CC BY
17
ГЕОЛОГИЯ
DOI: 10.24412/2076-6785-2021-6-62-66
УДК 551 I Научная статья
Комплексирование данных ЯМР-релаксометрии и электрометрических исследований на примере пород-коллекторов месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции
Рогозин А.А., Игнатьева Т.С., Чурков А.В.
ООО «НК «Роснефть-НТЦ», Краснодар, Россия aarogozin@ntc.rosneft.ru
Аннотация
Удельная поверхность пор и проницаемость керна являются одними из важнейших параметров при изучении пород-коллекторов. При этом их определение стандартными методами, такими как капилляриметрия и прямые фильтрационные исследования, может сопровождаться разрушением образцов и занимать длительное время. В данной статье рассматривается информативность метода ЯМР-релаксометрии для изучения этих параметров, а также применимость комплексного анализа фильтрационно-емкостных свойств и характеристик порового пространства горных пород с привлечением данных электрометрии насыщенных образцов керна. Как будет показано ниже, комплексирование данных различных методов позволяет определить для каждого литотипа такой параметр ЯМР, как поверхностная релаксивность. В статье проведен расчет и сравнительный анализ значений удельной поверхности пор, определенной разными методами; показана применимость некоторых эмпирических и полуэмпирических методик расчета проницаемости; определены константы релаксивности для различных литотипов пород-коллекторов месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.
Материалы и методы
Лабораторные исследования методом ЯМР-релаксометрии, пермеаметрия, определение УЭС горных пород.
Ключевые слова
ядерно-магнитный резонанс, релаксивность, пористость, проницаемость, времена релаксации, удельная поверхность пор, извилистость пор, электрические свойства
Для цитирования
Рогозин А.А., Игнатьева Т.С., Чурков А.В. Комплексирование данных ЯМР-релаксометрии и электрометрических исследований на примере пород-коллекторов месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции // Экспозиция Нефть Газ. 2021. № 6. С. 62-66. DOI: 10.24412/2076-6785-2021-6-62-66
Поступила в редакцию: 08.09.2021
GEOLOGY UDC 551 I Original Paper
Integration of NMR relaxometry data and electrometric studies on the example of reservoir rocks of deposits of the Timan-Pechora oil and gas province
Rogozin A.A., Ignateva T.S., Churkov A.V.
"NK "Rosneft-STC" LLC, Krasnodar, Russia aarogozin@ntc.rosneft.ru
Abstract
The specific pore surface and core permeability are one of the most important parameters in the study of reservoir rocks. At the same time, their determination by standard methods, such as capillarimetry and direct filtration studies, can be accompanied by the destruction of samples and take a long time. This article discusses the informative value of the NMR-relaxometry method for studying these parameters, as well as the applicability of a comprehensive analysis of the filtration-capacitance properties and properties of the pore space of rocks using electrometry data of saturated core samples. As will be shown below, combining the data of various methods allows us to determine for each lithotype such an NMR parameter as surface relaxivity.
The article presents a calculation and comparative analysis of the values of the specific pore surface determined by different methods; the applicability of some empirical and semi-empirical methods for calculating permeability is shown; relaxation constants for various lithotypes of reservoir rocks of the Timan-Pechora oil and gas province are determined.
Materials and methods Keywords
Laboratory studies by NMR-relaxometry, permeometry, determination nuclear magnetic resonance, relaxability, porosity, permeability, of UES of rocks. relaxation times, specific pore surface, pore tortuosity, electrical
properties
For citation
Rogozin A.A., Ignateva T.S., Churkov A.V. Integration of NMR relaxometry data and electrometric studies on the example of reservoir rocks of deposits of the Timan-Pechora oil and gas province. Exposition Oil Gas, 2021, issue 6, P. 62-66. (In Russ). DOI: 10.24412/2076-6785-2021-6-62-66
Received: 08.09.2021
Метод ЯМР-релаксометрии является одним из наиболее информативных и неинва-зивных методов анализа кернового материала в лабораторных условиях. Как отмечается в ряде работ российских и зарубежных авторов [1-3], данный метод перспективен для анализа «сложных» коллекторов: рыхлых, слабосцементированных, глинистых, трещиноватых и нефтематеринских пород. Но, наряду с широким спектром потенциально решаемых задач, имеется и ряд ограничений и сложностей в реализации некоторых методик ЯМР-релаксометрии.
Интерпретация данных, полученных при исследованиях насыщенных образцов керна методом ЯМР, в ряде случаев сталкивается с трудно решаемыми проблемами. Основное соотношение между параметрами продольной релаксации имеет вид [4, 5]:
1 1 S
— = — + р. X —
Т Т V
(1)
с;
где Т — время продольной релаксации,
Т1Ь — время продольной релаксации неограниченного объема флюида, с;
р1 — поверхностная релаксивность Т (скорость релаксации Т1 на единице площади зерен), м/с;
S/V — удельная поверхность заполненных флюидом пор, 1/м.
В случае регистрации параметров поперечной релаксации:
1 1
1
- + р. X--1- -
Т V т
2b ' Idiffüsion
с;
дополнительной информации как при интерпретации сведений ЯМР-релаксометрии с использованием материалов исследований электрических свойств пород, так и для расчета электрических параметров керна из данных ЯМР. Фактический объем использованного материала составил около 700 образцов керна, представленного как терригенными, так и карбонатными породами.
Как известно, одним из самых востребованных петрофизических параметров системы порода-флюид является проницаемость. Несмотря на то, что на протяжении нескольких последних десятилетий в специализированной литературе было предложено множество эмпирических зависимостей проницаемости от различных петрофизических параметров, вопрос точности получаемых расчетных данных и применимости отдельных зависимостей для различных литотипов пород и геологических формаций является до сих пор актуальным [7]. Наряду с чисто эмпирическими зависимостями, некоторыми авторами предложены уравнения, получаемые из основных физических законов. Так, Йозефом Козени была предложена зависимость для расчета проницаемости, основанная на законах Дарси и Пуазейля для пучка извилистых поровых каналов. В интерпретации М.Р.Дж. Вилли и М.Б. Спэнглера [1] уравнение выглядит следующим образом:
/
КПР -
\
Km4zsl„
V Ps Vgr J
Kl
(3)
(2)
мД;
где Т2 — время поперечной релаксации,
Т2Ь — время поперечной релаксации неограниченного объема флюида, с;
р2 — поверхностная релаксивность Т2 (скорость релаксации Т2 на единице площади зерен), м/с;
S/V — удельная поверхность заполненных флюидом пор, 1/м;
Т..«. . — диффузионная составляющая
Idijjusion Г1 -т- -Т- 7 —I
поперечной релаксации, с.
Параметры Т1 и Т2 являются регистрируемыми, так же как и релаксация в свободном объеме насыщающего флюида. В идеальном случае выполняется соотношение Т1Ь~Т2Ь. Остальные слагаемые уравнений (1) и (2) являются неразрешимыми без привлечения специальных методов исследований для установления удельной поверхности пор (капил-ляриметрии, порометрии) или применения специальных технических средств для учета диффузионной составляющей (приставки в виде катушки, создающей регулируемый градиент магнитного поля), повышающих сложность и стоимость исследовательского оборудования. Существующие обобщенные петрофизические зависимости дают в лучшем случае лишь полуколичественную оценку таких параметров, как удельная поверхность пор и проницаемость. С достаточно высокой точностью без привлечения других методик анализа методом ЯМР-релаксометрии определяется лишь общая пористость.
В настоящей статье предложен метод комплексирования данных ЯМР-релаксо-метрии и электрометрии на примере группы месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции для получения
т = (РпхК2п)2
(4)
V = Sv X Lnr,
пор Vgr 0
_^пор
V
_ г пор
(5)
(6)
(7)
^пор и V — суммарная площадь сечения поровых каналов и объем пор, м2 и м3 соответственно;
£0 и ¥0 — площадь сечения цилиндрического образца и его объем, м2 и м3 соответственно.
Рассматривая совместно уравнения (6) и (7), получаем:
V—S XL
(8)
Что, в свою очередь, при рассмотрении поровых каналов в геометрии изогнутых цилиндрических трубок, а также с учетом соотношения (6)
<Р-
(9)
может быть представлено в следующем виде:
Sv„ —
Vgr P*K*Ln
(10)
где КПР — коэффициент проницаемости,
Кр! — коэффициент учета формы пор; т — извилистость пор; БГег — удельная поверхность пористого материала, 1/м;
КП — коэффициент пористости, доли ед. Коэффициент формы пор Кр! для горных пород принимает различные значения в зависимости от сферичности и окатанности зерен породы и достигает 6 в случае сферических пор. Извилистость порового канала т легко может быть рассчитана из данных электрических исследований по зависимости М.Р.Дж. Вилли и А. Гарднера [2]:
где РП — параметр пористости; КП — коэффициент пористости, доли ед. Для расчета удельной поверхности пор БГег воспользуемся простыми соображениями, отражающими геометрию изогнутых цилиндрических каналов:
где L0 — длина образца, м; Ф — просветность или поверхностная пористость;
Уравнение (10) позволяет получать требуемые для дальнейших расчетов параметры прямыми измерениями геометрических значений цилиндрических образцов керна и их электрических свойств в насыщенном состоянии.
Коэффициент пористости Кп легко и надежно определяется по результатам ЯМР-ре-лаксометрии. Таким образом, неопределенными в уравнении (3) остается 2 параметра: коэффициент проницаемости и удельная поверхность пор. В зависимости от поставленных задач сторонними методами может определяться один из пары этих параметров. Проницаемость, для последующего расчета удельной поверхности пор, можно определить с помощью пермеаметра, и в зависимости от условий проведения исследований будет получена абсолютная или эффективная проницаемость. Исходя из этих предположений, может быть рассчитана абсолютная поверхность пор (т.е. полная поверхность зерен сухой чистой породы) или поверхность пор, смоченных остаточным флюидом. Безусловно, это применимо и при определении указанных параметров в пластовых условиях. Удельная поверхность пор, для последующего расчета проницаемости, может быть определена из исследований электрических свойств насыщенных пород, по уравнениям (8) или (10).
Косвенным итогом комплексного использования данных ЯМР-релаксометрии и электрических исследований может быть определение поверхностной релаксивности для пород отдельных геологических формаций и определенного литотипа. Полученные константы могут быть использованы в дальнейшем, в уравнении (1), для оперативного определения удельной поверхности пор только по данным ЯМР без привлечения других методов исследований.
При определении поверхностной релак-сивности (в нашем случае относительно времени Г1) исходили из положения, что в случае некавернозной водонасыщенной породы Т1Ь много больше обратной величины поверхностной релаксивности р1 и удельной поверхности пор. В данном случае первым членом
уравнения (1) можно пренебречь и, используя указанное соотношение, легко вычислитьр .
Таким образом, используя приведенные выше предпосылки: сферичность пор для уравнения (3), а также расчетные уравнения для извилистости, просветности и удельной поверхности пор, по данным электрических исследований, — были вычислены Кпр керна по воде как насыщающему флюиду. На рисунке 1 приведено сопоставление полученных
расчетных величин и прямых замеров методом газовой пермеаметрии.
Сопоставление данных, рассчитанных предложенным методом, с результатами фильтрационных исследований (ограниченная коллекция, фильтрация насыщающим флюидом в режиме установившего ламинарного потока) показывает хорошую сходимость результатов, что отображено в таблице 1 и представлено на рисунке 1.
На рисунке 2 показано сопоставление значений удельной поверхности пор, рассчитанных по результатам электрометрии по уравнению (10) и по результатам замеров методом ЯМР-релаксометрии с привлечением данных определения Кпр методом газовой пермеаметрии исходя из зависимости (3).
Видно, что оба предложенных метода расчета удельной поверхности пор дают в большинстве случаев сходные результаты, что наиболее показательно при значениях удельной поверхности выше 0,01 1/м. Разброс значений объясняется тем, что для расчетов использовалась модель сферических пор, в то время как коэффициент формы пор Кр! для различных пород может изменяться. Косвенным итогом комплексного использования данных ЯМР-релаксометрии и электрических исследований может быть определение поверхностной релаксивности для пород отдельных геологических формаций и определенного литотипа. Полученные константы могут быть использованы в дальнейшем, в уравнении (1), для оперативного
Табл. 1. Сопоставление расчетных Кп и определенных прямым методом Tab. 1. Comparison of calculated K an d th ose determined by the direct method
Условный номер образца Кпр по результатам прямых Кпр расчетным методом, мД фильтрационных исследований,
мД
1 3,45 2,70
2 1,02 0,90
3 1,28 2,74
4 1,68 1,31
Рис. 1. Сопоставление значений проницаемости Кпрг, определенных методом газовой пермеаметрии, расчетных значений Кпр ямр, полученных из результатов ЯМР-релаксометрии и электрических исследований, и прямых замеров К ф при фильтрационных исследованиях
Fig. 1. Comparison of the values of the Kprspermeability determined by the gas permeometry method, the calculated values of the nmr Kpr obtained from the results of NMR relaxometry and electrical studies, and direct measurements of the Kprf during filtration studies
определения удельной поверхности пор только по данным ЯМР без привлечения других методов исследований. Исходя из того, что время релаксации в объеме значительно больше времени релаксации на поверхности, мы пренебрегаем в дальнейших расчетах первым членом уравнения (1). Исходя из этой предпосылки рассчитана поверхностная релаксивность:
1 1
р. =-х — ,
od
значения поверхностной релаксивности р, а также средние значения для укрупненных литотипов пород, рассматриваемых в работе (табл. 2).
Сопоставление средних арифметических значений и медиан для различных пород позволяет увидеть степень расхождения результатов (наличие выбросов) и их отклонения от нормального распределения. Так, очевидно, что распределение результатов наиболее близко к нормальному и имеет наименьшее
количество выбросов в случае песчаников и алевролитов, т.е. для терригенных пород в силу более выдержанных характеристик пористой среды. Наиболее подвержены неоднородности свойств поверхностной релаксации доломиты, в меньшей степени — известняки, в значительно меньшей степени (сопоставимой с терригенными породами) — силициты и спонголиты: для них выражено значительное отклонение среднего арифметического значения от медианы, что говорит о наличии
где Т — время продольной релаксации,
с;
pt — поверхностная релаксивность Т (сила релаксации Т1 на поверхностях зерен), (м-с)-1;
Srgr = S/V — удельная поверхность заполненных флюидом пор, 1/м.
По результатам комплексного исследования 253 образцов керна, исходя из уравнений (10) и (11), рассчитаны
Табл. 2. Значения поверхностной релаксивности pt для различных литотипов Tab. 2. The values of the surface relaxivity pt for different lithotypes
Укрупненный литотип
Поверхностная релаксивность p1, м-с-1
Среднее арифметическое Медиана
Силициты+спонголиты 0,49 0,39
Алевролиты+песчаники 0,61 0,48
Известняки 0,54 0,26
Доломиты 1,78 0,70
Рис. 2. Сопоставление значений удельной поверхности пор, полученных методом комплексирования данных ЯМР и газовой пермеаметрии Srgr (ямр), и из результатов электрометрических исследований Srgr (электрометрия)
Fig. 2. Comparison of the values of the specific pore surface obtained by combining NMR and gas permeometry Srgr (nmr), and from the results of electrometric studies Srgr (electrometry)
выбросов и отклонении совокупности от нормального распределения. В свою очередь, это означает неравномерный состав или наличие ферромагнитных включений, а также наличие трещиноватости в данных породах, более выраженной в представленной коллекции образцов у карбонатов, менее выраженной в кремневых породах.
Таким образом, при рассмотрении данных поверхностной релаксивности р7, исходя из ненормальности распределений полученных выборок, более оправданным считается в дальнейшем применение медианного значения параметра.
Итоги
Проведена оценка проницаемости по жидкости различными методами, определены константы релаксивности для оперативных расчетов.
Выводы
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы:
• Расчет проницаемости по комплексу данных ЯМР (полная пористость, удельная поверхность пор) и электрометрии
(просветность, извилистость и удельная поверхность пор) показал хорошую сходимость результатов с прямыми измерениями проницаемости по жидкости и газу. Это открывает возможность оценки проницаемости образцов в тех случаях, когда измерение другими методами невозможно или экономически не выгодно.
• Выполнено определение коэффициента релаксивности для отдельных литотипов в целях последующего оперативного расчета удельной поверхности и, как следствие, проницаемости пород без привлечения данных электрометрии и пермеаметрии.
• В дальнейшем анализе полученных результатов возможно уточнение коэффициента формы пор Kpr для различных литотипов для более точного расчета проницаемости.
Литература
1. Wyllie M.R.J., Spangler M.B. Application of electrical resistivity measurements to problems of fluid flow in porous media. AAPG Bulletin, 1952, Vol. 36, issue 2, P. 359-403. (In Eng).
2. Archie G.E. Classification of carbonate reservoir rocks and petrophysical considerations. AAPG Bulletin, 1952, Vol. 36, issue 2, P. 278-298. (In Eng).
3. Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород.
М.: Недра, 1966. 283 с.
4. Джордж Р. Коатес, Ли Чи Хиао, Манфред Д. Праммер Каротаж ЯМР. Принципы
и применение. Хьюстон: Халлибуртон Энерджи Сервисез, 2011. 338 с.
5. Джафаров И.С., Сынкаевский П.Е., Хафизов С.Ф. Применение метода ядерно-магнитного резонанса для характеристик состава и распределения пластовых флюидов. М.: Химия, 2002. 439 с.
6. Джеббар Тиаб, Эрл Ч. Доналдсон Петрофизика: Теория и практика изучения коллекторских свойств горных пород и движения пластовых флюидов. М.: Премиум инжиниринг, 2009. 862 с.
7. Методические рекомендации
по исследованию пород-коллекторов нефти и газа физическими и петрографическими методами. М.: ВНИГНИ, 1978. 381 с.
ENGLISH
Results
The fluid permeability was evaluated by various methods, the relaxation constants for operational calculations were determined.
Conclusions
• The calculation of permeability from a set of NMR data (total porosity, specific pore surface) and electrometry (lumen, tortuosity and specific pore surface) showed good convergence of the results with direct measurements of permeability in liquid and gas. This opens
up the possibility of assessing the permeability of samples in cases where measurement by other methods is impossible or economically unprofitable.
• The reactivity coefficient was determined for individual lithotypes for the subsequent operational calculation of the specific surface area without involving electrometry data.
• It is possible to refine the pore shape coefficient K for different lithotypes: the selection of the constant that gives the greatest convergence of the K (calculated and measured).
References
1. Wyllie M.R.J., Spangler M.B. Application of electrical resistivity measurements
to problems of fluid flow in porous media. AAPG Bulletin, 1952, Vol. 36, issue 2, P. 359-403. (In Eng).
2. Archie G.E. Classification of carbonate reservoir rocks and petrophysical considerations. AAPG Bulletin, 1952, Vol. 36, issue 2, P. 278-298. (In Eng).
3. Romm E.S. Filtration properties of fractured
rocks. Moscow: Nedra, 1966, 283 p. (In Russ).
4. George R. Coates, Li Chi Hao, Manfred D. Example NMR logging. Principles and application. Houston: Halliburton Energy Services, 2011, 338 p. (In Russ).
5. Jafarov I.S., Syngaevsky P.E., Khafizov S.F. Application of the nuclear magnetic resonance method for the characteristics of the composition and distribution
of reservoir fluids. Moscow: Khimiya, 2002,
439 p. (In Russ).
6. Jebbar Tiab, Earl Ch. Donaldson Petrophysics: Theory and practice
of studying the reservoir properties of rocks and the movement of reservoir fluids. Moscow: Premium inzhiniring, 2009, 862 p. (In Russ).
7. Methodological recommendations for the study of oil and gas reservoir rocks by physical and petrographic methods, Moscow: VNIGNI, 1978, 381 p. (In Russ).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ I INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Рогозин Александр Анатольевич, начальник отдела ООО «НК «Роснефть-НТЦ», Краснодар, Россия Для контактов: aarogozin@ntc.rosneft.ru
Игнатьева Татьяна Сергеевна, инженер 1 категории ООО «НК «Роснефть-НТЦ», Краснодар, Россия
Чурков Александр Викторович, заведующий лабораторией ООО «НК «Роснефть-НТЦ», Краснодар, Россия
Rogozin Aleksandr Anatolevich, head of department of "NK "Rosneft-STC" LLC, Krasnodar, Russia Corresponding author: aarogozin@ntc.rosneft.ru
Ignateva Tatyana Sergeevna, engineer of the 1st category of "NK "Rosneft-STC" LLC, Krasnodar, Russia
Churkov Aleksandr Viktorovich, head of the laboratory of "NK "Rosneft-STC" LLC, Krasnodar, Russia
