CC BY
10
УДК 622.276.1
ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ
А. А. ТИШКОВ, И. В. ЛЫМАРЬ, Е. Н. ХОДЬКОВ, А. А. ЦАГЕЛЬНИК, М. В. ТРУС
Белорусский научно-исследовательский и проектный институт нефти, г. Гомель
Ключевые слова: деформация, давление, горная порода, порода-коллектор, керновый материал, открытая емкость, проницаемость.
Введение
Пластовое давление в залежи является важным параметром, характеризующим энергетику пласта. Выработка запасов углеводородов сопровождается падением пластового давления, при этом при неизменной нагрузке вышележащих пород (литоста-тическое давление) растет эффективное давление в залежи (разница между литоста-тическим и пластовым давлениями). Рост эффективного давления в залежах вследствие снижения пластовой энергии приводит к изменению напряженно-деформированного состояния в горных породах.
С целью определения влияния снижения пластового давления на фильтрацион-но-емкостные свойства пород-коллекторов нефти в институте БелНИПИнефть в рамках научно-исследовательской работы № 46.2017 «Количественная оценка изменения фильтрационно-емкостных свойств карбонатных пород-коллекторов в процессе разработки залежей нефти» проводились динамические испытания в условиях, близких к пластовым. Исследования выполнялись на установке Autoflood-700 компании «Vinci Technologies SA» (Франция) при сменяющих друг друга циклах нагрузки и разгрузки, которые реализовывались посредством снижения и повышения пластового (порового) давления. Таким образом, при постоянном литостатическом (давлении обжима) и переменном поровом давлениях изменялось эффективное напряжение в породе.
Основная часть
В качестве объектов исследований выступали образцы кернового материала с различных месторождений Припятского прогиба, из которых формировались керно-вые модели пласта (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика керновых моделей пласта
Месторождение Пласт Литология Структура емкостного пространства Длина модели, см Площадь поперечного сечения, см2 Коэффициент проницаемости по газу, 1 • 10-3 мкм2 Открытая емкость в атмосферных условиях, %
Модель № 1
Южно-Сосновское D3zd-ptr Доломит Порово-кавернозная 7,532 6,799 9,417 10,07
Модель № 2
Мармовичское Dszd-el Доломит известковый Порово-трещинная 11,739 6,689 7,138 12,24
Модель № 3
Осташкович-ское D3zd-ptr Известняк доломитис-тый Порово-трещинно-кавернозная 9,526 6,979 9,563 8,06
Модель № 4
Славаньское D3zd-el Доломит Порово-трещинная 11,277 6,813 5,683 8,58
С целью максимально достоверной оценки влияния знакопеременных нагрузок на скелет породы динамические исследования проводились на полностью водона-сыщенных моделях пласта, что ввиду специфики проводимых экспериментов (изменение пластового давления, а не горного), с одной стороны, исключало возникновение фазовых эффектов в породе в случае двухфазного насыщения, с другой -позволяло нивелировать изменение вязкости при изменении пластового давления (в случае нефтенасыщенных моделей пласта). Термобарические условия проведения экспериментов были идентичными для всех керновых моделей (табл. 2).
Таблица 2
Условия проведения динамических исследований
Параметр Значение параметра
Температура, °С 60
Горное давление, МПа 50
Начальное пластовое давление, МПа 25
Начальное эффективное давление, МПа 25
Конечное пластовое давление, МПа 2,7
Интервал изменения пластового давления, МПа 5,6
Объемная скорость закачки, см3/мин 0,1-0,4
Подготовка образцов и пластовых флюидов к экспериментальным исследованиям проводилась в соответствии с СТП 09100.17015.136-2016 «Определение коэффициента вытеснения нефти в пластовых условиях» [3].
В качестве опорного флюида, которым насыщались керновые модели, а также по которому определялась фазовая проницаемость, использовалась модель пластовой воды с динамической вязкостью при 60 °С, = 0,84 мПа • с; плотностью при 20 °С, р = 1,15 г/см3.
Методика проведения динамических испытаний:
- компоновка керновой модели пласта, насыщенной пластовой водой в манжете кернодержателя;
- прокачка пластовой воды через модель пласта с повышением давления до пластового и опережающим увеличением давления обжима (горного) до значений, превышающих давление в составном образце не менее чем на 3 МПа;
- моделирование температуры исследуемого объекта с использованием суховоз-душного термошкафа;
- моделирование горного давления при закрытой входной линии в модель пласта с последующей технологической выдержкой не менее 24 ч;
- замер объема вышедшей в результате действия деформационных процессов воды;
- определение проницаемости по пластовой воде путем прокачки ее через керно-вую модель до стабилизации фильтрационных процессов;
- поэтапное снижение и повышение порового давления (с шагом 5-7 МПа) с выдержками не менее 12 ч между этапами и последующим определением проницаемости по воде на каждом из этапов.
Результаты динамических исследований
На рис. 1-4 показана динамика изменения коэффициента проницаемости по воде от эффективного давления для четырех керновых моделей.
1,70
с 1,60
§
7 1,50 о
1
Е 1,40
О
0
1 1,30 и
о 1,20 & '
=
Ц 1,10
И
£ 1,00 ■е
о
И 0,90 0,80
20 25 30 35 40 45 50
Эффективное давление, МПа
Рис. 1. Динамика изменения коэффициента проницаемости от эффективного давления
по керновой модели № 1
«
а s я о а с н S о
5
а s ■е ■е
о
о
6
1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40
30 35 40
Эффективное давление, M Па
Рис. 2. Динамика изменения коэффициента проницаемости от эффективного давления
по керновой модели № 2
1,00
"ч 0,90
а
S 'Г 0,80
о
R 0,70
H
о Ч 0,60
о
Я S 0,50
s
а с 0,40
н
о R 0,30
я
■е 0,20
■е
о « 0,10
0,00
30 35 40
Эффективное дявленне, МПа
Рис. 3. Динамика изменения коэффициента проницаемости от эффективного давления
по керновой модели № 3
я а а я о а с н Я о Я
а я ■е ■е
о о
и
Рис. 4. Динамика изменения коэффициента проницаемости от эффективного давления
по керновой модели № 4
Для анализа коллекторских свойств в условиях изменения напряженно-деформированного состояния среды результаты проведенных экспериментов были сведены в общую таблицу (табл. 3).
Таблица 3
Обобщенные результаты по определению фильтрационно-емкостных свойств пород
при изменении пластового давления
Месторождение, залежь Структура емкостного пространства Эффективное давление начала деформационных процессов, МПа Изменение емкости при начальном эффективном давлении, % Максимальное изменение проницаемости, %
Южно-Сосновское, Б^ё-рй" Порово-кавернозная 36,2 -11,63 -39,65
Мармовичское, Б^-е1 Порово-трещинная 36,2 -8,63 -52,63
Осташковичское, Б^ё-рй" Порово-трещинно-кавернозная 30,6 -12,13 -83,43
Славаньское, Б^-е1 Порово-трещинная 36,2 -6,37 -82,73
Анализ результатов динамических исследований
Анализ результатов, отображенных в табл. 3, а также на рисунках выше, показывает необратимое снижение фильтрационно-емкостных свойств при изменении пла-
стового давления. Циклы разгрузки, следующие за циклами нагрузки, при которых отмечалось снижение проницаемости, не обеспечивали полного ее восстановления. Более того, по моделям № 3 и 4, отмечается, что проницаемость при разгрузке снижается в большей степени, чем при предшествующей нагрузке (рис. 3, 4). Это может быть обусловлено ограничениями по времени проведения лабораторных испытаний в сравнении с длительностью проявления процессов деформации скелета породы и его структурных элементов, когда в силу более высокой сжимаемости первыми реагируют на изменение пластового давления трещины, а лишь затем каверны и поры [2].
Анализируя величины максимального снижения проницаемости по керновым моделям относительно их структуры емкостного пространства и начальных коллек-торских свойств, удалось установить определенную зависимость (рис. 5).
.= 100
в4
I 90 г
о я
= 80
Е о а.
= 70
о
г =
и
| 60 Е
и
л -
я
I 40 -
г
я
5 30
7
Рис. 5. Зависимость максимального снижения проницаемости от пористости керновых
моделей пласта
— —
•— —
8 9 10 11 12 13
Пористость, °/о
* Модели с трепшнной составляющей • Порово-кавернозная модель
Из графика, представленного на рис. 5, следует, что керновые модели пласта со схожей структурой емкостного пространства, в частности с развитой трещинной составляющей, подвержены деформациям тем сильнее, чем меньше их пористость.
Оценивая величины эффективных давлений, при которых стали отмечаться деформации, можно отметить, что по сложнопостроенной порово-трещинно-кавернозной модели Осташковичского месторождения, межсолевой залежи, деформации отмечаются сразу после снижения пластового давления (эффективное давление 30,6 МПа), по данному керновому материалу, в сравнении с другими образцами, было отмечено максимальное снижение проницаемости (83,43 %). В то же время по остальным трем моделям изменение проницаемости стало отмечаться не сразу после снижения порового давления. Эффективное давление начала деформационных процессов для моделей № 1, 2 и 4 составило 36,2 МПа.
Открытая емкость исследуемых пород в сравнении с атмосферными условиями снижалась при создании начальных пластовых условий на 6,37-12,13 %.
По данным изменения открытой емкости были рассчитаны коэффициенты сжимаемости пород при начальных эффективных давлениях по следующей формуле [1]:
т — т
__атм пласт
п - —
т (р — р )'
атм пласт атм
где Р„ - коэффициент сжимаемости породы, МПа1; татм - открытая емкость в атмосферных условиях, %; тпласт - открытая емкость при начальном эффективном давлении, %; Рпласт - начальное эффективное давление, МПа; Ратм - атмосферное
давление, МПа.
Результаты расчетов приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты определения коэффициента сжимаемости пород
Месторождение, залежь Структура емкостного пространства Абсолютная проницаемость по газу в атмосферных условиях, 10-3 мкм2 Открытая емкость в атмосферных условиях, % Открытая емкость при начальном эффективном давлении, % Коэффициент сжимаемости породы, 10-4 МПа1 для 25 МПа
Южно-Сосновское, Б^ё-рй" Порово-кавернозная 9,417 10,07 8,9 46,53
Мармовичское, Б32а-е1 Порово-трещинная 7,138 12,24 11,19 34,53
Осташковичское, Б^ё-рй" Порово-трещинно-кавернозная 9,563 8,06 7,08 48,53
Славаньское, Б32а-е1 Порово-трещинная 5,683 8,58 8,04 25,48
Из табл. 4 видно, что для пород межсолевых залежей Осташковичского и Южно-Сосновского месторождений характерны наибольшие значения коэффициента сжимаемости. Однако необходимо отметить, что на величину коэффициента сжимаемости по данным моделям могло повлиять наличие каверн на боковых поверхностях образцов (в особенности по модели № 1), в которые вдавливалась манжета керно-держателя при возрастающих нагрузках. Следовательно, возможно некоторое завышение коэффициента сжимаемости по данным керновым моделям.
Таким образам, результаты проведенных динамических испытаний подтвердили изменение как проницаемости, так и емкости исследуемых образцов пород. Выполненные фильтрационные исследования на керновых моделях пласта свидетельствуют о значительном влиянии деформационных процессов на фильтрационно-емкостные свойства коллекторов, при этом при прочих равных условиях чем хуже начальные коллекторские свойства пород, тем сильнее влияние деформаций. В условиях данных коллекторов при изменении эффективного давления с 25 до 47,3 МПа, отмечалось снижение проницаемости по воде в 1,7-6 раз. Эффективные давления начала деформации скелета породы составили 30,6-36,2 МПа. С некоторой долей условности (проведение экспериментов при ограничении во временном факторе) данные величины можно принять за критические эффективные давления, так как выше них отмечались только необратимые (модели № 2-4), либо частично обратимые (модель № 1) деформации.
Необходимо отметить, что ввиду специфики проведения экспериментов с использованием керна при однофазном его насыщении условно несжимаемым флюидом (водой) можно утверждать об еще более значительном влиянии деформацион-
ных процессов при проецировании условий двухфазной (нефть-вода) либо трехфазной (газ-нефть-вода) насыщенности пород, где помимо сжимаемости собственно скелета породы на проницаемость при изменении пластового давления будут в различной степени влиять фазовые эффекты, а также сжимаемость и изменение физико-химических свойств углеводородных систем.
Заключение
Таким образом, в ходе выполнения динамических исследований удалось установить:
- действие деформационных процессов при снижении пластового давления в сложно-построенных коллекторах приводит к значительному ухудшению фильтра-ционно-емкостных свойств;
- при прочих равных условиях, чем хуже начальные коллекторские свойства пород, тем сильнее влияние деформаций;
- полного восстановления коллекторских свойств в процессе разгрузки (увеличения пластового давления) не отмечается;
- во избежание снижения продуктивности скважин с потерей части активных запасов для залежей с карбонатным трещинным типом коллекторов начальную стадию разработки следует проектировать с плавным снижением пластового давления;
- необходим постоянный мониторинг эффективных давлений на объектах с повышенными эффективными напряжениями.
Литература
1. Болдырев, Г. Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты (в вопросах и ответах) / Г. Г. Болдырев, М. В. Малышев. - Пенза : ПГУАС, 2009. - 412 с.
2. Извлечение нефти из карбонатных коллекторов / М. Л. Сургучев [и др.]. - М. : Недра, 1987. - 230 с.
3. Определение коэффициента вытеснения нефти в лабораторных условиях : СТП 09100.17015.136-2016. - Введ. 12.12.2016. - Гомель : БелНИПИнефть, 2016. - 25 с.
Получено 16.02.2018 г.
