Введение к работе
Актуальность исследований. В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 г. планируется обеспечить добычу нефти на уровне 530-535 млн. тонн. Значительно увеличится и добыча газа. В этой связи значительно возрастает роль геолого-геофизического обеспечения нефтегазопоисковых работ. Ключевую роль при этом играют петрофизические исследования керна методом ЯМР в сильном поле, которые на основе прямых измерений характеристик пород обеспечивают получение базовых констант, зависимостей и характеристик процессов, используемых при моделировании и оценке подсчетных параметров резервуаров.
Актуальность и востребованность новых ЯМР-разработок для исследования керна в нефтегазовых технологиях определяется несколькими группами факторов.
С точки зрения физических основ механизма ЯМР релаксации наиболее значимыми являются четыре компоненты - амплитуда сигнала, соответствующая водородосодержанию, время продольной и поперечной релаксации (Ті и Тг) и коэффициенты самодиффузии насыщающих флюидов. Эти параметры имеют богатое петрофизическое содержание. В частности, механизмы поверхностной, диффузионной и объемной релаксации по Тг чувствительны к изменению структуры емкостного пространства, поверхностных свойств горных пород и типа насыщающей их жидкости. На основе этих уникальных свойств в петрофизической практике созданы инструменты для изучения распределения пористости по временам релаксации, являющимся отражением структуры порового пространства, которое контролирует комплекс ФЕС (Кп, Кво, Кпр, Кпэф и др.), а также распределений вязкости флюидов.
Важным свойством ЯМР изучения горных пород являются также технологические факторы - этот метод относится к электромагнитным и дистанционным, т.е. не оказывающим какого-либо воздействия на объект исследования. Необходимо отметить возможности метода ЯМР как экспрессного и поэтапного, способного давать широкий спектр информации на различных стадиях изучения объектов недропользования, как в процессе ГТИ на скважине с измерением флюидов, навесок породы, шлама, так и в лабораторных прецизионных измерениях образцов керна.
Бурное развитие ядерного магнитного каротажа (ЯМК) в сильном поле обуславливает перспективность и актуальность метода ЯМР в изучении горных пород. В последние годы ЯМК проводится в более чем 100 скважинах в год как отечественными, так и зарубежными компаниями. Эффективность работы этого динамично развивающегося аппаратурно-методического комплекса опирается на целый ряд важных аспектов петрофизического обеспечения лабораторных и скважинных исследований горных пород методом ядерно-магнитного резонанса, которые остаются не достаточно исследованными, что делает актуальной данную работу.
Цель работы: Создание научно-методических основ петрофизического обеспечения интерпретации данных ядерного магнитного резонанса в сильном магнитном поле.
Основные задачи работы:
Выполнить обзор современного состояния исследований горных пород на базе метода ЯМР в поле постоянных магнитов.
Разработать методику оценки структуры порового пространства и компонентного состава пористости на основе комплекса петрофизических методов с различной физической природой (ЯМР, имидж-анализ шлифов, капилляриметрия).
Оценить информативность метода ЯМР и разработать экспериментальную методику ЯМР-мониторинга изменения структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных комбинациях вытесняющего и вытесняемого флюидов.
Оценить эффективность применения «тяжелой» воды D2O при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в порах горных пород.
Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность исследований обусловлена тем, что все результаты диссертационной работы базируются на масштабных данных реального кернового материала более чем 20-ти нефтегазовых месторождений и сопоставлении данных ЯМР-исследований с другими физическими методами, такими как рентгеноструктурный анализ, имидж-анализ петрографических шлифов, растровая электронная микроскопия и данными интерпретации материалов ГИС разрезов, вскрытых бурением скважин.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Показана эффективность метода ЯМР в сильном магнитном поле для оценки петрофизических характеристик песчано-глинистых и карбонатных пород по результатам исследования свыше 22500 образцов керна более чем с 20-ти крупных месторождений, в основном Западно-Сибирской, Волго-Уральской, Тимано-Печорской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинций России.
Экспериментально обоснована методика комплексной оценки порометрической характеристики пород по согласованным измерениям на керне прямыми и косвенными методами с различной физической природой и разрешающей способностью (ЯМР, имидж-анализ петрографических прозрачных шлифов, капилляриметрия).
Разработана экспериментальная методика ЯМР-мониторинга структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных составах вытесняющего и вытесняемого флюидов.
Экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды D2O при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в песчано-глинистых и карбонатных породах.
Основные защищаемые положения:
Комплексирование капилляриметрии, имидж-анализа шлифов и ЯМР-измерений на керне обеспечивают петрофизическую калибровку измерений ЯМР в скважинах для оценки порометрической характеристики и компонентного состава емкости.
ЯМР - измерения на керне в режиме мониторинга позволяют количественно оценивать изменение структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости, а также процессов по увеличению нефтеотдачи и их эффективности в результате соляно-кислотных обработок.
Использование воды D20 при моделировании системы «нефть-вода» в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов.
Практическая значимость работы и личное участие автора. Работа выполнялась автором в течение более чем 12 лет. Денисенко А.С. лично производил, а впоследствии и руководил регистрацией релаксационных кривых ЯМР всего изучаемого в лаборатории объема керна (более 22500 образцов керна); провел обоснованный расчет и последующую интерпретацию всех спектров распределения времен релаксации; осуществлял своевременную диагностику, юстировку и, при необходимости, руководил ремонтом и внедрением новых узлов, разработкой, апробацией и реализацией новых методических процедур комплекса имеющейся аппаратуры ЯМР. Участвовал в многочисленных научно-технических совещаниях, конференциях, сессиях и консультациях, читал тематические лекции на слушаниях по повышению квалификации работников сферы геофизических и петрофизических исследований, готовил окончательные отчетные материалы и проводил их защиту на НТС заказчиков.
Разрабатывал и внедрял новые методико-аппаратурные решения в общем комплексе петрофизических исследований, а именно: высокоточного измерения газопроницаемости, рентгено-дифракционного анализа минералогического состава горных пород, анализа
структуры пустотного пространства на базе петрографических прозрачных шлифов, капилляриметрических и фильтрационных исследований, комплексной интерпретации материалов ГИС и керна.
В процессе работы на базе петрофизических исследований материалов керна и ГИС более чем 20-ти крупных месторождений Денисенко А.С. были сформированы основные положения и тезисы диссертационной работы, поставлены цели и предложены новые методические решения и, впоследствии, доведены до непосредственного практического исполнения. С его личным участием и под его непосредственным руководством в программу возможных работ компании были внедрены: комплексы изучения динамики структуры емкостного пространства в процессе вытеснения, замещения насыщающего флюида, различных воздействий на матрицу пород; эксперименты с использованием водородонесодержащих жидкостей при изучении капиллярных свойств горных пород; сопоставление и настройка спектров распределения времен релаксации по данным прямых методов изучения морфологии порового пространства. Предложенные методики и подходы в реализации аппаратурных комплексов на базе ЯМР позволяют существенно повысить эффективность существующих технологий петрофизических исследований песчано-глинистых и карбонатных пород коллекторов нефти и газа.
Все научные выводы, положения и результаты, защищаемые в диссертационной работе, разработаны и получены лично автором, либо под его непосредственным контролем и руководством.
Апробация и реализация результатов диссертации
Основные положения диссертационной работы докладывались на: XVI Губкинских чтениях «Развитие нефтегазовой геологии - основа укрепления минерально-сырьевой базы» (г. Москва, 2002г.); научно-практической конференции «Ядерная Геофизика 2002» (г. Тверь, 2002г.); 5-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2003 г.); Международном ежегодном симпозиуме SCA (Франция, г.По, 2003г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Состояние петрофизического обеспечения ядерно-геофизических, акустических и других методов ГИС» (г.Тверь, 2005г); Международном ежегодном симпозиуме SCA (Канада, Торонто, 2005г.); научно практическом семинаре «Новейшие ядерно-геофизические, петрофизические и ГИС- технологии при определении ФЕС нефтегазонасыщенных пластов на различных стадиях изучения (при поисках, разведке и разработке)» (Доминиканская Республика, 2007г.); научно практическом семинаре «Ядерно-геофизические скважинные и аналитические методы в комплексе ГИС для оценки ФЕС пластов при поиске, разведке и контроле эксплуатации месторождений нефти и газа» (Вьетнам, г.Фантьет, 2009г); научно-практическом семинаре «Петрофизическое обеспечение геофизических исследований бурящихся скважин» (Республика Куба, 2010г.); Юбилейной международной конференции «Петрофизика: современное состояние, проблемы, перспективы», посвященная 100-летию со дня рождения профессора В.Н. Кобрановой (г. Москва, 2010г.); I Российском рабочем совещании, посвященном 90-летию со дня рождения Б.Б. Звягина, «Глины, глинистые минералы и слоистые минералы» (г. Москва, 2011г.); Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития ядерно-магнитных методов исследований нефтегазовых и рудных скважин, каменного материала и флюидов» (г. Тверь, 2011 г.); научно-техническом семинаре «Новые ядерно-геофизические скважинные и петрофизические технологии при исследовании нефтяных и газовых месторождений» (к. Канкун, Мексика, 2011г.)
Публикации: По теме диссертации опубликовано 22 работы (3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ)
Фактический материал. В основу диссертационной работы положены исследования проведенные автором в ОАО НПЦ «Тверьгеофизика» (2000 -2005 гг.) и в ООО «Арктик-ГЕРС» (2005 - 2012 гг.). Был обработан, проанализирован и обобщен фактический материал
петрофизических исследований керна. Проведены серии комплексных экспериментов на основе аппаратуры ЯМР. Анализ многочисленных результатов и их последующая интерпретация позволили расширить существующую методическую базу и разработать принципиально новые научно-обоснованные подходы в решении задач применения метода ЯМР в изучении петрофизических свойств горных пород. Использованы данные более чем по 20-ти месторождениям из всех нефтегазоносных провинций РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы - 149 страниц текста, 33 рисунка, 10 таблиц. Список литературы содержит 63 наименования, в том числе 32 на английском языке.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. Топоркову Владимиру Георгиевичу за неизменное внимание, ценные советы и конструктивные замечания, консультанту по научной работе д.т.н., профессору Стрельченко Валентину Вадимовичу за последовательные инструкции и корректировки, касающиеся структуры диссертации и к.т.н. Малинину Андрею Викторовичу за неоценимую помощь и консультации.
Автор также выражает свою искреннюю признательность ученым и специалистам д.ф.-м.н. В.А. Мурцовкину, к.т.н. СЮ. Рудаковской, к.ф.-м.н П.В. Кошкину за плодотворные советы и ценные замечания и отдельно отмечает искреннюю заботу, безграничную поддержку и многочисленные рекомендации оказываемые в процессе работы его отцом, к.т.н Сергеем Ивановичем Денисенко.
