 % энергии уходит на подъем жидкости из скважины, 26 % на закачку воды в пласт и оставшиеся 14 % на подготовку транспорта нефти и газа. Таким образом, сократив бесполезную циркуляцию воды по кругу пласт - промысловое оборудование - пласт можно существенно снизить затраты электроэнергии. Учитывая, что обводненность продукции на последних стадиях, как правило, превышает 85 %, то четырехкратное снижение объемов закачки при реализации циклического разнонаправленного заводнения позволяет сократить энергопотребление на 61 % без существенного снижения добычи нефти.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1 Разработана новая методика обработки результатов центрифугирования образцов горных пород с целью получения кривых капиллярного давления. Данная методика, в отличие от ранее разработанных, основана на результатах трехмерного моделирования, что позволяет учитывать радиальные и гравитационные эффекты, а также использовать её для центрифуг с любым положением образца (в т.ч наклонным и вертикальным). Данная методика также позволяет получить более детальную капиллярную кривую, более детальное распределение поровых каналов и оценить интервалы достоверных определений.

2 Разработан новый метод построения капиллярных петрофизических моделей, который, в отличие от ранее разработанных, обеспечивает более высокую точность описания ККД благодаря тому, что сочетает в себе как аналитические, так и эмпирические подходы. Метод успешно показал себя при построении моделей пластов покурской и мала-хеттской свиты, а также отложений неокома и ачимовки.

3 Разработан способ оценки потенциалов капиллярных перетоков. Предложены способы заводнения, позволяющие наиболее эффективно реализовать их потенциалы, снизив при этом потребление электроэнергии на промысле. По оценкам автора, суммарная экономия электроэнергии, полученная от реализации вышеописанных разработок, может достигнуть 61% за счет снижения объемов бесполезно циркулирующей воды.

4 Разработана формула капиллярного числа, отличающаяся от ранее известных тем, что позволяет учитывать особенности геометрии порового пространства.

5 Установлено, что на микроуровне при вытеснении нефти водой в гидрофильных коллекторах доминирующую роль играют капиллярные силы. При этом гидродинамический градиент давления выполняет преимущественно транспортную функцию.

6 Установлено, что главной причиной стабилизации добычи нефти на последней стадии добычи является капиллярная пропитка низкопроницаемых зон, поэтому при заводнении залежи важно подобрать оптимальные режимы, обеспечивающие эффективную капиллярную пропитку низкопроницаемых зон и эффективную промывку высокопроницаемых.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Борисов А.Г. Капиллярно-гидродинамическая модель пласта залежи как новый взгляд на механизмы извлечения нефти /А.Г. Борисов //Нефтепромысловое дело. - 2009 -№8. - С. 41-43.

2. Борисов А.Г. Учет капиллярно - гидродинамической модели залежи при описании механизмов извлечения нефти и газа /А.Г. Борисов //Газовая промышленность. - 2009 -№11.-С. 35-37.

3. Борисов А.Г. Метод обобщения кривых капиллярного давления с построением капиллярных петрофизических моделей /А.Г. Борисов //Геология, география и глобальная энергия. -2010,- №3,-С. 27-32.

4. Борисов А.Г. Метод капиллярных палеток для создания моделей ачимовских отложений /А.Г. Борисов, Р.И. Медведский//Газовая промышленность. - 2010. - №12 -С 2732.

5. Борисов А.Г. Пересчет кривых капиллярного давления, полученных на разных типах центрифуг и по разным методикам /А.Г. Борисов, Р.И. Медведский //Газовая промышленность. -2011. -№6,-С. 30-35.

6. Борисов А.Г. Оперативный анализ результатов исследований керна /A.B. Паршуков, А.Г. Борисов//Нефтяное хозяйство. - 2011. -№10.-С. 78-79.

В других изданиях:

7. Борисов А.Г. Обоснование характерных размеров порового канала для определения степени его капиллярности /А.Г. Борисов //Нефть, газ, новации. - 2009. - №5-6. - С. 1720.

8. Борисов А.Г. Продление рентабельного периода работы залежи, как один из способов повышения нефтеотдачи /А.Г. Борисов //Нефть, газ, новации. - 2009. - №5-6 - С 1316.

9. Борисов А.Г. Обработка результатов центрифугирования пород с использованием математического моделирования» /А.Г. Борисов //Нефть, газ, новации. - 2010 - №8 - С 27-31.

Ю.Борисов А.Г. Оценка приемлемости для геологического и гидродинамического моделирования кривых капиллярного давления, полученных методом центрифугирования /А.Г. Борисов, Р.И. Медведский //Геология, бурение разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. - 2010. - №3 . - С. 25-37.

Подписано к печати 4.112013 г. Формат бумаги 60x841/16. Усл. печ. л. 1,00. Заказ № 176. Тираж 100 экз. ООО «ТюменНИИгипрогаз», ООВ 625019, г. Тюмень, Воровского, 2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Борисов, Александр Геннадьевич, Тюмень

Министерство образования и науки РФ ГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

На правах рукописи

04201450547

Борисов Александр Геннадьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ КОЛЛЕКТОРОВ С ЦЕЛЬЮ РЕШЕНИЯ ПРОМЫСЛОВО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ И ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫТЕСНЕНИЯ

НЕФТИ ВОДОЙ

Специальность 25.00.12 - Геология, поиски и разведка нефтяных и

газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого- минералогических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор |Р.И. Медведский

Тюмень

-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление.....................................................................................................................................2

Список обозначений и сокращений.............................................................................................4

Введение.........................................................................................................................................5

1 Теоретические основы действия капиллярных процессов при разработке и эксплуатации нефтяных залежей...............................................................................................13

1.1 Геолого-физические основы возникновения капиллярных явлений в коллекторах нефти и газа........................................................................................................13

1.1.1 Характеристика пустотного пространства пород.............................................13

1.1.2 Межфазное натяжение........................................................................................17

1.1.3 Капиллярное давление........................................................................................17

1.1.4 Детализация кривой капиллярного давления...................................................18

1.1.5 Радиус капилляра.................................................................................................21

1.2 Оценка соотношения капиллярных и гидродинамических сил с помощью капиллярного числа.................................................................................................................25

1.2.1 Формулировки капиллярного числа..................................................................25

1.2.2 Разработка улучшенной формы капиллярного числа......................................28

1.2.3 Выбор параметров геометрии порового пространства....................................29

1.2.4 Оценка соотношения капиллярных и гидродинамических сил в единичных капиллярах............................................................................................................................38

1.3 Капиллярные эффекты при разработке нефтяных залежей....................................39

1.3.1 Основные виды капиллярных эффектов...........................................................39

1.3.2 Капиллярно-гидродинамические взаимодействия в условиях двойной среды ...............................................................................................................................41

1.3.3 Вклад капиллярно-гидродинамических процессов в добычу нефти..............43

1.4 Основные выводы к разделу 1....................................................................................50

2 Разработка метода повышенной достоверности исследования капиллярных характеристик пород в лабораторных условиях.......................................................................51

2.1 Краткий Обзор способов исследования капиллярных характеристик горных пород .......................................................................................................................................51

2.1.1 Метод полупроницаемой мембраны..................................................................51

2.1.2 Ртутная порометрия............................................................................................53

2.1.3 Метод центрифугирования.................................................................................54

2.1.4 Исследование структуры порового пространства в шлифах..........................55

2.1.5 Исследования методом ядерно-магнитного резонанса....................................56

2.1.6 Рентгеновская микротомография.......................................................................56

2.2 Характеристика процесса вытеснения при центрифугировании............................57

2.3 Анализ существующих методов обработки результатов центрифугирования.....60

2.3.1 Классификация существующих методов..........................................................60

2.3.2 Методы сопоставления частоты вращения с капиллярным давлением.........62

2.3.3 Дифференциальные методы...............................................................................63

2.3.4 Интегральные методы.........................................................................................65

2.3.5 Проблемы и недостатки существующих методов............................................66

2.4 Разработка метода повышенной достоверности......................................................67

2.4.1 Оценка искажения формы ККД при центрифугировании...............................67

2.4.2 Моделирование методом радиальных капилляров..........................................72

2.4.3 Моделирование методом сообщающихся капилляров....................................76

2.4.4 Моделирование методом параллельных капилляров......................................80

2.4.5 Результаты трехмерного моделирования..........................................................81

2.4.6 Использование результатов трехмерного моделирования для восстановления истинной формы капиллярной кривой и пересчета кривых, полученных по разным

методикам.............................................................................................................................85

2.5 Основные выводы к разделу 2....................................................................................89

3 Моделирование капиллярных характеристик с целью решения промыслово-геологических задач....................................................................................................................91

3.1 Необходимость построения капиллярных петрофизических моделей..................91

3.2 Анализ Существующих методов построения капиллярных петрофизических моделей.....................................................................................................................................91

3.2.1 Применение J-функции для моделирования капиллярных свойств пласта...91

3.3 Модифицированные виды J-функции.......................................................................95

3.3.1 Jk - функция от проницаемости..........................................................................95

3.3.2 Jm- функция.........................................................................................................95

3.3.3 J-функция по нормированной насыщенности..................................................97

3.3.4 Модификация с учетом извилистости...............................................................97

3.3.5 Построение индивидуальных J-функций..........................................................99

3.4 Другие методы моделирования..................................................................................99

3.4.1 Аппроксимационные модели...........................................................................101

3.5 Метод капиллярных палеток....................................................................................105

3.5.1 Описание метода................................................................................................105

3.6 Применение МКП для решения геолого-промысловых задач..............................111

3.6.1 Построение капиллярных моделей разреза с помощью метода капиллярных палеток .............................................................................................................................111

3.6.2 Расчет значений водонасыщенности при подсчете запасов углеводородов 113

3.6.3 Построение капиллярных моделей залежей...................................................114

3.7 Основные выводы к разделу 3..................................................................................117

4 Повышение энергоэффективности вытеснения нефти водой за счет капиллярных процессов....................................................................................................................................118

4.1 Физические основы экономии энергозатрат за счет капиллярных перетоков.... 118

4.2 Оценка потенциалов капиллярных перетоков на основании капиллярной петрофизической модели......................................................................................................119

4.2.1 Общие принципы оценки..................................................................................119

4.2.2 Оценка доли капиллярно-извлекаемой нефти на примере пласта ЮС2 Омбинского НМ.................................................................................................................122

4.3 Оценка доли нефти, добываемой за счет капиллярных перетоков, по промысловым данным...........................................................................................................129

4.4 Рекомендации по выбору наиболее энергоэффективных режимов эксплуатации..........................................................................................................................130

4.4.1 Требования к режимам эксплуатации.............................................................130

4.4.2 Применение циклического заводнения...........................................................132

4.4.3 Циклическое разнонаправленное заводнение................................................133

4.5 Оценка энергетического эффекта от внедрения технологии................................136

4.6 Основные выводы к разделу 4..................................................................................138

Список литературы....................................................................................................................139

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

сс - коэффициент капиллярности;

3 - .[-функция Леверетта;

А: - проницаемость;

/ - длина образца;

т - пористость;

1ЧС -капиллярное число;

(2„ - накопленная добыча нефти;

- текущая добыча нефти; гк - радиус порового канала; Рс - капиллярное давление;

Ра -давление начала вытеснения;

Рквс - вытесняющее давление в единичном капилляре;

Ра - ориентационный параметр;

Рь - параметр длины канала;

Рг - параметр эффективного радиуса;

Рвыт ~ давление начала вытеснения;

- водонасыщенность на входном торце образца;

- водонасыщенность;

- нормированная водонасыщенность; ис - универсальное капиллярное число;

О - угол смачивания;

а - межфазное натяжение;

ГТМ - геолого-технологические мероприятия;

ГИС - геофизические исследования скважин;

Кпо - открытая пористость;

Кво - остаточная водонасыщенность;

ККД - кривая капиллярного давления;

КККД - кривая кажущегося капиллярного давления;

ККЧ - кривая капиллярных чисел;

МКП - метод капиллярных палеток;

ФЕС - фильтрационно-емкостные свойства;

ППД - поддержание пластового давления.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Капиллярные силы оказывают сильное влияние на формирование нефтегазовых залежей и их разработку. Так, при скоплении органического вещества в ловушках распределение флюидов происходит согласно капиллярно-гравитационному принципу. Согласно этому же принципу формируется поверхность водонефтяного контакта в различных частях залежи, возникают капиллярные барьеры. При разработке месторождений капиллярные процессы проявляются в виде прямоточной и противоточной пропитки, перетоков флюидов и капиллярных концевых эффектов.

При таком активном влиянии очень важно учитывать капиллярные процессы при построении геологических и гидродинамических моделей залежей, планировании геолого-технологических мероприятий и решения прочих геолого-промысловых задач. Игнорирование капиллярных процессов приводит к неправильным представлениям о строении залежей углеводородов, недостоверным оценкам их запасов, неэффективности выбираемых систем разработки и ГТМ, пониженным коэффициентам извлечения и повышенным издержкам на эксплуатацию залежей. В свете этого, в последние десятилетия набирают популярность исследования капиллярных явлений. Исследованием капиллярных свойств продуктивных пластов занимались: М.Т. Аббасов, Д. Амикс, В. Андерсон, Р. Берг, Ю.Я. Большаков, Е.Ю. Большакова, Ю.П. Гаттенберг, В.И. Гороян, Ш.К. Гиматудинов, А.Е. Гуревич, Д. Дженингс, H.A. Еременко, Ю.В. Желтов, И.А. Иванов, A.A. Карцев, Ж. Коллинз, А. Э. Конторович, Ф. Крейг, М.М. Кусаков, J1.B. Лютин, М. Леверетт, В.Г. Мамяшев, М. Мунн, А.Ю. Намиот, X. Нейман, Г.В. Петрова, P.C. Сахибгареев, Б.И. Тульбович, A.A. Ханин, А.Я. Хавкин, Р. Чепмен, М.М. Элланский и многие другие. Особенности вытеснения нефти водой в неоднородных пористых средах рассматривались в научных трудах, Д. Амикса, К.С. Басниева, Ю.П. Желтова, С.Н. Закирова, В.Д.Лысенко, Г.А. Малышева, Р.И. Медведского, H.H. Михайлова, И.П. Попова, A.A. Севастьянова, М.Л. Сургучева, А.П. Телкова, A.C. Тимчука. K.M. Федорова. В.Н. Щелкачева. Одной из наиболее поздних разработок в данном направлении является модель двойной среды, разработанная Р.И. Медведским и A.A. Севастьяновым.

Актуальности проблеме добавляет и то, что к настоящему времени на территории Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции большинство эксплуатируемых нефтяных месторождений перешли в стадию доразработки либо падающей добычи. Переход в данные стадии существенно снижает рентабельность добычи. Проведенный автором анализ эксплуатационных показателей пластов Варьеганского месторождения показал, что на последних стадиях до 90% закачиваемой в пласт воды не участвует в вытеснении нефти и бесполезно циркулирует по кругу: пласт - промысловое оборудование - пласт. Следует отметить, что финансовые и энергетические издержки от ППД исчисляются не только затратами на подготовку и закачку воды в пласт, но и затратами на ее добычу, отделение от нефти и транспортировку к нагнетательным скважинам. Дополнительными отрицательными эффектами от бесполезной циркуляции воды являются рост сквозных трещин, защемление больших объемов нефти в целиках, что также снижает коэффициент извлечения нефти (КИН). В связи с этим остро возникает необходимость поиска инженерно-технических решений, которые бы обеспечили снижение эксплуатационных затрат, при этом не снизив существенно объемы добычи.

Для предотвращения и решения вышеописанных проблем необходимо оптимизировать капиллярно-гидродинамические процессы в залежи. С этой целью необходимо достоверное их изучение и построение специальных капиллярных моделей, которые бы дополняли традиционные геологические и гидродинамические модели, повышая тем самым их информативность и достоверность. Созданию таких моделей и посвящена данная работа.

Цель работы. Повышение точности методов изучения и моделирования капиллярных характеристик горных пород с целью улучшения геологических моделей и геологического обоснования способов разработки залежей.

Основные задачи исследования

1. Обобщение и анализ ранее выполненных исследований в области капиллярных свойств горных пород.

2. Повышение качества исследований капиллярных свойств горных пород.

3. Повышение качества построения капиллярных петрофизических моделей.

4. Геологическое обоснование рекомендаций по эксплуатации залежей,

для наиболее полного использования потенциала капиллярных сил, с целью экономии эксплуатационных энергозатрат.

Научная новизна

1. Разработан метод исследования капиллярных характеристик горных пород методом центрифугирования, основанный на трехмерном математическом моделировании. В отличие от аналогов, метод позволяет получать кривые капиллярного давления с количеством точек большим, чем количество скоростей центрифугирования. Также в отличие от всех ранее разработанных методов обработки, данный метод позволяет работать с роторами наклонного типа, что весьма актуально для центрифуг отечественного производства.

2. Разработана методика построения капиллярных петрофизических моделей, которые успешно заменяют .[-функцию Леверетта, обеспечивая более точное описание формы капиллярных кривых и значений водонасыщенности. Данная методика позволяет на основе лабораторных экспериментов получать кривые капиллярного давления для заданных значений проницаемости.

3. Разработан способ оценки вклада капиллярных сил в добычу нефти. В отличие от ранее существующих способов, разработанный основывается на анализе истории добычи.

4. Разработаны способы нагнетания, позволяющие наиболее эффективно задействовать потенциал капиллярных сил залежи и снизить эксплуатационные затраты. В отличие от известного ранее циклического заводнения, предлагаемые режимы обеспечивают плавный запуск и остановку нагнетательных скважин, а также вытеснение нефти в промежуточных направлениях между скважинами.

Основные защищаемые положения

1. Применение трехмерного математического моделирования при исследовании капиллярных свойств методом центрифугирования позволяет получать более достоверные и детальные кривые капиллярного давления, чем при использовании традиционных методик.

2. Использование авторских эмпирико-аналитических моделей позволяет повысить точность математического описания и обобщения экспериментальных кривых капиллярного давления.

3. Замена единичного капиллярного числа на кривую капиллярных чисел, построенную по предлагаемой автором формуле, позволяет более

достоверно и детально рассматривать соотношения капиллярных и гидродинамических сил в поровых каналах.

Практическая ценность работы

Реализация разработок, сделанных в ходе данной работы, позволит повысить качество исследования капиллярных характеристик, точность геологических моделей залежей и подсчета запасов углеводородов.

Разработанный метод исследования капиллярных характеристик путем центрифугирования позволяет работать с роторами наклонного типа, которые наиболее часто используются в лабораториях России и стран бывшего СССР.

Кроме того, использование предложенных капиллярных моделей позволяет оценить потенциальный вклад капиллярных процессов в добычу нефти, что позволит более правильно выбрать режимы разработки залежи. Последнее позволяет увеличить нефтеотдачу и снизить эксплуатационные энергозатраты.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 25.00.12 - «Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений», а именно пунктам:

1. Происхождение и условия образования месторождений нефти и газа:

- условия формирования скоплений нефти и газа в земной коре;

2. Прогнозирование, поиски, разведка и геолого-экономическая оценка месторождений:

- методология прогнозирования, оценки ресурсов и подсчет запасов нефти и газа;

3. Геологическое обеспечение разработки нефтяных и газовых месторождений.

Реализаци�