CC BY
121
УДК 622.324::622.23.02
Влияние эффективного давления на изменение физических и коллекторских свойств горных пород
О.В. Иселидзе1*, А.В. Дахнов1, Е.Б. Григорьев1, Е.О. Семёнов1, И.Б. Крюкова1
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: O_Iselidze@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. Одной из задач исследования керна является получение интерпретационных моделей, обеспечивающих количественную обработку данных геофизических исследований скважин (ГИС). Поскольку разработка газовых месторождений происходит в условиях изменяющегося эффективного давления, на установке высокого давления ПУМА-650 проведены исследования коллекции образцов песчаников в условиях эффективного давления, меняющегося в пределах 2...37 МПа. Получены зависимости пористости в пластовых условиях от пористости в атмосферных условиях, параметра пористости от коэффициента пористости в атмосферных и пластовых условиях, а также интервального времени от коэффициента пористости в пластовых условиях. Показана эффективность использования данных ГИС для определения емкостных свойств пород-коллекторов.
Исследование горных пород в пластовых условиях является одной из актуальных задач при поиске, разведке и разработке месторождений нефти и газа. В этом направлении проведена большая работа [1-8], но все еще недостаточно изучено влияние термобарических условий на характер изменений физических и коллекторских свойств горных пород.
В работе В.М. Добрынина [3] показано, что изменение физических свойств коллекторов нефти и газа под влиянием горного и пластового давлений объясняется их деформациями. Также отмечено, что физические свойства коллекторов в естественном залегании в значительной степени определяются объемом и структурой по-рового пространства [3]. Но в связи с низкой сжимаемостью породообразующих минералов, слагающих скелет коллекторов, объемная деформация горных пород должна обусловливаться главным образом уменьшением объема порового пространства. Следовательно, коэффициент сжимаемости пор коллекторов должен служить одной из основных характеристик при изучении зависимости физических свойств коллекторов от давления.
При разработке месторождений происходит снижение пластового давления Рш, в результате чего увеличивается эффективное давление Рэф.
Рэф = Рвс - пРпл, (1)
где Рвс - всестороннее (горное) давление; п - коэффициент разгрузки, зависящий от свойств пород (далее примем п = 1).
Для изучения деформационных процессов, происходящих в пласте при разработке месторождений, и оценки влияния Рэф на изменение физических и коллекторских свойств образцов горных пород авторами выполнены экспериментальные исследования в условиях, моделирующие пластовые. Исследованные образцы горных пород-коллекторов в количестве 42 шт. представлены хорошо отсортированными низко глинистыми средне-мелкозернистыми кварцевыми песчаниками. Содержание кварца в образцах колеблется в пределах 84...95 %. По классификации Ханина породы относятся к 1-му -3-му классам, открытая пористость в атмосферных условиях составляет 9,7.19,9 %. Цемент контактово-регенерационный кварцевый, порово-пленочный и поровый глинистый; неравномерно встречается сгустковый, поровый, крупнокристаллический, ангидритовый или доломитовый, содержание которого не превышает 15 %.
Ключевые слова:
эффективное
давление,
коллекторские
свойства,
параметр
пористости,
коэффициент
пористости.
Исследования проводились на установке высокого давления ПУМА-650. Предварительно насыщенные моделью пластовой воды образцы горных пород размером 30^30 мм помешались в камеру высокого давления. После этого постепенно, ступенчато, увеличивали Рвс до 15 МПа и поровое давление до 13 МПа, вследствие чего достигалось начальное Рэф = 2 МПа. Затем также ступенчато увеличивали Рвс до 50 МПа, поддерживая по-ровое давление на уровне 13 МПа и тем самым поднимая Рэф до 37 МПа.
Полученные экспериментальные результаты позволили построить график зависимости пористости исследованных образцов горных пород в пластовых условиях (Кппл) от их пористости в атмосферных условиях (Кп.атм). Названная зависимость аппроксимируется линейным уравнением
Кплл = 0,97 Кп.ш - 0,25
(2)
с достоверностью аппроксимации Я2 = 0,99 (рис. 1).
Анализ данных, полученных в результате увеличения Рэф с 2 до 37 МПа, показывает, что Кппл исследованных образцов в среднем по коллекции уменьшается с 16,3 до 15,57 %. Применительно к исследуемой коллекции уравнение (2) может быть использовано для оценки пористости в пластовых условиях.
Как уже отмечалось, во время эксперимента изменение порового объема определялось в условиях увеличения Рэф. При этом известно, что сжимаемость порового объема на один-два порядка больше сжимаемости скелета породы и практически все изменения происходят за счет уменьшения порового объема.
По результатам испытаний определены значения проницаемости К при значениях Рэф в диапазоне 1.. .37 МПа. Для оценки относительного снижения проницаемости построен график зависимости проницаемости
Кпр(Рэф)/Кпр(1 МПа) (где Кпр(1 МПа) - проницаемость
породы при давлении обжима 1 МПа) от эффективного давления для образца из исследованной коллекции с наибольшим изменением проницаемости (рис. 2). В этом случае за единицу принята Кпр(1 МПа).
Анализ полученных экспериментальных результатов показывает, что максимальное уменьшение проницаемости исследованного образца при Рэф = 37 МПа по отношению к проницаемости при начальном значении Рэф = 1 МПа составляет 1581-10-3 мкм2, т.е. Кпр уменьшилась на 50,7 %. Отметим, что сжимаемость порового пространства для данного образца составила 1,38 1/ГПа. Среднее значение сжимаемости пор исследованной коллекции составляет 1,27 1/ГПа.
Известно, что акустический метод в совокупности с другими геофизическими методами
£ 20 15
10
/ 'гГ\ У/у '¿г
А ✓> 'гР // /У я // /У = 0,97х - 0,25 = 0,99
А // г/ //
10
15
К
20
, %
Рис. 1. Зависимость пористости образцов
горных пород в пластовых условиях от пористости в атмосферных условиях
I 1,0
^ 0,9 ^ 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
у = 1,024л; - 0,199 Я2 = 0,997
10
20
30 40
Р л,, МПа
Рис. 2. Зависимость относительного снижения проницаемости образца от роста эффективного давления
5
5
используется для литологического расчленения разреза и определения коэффициента пористости Кп по величине интервального времени распространения продольной волны dtp исходя из зависимости dtp = fK). Акустические характеристики горных пород зависят от многих факторов, в том числе от литолого-минералогического состава, объема и структуры порового пространства, степени сцементированности и типа цемента, типа флюида, насыщающего поровое пространство, термобарических условий и др. Полученные экспериментальные результаты позволили построить зависимости между dtp и Кп в атмосферных и пластовых условиях (рис. 3).
Видно (см. рис. 3), что интервальное время продольной волны как в атмосферных ^р.атм), так и в пластовых (dtpim) условиях увеличивается с ростом открытой пористости пород, и эти зависимости с достоверностью аппроксимации R2 = 0,72.0,77 можно описать линейными уравнениями:
= 7,69 (Кпатм) + 154,09;
dtp.nn = 4,71 (Кплл) + 153,86.
(3)
(4)
Во многих работах (см., например, [4]) отмечается, что для хорошо сцементированных терригенных и карбонатных пород, как правило, интервальное время в скелете в атмосферных и пластовых условиях (см. уравнения (3) и (4)) одинаково либо отличается
S 350
300
y = 7,69x + 154,1 R2 = 0,72 y = 4,71x + 153,9 R2 = 0,77
250
200
150
Условия: О атмосферные д пластовые
несущественно. Полученные авторами результаты не противоречат этим выводам (см. рис. 3). Величины свободных членов в уравнениях (3) и (4) равны 154,1 и 153,9 мкс/м и соответствуют значениям интервального времени продольной волны в минеральном скелете горных пород (^рск) для исследованной коллекции. Отмечается [8], что даже для мономинеральной породы, состоящей из зерен данного минерала, при атмосферных условиях величина &рск может изменяться в зависимости от состояния поверхности зерен и акустического контакта между ними. Например, существенно различаются экспериментальные значения для кварцевого песчаника с регенерационным силикатным цементом, спаивающим зерна кварца в единый каркас, и песчаника без регенера-ционного цемента, в котором непосредственный акустический контакт между зернами отмечается только в точках их соприкосновения. Значение для чисто кварцевых песчаников равно 164 мкс/м. В нашем случае пониженные значения (154,1 и 153,9 мкс/м), по всей видимости, обусловлены наличием контактово-регенерационного и доломитового цемента.
Определение удельного электрического сопротивления образцов горных пород, 100%-но насыщенных моделью пластовой воды, выполнялись на установке ПУМА-650 в условиях, моделирующих пластовые. В процессе испытаний на каждой ступени увеличения давления определяли величину удельного электрического сопротивления 100%-но водонасыщенных образцов горных пород (рвп) по формуле
рвп Яобр О^обр / £обр>
(5)
где Яобр - электрическое сопротивление образца, Ом; ^о6р - площадь поперечного сечения образца, м2; £обр - длина образца, м.
По полученным данным рассчитаны значения параметра пористости Рп. Параметр Рп определяется как отношение удельного электрического сопротивления 100%-но насыщенного образца к удельному электрическому сопротивлению модели пластовой воды, насыщающей образец, рв:
10
15
20
K, %
Рп = Рвп / Рв.
(6)
Рис. 3. Сопоставление интервального времени и пористости в атмосферных и пластовых условиях
Прежде всего, Рп характеризует объем то-копроводящего пространства пород и его структуру. Зависимость Рп = ](Кп) является
0
5
см
y - 0,76x - 1,84
R2 - 0,90
y - 0,36x - 2,25
R2 - 0,91
10
10-
100 к, д.ед.
Рис. 4. Зависимость параметра пористости от открытой пористости в атмосферных и пластовых условиях
основой интерпретационной модели при определении Кп по данным электрических методов геофизических исследований скважин. Полученные экспериментальные данные позволяют изучить влияние Рэф на зависимость между Рп и пористостью образцов горных пород при моделировании пластовых условий (рис. 4).
Зависимость Рп = _ДКп) для исследованных образцов горных пород в атмосферных (Рпатм) и пластовых (Рппл) условиях может быть с высокой степенью достоверности (К2 = 0,90.0,91) аппроксимирована степенными уравнениями:
P = 0 36 K -225-
р„™. = 0,76 K
(7)
(8)
Изменение сопротивления пород при увеличении эффективного давления обусловлено снижением пористости, повышением извилистости поровых каналов, степени уплотнения пород и др., в результате чего структурный пока-затель1 изменяется (см. рис. 4). Отмечается, что с усложнением структуры порового пространства, как правило, структурный показатель растет [4]. По экспериментальным данным, структурный показатель сильно сцементированных песчаников превышает 2 [5]. В нашем случае для образцов горных пород, исследованных при моделировании пластовых условий, структурный
1 Показатель степени в уравнениях (7), (8) называется разными авторами «структурным показателем» или «степенью цементации».
показатель составляет 2,25. Повышенное значение структурного показателя, по-видимому, обусловлено, кроме ранее сказанного, присутствием небольшого количества карбонатного цемента.
Таким образом, в результате испытаний, проведенных на образцах горных пород в условиях, моделирующих пластовые (Рэф = 37 МПа):
1) определена зависимость (см. уравнение (2)) пористости горной породы в пластовых условиях от ее пористости в атмосферных условиях;
2) для исследованной коллекции в диапазоне изменения эффективного давления 2.37 МПа установлена средняя величина изменения пористости;
3) получены зависимости интервального времени и параметра пористости от пористости в пластовых условиях, позволяющие оценить возможность использования данных электрометрии и акустических исследований скважин при оценке емкостной характеристики пласта.
Список литературы
1. Авчян Г.М. Петрофизика осадочных пород в глубинных условиях / Г.М. Авчян,
A.А. Матвиенко, З.Б. Стефанкевич. -М.: Недра, 1979.
2. Павлова Н.Н. Деформационные
и коллекторские свойства горных пород / Н.Н. Павлова. - М.: Недра, 1975.
3. Добрынин В .М. Деформация и изменение физических свойств коллекторов нефти и газа /
B.М. Добрынин. - М.: Недра, 1970.
4. Орлов Л.И. Петрофизические исследования коллекторов нефти и газа / Л.И. Орлов,
Е.Н. Карпов, В.Г. Топорков. - М.: Недра, 1987.
5. Дахнов В.Н. Геофизические методы определения коллекторских свойств
и нефтегазонасыщения горных пород / В.Н. Дахнов. - М.: Недра, 1975.
6. Рыжов А.Е. Динамика изменений физических свойств образцов продуктивных пород при разработке месторождений нефти и газа /
A.Е. Рыжов, В.С. Жуков, О.В. Иселидзе и др. -М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2008.
7. Орлов Л.И. Геология нефти и газа / Л.И. Орлов,
B.Г. Топорков, Е.Ф. Жук и др. - М., 1981.
8. Вендельштейн Б.Ю. Геофизические методы определения параметров нефтегазовых коллекторов / Б.Ю. Вендельштейн,
Р. А. Резванов. - М.: Недра, 1978.
* * *
Impact of effective pressure to changing of physical properties and collectability of rocks
0.V. Iselidze1*, A.V. Dakhnov1, Ye.B. Grigoryev1, Ye.O. Semenov1, I.B. Kryukova1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: O_Iselidze@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. Among the aims of core investigations is composing of interpretation models, which provide quantitative processing of the logging data. As the gas fields are being developed in conditions of changing effective pressure, a collection of sandstone samples has been studied under effective pressure changing within the range of20.. .37 MPa at the PUMA-650 high pressure plant. Therefore, some dependencies are acquired, namely: a dependence of in-city porosity from porosity in atmospheric conditions, a dependence of a void parameter from the void ratios in the in-city and atmospheric conditions, a dependence of the interval time from an in-city void ratio. The effectiveness of well logs application for determination of reservoir properties is shown.
Keywords: effective pressure, collectability, void parameter, voids ratio.
References
1. AVCHAN, G.M., A.A. MATVIYENKO, Z.B. STEFANKEVICH. Petrophysics of sedimentary rocks in subsurface conditions [Petrofizika osadochnykh porod v glubinnykh usloviyakh]. Moscow: Nedra, 1979. (Russ.).
2. PAVLOVA, N.N. Deformative and collecting properties of rocks [Deformatsionnyye i kollektorskiye svoystva gornykh porod]. Moscow: Nedra, 1975. (Russ.).
3. DOBRYNIN, V.M. Deformation and modification of physical properties of oil and gas reservoirs [Deformatsiya i izmeneniye fizicheskikh svoystv kollektorov nefti i gaza]. Moscow: Nedra, 1970. (Russ.).
4. ORLOV, L.I., Ye.N. KARPOV, V.G. TOPORKOV. Petrophysical research of oil and gas reservoirs [Petrofizicheskiye issledovaniya kollektorov nefti i gaza]. Moscow: Nedra, 1987. (Russ.).
5. DAKHNOV, V.N. Geophysical methods for determination of collectability and oil-gas saturation of rocks [Geofizicheskiye metody opredeleniya kollektorskikh svoystv i neftegazonasyshcheniya gornykh porod]. Moscow: Nedra, 1975. (Russ.).
6. RYZHOV, A.Ye., V.S. ZHUKOV, O.V. ISELIDZE et al. Dynamics of physical properties of the productive rock samples at development of oil and gas fields [Dinamika izmeneniy fizicheskikh svoystv obraztsov produktivnykh porod pri razrabotke mestorozhdeniy nefti i gaza]. Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2008. (Russ.).
7. ORLOV, L.I., V.G. TOPORKOV, Ye.F. ZHUK et al. Oil and gas geology [Geologiya nefti i gaza]. Moscow, 1981. (Russ.).
8. VENDELSHTEYN, B.Yu. and R.A. REZVANOV. Geophysical methods for determination of oil-gas reservoirs' parameters [Geofizicheskiye metody opredeleniya parametrov neftegazovykh kollektorov]. Moscow: Nedra, 1978. (Russ.).
