Влияние давления гидрообжима кернодержателя на фильтрационные свойства горной породы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 53.092:532.54

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГИДРООБЖИМА КЕРНОДЕРЖАТЕЛЯ НА ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ

© В.А. Банный, Е.Н. Ходьков

Ключевые слова: сжимаемость; горная порода; фильтрационные свойства.

Исследовано влияние давления гидрообжима кернодержателя на фильтрационные свойства горных пород. Показано, что вследствие механической упругой деформации керна при проведении лабораторных исследований водоизолирующих композиций и полимерных составов необходимо учитывать изменение проницаемости и емкости пустот керна.

К основным механическим свойствам горных пород относятся сжимаемость, упругость и пластичность [1, 2]. При проектировании разработки нефтяных месторождений, оценке запасов нефти, определении в лабораторных условиях коэффициентов нефтевытесне-ния, исследовании водоизолирующих композиций и вязких полимерных составов и т. п. образцы керна, закрепленные в манжете кернодержателя, подвержены воздействию высоких внешних давлений, что вызывает их деформацию, изменение проницаемости и емкости пустот.

Цель работы состояла в изучении сжимаемости образцов горной породы различной литологии и генезиса в результате воздействия на них давления гидрообжима кернодержателя и оценке изменения коэффициента проницаемости и емкости пустот при фильтрации пластовой воды через керн.

В качестве объектов исследования выбраны образцы керна диаметром 30 мм различного литологического состава и проницаемости, распространенные на территории Припятского прогиба Республики Беларусь, -карбонатные породы (Речицкое месторождение, задонская залежь, VIII п.) и песчаники (Речицкое месторождение, ланский горизонт). В экспериментах с карбонатными породами использовались одиночные образцы керна; при работе с песчаниками формировали составную модель из нескольких образцов керна. Подготовка кернового материала выполнялась в соответствии с требованиями ГОСТ 26450.0-85, ГОСТ 26450.2-85 «Породы горные. Методы определения коллекторских свойств» [3-5], которая включала экстрагирование, сушку, определение газопроницаемости, насыщение образцов пластовой водой под вакуумом.

Проницаемость по газу образцов керна определяли при помощи прибора «Дарсиметр» (ООО «Экогеос-Пром», г. Тверь, РФ). Для исследуемых карбонатных образцов и песчаника исходная газопроницаемость составляла 85,58 и 58,62 мД, соответственно. Насыщение образцов пластовой водой под вакуумом производили на установке УН-2 (ЗАО НПФ «Тенакон», г. Тверь, РФ).

Исследования выполнены на установке по изучению фильтрационных свойств кернов «Autoflood-700» компании «Vinci Technologies SA» (Франция) при по-

стоянном объемном расходе жидкости (9 = 0,2 см3/мин.) пластовой воды (плотностью р = 1,12 г/см3 и динамической вязкостью цВ = 0,83 мПа-с при 60 °С) через водонасыщенную модель керна при пошаговом увеличении давления гидрообжима манжеты с керном в керно-держателе. Давление гидрообжима увеличивали с 9,32 до 60,95 МПа с интервалом 10,74 МПа. На каждом из этапов достигали стабилизации давления фильтрации (дифференциального давления) пластовой воды, при этом объем прошедшей через керн воды составлял от одного до трех объемов емкости пустот керна (составной модели). По достижении максимального (в эксперименте) давления гидрообжима (60,95 МПа) и прокачки заданного объема флюида начали обратный процесс - снижение давления с тем же интервалом. Температура исследований составляла 60 °С.

При фильтрации жидкости в пористой среде опирались на закон Дарси, который устанавливает линейную зависимость между объемным расходом жидкости и гидравлическим градиентом давления (АР, МПа) [6]. Закон Дарси является эмпирическим и обычно используется при расчетах режимов разработки нефти и газа.

В работе для удобства интерпретации полученных результатов исследований мы перешли от градиента давления к коэффициенту проницаемости модели по воде (Кв, мкм2), рассчитав его по формуле Дарси:

КВ = 9 ' Цв '1 •1,667 -10_3 ,

В ^ • АР

где ^ - площадь фильтрации, см2; I - длина модели, см.

Полученные зависимости представлены на рис. 1.

Результаты и обсуждение. В зависимости от величины приложенного напряжения скелет породы претерпевает упругие или пластические изменения. В ходе эксперимента установлено, что образцы керна карбонатной породы и песчаника в разной степени реагируют на приложенное внешнее всестороннее сжатие (давление гидрообжима), приводящее к снижению проницаемости модели керна. Как видно из рис. 1 (кривые 1 и 2), образцы карбонатной породы менее податливы изменению приложенного внешнего давления, нежели образцы песчаника. Это объясняется раз-

1693

личной структурой и составом пород. Также отмечено, что при высоком давлении сжатия (свыше 40 МПа для песчаников и 32 МПа для карбонатных пород) сжимаемость пород значительно меньше по сравнению со сжимаемостью при низких давлениях (соизмеримых с горным давлением). Это объясняется тем, что более тесная упаковка зерен породы, а также уплотнение цементирующего материала происходят при относительно низком давлении.

К) 20 30 40 зо Р, МПа

Рис. 1. Зависимость коэффициента проницаемости образцов горной породы от давления гидрообжима кернодержателя: 1 - песчаник; 2 - карбонатная порода. Стрелкой указано направление изменения давления

Резкое снижение коэффициента проницаемости для образцов карбонатной породы в интервале давлений 28-30 МПа при сжатии (рис., кривая 2), по-видимому, обусловлено смыканием микротрещин [7].

При обратном процессе пошагового снижения давления гидрообжима происходит запаздывание деформации от величины приложенного на образец напряжения (давления), т. е. наблюдается явление механического гистерезиса [8].

Для исключения «перетоков» жидкости между стенками манжеты и поверхностью образцов керна давление гидрообжима кернодержателя должно превышать давление нагнетания фильтруемой жидкости не менее, чем на 3,0-3,5 МПа, которое в современных фильтрационных установках поддерживается автоматически. При проведении лабораторных модельных фильтрационных исследований с водоизолирующими составами или композициями, предназначенными для повышения нефтеотдачи пластов, приводящих к значительному росту давления нагнетания, а следовательно, необходимости поддержания высокого давления гидрообжима кернодержателя, изменение проницаемости и емкости пустот образцов керна при их деформации будет существенно влиять на давление закачки этих композиций. Также значительные давления возможны при испытаниях на прочность (давление «прорыва») созданного гидроэкрана. Показано, что в результате «вынужденного» повышения давления гидрообжима кернодержателя (до максимального в эксперименте)

значительно уменьшается коэффициент проницаемости исследуемых образцов горных пород: на 20,5 % для карбонатных образцов и на 22,8 % для песчаников. Таким образом, давление, необходимое для прорыва водоизолирующего экрана в лабораторных условиях, оказывается всегда завышено и тем самым вносит неизбежную ошибку на точность обработки результатов исследований. Введение поправки дает более точную характеристику давления нагнетания и «прорыва» гироэкрана водоизолирующих композиций.

В работе на примере образцов керна карбонатной породы и песчаника показано влияние внешнего давления гирообжима кернодержателя на фильтрационные свойства образцов, выраженное в изменении емкости пустот и коэффициента проницаемости и, соответственно, в изменении давления инжектирующей через керн жидкости.

Таким образом, при работе с высоким давлением гидрообжима (на лабораторном оборудовании по оценке фильтрационных свойств керна), при исследовании водоизолирующих композиций и полимерных составов, гелей и т. п. необходимо учитывать уменьшение коэффициента проницаемости керна вследствие его механической упругой деформации и вызванного этим дополнительного роста давления нагнетания при фильтрации жидкости через керн.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гудок Н.С., Богданович Н.Н., Мартынов В.Г. Определение физических свойств нефтеводосодержащих пород. М.: Недра, 2007. 592 с.

2. Котяхов Ф.И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. М.: Недра, 1977. 287 с.

3. ГОСТ 26450.0-85 Породы горные. Методы определения коллекторских свойств. Общие требования к отбору и подготовке проб для определения коллекторских свойств. М., 1986.

4. ГОСТ 26450.1-85 Породы горные. Методы определения коллекторских свойств. Метод определения коэффициента открытой пористости жидкостенасыщением. М., 1986.

5. ГОСТ 26450.2-85 Породы горные. Методы определения коллекторских свойств. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации. М., 1986.

6. Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта. М.: Недра, 1971. 310 с.

7. Голф-Рахт Т.Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекторов / пер. с англ. Н.А. Бардиной, П.К. Голованова, В.В. Власенко, В.В. Покровского; под ред. А.Г. Ковалева. М.: Недра, 1986. 608 с.

8. Физическая энциклопедия / под ред. А.М. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. Т. 4. 704 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Banniy V.A., Khodkov E.N. INFLUENCE OF CORE HOLDER HYDRO CONFINING PRESSURE ON ROCK FLOW PROPERTIES.

The influence of core holder hydro confining pressure on rock flow properties is studied. It is found that in consideration of core mechanical elastic deformation at laboratory research of water shut-off and polymer compositions, it is necessary to account core permeability and void volume changing.

Key words: compressibility; rock; flow properties.

1694