Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор предшествующих исследований. Обоснование тематики диссертационной работы .11
1.1. Особенности лабораторных экспериментов в физике и петрофизике пласта .11
1.2. Предпосылки для отказа от традиционных представлений в физике и петрофизике пласта 15
1.3. Основы концепций абсолютного (АПП) и эффективного порового пространства (ЭПП) .18
1.3.1. Концепция абсолютного порового пространства 18
1.3.2. Концепция эффективного порового пространства 21
1.4. Обоснование тематики диссертационной работы 32
Глава 2. Сопоставительные эксперименты по определению корреляционных связей между проницаемостью и пористостью согласно концепциям АПП и ЭПП . 34
2.1. Вводные замечания .34
2.2. Методика лабораторных экспериментов 34
2.3. О критериях подобия 42
2.4. Результаты лабораторных экспериментов 46
2.5. Выводы по главе 2 .50
Глава 3. Сопоставительные эксперименты по определению коэффициентов вытеснения в рамках разных методологий 52
3.1. Вводные замечания .52
3.2. Методика лабораторных экспериментов 54
3.3. Результаты лабораторных экспериментов 58
3.4. Выводы по главе 3 .63
Глава 4. Сопоставительные лабораторные эксперименты по определению коэффициентов проницаемости и макрошероховатости при нарушении закона Дарси в рамках концепций АПП и ЭПП .66
4.1. Вводные замечания .66
4.2. Методика лабораторных экспериментов 66
4.3. Результаты лабораторных экспериментов 69
4.4. Выводы по главе 4 .76
Глава 5. Сопоставительные эксперименты по смачиваемости в рамках концепций АПП и ЭПП 78
5.1. Вводные замечания .78
5.2. Методика лабораторных экспериментов 78
5.3. Результаты лабораторных экспериментов 79
5.4. Выводы по главе 5 .82
Общие выводы 83
Список литературы 86
- Предпосылки для отказа от традиционных представлений в физике и петрофизике пласта
- Результаты лабораторных экспериментов
- Методика лабораторных экспериментов
- Результаты лабораторных экспериментов
Предпосылки для отказа от традиционных представлений в физике и петрофизике пласта
Исследователи в области петрофизики пласта нередко замечали, что корреляционные петрофизические зависимости при использовании эффективной пористости характеризуются большим коэффициентом детерминации (корреляции), чем при использовании коэффициентов открытой пористости. Тем не менее, соответствующая методика керновых исследований не вошла в практику петрофизики, так как методология интерпретации геофизических исследований скважин традиционно ориентировалась на коэффициенты открытой пористости. И поэтому петрофизические зависимости с эффективной пористостью не находили применения. Да и в принципе они не могли быть востребованы, потому что в исходных дифференциальных уравнениях Маскета-Мереса базисными коэффициентами являются коэффициенты абсолютной проницаемости по газу и открытой пористости [97].
В докомпьютерную эру при подсчете запасов нефти и газа геофизики выделяли так называемые коллектора и неколлектора. К неколлекторам относились те пласты или прослои, которые характеризовались некими граничными значениями открытой пористости, абсолютной проницаемости по газу или коэффициентами нефте- или газонасыщенности. Кроме того, при выделении неколлекторов использовались данные поинтервальных опробований скважин. Но не все то, что сейчас представляется неколлектором, таковым является. Сегодня можно в принципе утверждать, что в природе нет непроницаемых горных пород. Например, в США разрабатывают месторождения газа с коллекторами проницаемостью до 10–7 мкм2. Уникальные исследования кернов горных пород при давлениях до 200 МПа и температурах до 600 С позволяют определять проницаемости до 10-10-10-11 мкм2. Результаты этих исследований относятся к гранитам и базальтам [81]. Нетрудно видеть, что приводимые значения проницаемостей весьма далеки от их граничных значений, принимавшихся и принимаемых при подсчете запасов и построении 3D компьютерных моделей пластов. Поэтому справедливо предлагается [26] в прогнозных расчетах учитывать весь спектр проницаемостей, включая алевритистые низкопроницаемые прослои. Следовательно, все то, что ранее относили к неколлекторам, необходимо подвергать не меньшим исследованиям, чем сами коллекторы [28]. Однако приведенные соображения будут справедливы тогда, когда они реализуются в рамках концепции эффективного порового пространства. Вместе с тем допустимо, что низкопроницаемые коллекторы согласно концепции эффективного порового пространства могут оказаться водонасыщенными. Тогда соответствующая часть пласта не учитывается при подсчете запасов. Тем не менее, она может заметно влиять на обменные процессы вдоль вертикальной координаты. Вследствие больших поверхностей контакта с окружающими коллекторами они могут активно участвовать в указанных обменных процессах. Подобные обменные процессы пренебрегаются при исследованиях в рамках концепции абсолютного порового пространства. То есть, сказанное говорит о том, что в рамках концепции АПП искажается реальное геологическое строение залежей нефти и газа [28, 29].
В докомпьютерную эру подсчет запасов в рамках концепции АПП приводил к следующему [28, 34]. Запасы нефти и газа низкопроницаемых коллекторов считались забалансовыми и практически недоступными к извлечению известными технологиями разработки.
Указанные недостатки оказывались не замеченными, так как в докомпьютерную эру прогнозные расчеты производились в основном на одномерных или двумерных моделях. То есть, тогда вертикальные фильтрационные течения не учитывались и не могли учитываться. При использовании трехмерных моделей, естественно, необходимо было учитывать проницаемость всех прослоев в вертикальном направлении. Однако имевшая место практика выделения коллекторов и неколлекторов приписывала этим неколлекторам нулевые значения пористости и проницаемости. Это исключало вертикальные фильтрационные течения, что искажало естественные фильтрационные процессы в пласте. Следовательно, если 3D гидродинамическая модель не отвечает реальным геологическим условиям, то и проектные решения оказываются недостоверными [26].
В этой связи, потребности 3D компьютерного моделирования привели сотрудников ИПНГ РАН к обоснованию новой концепции эффективного порового пространства, базисными коэффициентами которой являются эффективная пористость и эффективная проницаемость [26, 27, 28, 29, 30].
Под эффективной пористостью mэф авторы понимают
Здесь mо – открытая пористость, Sост – остаточная, реликтовая водонасыщенность. Эффективная проницаемость kэф - это проницаемость по нефти или газу при остаточной водонасыщенности.
Особенности традиционной концепции абсолютного порового пространства и альтернативной концепции эффективного порового пространства далее излагаются, в немалой степени, согласно обобщающей работе [28].
Результаты лабораторных экспериментов
Для проведения экспериментов по описанной процедуре было изготовлено 35 кернов. В обработку включена вся информация по наличному объему керновых исследований без какой-либо селекции. В табл. 1 представлены абсолютные параметры кернов (значения абсолютной проницаемости по азоту, коэффициенты открытой пористости) и эффективные параметры (значения эффективной проницаемости по азоту и коэффициенты эффективной пористости) после создания остаточной водонасыщенности. При рассмотрении данных табл. 1 нельзя не заметить, что нередко имеет место кратная разница между значениями kабс и kэф, а также между mo и mэф. Такая разница, естественно, должна проявлять себя при сопоставлении результатов исследований в рамках концепций АПП и ЭПП.
По результатам исследований были построены зависимости lg kабс = f(mo) (рис. 3) и lg kэф = f(mэф) (рис.4) и рассчитаны коэффициенты детерминации R2 для них.
Из рассмотрения приводимых результатов можно констатировать, что исследования кернов в рамках концепции эффективного порового пространства обеспечивают больший коэффициент детерминации между исследуемыми параметрами по сравнению с результатами согласно концепции абсолютного порового пространства. Так в случае концепции АПП коэффициент детерминации равняется 0, 4781, а в случае концепции ЭПП он становится равным 0,7376. Хотя величина 0,7376 не очень велика, но она предпочтительней величины 0,4781.
Зависимость логарифма абсолютной проницаемости от коэффициента открытой пористости
Зависимость логарифма эффективной проницаемости от коэффициента эффективной пористости Это, с одной стороны, является следствием влияния структуры порового пространства на изучаемые свойства у исследованных кернов [68, 69]. С другой стороны, результаты данной и четвертой главы говорят о следующем. При использовании газа в экспериментах иначе и быть не может. Так как газ при определении коэффициента пористости проникает и в самые малые поры и каналы. Особенно в экспериментах в рамках концепции АПП. При определении коэффициента проницаемости он фильтруется и по всем малым порам и каналам. В наибольшей степени это проявляется опять в рамках концепции АПП.
При экспериментах на реальных кернах ситуация заметно меняется. В качестве примера приведем рис. 5, заимствованный из [29] применительно к одному из нефтяных месторождений.
Зависимости абсолютной проницаемости от открытой и эффективной пористости
Во-первых, здесь зависимость lg kабс = f(mo) характеризуется низким значением коэффициента детерминации (R2=0,107). Что касается зависимости lg kэф = f(mэф), то она отличается коэффициентом детерминации почти на порядок выше, чем в предыдущем случае
(R2=0,8821). Во-вторых, в случае натурных кернов разница в коэффициентах детерминации у концепций ЭПП и АПП оказывается еще более выраженной. Видимо, здесь немалую роль играет еще и факт представительности кернового материала. То есть, суммирование малых положительных «вкладов» эффективной пористости отдельных кернов приводит к заметному «кумулятивному» эффекту для коэффициента детерминации по всей совокупности исследуемых кернов. Сопоставление наших рисунков 3 и 4 с рис. 5 позволяет подчеркнуть следующее. Эксперименты по определению петрофизических зависимостей целесообразно выполнять в рамках концепции ЭПП. При этом в случае нефтяных месторождений следует ожидать высоких коэффициентов детерминации, в частности, в связи с большим количеством кернового материала по сравнению с газовыми месторождениями. Кроме того, в случае нефтяных месторождений в корреляционных зависимостях следует использовать не коэффициенты абсолютной проницаемости по газу, а значения kэф для нефти при Sост.
1. Переход к концепции эффективного порового пространства заметно увеличивает коэффициент детерминации у рассматриваемых зависимостей логарифма проницаемости от пористости. В проведенных сопоставительных экспериментах увеличение коэффициента детерминации имеет место от 0,4781 до 0,7376. Это, естественно, является важным аргументом в пользу перехода к концепции эффективного порового пространства. Ибо возрастает степень достоверности интерпретации результатов ГИС, а, следовательно, и создаваемой 3D гидродинамической модели продуктивного пласта.
2. Уже говорилось по тексту, что отдельные петрофизики ранее отмечали приводимый нами факт повышения степени коррелируемости логарифма проницаемости от коэффициента эффективной пористости. Однако здесь требуются определенные оговорки.
Во-первых, построение соответствующих зависимостей ранее выполнялось скорее на интуитивном уровне. Так как коэффициенты mэф не являются базисными коэффициентами в уравнениях Маскета – Мереса. То есть, получаемые зависимости были незаконными, поэтому оставались обычно без практического использования.
Методика лабораторных экспериментов
Применительно к газовым залежам, естественно, что выполняются лабораторные эксперименты по определению коллекторских свойств продуктивного пласта. Однако, как правило, ограничиваются определением открытой пористости и проницаемости кернов по газу. То есть, исследования безальтернативно производятся в рамках концепции АПП. Значение коэффициентов остаточной водонасыщенности находят на ограниченном количестве кернов.
Из предыдущего изложения видно, что даже для залежей газа коэффициенты проницаемости должны определяться при наличии остаточной водонасыщенности. То есть, следует находить эффективную проницаемость по газу (фазовую проницаемость по газу при остаточной водонасыщенности). Это означает, что явно целесообразен переход на концепцию ЭПП.
В пласте и при лабораторных исследованиях кернов газонасыщенных коллекторов имеет место нарушение закона Дарси [2, 3, 59]. Поэтому, в отличие от нефтяных коллекторов, здесь требуется находить значения и коэффициента макрошероховатости /3 [53, 54, 77]. Очевидно, что этот коэффициент также следует определять в рамках концепции ЭПП [26].
Приведенные соображения применительно к газоносным пластам предопределили проведение сопоставительных лабораторных экспериментов при нарушении закона Дарси для рассматриваемых альтернативных концепций.
Состав лабораторной авторской установки Реализованная и использованная схема лабораторной установки приведена на рис. 11. Она не принципиально отличается от установки, реализованной в экспериментах главы 2. Отличие состоит в следующем. Регулятор расхода газа (РРГ) был установлен сразу после редуктора, для того, чтобы задавать расходы азота, подаваемого непосредственно из газового баллона.
Подготовка к эксперименту, изготовление керна Для проведения экспериментов были использованы 15 искусственных кернов одного литотипа. Большая их часть была из числа кернов, использованных в экспериментах второй и третьей главы. Подготовка кернов к исследованию и иные процедуры аналогичны описанным ранее во второй и третьей главах. Измерение абсолютной проницаемости по азоту Через образец керна с помощью насоса прокачивается азот. При этом на выходе из керна давление равно атмосферному и фиксируется с помощью барометро-анероида. Фиксируется расход газа. Устанавливается стационарность в процессе фильтрации, показателем которой является стабилизация давления на входе в образец. Для нескольких расходов газа получаем соответствующее количество перепадов давления. С использованием полученных данных строится индикаторная кривая для газа в координатах А(р2) от q. Затем эти данные обрабатываются в координатах A(p2)/q от q, где q - расход газа, - разница квадратов давлений на входе и выходе из образца. Известно, что при нарушении закона Дарси указанные параметры подчиняются следующему уравнению [2, 3, 75]
Данное уравнение является уравнением прямой в рассматриваемых координатах. Что позволяет графическим методом находить коэффициенты аиЬ, обозначаемые в случае концепции АПП как аабс и Ъабс.
Тогда коэффициент абсолютной проницаемости по газу получаем из известной формулы [1]: где аабс - это величина отрезка на оси ординат, отсекаемая прямой Ap2/q от q при экспериментах в рамках концепции АПП ратм - атмосферное давление L - длина образца S - площадь сечения образца ju - вязкость газа Определение коэффициентов макрошероховатости Исходя из структуры коэффициента Ъ в концепции АПП [19], вычисляется коэффициент «макрошероховатости» $абс керна без остаточной водонасыщенности по формуле: Ъл = 2p p 2-L (36)
Эксперименты в рамках концепции ЭПП выполняются аналогично тому, как описано во второй главе.
Результаты лабораторных экспериментов
Здесь подготовительные процедуры и определение параметров кернов с остаточной водонасыщенностью выполняется аналогично тому, как это описано в предыдущих главах.
Измерение краевого угла смачивания при остаточной водонасыщенности Socm
После этого на торцевую поверхность керна с остаточной водонасыщенностью наносилась капля воды. Форма капли фотографировалась, и определялся краевой угол смачиваемости в при остаточной водонасыщенности.
В рамках эксперимента подверглось исследованию 14 кернов. Результаты исследований приведены в табл. 5.
На рис. 19-22, в качестве примера, приводятся фотографии капель воды на торцевых поверхностях двух кернов в рамках концепций АПП и ЭПП.
Приводимые результаты исследований позволяют отметить следующее.
Рассмотрение краевых углов смачивания сухого керна 0ак говорит о следующем. Лишь в 5 случаях Эсж составил менее 90. То есть, в пяти случаях керны оказались гидрофильными, в остальных случаях -гидрофобными. Эти результат относятся к концепции АПП.
Данные экспериментов по определению краевого угла смачивания керна с остаточной водонасыщенностью Эом говорят о следующем. При моделировании остаточной водонасыщенности все 14 исследуемых кернов проявили себя как гидрофильные. То есть, были получены значения Qo.e 90, вплоть до О = 0 практически сразу.
Поскольку газоносные коллекторы всегда характеризуются наличием остаточной воды, то в качестве реалистичных могут рассматриваться данные седьмого столбца таблицы. Следовательно, исследования кернов с целью определения их смачиваемости в рамках концепции АПП могут приводить к ошибочным представлениям о характере фильности коллекторов.
Необходимо так же рассмотреть возможные количественные погрешности в определении краевого угла смачивания АО. Эта величина определяется как разность между Оск и Оав, деленная на 00М и умноженная на 100%. Таким образом, погрешность применительно к газоносному пласту в случае экспериментов на основе АПП может достигать сколь угодно больших значений, вплоть до 429%. В последнем столбце таблицы приводятся значения возможных погрешностей в определении cos АО при исследованиях в рамках концепции АПП. Здесь возможные погрешности также велики, вплоть до 421%.
Анализ приводимых результатов совместно с ранее выполненными экспериментами в рамках концепций АПП и ЭПП позволяет отметить следующее.
1. Эксперименты на основе концепции АПП могут приводить к низким коэффициентам корреляции у петрофизических зависимостей или значительным погрешностям в определении искомых параметров, а так же некорректным качественным выводам [31, 33, 40].
2. Серия лабораторных экспериментов по смачиваемости применительно к газонасыщенным коллекторам в рамках концепций АПП и ЭПП свидетельствует о возможности получения некорректных выводов о характере смачиваемости, а также значительных погрешностях в определении краевого угла и cos при использовании концепции АПП [32].
3. Для нефтенасыщенных коллекторов могут быть получены близкие выводы в экспериментах по смачиваемости. Однако здесь потребуется дополнительное обоснование методики лабораторных экспериментов.
4. Представленные результаты экспериментов подтверждают тезис работы авторов концепции ЭПП [26], а также рекомендации ЦКР Роснедра о необходимости и целесообразности перехода методологии исследований в научных дисциплинах нефтегазовой науки на концепцию эффективного порового пространства.
1. Начавшаяся в стране эра 3D компьютерного моделирования представляет собой революцию в отечественном нефтегазовом недропользовании. Анализ результатов 3D компьютерного моделирования позволил сотрудникам ИПНГ РАН сделать важный вывод о том, что традиционные представления в теории и практике разработки месторождений нефти и газа в докомпьютерную эру (в виде концепции АПП) не корректно переносить на методологию 3D компьютерного моделирования. Предложенная ими альтернативная концепция ЭПП была одобрена ЦКР Роснедра в 2005 г. Однако инновационная концепция ЭПП еще медленно внедряется в теорию и практику недропользования.
2. Проведенные автором сопоставительные лабораторные эксперименты в рамках концепций АПП и ЭПП показывают на явную предпочтительность концепции ЭПП в вопросах определения необходимых для 3D компьютерного моделирования параметров. То есть, наши исследования касаются методологии в физике и петрофизике пласта. Но именно эти научные дисциплины являются поставщиками исходной информации для ГИС, ГДИС, подсчета запасов нефти и газа, для создателей 3D геологических и 3D гидродинамических моделей пластов. Что позволяет говорить об актуальности выполненных сопоставительных экспериментов.
В методологии нефтегазовой науки ГИС занимает одно из центральных мест. Методы ГИС дают разработчикам довольно надежные данные о пористости. Достоверность же определения проницаемости напрямую зависит от коррелируемости значений коэффициентов проницаемости и пористости. Выполненные эксперименты показывают, что зависимости lg kэф = f(mэф), согласно концепции ЭПП, имеют почти кратно большую коррелируемость чем lg kабс = f(mо) в концепции АПП. Следовательно, концепция ЭПП способствует повышению достоверности интерпретации данных ГИС.
Сопоставительные эксперименты показали, что коэффициенты вытеснения газа водой при капиллярной пропитке оказываются выше, чем при традиционной процедуре вытеснения одного флюида другим. То есть, определяемые на практике коэффициенты охвата вытеснением Кв являются завышенными, что не стимулирует работы по увеличению КИН, КИК, КИГ. Это особо важно для карбонатных коллекторов в связи с тем, что там капиллярные силы заметно влияют на эффективность вытеснения нефти, газа из низкопроницаемой матрицы пород.
Традиционные исследования в области физики газового пласта обычно ограничиваются экспериментами на сухих кернах. Сопоставительные лабораторные эксперименты показывают на значительные расхождения коэффициентов кабс и кэф, а также /3 абс и /3 эф при исследовании в рамках концепций АПП и ЭПП. То есть, указывают на необходимость соответствующих исследований только в рамках концепций ЭПП.
Выполненные исследования по смачиваемости кернов подтверждают мнение ряда ученых в области физики пласта о целесообразности отказа от «жесткого» экстрагирования кернов. А именно, в сопоставительных экспериментах исследования в рамках концепции АПП показали, что большинство кернов оказались, якобы, гидрофобными. Эксперименты же в рамках концепции ЭПП показали, что все керны являются гидрофильными. Известно, что характер смачиваемости особенно в практике добычи нефти и разработки месторождений нефти оказывает заметное влияние на выбор технологических решений.
