CC BY
202
116
Ключевые слова:
низкопроницаемые
коллекторы,
нелинейная
фильтрация,
начальный градиент
давления.
Keywords:
low-permeable formations, nonlinear filtration, starting pressure gradient.
VGN-3-23-2015-v24.indd 116
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
УДК 552.578.2.061.4
Ли Сюаньжань
Нелинейная фильтрация воды в низкопроницаемых коллекторах
В настоящее время во всем мире происходит ухудшение структуры запасов углеводородов. С каждым годом разработка низкопроницаемых и сверхнизкопроницаемых коллекторов становится все более актуальной задачей. Характер и законы фильтрации в низкопроницаемых терригенных коллекторах отличаются от характера фильтрации в высокопроницаемых коллекторах, поскольку поровое пространство представлено субкапиллярными порами (d < 0,1 мкм) сложной структуры и на процессы фильтрации оказывают влияние поверхностные силы. Причины увеличения фильтрационных сопротивлений и нарушения от линейности закона Дарси обсуждаются в литературе и являются дискуссионными. Существуют точки зрения, связывающие наблюдаемые явления как с неньютоновскими свойствами жидкости, так и с механизмами массопереноса (диффузия, осмос) в тонких капиллярах. Если давление вытеснения недостаточно для преодоления сопротивления капиллярных сил, то движение нефти будет прерываться, она разделится на капли, что приведет к увеличению сопротивления фильтрации и снижению эффекта вытеснения. Причем вышеописанные явления являются важными для разработки не только низкопроницаемых коллекторов.
С развитием лабораторной и вычислительной техники число работ, посвященных случаям отклонения от линейности закона Дарси, увеличилось, но многие исследования ограничиваются формулированием уравнений фильтрации с использованием математических средств с учетом начального градиента давления.
В 1990-е гг. в Китае начались исследования нелинейной фильтрации. Было показано, что при определенном градиенте давления фильтрация не подчиняется линейному закону [1-4].
Если раньше интерес к подобным коллекторам носил академический характер, то в последнее время он перешел в разряд практических проблем. Традиционно изучение нелинейной фильтрации проводят путем определения начального градиента давления в низкопроницаемых коллекторах.
Последние 20 лет многие специалисты-нефтяники исследовали нелинейную фильтрацию в низкопроницаемой среде (в основном в глинах) экспериментально. Miller и Low показали, что с повышением температуры начальный градиент снижается. P. Aloaro [5] обнаружил, что кривая фильтрации для песчаника не проходит через начало координат и в песчанике имеется начальный градиент давления. Китайский профессор Yang Qinglai проанализировал фильтрацию дистиллированной воды, керосина и пластовой воды в песчанике, получив кривую фильтрации с начальным градиентом [2]. Chen Yongming доказал, что в низкопроницаемой породе имеет место начальный градиент давления и фильтрация отклоняется от линейного закона [3]. В 2013 г. результаты лабораторных экспериментов [6], проведенных в ООО «РН-УфаНИПИнефть», показали, что фильтрация в низкопроницаемых коллекторах характеризуется отклонением от линейного закона фильтрации Дарси.
После того как было обнаружено, что фильтрация в низкопроницаемом пласте не подчиняется закону Дарси, выдвигались различные мнения о механизме фильтрации и образовании начального градиента давления. Среди возможных причин рассматриваются особый характер граничного слоя и тот факт, что сырая нефть и флюид в низкопроницаемом пласте имеют свойства неньютоновской жидкости. Между флюидом и стенкой капилляра существует сила статического трения, а на поверхно-
№ 3 (23) / 2015
21.08.2015 9:59:41
Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений
117
сти зерен находится слой воды, препятствующий движению флюида [7-9].
Обычно при разработке месторождений нефть и вода являются ньютоновскими флюидами и остаются неизменными во всей системе пор. В связи с тем что имеется взаимодействие между твердой и жидкой фазами, на внутренней поверхности поры существует граничный слой нефти. Состав и свойства нефти в граничном слое отличаются от свойств нефти в объеме. В высокопроницаемых пластах с легкой нефтью и для больших поровых каналов доля нефти в граничном слое имеет малую величину и слабо влияет на поток флюида. Но для разработки низкопроницемых коллекторов и вязкой нефти это влияние может быть значительным, что приведет к появлению начального градиента давления и, как следствие, к отклонению фильтрации от закона Дарси.
Высокопроницаемый коллектор состоит из больших каналов, поэтому в них трудно заметить начальный градиент давления во время движения воды и легкой нефти. Хотя в высокопроницаемых коллекторах есть мелкие каналы, их доля невелика, и вклад в фильтрацию незначителен. Поэтому во время эксперимента для высокопроницаемых коллекторов кривая фильтрации превращается в прямую. В низкопроницаемом пласте каждый канал имеет свой начальный градиент давления, в связи с тем что пористая система состоит из мелких каналов. Только когда градиент давления вытеснения больше начального градиента давления этого канала, вода и нефть будут двигаться. С повышением давления вытеснения число эффективных каналов увеличивается, и, соответственно, проницаемость породы увеличивается. Поэтому во время экспериментов в низкопроницаемых коллекторах при малых градиентах кривая фильтрации давления имеет другой наклон, нежели чем при больших градиентах давления. Это означает, что проницаемость увеличивается с ростом давления и стремится к постоянной величине.
Многие исследования показали, что между начальным градиентом и проницаемостью существует обратная зависимость [4-9]. Суть начального градиента давления заключается в том, что он подчиняется размеру канала пористой среды. Силы взаимодействия между жидкостью и породой зависят от структуры и удельной поверхности коллектора и влияют на эффективное пространство фильтрации.
№ 3 (23) / 2015
Поэтому начальный градиент давления является комбинированным фактором структуры поры и сил взаимодействия между жидкостью и породой.
С целью изучения вопросов, связанных с нелинейной фильтрацией в низкопроницаемых коллекторах, в Китайской национальной нефтегазовой компании были проведены лабораторные исследования начального градиента давления в низкопроницаемых продуктивных отложениях месторождений Shengli и Changqing при фильтрации воды в пластовых условиях, а также зависимость доли подвижного флюида от проницаемости и пористости пород месторождений Changqing и Da Qing Yushu.
Исследуемые образцы пород месторождений Shengli и Changqing представлены терри-генными отложениями. Цилиндрические образцы керна изучаемых коллекторов первоначально экстрагировались спиртобензольной смесью (3:1), а затем спиртом, после чего определялась абсолютная проницаемость образцов.
Измерения проницаемости проводились на фильтрационной установке AFS-200 компании Corelab, оснащенной малолитражным насосом, обеспечивающим определение расхода с высокой точностью. Установка позволяет фиксировать относительную проницаемость при вытеснении нефти водой.
Методика проведения эксперимента включала создание остаточной нефтенасыщенности. Для этого через водонасыщенный керн прокачивалось смазочное масло до прекращения выхода водной фазы из образца. Далее проводили вытеснение масла пластовой водой или моделью пластовой воды при комнатной температуре. Изучалась однофазная фильтрация воды при остаточной нефтенасыщенности. В процессе проведения эксперимента определялся градиент давления при различных задаваемых значениях расхода жидкости в диапазоне от 1 до 0,005 см3/мин (всего 11 режимов фильтрации, начиная с большего расхода). На каждом режиме фильтрация продолжалась до достижения установившегося состояния.
Формулы для определения начального градиента давления:
• фильтрационная скорость:
V = Q/(A0\
где Q - поток на выходе, см3/мин; A - площадь сечения керна, см2; Ф - пористость, %;
VGN-3-23-2015-v24.indd 117
21.08.2015 9:59:41
118
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
• градиент давления:
dP = AP/L,
где L - длина керна, см; ДР - перепад давлений на входе и выходе образца, МПа.
По результатам изучения образцов керна месторождений Shengli и Changqing (табл. 1) получены зависимости скорости фильтрации от градиента давления и рассчитан начальный градиент давления.
На рис. 1 отражено уменьшение начального градиента давления с ростом проницаемости. В образцах керна месторождения Shengli самый большой начальный градиент давления составляет 0,653 МПа/м, а минимальный -0,004 МПа/м. В образцах керна месторождения Changqing самый большой начальный градиент давления составляет 0,654 МПа/м, минимальный - 0,0009 МПа/м. Наблюдается значительное изменение начального градиента давления при изменении проницаемости пород.
Далее на образцах керна месторождений Changqing и Da Qing Yushu был проведен анализ доли подвижного флюида в низкопроницаемом пласте.
Пласт насыщен различными флюидами, которые могут находиться в свободном и связанном состоянии. Чем меньше процент связанного флюида в пласте, тем эффективнее фильтрация. В высокопроницаемом пласте доля связанного флюида слишком мала, из-за того, что по-ровые каналы достаточно большие, и его влияние на фильтрацию мало, но в низкопроницаемом пласте высока доля поровых каналов малых размеров, поэтому связанный флюид имеет значительное влияние на фильтрацию.
Результаты анализа доли подвижного флюида в образцах керна месторождений Da Qing Yushu и Changqing методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлены в табл. 2.
На рис. 2 показано, что доля подвижного флюида растет при увеличении проницаемости
Таблица 1
Образцы керна месторождений Shengli и Changqing
Индекс модели Проницаемость, 10-3 мкм2 Эффективный начальный градиент давления, МПа/м Пористость, % Глубина, м Длина, см Диаметр, см
Shengli
1 0,543 0,653 9,13 3259-3268 5,603 2,527
2 0,762 0,328 10,2 3261-3272 5,167 2,518
3 0,798 0,336 10,6 3261-3272 5,079 2,529
4 0,89 0,32 9,97 3221-3232 5,201 2,541
5 1,04 0,358 10,03 3259-3268 5,003 2,563
6 1,08 0,344 10,92 3261-3272 5,543 2,518
7 1,12 0,233 13,4 3259-3268 5,793 2,519
8 1,25 0,296 11,08 3259-3268 5,498 2,533
9 1,35 0,221 11,8 3268-3277 5,279 2,535
10 3,69 0,066 14,6 3241-3248 5,172 2,532
11 3,7 0,054 15,17 3241-3248 5,674 2,553
12 7,08 0,004 18,29 3221-3232 5,541 2,576
Changqing
1 0,048 0,6547 7,3 1521-1539 4,64 2,49
2 0,086 0,466 7,7 1521-1540 5,43 2,48
3 0,18 0,332 11,51 1521-1541 5,57 2,49
4 0,3 0,244 13,97 2339-2356 4,98 2,52
5 0,327 0,169 11,43 2339-2356 6,75 2,52
6 0,51 0,072 11,75 2339-2356 7,04 2,5
7 0,71 0,039 12,68 2339-2356 5,56 2,55
8 2,37 0,00747 12,53 2339-2356 5,74 2,51
9 10,03 0,0009 20,84 1761-1769 5,36 2,48
10 2,14 0,00892 12,74 2339-2356 6,04 2,50
11 0,801 0,0247 12,36 1521-1539 6,33 2,47
12 2,79 0,0059 13,07 2159-2176 5,45 2,53
13 3,26 0,0048 13,65 2159-2177 4,48 2,49
14 5,19 0,0021 17,55 1761-1769 4,78 2,51
15 0,892 0,0189 12,22 1761-1769 5,04 2,5
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 118
21.08.2015 9:59:41
Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений
119
Рис. 1. Зависимость начального градиента давления от проницаемости пород месторождений Shengli и Changqing
Таблица 2
Доля подвижного флюида в образцах керна месторождений Da Qing Yushu и Changqing
Индекс модели Пористость % Проницаемость, 10-3мкм2 Доля подвижного флюида, %
Da Qing Yushu
1 13,98 11,03 44,02
2 6,98 0,29 28,67
3 9,54 0,28 25,20
4 6,84 0,05 19,27
5 9,24 0,12 21,03
6 8,94 0,55 29,67
7 7,46 0,21 12,14
8 9,24 1,15 31,06
9 10,02 0,73 29,13
10 8,41 0,22 17,65
11 12,20 6,98 39,91
12 11,28 0,32 30,17
13 12,18 0,93 36,12
14 9,35 0,21 21,27
Changqing
1 15,56 0,98 33,23
2 19,25 2,23 43,65
3 19,43 1,90 35,98
4 15,76 2,76 54,11
5 13,43 0,35 29,13
6 17,10 24,2 62,60
7 18,09 2,47 40,33
8 9,26 0,64 40,99
9 12,09 0,87 44,04
10 14,01 0,63 37,01
11 14,26 5,03 56,37
12 10,17 1,02 48,23
13 16,27 0,74 43,08
14 17,98 2,76 39,15
15 9,88 0,92 40,01
16 7,67 0,39 35,08
17 13,25 0,27 19,03
18 15,42 7,64 49,07
19 17,27 6,77 47,57
20 15,86 10,95 56,22
21 18,12 29,00 65,38
22 17,67 20,60 58,78
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 119
21.08.2015 9:59:41
120
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
пород. При проницаемости более 10 мД доля подвижного флюида составляет более 40 % для пород месторождения Da QingYushu и более 50 % для пород месторождения Changqing, что свидетельствует о возможности эффективной разработки коллекторов. При проницаемости меньше 5 мД коллектор трудно разрабатывать. Рис. 3 наглядно отражает тенденцию роста доли подвижного флюида в зависимости от увеличения пористости пород. Следовательно, для оценки движения флюида в низкопроницаемых коллекторах необходимо учитывать пористость и проницаемость пород месторождения.
В заключение сформулируем некоторые выводы, основанные на экспериментально полученных результатах изучения образцов пород месторождений Shengli, Changqing и Da Qing Yushu:
• в низкопроницаемых коллекторах наблюдается отклонение фильтрации от линейного закона фильтрации Дарси, а также наличие начального градиента давления;
• начальный градиент давления уменьшается с ростом проницаемости и, наоборот, сильно увеличивается с ее уменьшением, что свидетельствует о значительном росте сопротивления фильтрации для воды и трудности вытеснения содержащейся в низкопроницаемом коллекторе нефти. При абсолютных проницаемостях более 10 мД нелинейными эффектами можно пренебречь;
• доля подвижного флюида растет с увеличением пористости и проницаемости, что необходимо учитывать для оценки движения флюида в низкопроницаемых коллекторах.
Рис. 2. Соотношение доли подвижного флюида и проницаемости в образцах пород месторождений Da Qing Yushu и Changqing
SS 70
cf
я
I 60
■e-
=я
£ 50
30
• *
• * а
• 4 • • • 1 л * • • • Л
• • • W . •
• • • » • •
* • • •
• Da Qing Yushu • Changqing
20
10
10
15
20
Пористость, %
о 40
0
0
5
Рис. 3. Соотношение доли подвижного флюида и пористости в образцах пород месторождений Da Qing Yushu и Changqing
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 120
21.08.2015 9:59:41
Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений
121
Список литературы
1. Feng Wenguang. The problem of non-Darcy flow at low velocity non fixed single medium, dual medium / Wenguang Feng, Jiali Ge // Petroleum exploration and development. - 1985. - № 1.
2. Yang Qinglai. A Laboratory study on percolation characteristics of single phase flow in low-permeability reserviors / Qinglai Yang, Qiuxuan He // Journal of Xi’an Shiyou University. - 1990. - № 2.
3. Chen Yongming. Experimental demonstration of the non-Darcy phenomenon during low velocity flow through porous media / Yongming Chen, Juan Zhou, Zhengxiang Liu // Journal of Chongqing University (Natural science edition). -2000. - S. 1.
4. Wei Xiong. Pseudo threshold pressure gradient to flow for low permeability reservoirs /
Xiong Wei, Qun Lei, Xiangui Liu et al. // Petroleum exploration and development. -
V 2009-36. - № 2.
5. Prada A. Modification of Darcy’s law for the threshold pressure gradient / A. Prada, F. Civan // Journal of petroleum science and engineering. -1999. - № 22 (4). - P. 237-240.
6. Байков В.А. Нелинейная фильтрация в низкопроницаемых коллекторах. Лабораторные фильтрационные исследования керна Приобского месторождения /
В.А. Байков, А.В. Колонских, А.К. Макатров и др. // Вестник ОАО «НК «Роснефть». -2013. - Вып. 31. - № 2. - С. 4-7.
7. Ge Jiali. Study on the fluid flow in low permeability reservoir / Jiali Ge, Zhaodong Yao // Petroleum exploration and development. - 2001. -№ 4.
8. Wu Jingchun. Low velocity non-Darcy percolation characteristics of low permeability reservoir of single-phase fluid / Jingchun Wu, Man Yuan // Journal of Daqing Petroleum Institute. - 1999. -№ 23 (2). - P. 82-84.
9. Григорьев Б.А. Исследование начальных градиентов давления при фильтрации через низкопроницаемые породы-коллекторы /
Б.А. Григорьев, Д.М. Орлов, Н.В. Савченко и др. // Вести газовой науки: Актуальные вопросы исследований пластовых систем месторождений углеводородов. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - № 1 (12). - С. 119-125.
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 121
21.08.2015 9:59:42
