Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современные проблемы изучения тепловых свойств пород-коллекторов 15
1.1. Анализ современной базы тепловых свойств нефтенасыщенных горных пород 16
1.2. Возможности определения тепловых свойств горных пород в скважинах 18
1.2.1. Подвижные измерительные зонды 20
1.2.2. Стационарные измерительные зонды 21
1.2.3. Измерения с применением оптико—волоконных измерителей температуры 25
1.2.4. Использование тепломеров 26
1.2.5. Измерения по динамике восстановления температуры после бурения или циркуляции флюида 27
1.3. Выбор оптимальной аппаратурно-методической базы для измерений тепловых свойств нефтенасыщенных пород 30
1.4. Необходимость измерений теплопроводности пластовых флюидов и проблемы при решении этой задачи 33
1.5. Возможности прогноза теплопроводности нефтенасыщенных пород на основе теоретического моделирования и пути повышения эффективности данного подхода 36
ВЫВОДЫ 38
ГЛАВА II. Исследования тепловых свойств терригенных коллекторов и их взаимосвязи с другими физическими свойствами 41
2.1. Описание изученных коллекций горных пород месторождения 43
2.2. Исследование тепловых свойств нефтенасыщенных пород 45
2.3. Тепловые свойства пород при различных флюидах в поровом пространстве 49
2.3.1. Результаты измерений тепловых свойств пород коллекции I 49
2.3.2. Результаты измерений тепловых свойств пород коллекции II 54
2.4. Результаты измерений температурного коэффициента линейного расширения коллекций I и II 61
2.5. Результаты изучения скоростей продольных упругих волн коллекции II и их корреляции с тепловыми свойствами 65
2.6. Взаимные корреляции тепловых свойств и их корреляции с другими физическими свойствами 70
ВЫВОДЫ 76
ГЛАВА III. Изучение теплопроводности флюидов как важный этап петротепловых исследований терригенных коллекторов 77
3.1. Метод и аппаратура для измерений теплопроводности флюидов 78
3.2. Влияние естественной тепловой конвекции на результаты измерений теплопроводности 81
3.3. Метрологическое тестирование нового прибора для измерений теплопроводности флюидов 84
3.4. Сравнение измерений теплопроводности новым прибором и
> стандартным промышленным прибором KD-2 Pro 88
3.5. Изменения теплопроводности керосина, нефтей и бурового раствора в зависимости от температуры 91
3.6. Исследования пространственно-временных вариаций теплопроводности цемента в процессе гидратации и высушивания образца 98
Выводы 102
ГЛАВА IV. Повышение эффективности прогноза теплопроводности коллекторов на основе теоретической модели лихтенеккера-асаада 105
4.1. Применение теоретической модели Лихтенеккера при интерпретации экспериментальных данных о теплопроводности горных пород 106
4.2. Анализ влияния неопределенностей входных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада на результаты оценки
эффективной теплопроводности 116
4.3. Связь корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада с геометрическими характеристиками порового пространства 122
4.4. Экспериментальные оценки корректирующего коэффициента для терригенных коллекторов и его зависимость от типа порозаполняющего флюида 130
4.5. Методика прогноза теплопроводности нефтенасыщенных коллекторов 133
Выводы 139
Заключение 141
Литература
- Измерения с применением оптико—волоконных измерителей температуры
- Результаты измерений тепловых свойств пород коллекции I
- Влияние естественной тепловой конвекции на результаты измерений теплопроводности
- Связь корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада с геометрическими характеристиками порового пространства
Введение к работе
Актуальность работы
Тенденции развития нефтяной геофизики за последние десятилетия характеризуются существенным возрастанием роли геотермических и петротепловых исследований, как в рамках отдельных нефтяных месторождений, так и в масштабах крупных осадочных бассейнов с запасами углеводородов. В обоих случаях это обусловливает необходимость получения представительных данных о тепловых свойствах коллекторов.
Проектирование и оптимизация методов добычи нефти с тепловым воздействием на продуктивный пласт, особенно при добыче вязких нефтей, интерпретация данных термокаротажа, моделирование процессов тепло- и массопереноса в коллекторах на различных стадиях освоения месторождений, изучение тепловых режимов глубоких горизонтов в осадочных бассейнах, анализ влияния теплового режима недр на процессы формирования залежей углеводородов -при всех этих работах необходима информация о таких тепловых свойствах коллекторов, как теплопроводность, температуропроводность и объемная теплоемкость. Такая тепловая характеристика нефтенасыщенных пород, как температурный коэффициент линейного расширения, требуется для точных оценок напряженного состояния околоскважинного пространства и массива горной породы при использовании тепловых методов воздействия на пласт. В связи с этим повышение уровня достоверности информации о перечисленных тепловых свойствах коллекторов, и в частности - терригенных коллекторов, является актуальной задачей современной геофизики.
Современная тепловая петрофизика характеризуется отсутствием достаточно надежных средств для измерений тепловых свойств пород в скважинах (теплового каротажа). В связи с этим изучение этих свойств в настоящее время возможно в основном путем измерений на керне при нормальных термобарических условиях с последующим изучением влияния пластовых давлений и температур на отдельных образцах. Но для теплофизических исследований нефтенасыщенных пород на керне даже при нормальных условиях до последнего времени существовали серьезные трудности, что являлось причиной острого недостатка в справочной и научно-технической литературе информации о теплопроводности и особенно температуропроводности, объемной теплоемкости и температурном коэффициенте линейного расширения нефтенасыщенных коллекторов и отсутствия надежных баз данных об этих свойствах для различных нефтяных месторождений.
В этих условиях в нефтяной петрофизике важной задачей до последнего времени являлось повышение уровня экспериментальных теплофизических исследований нефтенасыщенных пород на керне лабораторными методами при нормальных условиях и получение представительных, метрологически обоснованных данных о тепловых свойствах коллекторов, в частности - терригенных коллекторов,
4 для разных месторождений углеводородов. В рамках этой задачи необходимым является также развитие инженерных (несложных, но одновременно достаточно надежных) теоретических моделей эффективных тепловых свойств флюидонасыщенных пород и создание на их основе подходов к прогнозу тепловых свойств нефтенасыщенных пород-коллекторов.
Теплопроводность пород-коллекторов существенно зависит от теплопроводности поронасыщающих флюидов, что необходимо учитывать при интерпретации результатов измерений, теоретическом моделировании и прогнозе теплопроводности коллекторов. Вместе с тем существуют серьезные проблемы с надежным аппаратурно-методическим обеспечением экспериментальных исследований тепловых свойств флюидов, что является причиной недостатка экспериментальной информации о тепловых свойствах разных флюидов (пластовая вода, легкие и тяжелые нефти и др.). Все это определяет важность разработки более совершенных средств для измерений теплопроводности флюидов, метрологической проверки их надежности и получения представительной экспериментальной информации об этой характеристике.
Решение перечисленных задач должно способствовать повышению надежности данных о связях тепловых свойств с другими физическими свойствами нефтенасыщенных коллекторов, в первую очередь - с коллекторскими свойствами.
Цель работы
Целью работы является повышение эффективности тепловых методов добычи нефти и изучения процессов тепло- и массопереноса в осадочных бассейнах с запасами углеводородов путем развития теоретической и экспериментально-методической базы для получения надежных данных о тепловых свойствах нефтенасыщенных горных пород и насыщающих флюидов и повышения представительности экспериментальной информации о тепловых свойствах коллекторов и их связи с другими физическими свойствами коллекторов.
Основные задачи исследований
В соответствии с поставленной целью в работе решается ряд конкретных задач,
основными из которых являются:
1. Повышение представительности существующей базы данных о тепловых свойствах терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) нефтяных месторождений - теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости, температурного коэффициента линейного расширения - путем прецизионных массовых измерений на представительных коллекциях керна с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород на уровне образца и пласта.
Установление корреляционных связей тепловых свойств с коллекторскими и другими физическими свойствами нефтенасыщенных пород.
Разработка и метрологическое тестирование аппаратуры для измерений теплопроводности флюидов и проведение при ее помощи измерений теплопроводности нефтей, бурового раствора и других порозаполняющих флюидов в широком диапазоне температур.
Повышение эффективности применения при теплофизических исследованиях терригенных коллекторов широко распространенной в нетрофизике теоретической модели эффективной теплопроводности Лихтенеккера-Асаада, оценка вариаций значений корректировочного коэффициента данной теоретической модели для нефтенасыщенных горных пород и изучение его связи с геометрическими характеристиками норового пространства.
Разработка методики прогноза теплопроводности нефтенасыщенных терригенных коллекторов на основе теоретического моделирования.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем:
На основе массовых измерений тепловых свойств (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения) нефтенасыщенных пород-коллекторов на коллекциях керна впервые получены представительные метрологически обоснованные данные о тепловых свойствах терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород на уровне каждого образца.
По результатам обширных экспериментальных исследований установлены корреляционные зависимости между тепловыми, емкостными, акустическими и фильтрационными свойствами терригенных коллекторов, насыщенных нефтью (включая тяжелую нефть) и другими флюидами, замещающими нефть при тепловых методах добычи.
Разработан и метрологически проанализирован аппаратурно-методический комплекс для измерений теплопроводности нефтей и других флюидов в диапазоне температур от 0 до 160 С.
На основе измерений, проведенных при помощи разработанной аппаратуры, получены данные о теплопроводности нефтей различных месторождений и бурового раствора в широком температурном диапазоне.
Экспериментально установлены значения корректировочного коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для нефтенасыщенных терригенных коллекторов, что обеспечило применимость этой модели при прогнозе теплопроводности кварцевых нефтенасыщенных песчаников.
Разработана методика прогноза теплопроводности нефтенасыщенных кварцевых песчаников по экспериментальным данным о теплопроводности пород в их
воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях с последующим применением теоретической модели Лихтенеккера-Асаада.
Защищаемые научные положения
Экспериментальные результаты о теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициенте тепловой анизотропии, полученные в результате прецизионных измерений более чем на 250 образцах кварцевых песчаников, насыщенных тяжелой нефтью и другими порозалолняющими флюидами, значительно расширяют базу данных по тепловым свойствам терригенных коллекторов и их корреляционным связям с другими физическими свойствами коллекторов, помогают осуществить прогноз вариаций тепловых свойств в процессе термодобычи.
Разработанная аппаратурно-методическая база для измерений теплопроводности флюидов обеспечивает повышение надежности экспериментальной информации о теплопроводности порозаполнягощих флюидов, необходимой для интерпретации результатов тешгофизических исследований коллекторов и прогноза их тепловых свойств на основе теоретического моделирования.
Экспериментально установленные диапазоны вариаций температурного коэффициента линейного расширения кварцевых песчаников при температуре от 20 до 170 С предоставляют возможность для более точных оценок напряженного состояния околоскважинного пространства и горного массива при использовании тепловых методов воздействия на пласт.
Установленные требования к точности определения исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада и полученные значения корректировочного коэффициента этой модели для нефтенасыщенных кварцевых песчаников обеспечивают прогноз теплопроводности коллекторов данного тина на основе этой теоретической модели.
Личный вклад автора состоит в следующем:
активное участие в организации и проведении массовых измерений тепловых свойств коллекций кварцевых песчаников, насыщенных нефтью, пластовой водой и воздухом с различных нефтяных месторождений;
корреляционный анализ результатов измерений комплекса физических свойств пород нефтяных месторождений;
создание аппаратурно-методической базы для измерений теплопроводности флюидов и ее метрологические исследования;
измерения теплопроводности различных нефтей, бурового раствора, пластовой воды цемента при помощи разработанных аппаратуры и методики;
разработка комплекса требований к качеству исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для обеспечения необходимой
7 надежности оценки теплопроводности нефтенасыщенных пород на основе данной модели;
определение корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для кварцевых песчаников и анализ взаимосвязи этого коэффициента с геометрическими характеристиками порового пространства;
разработка методики прогноза теплопроводности нефтенасыщенных пород по данным о теплопроводности воздушно-сухих и водонасыщенных пород.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Результаты измерений комплекса тепловых свойств терригенных коллекторов одного из месторождений вязких нефтей, установленные диапазоны пространственных вариаций тепловых свойств в пределах месторождения и в зависимости от вида насыщающих флюидов являются важным элементом для создания теплофизической 40-модели месторождения и оценок напряженного состояния горного массива при проектировании и оптимизации нефтедобычи при помощи термических методов.
Экспериментальные данные о тепловых свойствах нефтенасыщенных кварцевых песчаников в совокупности с результатами других петрофизических измерений на тех же образцах позволили установить взаимосвязь тепловых свойств с емкостными, фильтрационными и акустическими свойствами, что необходимо для прогноза теплового режима коллектора и осуществления сейсмомониторинга месторождения тяжелой нефти.
Разработанная аппаратурно-методическая база для измерений теплопроводности флюидов с учетом влияния их тепловой конвекции в процессе измерений используется для получения экспериментальных данных о теплопроводности нефти, бурового раствора и пластовой воды в широком диапазоне температур, для прогноза вариаций теплопроводности пород-коллекторов в процессе добычи тяжелых нефтей при помощи термических методов, моделирования теплопроводности пород при их насыщении разными флюидами по данным о теплопроводности минерального скелета, пористости и геометрических характеристиках порового пространства.
Расширение области применимости теоретической модели Лихтенеккера-Асаада обеспечивает прогноз теплопроводности терригенных коллекторов по данным о пористости и теплопроводности минерального скелета пород.
Реализация и внедрение результатов исследований
Результаты работы внедрены в Научно-исследовательской лаборатории проблем геотермии Российского государственного геологоразведочного университета,
8 применяются компаниями ООО «Технологическая компания Шлюмберже», СК «ПетроАльянс» и 000 «Лукойл» и использованы в работах РГГРУ по проектам, поддерживаемым Российским фондом фундаментальных исследований.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались на V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-2003», Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» в 2008 г., Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» в 2003, 2005, 2007 и 2009 г.г., Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса ВУЗов минерально-сырьевого комплекса России в 2006 г., конференции «Молодые - наукам о Земле» в 2006 и 2008 г.г., X юбилейной международной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2009» в 2009 г.
Публикации
Результаты работы отражены в 4 научных статьях и 12 тезисах докладов, сделанных на Международных научных конференциях.
Объем и структура работы
Измерения с применением оптико—волоконных измерителей температуры
В соответствии с поставленной целью в работе решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:
1. Повышение представительности существующей базы данных о тепловых свойствах терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) нефтяных месторождений — теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости, температурного коэффициента линейного расширения — путем прецизионных массовых измерений на представительных коллекциях керна с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород на уровне образца и пласта. 2. Установление корреляционных связей тепловых свойств с коллекторскими и другими физическими свойствами нефтенасыщенных пород.
3. Разработка и метрологическое тестирование аппаратуры для измерений теплопроводности флюидов и проведение при ее помощи измерений теплопроводности нефтей, бурового раствора и других порозаполняющих флюидов в широком диапазоне температур.
4. Повышение эффективности применения при теплофизических исследованиях терригенных коллекторов широко распространенной в петрофизике теоретической модели эффективной теплопроводности Лихтенеккера-Асаада, оценка вариаций значений корректировочного коэффициента данной теоретической модели для нефтенасыщенных горных пород и изучение его связи с геометрическими характеристиками порового пространства.
5. Разработка методики прогноза теплопроводности нефтенасыщенных терригенных коллекторов на основе теоретического моделирования.
Научная новизна работы Научная новизна работы заключается в следующем: 1. На основе массовых измерений тепловых свойств (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения) нефтенасыщенных пород-коллекторов на коллекциях керна впервые получены представительные метрологически обоснованные данные о тепловых свойствах терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород на уровне каждого образца. 2. По результатам обширных экспериментальных исследований установлены корреляционные зависимости между тепловыми, емкостными, акустическими и фильтрационными свойствами терригенных коллекторов, насыщенных нефтью (включая тяжелую нефть) и другими флюидами, замещающими нефть при тепловых методах добычи. 3. Разработан и метрологически проанализирован аппаратурно-методический комплекс для измерений теплопроводности нефтей и других флюидов в диапазоне температур от 0 до 160 С. 4. На основе измерений, проведенных при помощи разработанной аппаратуры, получены данные о теплопроводности нефтей различных месторождений и бурового раствора в широком температурном диапазоне. 5. Экспериментально установлены значения корректировочного коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для нефтенасыщенных терригенных коллекторов, что обеспечило применимость этой модели при прогнозе теплопроводности кварцевых нефтенасыщенных песчаников. 6. Разработана методика прогноза теплопроводности нефтенасыщенных кварцевых песчаников по экспериментальным данным о теплопроводности пород в их воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях с последующим применением теоретической модели Лихтенеккера-Асаада.
Защищаемые научные положения 1. Экспериментальные результаты о теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициенте тепловой анизотропии, полученные в результате прецизионных измерений более чем на 250 образцах кварцевых песчаников, насыщенных тяжелой нефтью и другими порозаполняющими флюидами, значительно расширяют базу данных по тепловым свойствам терригенных коллекторов и их корреляционным связям с другими физическими свойствами коллекторов, помогают осуществить прогноз вариаций тепловых свойств в процессе термодобычи. Разработанная аппаратурно-методическая база для измерений теплопроводности флюидов обеспечивает повышение надежности экспериментальной информации о теплопроводности порозаполняющих флюидов, необходимой для интерпретации результатов теплофизических исследований коллекторов и прогноза их тепловых свойств на основе теоретического моделирования. Экспериментально установленные диапазоны вариаций температурного коэффициента линейного расширения кварцевых песчаников при температуре от 20 до 170 С предоставляют возможность для более точных оценок напряженного состояния околоскважинного пространства и горного массива при использовании тепловых методов воздействия на пласт.
Установленные требования к точности определения исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада и полученные значения корректировочного коэффициента этой модели для нефтенасыщенных кварцевых песчаников обеспечивают прогноз теплопроводности коллекторов данного типа на основе этой теоретической модели.
Личный вклад автора состоит в следующем: активное участие в организации и проведении массовых измерений тепловых свойств коллекций кварцевых песчаников, насыщенных нефтью, пластовой водой и воздухом, с различных нефтяных месторождений; корреляционный анализ результатов измерений комплекса физических свойств пород нефтяных месторождений; создание аппаратурно-методической базы для измерений теплопроводности флюидов и ее метрологические исследования; измерения теплопроводности различных нефтей, бурового раствора, пластовой воды цемента при помощи разработанных аппаратуры и методики; разработка комплекса требований к качеству исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для обеспечения необходимой надежности оценки теплопроводности нефтенасыщенных пород на основе данной модели; определение корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для кварцевых песчаников и анализ взаимосвязи этого коэффициента с геометрическими характеристиками порового пространства; разработка методики прогноза теплопроводности нефтенасыщенных пород по данным о теплопроводности воздушно-сухих и водонасыщенных пород.
Результаты измерений тепловых свойств пород коллекции I
В современной литературе информация о тепловых свойствах нефтенасыщенных горных пород коллекторов не достаточно представительна. Связано это с тем, что данной проблемой занимался довольно узкий круг исследователей. Основной вклад в экспериментальные исследования тепловых свойств нефтенасыщенных пород внесли Б.А. Яковлев [61], А.А. Липаев [22, 23], Е.А. Любимова [24, 25], А.Н. Масленников [24, 25], В.М. Добрынин [15], Б.П. Поршаков [53], Д.И. Дьяконов [16], С.А. Николаев и А.Н. Саламатин [31].
Во многих случаях тепловые свойства нефтенасыщенных пород определялись путем теоретического моделирования (которое может давать ошибку в определении теплопроводности до 100%) или определялись как средние значения, лежащие между значениями теплопроводности для сухих и водонасыщенных образцов. Экспериментальные работы сводились в основном лишь к измерениям теплопроводности нефтенасыщенных осадочных пород на непредставительных коллекциях, а зачастую и вовсе на единичных образцах. В результате этих работ были оценены узкие диапазоны изменений теплопроводности нефтенасыщенных пород, выявлены влияния пористости на эффективное значение теплопроводности нефтенасыщенных пород с установлением некоторых корреляционных связей между физическими свойствами. Подробное лито логическое описание изучавшихся образцов зачастую не приводилось.
В одной из наиболее серьезных работ в данной области исследований -монографии Б.А. Яковлева [61] - приведены данные о теплопроводности и тепловой анизотропии сухих, водо- и нефтенасыщенных пород. К недостаткам этой работы следует отнести ограниченность изучаемой выборки (по 1-4 образца для каждого из нескольких литотипов).
В работе Липаева и др. [23] приведены данные о тепловых свойствах 23 известняков верей-башкирских отложений в состоянии естественного насыщения, однако нет информации о степени насыщения исследованных образцов пластовой нефтью.
В работе Поршакова и др. [53] показано, что тепловые свойства нефтенасыщенных пород одного месторождения могут отличаться до 2 - 3 раз, охарактеризованы корреляционные связи теплопроводности с плотностью пород и удельным электрическим сопротивлением исследовавшихся образцов. Вместе с тем, в данной работе отсутствует анализ корреляционных связей с пористостью и проницаемостью пород.
Необходимо отметить, что большинством исследователей, за исключением Бриго и Вассье [67, 68] и Б.А. Яковлева [61], не учитывались тепловая анизотропия и неоднородность горных пород.
Отсутствие массовых измерений и данных о вертикальных вариациях и анизотропии тепловых свойств нефтенасыщенных пород месторождений высокопарафинистых и вязких нефтей может приводить к существенным ошибкам при проектировании и расчетах интервалов времени теплового воздействия на пласт, пространственно-временное развитие тепловых камер при использовании технологий парогравитационного дренажа (ПГД) добычи нефтей и т.д. Так, например, в работе [53] сказано, что неточность в оценке тепловых свойств на 15-20% приводит к ошибке в определении продолжительности нагнетания горячего теплоносителя на 20-25%. Ошибка в определении тепловых свойств на 40-50% приводит к ошибке в определении температуры элементов ствола скважины приблизительно на 25-30 С. Все это существенно сказывается на энергетической рентабельности применения методов теплового воздействия на пласт при добыче вязких нефтей.
Информация о температурном коэффициенте линейного расширения горных пород (ТКЛР) важна при оценке термического напряжения массива горных пород, возникающего из-за теплового расширения пород. При некоторых диапазонах температур и значениях ТКЛР горных пород и флюида, заполняющего поровое пространство, может возникнуть термическое напряжение, которое превысит предел прочности пород. Учет термического напряжения необходим на всех стадиях проведения работ по тепловому воздействию на пласт при разработке месторождений вязких нефтей, моделированию и мониторингу добычи. Вместе с тем, данные о термическом напряжении дают возможности оценки зон возможного обрушения при бурении нефтегазодобывающих и других скважин для предотвращения повреждения оборудования и больших производственных затрат [10, 54, 111].
1.2. Возможности определения тепловых свойств горных пород в скважинах
Особенность современной экспериментальной тепловой петрофизики заключается в том, что, несмотря на необходимость получения данных о тепловых свойствах горных пород нефтяных месторождений, измерения тепловых свойств сводятся к исследованиям керна в лабораторных условиях. Основные методы измерений: разделенного стержня [47], линейного источника [105] и оптического сканирования [48, 51, 90]. Сопоставление этих методов показывает, что наиболее эффективным является метод оптического сканирования [90].
Вместе с тем, при теплофизических измерениях в лабораторных условиях в большинстве случаев не удается учесть влияние реальных пластовых условий (трехкомпонентного - литостатического, обжимного и порового давления и температуры), которое для большинства пород весьма значительно [72, 100]. Не удается также в достаточной мере обеспечить насыщение образцов пород реальным пластовым флюидом, который существенно влияет на эффективные значения тепловых свойств горных пород [97, 99, 101]. Искажающие и трудноучитываемые факторы при лабораторных измерениях: 1). растрескивание керна при бурении и 2) изменение свойств керна при подъеме с глубины, связанное с изменением давления и температуры, что часто наблюдается при бурении глубоких и сверхглубоких скважин [47].
Проблемы, возникающие при измерениях на образцах керна, обуславливают необходимость разработки скважинных методов измерения тепловых свойств горных пород — теплового каротажа.
Современные методы теплового каротажа можно разделить на следующие основные группы: 1) на основе подвижных измерительных зондов; 2) с использованием стационарных зондов; 3) измерения при помощи оптико-волоконных измерителей температуры; 4) с применением тепломеров, 5) оценка тепловых свойств по динамике восстановления температуры в скважине после бурения или промывки.
Влияние естественной тепловой конвекции на результаты измерений теплопроводности
Измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) проводились при помощи специальной аппаратуры, разработанной в РГГРУ [28, 29]. Экспериментальные данные по ТКЛР, полученные на тридцати образцах кварцевого песчаника в воздушно-сухом состоянии, отобранных из коллекции I, представлены на рис. 2.4.1. Из коллекции II также были отобраны тридцать образцов в воздушно-сухом состоянии для исследований ТКЛР. Результаты измерений для образцов коллекции II представлены на рис. 2.4.2. Изучавшийся диапазон температур ограничивался интервалом 25...90 С, поскольку нагрев образцов стандартного керна из слабоконсолидированных кварцевых песчаников до более высоких температур мог привести к существенной дезинтеграции образцов, что сделало бы недостоверными результаты последующих петрофизических и петрографических исследований. Из прежних экспериментальных исследований, проводившихся в лаборатории Проблем геотермии РГГРУ, установлено, что зависимость ТКЛР от температуры (Т) является в основном линейной. Следовательно, значения ТКЛР для температур выше 100 С могут быть определены по уравнениям регрессии, установленным по экспериментальным данным в диапазоне температур 25...90 С [29]. Используя экстраполяцию для более широкого температурного диапазона, на основании этих уравнений были получены прогнозные зависимости ТКЛР для температур в диапазоне 100... 180 С. Контрольные эксперименты, проведенные в диапазоне температур 25...180С (рис. 2.4.3), показывают, что линейная зависимость наблюдается и в данном случае, что обеспечивает определение ТКЛР для температур вплоть до 180 С с систематической погрешностью не более 8% по результатам измерений в диапазоне температур 25 - 90 С. Є - Сопоставление результатов измерений значений ТКЛР при температурах выше 100 С (синие кривые) с данными, полученными путем экстраполяции результатов измерений до 180 С (красные пунктирные линии). Из анализа данных по ТКЛР, полученным по образцам, отобранным из коллекций I и II, можно сделать следующие выводы: породы, пересеченные скважиной №1 (коллекция I) характеризуются несколько более высокими значениями ТКЛР при 30 С - (10,1-11,0)-10"6 К" - по сравнению с породами, вскрытыми скважиной №2 (коллекция П),-(9,3-\0,6)-\0 6К-1; одновременно породы коллекции I характеризуются несколько более низкими значениями ТКЛР при 170 С - (13,0-14,5)-10"6 К"1 - по сравнению с породами коллекция II - (13,4-15,1)-10" К"1.
При помощи измерительной установки УК-10 ПМС, предназначенной для измерений скоростей распространения продольных упругих волн Vp (частота акустического сигнала 100 кГц), на образцах керна из коллекции II проведены измерения скоростей Vp при нормальных условиях. Измерения проводились последовательно на образцах в 4 состояниях флюидонасыщения: нефтенасыщенном, сухом, водонасыщенном и керосинонасыщенном. Распределения Vp вдоль скважины, вскрывшей продуктивный пласт, представлены на рис. 2.5.1. Взаимная корреляция скоростей продольных волн Vp и пористости представлена на рис. 2.5.2.
Распределение Vp вдоль скважины при насыщении керна разными флюидами и сопоставление с распределением теплопроводности представлены на рис. 2.5.4. Из анализа данных о скоростях Vp и теплопроводности установлена достаточно тесная корреляционная связь между теплопроводностью и скоростями продольных волн при различных видах насыщающих флюидов (коэффициент корреляции составляет 0,72 — 0,91). Поля корреляции представлены на рис. 2.5.3.
Полученные результаты подтверждают выводы о хорошей связи теплопроводности и скоростью продольных упругих волн, сделанные на основе аналогичных исследований на коллекциях керна других месторождений и опубликованных в литературе [87, 88, 92], что объясняется доминирующим влиянием вариаций пористости на каждое из изучавшихся свойств.
Установленные уравнения корреляционной связи теплопроводности и скорости продольных упругих волн пород-коллекторов при насыщении различными флюидами при нормальных условиях согласно нашим результатам имеют следующий вид: вода в порах "к =
Из анализа данных о скорости Vp следует отметить, что для образцов в нефтенасыщенном состоянии наблюдаются в среднем скорости выше, чем в водонасыщенном, керосинонасыщенном и сухом состояниях. Вместе с тем, из рис. 2.5.1, 2.5.2. и 2.5.3 видно, что скорость Vp образцов насыщенных водой и керосином приблизительно одинакова и существенно выше ее значений при воздушно-сухом состоянии образцов. Это можно объяснить приблизительно равными значениями скорости Vp в керосине и воде (1295-1320 и 1500 м/с соответственно) и низкими ее значениями для воздуха (Vp—330 м/с.) Следует отметить, что скорости Vp для тяжелых нефтей по литературным данным варьируют в пределах 1600 - 1700 м/с, [63, 106], а значения скоростей пород, насыщенных вязкой нефтью, лежат значительно выше значений скоростей для этих же пород в керосино- и водонасыщенных состояниях. Установленный факт требует дополнительного теоретического анализа.
Связь корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада с геометрическими характеристиками порового пространства
Как видно из рис. 3.5.5, результаты экспериментальной оценки эффективной теплопроводности смеси воды и нефти в диапазоне содержания воды достаточно хорошо описываются теоретической моделью Лихтенеккера при содержании воды от 0 до 40%. При большем содержании воды наблюдаются расхождения. Максимальное отличие экспериментальных данных от теоретической зависимости, полученной при помощи модели Лихтенеккера, не превышает 10%. Из рис. 3.5.5 следует, что отклонения экспериментальных данных от результатов расчетов с применением модели среднего являются недопустимо большими (до 28%) в диапазоне содержания воды в смеси от 10 до 80%. 3.6. Исследования пространственно-временных вариаций теплопроводности цемента в процессе гидратации и высушивания образца
Для изучения пространственно-временных вариаций теплопроводности цементного раствора в процессе гидратации и последующем высушивании применялся цемент, используемы при цементации скважин. По данным производителя, гидратация и затвердевание цемента начинаются через 30 мин. после размешивания его с водой.
Измерения теплопроводности образца цемента проводились на образце, размеры которого составляли 60x60x60 мм. Измерения проводились при помощи разработанного нами прибора. Измерительный зонд устанавливался в горизонтальном положении в центре образца (рис. 3.6.1). Влияние естественной тепловой конвекции на измерения теплопроводности в данном случае незначительно в виду того, что раствор цемента обладает достаточно высокой эффективной вязкостью, которая при последующем затвердевании образца увеличивается.
После размешивания раствора цемента, которое проводилось в соответствии с рекомендациями изготовителя, раствором заполнялась специально заранее подготовленная форма. Измерения эффективной теплопроводности проводились с момента времени 30 мин. после замешивания образца и длились на протяжении 60 часов с интервалом времени между измерениями в 30 мин. Экспериментальны данные об измеренной эффективной теплопроводности образца цемента в процессе гидратации и высыхании представлены на рис. 3.6.3.
Контрольные измерения теплопроводности на установке оптического сканирования проводились через 48 и 60 часов, а также через 7 дней после замешивания образца цемента и начала высушивания образца. Результаты измерений методом оптического сканирования были сопоставлены с результатами измерений, полученными новым прибором, которые также были проведены через 48 и 60 часов и через 7 дней после замешивания образца. Результаты сопоставления представлены Сопоставление результатов измерений теплопроводности образца цемента измеренной разработанным прибором и методом оптического сканирования в различные моменты времени. СКО - среднеквадратичное отклонение результатов измерений в одной точке.
Из анализа экспериментальных данных, представленных на рис.3.6.3, видно, что через 48 часов после замешивания образца и начала его высушивания значения эффективной теплопроводности, измеренные установкой оптического сканирования и новым прибором, практически
102 совпадают, а их осредненные значения составляют 1,64 и 1,66 Вт/(м"К) соответственно. Проведенные измерения теплопроводности цемента через 60 часов после замешивания показывают существенное расхождение: их осредненные значения равны 1,56 Вт/(м К) для установки оптического сканирования и 1,67 Вт/(м К) для разработанного прибора. Данное отличие теплопроводности может быть объяснено высыханием образца в наибольшей степени с его поверхностей, в то время как в центре образца сохраняется остаточная вода, в связи с чем результаты измерений методом оптического сканирования на поверхности ниже, чем результаты измерений во внутренней части образца при помощи разработанного нами прибора. Измерения теплопроводности цемента, проведенные через 7 суток после замешивания, показали незначительное расхождение и составили 1,38 и 1,34 Вт/(м К) соответственно для установки оптического сканирования и разработанного нами прибора. Отсюда следует, что через 7 суток исследуемый образец цемента уже имеет однородную структуру, которая может быть охарактеризована в равной степени измеренными тепловыми свойствами при помощи установки оптического сканирования и разработанного прибора.
