Определение начальной водонасыщенности и капиллярной

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
 А.М. Кузнецов, А.Б. Баишев, В.В. Кузнецов, 2010
УДК 622.276.031.011.431.3
Определение начальной водонасыщенности
и капиллярной кривой методом центрифугирования
А.М. Кузнецов, д.т.н. (ОАО «НК «Роснефть»), А.Б. Баишев,
к.т.н., В.В. Кузнецов, к.г.-м.н. (ОАО «ВНИИнефть»)
Determination of the initial water saturation and capillary curve by centrifugal method
A.M. Kuznetsov (Rosneft Oil Company OJSC), A.B. Baishev, V.V. Kuznetsov (VNIIneft OAO)
The methods for the determination of capillary curves and residual water saturation of the productive rocks are considered. The advantages and limitations of direct and indirect methods are shown. The application of the centrifugal
method as the most express and reliable at using of appropriate design formulas is substantiated.
Ключевые слова: водонасыщенность, капиллярное давление, керн, центрифугирование, полупроницаемая
мембрана.
Адрес для связи: wictkuz@mail.ru
Д
остоверная информация о нефтеводонасыщенности
продуктивных коллекторов нефти и газа необходима на
всех стадиях освоения месторождений – от разведки и
подсчета запасов до завершающей фазы разработки. Наиболее
распространенными методами получения этой информации является лабораторное определение капиллярных кривых на образцах керна. В настоящее время исследовательские центры ведущих нефтегазовых компаний страны оснащены высокоскоростными петрофизическими центрифугами. Однако часто дорогостоящее оборудование используется неэффективно из-за
имеющихся методических трудностей проведения экспериментов. В статье описаны методические приемы для обоснованного
использования метода центрифугирования.
Количественная оценка остаточной водонасыщенности нефтегазовых коллекторов по образцам керна может быть выполнена либо прямым, либо одним из косвенных методов. Прямой
метод заключается в определении содержания воды в образцах
керна, отобранного при промывке ствола скважины так называемым «нефильтрующимся» раствором: известково-битумным
(ИБР), на нефтяной основе (РНО) или инвертным эмульсионным
(ИЭР). Реализация данного метода чрезвычайно трудоемка и дорога. Поднятый на поверхность керн подлежит немедленному
консервированию и срочной доставке в лабораторию с соблюдением предосторожностей, исключающих повреждения консервирующей оболочки. При этом прямой метод может использоваться только для оценки остаточной водонасыщенности (и
соответственно начальной нефтенасыщенности) неразрабатываемых зон нефтяных залежей.
Косвенные методы основаны на лабораторном моделировании процесса формирования нефтяных залежей путем достижения в пористой среде неснижаемой водонасыщенности. В ходе
Д
лабораторных опытов в исследуемых образцах, искусственно насыщенных моделью пластовой воды, достигается гидродинамическое равновесие, реально отражающее соотношение флюидов,
содержащихся в нефтяном пласте.
Пластовое равновесие жидкостей в изучаемом образце наиболее надежно воспроизводится путем ступенчатого изменения капиллярных давлений с помощью полупроницаемой мембраны
(правильнее ее называть малопроницаемой перегородкой), на
что требуется продолжительное время: 2-3 недели, а при низкой
проницаемости – несколько месяцев [1, 2]. Кроме того, метод непригоден для изучения образцов коллекторов трещинного, кавернового и каверново-трещинного типов.
Другим косвенным методом является центрифугирование.
Использование высокоскоростных петрофизических ультрацентрифуг позволяет проводить массовые лабораторные исследования и обеспечивает необходимую точность и представительность измерений. Стробоскопическое устройство, которым снабжены современные ультрацентрифуги, позволяет не
только замерять объемы дренируемой из испытуемых образцов
жидкости без остановки ротора и разборки кернодержателей,
но и наблюдать динамику процесса вытеснения рабочей жидкости из исследуемых природных пористых сред в зависимос ти от создающегося в центробежном поле перепада давления.
Потери рабочей жидкости в процессе эксперимента практически исключены за счет герметичности кернодержателей, термостатирования рабочей камеры ультрацентрифуги и создания в
ней глубокого вакуума, предотвращающего разогревание ротора и находящихся в нем кернодержателей при их вращении с
большой скоростью.
При изучении высокопроницаемых образцов допустимо использование центрифуг общелабораторного назначения (в том
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
01’2010
49
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
числе отечественных), но только в случаях, когда частота вращения ротора позволяет обеспечить в образцах равновесное состояние между вытесняемой и вытесняющей фазами, не зависящее от дальнейшего увеличения угловой скорости. При этом
центрифужные стаканы требуют специального переоборудования, а центрифуги с угловым ротором оказываются непригодными. Необходимо также отметить, что метод центрифугирования
имеет ограничения, в частности он практически не пригоден для
исследования слабосцементированных образцов, которые разрушаются в процессе эксперимента.
На рис. 1 показано сопоставление кривых капиллярного давления, полученных методами центрифугирования и полупроницаемой мембраны для одних и тех же образцов кварцевых песчаников Ромашкинского месторождения. Данные кривые в составе каждой пары близки между собой, хотя и не тождественны,
что объясняется различиями механизмов вытеснения воды в роторе центрифуги и камере капилляриметра. Полупроницаемая
мембрана обеспечивает установление в камере искусственно
созданного перепада давления и постепенный охват им всего
объема исследуемой пористой среды. В центробежном поле в
каждом сечении образца возникает собственный перепад давления, закономерно увеличивающийся в направлении от центра
вращения к периферии.
В 80-х годах прошлого столетия было проведено сопоставление результатов определения остаточной водонасыщенности,
полученных центрифугированием и прямым методом, выполненных на одних и тех же образцах керна, которые показали хорошую сходимость получаемых данных [3].
Однако практика использования современных ультрацентрифуг показывает, что существуют методические трудности, снижающие эффективность применения метода центрифугирования. Первая трудность связана с выбором необходимого времени
вращения на каждом режиме. В частности, несовершенство программного обеспечения процесса замера объема вытесняемой
жидкости стробоскопическим устройством приводит к необоснованному завышению времени экспериментов. Эта методическая задача была решена в ходе многолетних исследований в лаборатории физики нефтяного пласта ОАО «ВНИИнефть», где
с 1981 г. эксплуатируется ультрацентрифуга L5-50P Beckman. На
рис. 2 представлены результаты специальных исследований по
определению необходимого и достаточного времени для достижения равновесия в насыщенных водой образцах горных пород
при вращении ротора ступенями с частотой от 500 до
16000 мин-1. Продолжительность центрифугирования на каждой
ступени составляла 120 мин, а измерения объемов вытесненной
воды осуществлялись через каждые 5 мин. В низкопроницаемом
образце известняка Бредфорд (США) равновесие устанавливалось через 10-40 мин (см. рис. 2, а), а в кварцевом песчанике проницаемостью 92⋅10-3 мкм2 Ромашкинского месторождения –
через 5-20 мин (см. рис. 2, б). Наибольшая продолжительность
центрифугирования (30-40 мин) на каждой частоте вращения
ступени требуется для полимиктовых песчаников и алевролитов
Западной Сибири и Южного Мангышлака.
Второй сложностью метода центрифугирования является методика расчета капиллярного давления и текущей насыщенности, поскольку производители ультрацентрифуг (в частности,
компании Corelab и Coretest) не дают однозначных рекомендаций по этому вопросу. Расчеты могут осуществляться различными способами, наиболее широко распространенными из которых являются способ Б.И. Тульбовича [4] и способ Хасслера –
Бруннера.
Методика расчета, предложенная в конце 70-х годов прошлого
века Б.И. Тульбовичем (ПермНИПИнефть), является усовершенствованием известного способа Слобода [6]. Текущая водонасыщенность рассчитывается как средняя для всего образца по объему вытесненной жидкости. Капиллярное давление находится по
эмпирической формуле, позволяющей максимально приблизить
искомую зависимость капиллярного давления от водонасыщенности к аналогичной зависимости, получаемой с помощью капилляриметра,
pk = 1, 09 10
Рис. 1. Сопоставление кривых капиллярного давления, полученных методом центрифугирования и полупроницаемой мембраны
для одних и тех же образцов кварцевых песчаников Ромашкинского месторождения проницаемостью 0,6 (1) и 0,15 (2) мкм2
50
01’2010
9
n2
(
9rl + 2l 2
,
36
)
где pk – капиллярное давление, МПа; Δr – разность плотнос тей вытесняемого и вытесняющего флюидов, г/см3; n – частота
вращения ротора, мин-1; r – радиус вращения образца, см;
l – длина образца, см.
Способ Хасслера – Бруннера, изложенный в монографии [5] и
многочисленных статьях американских исследователей [7], сводится к расчету капиллярного давления на внешнем торце исследуемого образца при разных частотах вращения ротора и вычислениям соответствующей водонасыщенности, исходя из закономерностей изменения pk и водонасыщенности Sв в различных сечениях образца, по мере их удаленности от центра вращения. Лабораторная практика показывает, что метод Хасслера –
Бруннера может быть рекомендован как приоритетный при изу-
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Рис. 3. Кривые капиллярного давления, рассчитанные для образцов горных пород нефтяных месторождений Приобья различными способами:
1, 2, 3 – проницаемость образцов составляет соответственно 0,24; 0,2
и 0,006 мкм2
2. Для определения капиллярного давления необходимо использовать формулы расчета значений pk, соответствующих реально существующим в нефтяных залежах.
Рис. 2. Определение необходимой и достаточной продолжительности центрифугирова- Хорошо апробированным и достоверным методом расния насыщенных водой образцов горных пород для достижения в них равновесия между
чета кривых капиллярного давления и остаточной водосодержанием воды и вытесняющего агента при частоте вращения ротора от 500 до
насыщенности является метод Б.И. Тульбовича.
16000 мин-1
чении средне- и высокопроницаемых пород-коллекторов порового типа. Однако для низкопроницаемых пород, характеризующихся высокими значениями порогового и критического давлений, расчеты капиллярной кривой с его помощью вызывают
серьезные затруднения.
На рис. 3 представлены кривые капиллярного давления, рассчитанные для одних и тех же образцов горных пород нефтяных
месторождений Среднего Приобья способами Б.И. Тульбовича и
Хасслера – Бруннера. Как можно видеть, различия кривых не
превышают нескольких процентов и минимальны при приближении к асимптотическим значениям.
Выводы
1. Метод центрифугирования позволяет проводить экспрессное определение капиллярных кривых и остаточной водонасыщенности для зон предельной нефтенасыщенности. Результаты,
получаемые с помощью этого метода, сопоставимы с данными,
получаемыми в капилляриметрах методом полупроницаемой
мембраны и прямым методом на керне, отобранном с использованием нефильтрующегося раствора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ханин А.А. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение. –
М.: Недра, 1976. – 295 с.
2. Гудок Н.С., Богданович Н.Н., Мартынов В.Г. Определение физических свойств нефтеводосодержащих пород. – М.: Недра,
2007. – 592 с.
3. О результатах определения остаточной водонасыщенности прямым и косвенным методами/А.Г. Ковалев, В.В. Кузнецов, К.И. Багринцева, Н.А. Пих//Геология нефти и газа. – 1986. – № 8. – С. 43-47.
4. Тульбович Б.И. Методы изучения пород-коллекторов нефти и
газа. – М.: Недра, 1979. – 199 с.
5. Коллинз Р. Течение жидкостей через пористые материалы. –
Перевод с английского. – М.: Мир, 1964. – 350 с.
6. Slobod R.L., Chambers A., Prehn W.L. Use of centrifuge for determining connate water, residual oil and capillary curves of small core
samples. – Trans. Of AIME. – 1951. – V. 192. – P. 127.
7. Lorenz P.B., Donaldson E.C., Thomas R.D. Use of centrifugal measurements of wettability to predict oil recovery. – Report 7873, USBM,
Bartlasville Energy Technology Center, 1974.
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
01’2010
51