Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа №1

Технологии отбора керна из скважин и его подготовки к петрофизическим исследованиям



Основные источники геологической информации, получаемой в процессе геологоразведочных работ (ГРР) приведены на рисунке 1.1. В процессе нефтегазодобычи к ним добавляются результаты промысловых исследований скважин (залежи). Особое место среди перечисленных источников информации занимают результаты исследований каменного материала: керна, шлама, боковых образцов. Так, по разным оценкам, объем геологической информации об исследуемых геологических разрезах и объектах нефтегазодобычи результатам прямых исследований каменного материала может достигать 80-85%. Керн, как прямой источник информации о составе и свойствах пород слагающих литосферу, следует рассматривать как национальное достояние, значение которого со временем и появлением новых технологий может только возрастать. По известным, очевидным причинам, основным предназначением его является петрофизическое обеспечение геологической интерпретации материалов ГИС.

Отбор и подготовка образцов горных пород к исследованию

Отбор керна из скважин. Комплексная интерпретация материалов ГИС и высокая достоверность определения параметров пластов могут быть обеспечены только на основе изучения широкого круга физических свойств (электрических, акустических, коллекторских) продуктивных пород. Указанные свойства на образцах пород предварительно определяются в атмосферных условиях, а затем наиболее информативные из них (удельное сопротивление, скорость продольных волн, водонасыщенность. пористость и др.) устанавливаются на тех же образцах в термобарических условиях, моделирующих пластовые.

Физические свойства горных пород изучаются на образцах, которые отбираются с естественных выходов их на дневную поверхность (обнажений) или из горных выработок (скважин и шахт - цилиндрической горной выработки, которая характеризуется большим отношением длины к диаметру). В настоящее время основным способом отбора керна является колонковое бурение, сущность которого состоит в том, что горная порода разрушается по наружной кольцевой части поперечного сечения скважины с сохранением столбика породы - керна. Керн - это часть выбуренного интервала горной породы, поднятой на поверхность с помощью специальных колонковых долот (основной способ) или после бурения с помощью устройства, называемого керноотборником. Долото имеет трех- или четырехшарошечную коронку, изготовленную из твердых сплавов. В колонковом долоте устанавливается специальная колонковая труба диаметром от 40 до 73 мм (керноприемник), снабженная в нижней части кернорвателем "плавающею'' типа для срезания столбика выбуренного керна и удержания его внутри трубы при подъеме колонковою снаряда на поверхность (см. рисунок).

Т.к. объем образца очень мал по сравнению с объемом изучаемого пласта, образцы должны быть правильно отобраны. Только тогда они будут отражать действительные свойства горных пород. Образцы пород для изучения разрезов продуктивных пород отбирают из керна скважин.



геологический скважина залежь керн

Колонковый набор (рис. 1) состоит из следующих элементов: 1. Бурильная коронка: 2. Корпус кернорвателя; 3. Рвательное кольцо; 4.Колонковая труба; 5. Переходник; 6. Замковый ниппель; 7. Бурильная труба. Размеры колонковой трубы определяют максимальный интервал отбора керна, равный 6-8 м.

Бурение может быть вертикальным и наклонным,в том числе вдоль напластования (горизонтальные скважины). Керн отбирается из стенок бурящихся скважин специальными стреляющими грунтоносами. Частота отбора образцов зависит от многих причин и, в первую очередь, от целевого назначения исследований.

1. При изучении разреза с целью выявления возможных коллекторов нефти и газа (в поисковых скважинах) образцы обычно отбирают из всех литологических разностей, слагающих пласты, мощностью более 1 м. В случае частого чередования пород пластов интервалы отбора сокращаются.

2. В разведочных скважинах основное внимание уделяется породам нефтегазосодержащих горизонтов, интервалы отбора образцов могут сокращаться до 0.2-01 м. Керн, поднятый из разведочных скважин, которые в дальнейшем вводятся в эксплуатацию, может быть полностью взят на исследование. Особое внимание при этом должно быть уделено определению коэффициента нефте- и водонасыщенности, т.к. это необходимо для подсчета запасов залежи или месторождения.

Особенно много данных требуется для составления технологической схемы и проекта разработки месторождения.

3. Аналогична методика отбора и исследования керна при поисках и разведке поглощающих горизонтов (для подземного хранения газа и утилизации промышленных вод). Сплошной отбор керна - трудоемкая и дорогостоящая задача. Поэтому изучение свойств пласта проще построить комплексно по отдельным скважинам, равномерно расположенным по площади пласта, с установлением корреляционной зависимости между каротажными диаграммами и непосредственными определениями свойств коллектора на основе анализа керна.

При отборе керна желательно, чтобы каждый погонный метр разреза скважины был представлен не менее чем тремя-четырьмя характерными образцами для анализа. Это позволит построить кернограммы, по которым можно будет судить об изменении свойств коллектора по толщине пласта.

Оценка пласта по одному-двум образцам породы может только исказить представление об его продуктивности, т.к. в пределах разреза скважины параметры отдельных пропластков могут отличаться друг от друга в десятки и даже сотни раз (особенно по проницаемости).

После отбора керна производится отбор образцов, каждый из которых снабжается этикеткой, где указана его адресная привязка (см. табл. 1).

Таблица 1. Описание керна

Глубина залегания и наименование пород	Разрез с каротажной характеристикой	№ образца	Интервал глубины залегания образца	Описание образца

В процессе подготовки образцов к изучению петрофизических характеристик исследователь должен решить ряд предварительных задач. Первая - герметизация керна на скважине для доставки его в исследовательскую лабораторию. Вторая - правильно выбрать и создать коллекцию. Следующим этапом является составление схемы изучения образцов, в которой должны быть предусмотрены не только петрофизические, но и петрографические, химические и другие исследования, определена частота исследования, предусмотрены образцы на внешний и внутренний контроль и т.д.

Извлеченный из скважины керн должен быть макроописан, привязан по глубине, снабжен этикеткой с указанием интервала отбора и литологической характеристики и тщательно загерметизирован (если он был выбурен с применением специальных буровых растворов). Для лучшей привязки керна по глубине необходимо проводить массовые определения на всем керновом материале какого-либо физического свойства (например, г- активность с последующим сопоставлением результатов исследования керна с диаграммой гамма-метода).

Герметизация керна позволяет определить прямым методом остаточную водонасыщенность пород (при бурении на промывочной жидкости на безводной основе - РНО) или остаточную нефтенасыщенность (при бурении на глинистом растворе или воде). В настоящее время существует достаточно много способов надежной консервации керна после его извлечения на поверхность: хранение в полиэтиленовых мешочках: герметизация в стальных, алюминиевых или пластмассовых трубах; охлаждение сухим льдом; пластические покрытия; парафинирование с предварительным оборачиванием в марлю и др.

Исследования начинаются с отмывки, сушки и насыщения образцов.

Изучение кернового материала происходит по следующей схеме: отбор керна на скважине, его макроописание и герметизация, изготовление образцов, исследование (общее, детальное, петрофизическое, петрографическое). Следующий этап работы - изготовление образцов, который включает выпиливание или высверливание образцов правильной геометрической формы (цилиндрики, кубики), кусочков породы для проведения исследований, в которых не требуется правильная форма образцов, либо есть необходимость разрушения образцов. Изготовление образцов может производиться после отмывки керна от углеводородов, либо до этого. В последнем случае изготовленные образцы должны быть в дальнейшем отмыты от углеводородов и солей.

Затем с целью изучения фильтрационно-емкостных свойств образцов, получения данных для определения подсчетных параметров и решения других геологических задач, проводят общие исследования керна, которые можно подразделить на детальные, петрофизические и петрографические.

Отсюда можно рекомендовать приблизительно следующую последовательность петрофизического изучения кернового материала в лаборатории:

1. Отмывка отобранных кусочков керна и образцов правильной формы от солей и углеводородов.

2. Дезинтегрирование кусочков для определения плотности твердой фазы (10-20 г.), если же проводится гранулометрический анализ, то навеска увеличивается до 50 г.

3. Сушка 2-3 кусочков породы (для измерения плотности сухой породы), порошка и образцов правильной формы до постоянной массы.

4. Исследование на порошке (плотность твердой фазы, гранулометрический анализ, можно химический анализ) и на кусочках образца (плотность сухой породы).

5. Исследование на сухих образцах правильной геометрической формы и измерение коэффициента проницаемости и скорости продольных волн.

6. Насыщение образцов правильной формы моделью пластовой воды и последовательное измерение на одних и тех же образцах породы влажности, удельного сопротивления, скорости продольных волн, распределения пор по размерам.

7. Проведение детальных петрофизических исследований.

Отбор и методы подготовки образцов горных пород. Отбор образцов горных пород осуществляется по ГОСТ 26450.0-85 со следующим дополнением: представительность отбора керна из интервалов однородных пород должна составлять не менее 2 образцов на 1 метр и возрастать в зависимости от степени их неоднородности, обеспечивая представительство каждой литологической разновидности. При изучении керна с естественным нефтеводонасыщением отбор образцов осуществляют в соответствии с требованиями методики работ и исследований герметизированного керна.

Линейные или весовые размеры и форма керна или кусков породы зависят от вида анализа и литологических особенностей породы.

1. При определении коэффициента открытой пористости методом жидкостенасыщения используют образцы правильной (цилиндрической, кубической) и произвольной формы массой от 20 до 800 г. При определении пористости литологически однородных пород используют образцы массой от 20 до 60 г. и менее.

2. При определении абсолютной газопроницаемости используют образцы правильной (ци-линдрической, кубической) формы диаметром 15-35 мм и высотой 20-50 мм или с длиной ребра 15-35 мм.

3. При определении карбонатности керна используют кусочки породы массой 0.5-5 г. произвольной формы, которые затем измельчаются в ступке до порошкообразного состояния (для ускорения реакции с соляной кислотой).

4. Для определения остаточной водонасыщенности керна используют образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 30±2 мм. Допускается использование образцов, размеры которых не менее 20 х 20 мм.

5. Для определения плотности скелета горных пород используют образцы как правильной, так и неправильной геометрической формы массой от 20 до 60 г. (для литологически однородных пород).

При изготовлении образцов ось цилиндров должна быть ориентирована параллельно плоскости напластования: маркировку образцов выполняют согласно ГОСТ 26450.0-85.

Дальнейшую подготовку, образцов (экстракцию, отмывку, сушку) проводят в соответствии с ГОСТ 26450.0-85 и завершают определением массы сухих образцов (m₀) на лабораторных аналитических весах; результат записывают с точностью до 0,001 г.

Насыщение подготовленных образцов пластовой водой или ее моделью производят в соответствии с ГОСТ 26450.1-85.

Аппаратура и материалы для исследования образцов.

Для подготовки образцов горных пород применяют оборудование по ГОСТ 26450.0-85:

станок вертикально-сверлильный - по ГОСТ 1227-79 или ему подобный с твердосплавными - по ГОСТ

11108-70 или алмазными коронками с внутренним диаметром 20-32 мм;

станок камнерезный, с отрезными алмазными кругами диаметром не менее 250 мм - по ГОСТ 10110-87; станок шлифовальный.

Для очистки экстрагированием, сушки и насыщения образцов применяют аппаратуру, материалы и реактивы по ГОСТ 26450.0- 85:

шкаф сушильный любой конструкции с регулируемой температурой нагрева до 110°С; насос вакуумный, обеспечивающий разряжение до 10^-2 мм рт. ст.; краны стеклянные соединительные - по ГОСТ 7995-80Е;

эксикатор вакуумный типа ЭВ - по ГОСТ 25336-82; с дополнениями: хлористый натрий, марки ЧДА - по ГОСТ 4233- 77; пластовая вода или ее модель; трубка резиновая вакуумная.

Для определения водоудерживающей способности применяют:

центрифуга рефрижераторная типа ЦР1-21 или ей подобные: ЦДР-1, ЦДР-3, РСУ-6 и др., комплектуемые ротором углового типа РУ 8x90 с наклонным (под 45°) расположением гнезд и с максимальной частотой вращения ротора не менее 6000 об./мин; бумага фильтровальная - по ГОСТ 12026-76; пинцет медицинский;

кристаллизатор или другая емкость для образцов и раствора; герметичные центрифужные стаканы;

песок сухой кварцевый фракции >0.25 мм или другой водоудерживающий материал; циркуль-измеритель чертежный для контроля радиуса центрифугирования; дробь мелкая, свинцовая для уравновешивания стаканов.

Для определения массы образцов и проведения измерений необходимы:

весы лабораторные аналитические типа ВЛА-200 м - по ГОСТ 24104-88Е или им подобные, обеспечивающие точность взвешивания до 0,001 г.;

весы технические 4-го класса типа ВЛКТ-500- м - по ГОСТ 24104-88Е или им подобные, обеспечивающие точность взвешивания до 0,1 г; штангенциркуль любого типа.

Общие требования к подготовке керна к анализам (препарирование), к отбору и обработке образцов изложены в ГОСТ 26450.0 - 85 - ГОСТ 26450.2 - 85 “Породы горные. Методы определения коллекторских свойств” и детальнее они изложены в стандартах предприятия НПЦ «Тюменьгеофизика» (СТП 50 - 28 - 02 и др.). Кроме того, существуют соответствующие отраслевые регламенты. На рисунке 1.5. приведена схема препарирования кусков отобранного керна. Обеспечивается выпиливание или высверливание образцов правильной геометрической формы (цилиндрической, кубической). Для отдельных исследований отбирают куски породы (шлама).

В случае отбора керна из скважин, пробуренных на РВО, подготовка образцов начинается с очищения порового пространства.

Процесс очищения порового пространства образца от нефти, битумов, воды и солей называют экстрагированием. От углеводородов образцы экстрагируют органическими растворителями в аппаратах Сокслета (см. рисунок 1.6). В качестве растворителей применяют петролейный эфир, бензин, бензол, толуол, хлороформ, четыреххлористый углерод, спиртобензольную смесь в соотношении 1:10 и более сложные смеси, например четырехкомпонентную смесь спирта, хлороформа, четыреххлористого углерода и бензола в соотношении 1:1:1:4. Выбор того или иного растворителя или смеси определяется способностью растворять нефти и битумы. Наиболее сильными растворителями являются хлороформ, спирто-бензольная и четырехкомпонентные смеси. Оптимальный растворитель, обеспечивающий требуемую полноту извлечения углеводородов и одновременно обеспечить сохранность образцов, следует подбирать индивидуально.

Схема аппарата Сокслета

Правильность выбора растворителя может не только позволить очистить образец от углеводородов, но и количественно оценить содержание в легких и тяжелых нефтей, битумов и смол. Трубка (5) сообщается с экстрактором тонкой сифонной трубочкой (6) и трубкой (7). В верхней части экстрактора находится шариковый холодильник (8), соединенный с пришлифованной горловиной экстрактора (4).

В процессе отмывки, в колбу наливается растворитель, а в экстрактор помещается образец керна. Колба с растворителем нагревается с помощью колбонагревателя. Пары растворителя проникают в экстрактор, а затем в холодильник, где охлаждаются, конденсируясь на стенках холодильника. Охлажденный растворитель снова попадает в экстрактор, постепенно заполняя его до верхнего уровня трубки (7) через которую растворитель снова попадает в колбу. По мере отмывки растворитель в колбе становится более темным, а в экстракторе более светлым. Время экстракции зависит от объема колбы и температуры нагревания растворителя и подбирается таким образом, чтобы обеспечить более полную экстракцию и сохранность структуры порового пространства образца.

Следующей операцией в подготовке образцов к исследованию является их сушка. Эта операция необходима для определения абсолютной газопроницаемости, пористости, водонасыщенности. Сушка образцов производится в сушильных шкафах с терморегуляторами. В зависимости от вещественного состава, для плотных неглинистых пород поддерживают температуру в камере 103-105 С. Глинистые породы сушат при температуре 70 С. Увеличение температуры сушки глинистых пород может привести к необратимому разрушению структуры породы. Для предотвращения адсорбции влаги из воздуха, образцы перед взвешиванием охлаждают в эксикаторе с находящемся в нем поглотителем влаги, например, хлористым кальцием. Конец сушки определяют по стабилизации массы сухого образца.

Многие физические свойства изучаются на образцах, насыщенных моделью пластовой воды или нефти или просто керосином. Насыщение может осуществляться разными способами: капиллярным впитыванием, насыщением под вакуумом, насыщением под давлением и т.д. Наиболее часто образцы насыщают под вакуумом в эксикаторах.



Лабораторная работа №2

Остаточная водонасыщенность горной породы. Способы её определения и моделирования по керну



Цель: Изучить понятия остаточной водонасыщенность порового пространства пород-коллекторов, её связь с нефтетегазонасыщением. Составить представление о способах определения коэффициента остаточной водонасыщения.

Задачи:

1. Изучить понятия остаточного водонасыщения порового пространства. Выяснить физические причины явления остаточной водонасыщенности.

2. Описать технологию работы с керном в процессе определения коэффициента остаточного нефтенасыщения прямым методам. (смотреть Практикум по петрофизике под руководством В.Г Виноградова, А.В. Дахнова, С.Л. Пацевич стр. 53-59, Руководство стр. 41-46, + СТП ООО ТЦ «Тюменьгеофизика»)

3. Описать технологию работы с керном в процессе определения коэффициента остаточного нефтенасыщения косвенными методами (смотреть Практикум по петрофизике под руководством В.Г Виноградова, А.В. Дахнова, С.Л. Пацевич стр. 50-53, Руководствопо лабораторным работам под руководством А.В. Дахнова стр. 38-41, +СТП ООО ТЦ «Тюменьгеофизика»)

План описания технологии:

- отбор методы подготовки образцов горной породы к данному исследованию

- необходимая аппаратура и материалы

- последовательность выполнения работ

- форма записи результатов измерений

- допустимые погрешности измерения

- меры безопасности работ

При проведении разведки, исследований и разработки нефтегазовых залежей оценивается характер насыщения порового пространства водой, нефтью и газом. При этом важно знать различные виды полной и неполной влагоемкости или водонасыщения, обусловленное наличием остаточной и связной воды.

Содержание воды в горных породах называется их влажностью; способность горных пород в зависимости от их свойств и условий залегания удерживать то или иное количество влаги называется влагоемкостью; с ростом влажности пород изменяются свойства удержанной воды, в первую очередь её подвижность.

При геофизических исследованиях скважин непосредственное значение имеет полная влагоемкость, а так же влагоемкости обусловленные наличием связной воды. Последняя адсорбирована твердой фазой пород и подразделяется на прочно-, слабо- и рыхлосвязную.

Прочносвязанная вода - это вода поверхностного слоя кристаллической решетки твердой фазы пород и «ближней» гидратации ионов. Влагоемкость породы, отвечающая содержания прочносвязанной воды, характеризуется коэффициентом гигроскопической влагоемкости

W_г = V_в.пр.св / V_п

Или Коэффициентом водонасыщения породы прочносвязанной водой

K_в.пр.св = W_г / k_п = V_в.пр.св / V_пор

Здесь V_в.пр.св , V_п и V_пор соответственно объемы прочносвязанной воды, образца породы и его пор.

Прочносвязанная вместе с водой слабосвязанной, удерживаемой у твердой фазы её группами ОН и водой полислойной адсорбции, возникающих в близи от активных центров поверхности, обуславливает влагоемкость пород, названную максимальной адсорбционной.

Способность пород иметь разную максимальную адсорбционную влагоемкость оценивается коэффициентом максимальной адсорбционной влагоемкости

W_св = (V_в.пр.св +V_в.сл.св) / V_п

или коэффициентом водонасыщения породы адсорбированной водой

k_в.св = W_св /k_п = V_в.св /V_пор,

где V_в.св , V_пор - соответственно объемы воды связанной и пор.

Рыхлосвязанная вода удерживается в породе осмотическими и капиллярными силами. Часть этого вида воды остается при обычных лабораторных способах обезвоживания максимально влажного образца коллектора, содержащего в центральных участках пор, кроме воды связанной, свободную. В порах пород в этом случае находится, по-видимому, не только прочно- и слабосвязанная вода, но и вода углов пор, тонких капилляров и тупиковых пор.

Наблюдаемое при этом водонасыщении называется неснижаемым и характеризуется коэффициентом остаточного (неснижаемого) водонасыщения.

K_в.о = V_в.о / V_пор

где V_в.о - объем остаточной воды, которая которая остается в породе при обычном лабораторном их обезвоживании (исключая сушку).

Полная влагоемкость, при которой поры пород нацелено заполнены свободной и связанной водой, оценивается коэффициентом полной влагоемкости



W_п = V_в / V_п

где V_в - объем всей воды породы.

Полная влагоёмкость определяется в связи с изучением петрофизических величин горных пород при различном соотношении твердой и жидкой фаз. Эти сведения необходимы также при подсчете запасов природных вод и в ряде других случаев. Определение коэффициента водонасыщения связной водой в коллекторах необходимо при ответах на вопросы образования залежей нефти, газа и воды, их разработки и подсчета запасов. Эти коэффициенты должны быть известны также при искусственном заводнении пласта с целью увеличения нефтеотдачи и в ряде других случаев.

При частичном водонасыщении образца в поровом пространстве могут содержаться нефть и газ. Отношение объемов воды, нефти и газа к объему порового пространства породы характеризуются коэффициентами водо-, нефте- газанасыщения, которые измеряются от нескольких до 90% и более.

Величины эти коэффициентов нужно знать при подсчете запасов нефти, газа и получения зависимостей, необходимых для оценки этих величин по значениям других измеряемых в скважине параметров, при составлении проекта разработки и доразведки месторождений и в других случаях.

При формировании нефтяных и газовых залежей в естественных резервуарах происходит процесс вытеснения воды, содержащейся в системе пустотного пространства пород, нефтью или газом. Однако при этом удаляется только свободная вода, тогда как пленочная вода, вода тонких капилляров и углов пор остается в породе. Таким образом, только часть порового пространства пород-коллекторов заполнена нефтью или газам.

Решая вопросы, связанные с нефтеотдачей пласта, необходимо знать количество остаточной воды. Качество-остаточной воды имеет важное значение при искусственном заводнении нефтяного пласта с целью увеличения нефтедобычи. Так, С.Л. Закс (1947) указывает на важность обработки нагнетаемой в пласт воды, чтобы при контакте ее с остаточной водой избежать выпадения в пласте осадка, способного закупорить поровые каналы.

Содержание остаточной воды обычно выражают в процентах от суммарной емкости пор. Оно может меняться от нескольких процентсв до 70% и более. В большинстве хорошо проницаемых песчано-алевритовых коллекторов эта содержание нефти составляет 15-25%.

Количества остаточной воды в породах-коллекторах в значительной мере зависит от характера структуры порового пространства, содержания и типа глинистых минералов.

Остаточная вода, находясь в поровой системе горных пород- коллекторов, занимает часть их объема. Разность объемов, занимаемых открытыми порами и остаточной водой, характеризует полезную емкость коллектора. Выраженная в процентах к объему породы она по существу отражает эффективную (полезную) пористость, а отнесенная к объему открытого порового пространства - степень нефтегазонасьпценности, иначе характеризует коэффициенты нефтегазонасьпценности. Эффективная пористость равна произведению пористости открытой на коэффициент нефтегазонасьпценности.

При водонасыщенности пласта, превышающей содержание остаточной воды, пласт содержит и свободную воду. Эта вода принимает участие в движении пластовой жидкости к забоям эксплуатационных скважин и может извлекаться на поверхность.

Остаточная вода может быть адсорбционной, или физически связанной, капиллярной или; содержаться в углах пор.

Образование адсорбционной воды на поверхности грунтовых частиц обусловливается как химическими, так и физическими силами, которые по своей природе являются силами электрическими.

Вода углов пор может быть также названа капиллярно разобщенной водой или капиллярно неподвижной грунтовой водой. Н.М. Герсеванов (1937) определяет влажность грунта, содержащего воду углов пор, как состояние защемленной воды в грунте. При увеличении влажности пород капиллярные поры нацело заполняются водой. В этом случае капиллярная вода подразделяется на собственно капиллярную и подвешенную воду. Схема распределения воды в капиллярах почвы приведена на рис. 1. Содержание остаточной воды в плате определяется, не только структурой порового пространства породы, но и влиянием емкости поглощения пород, что в свою очередь относится к глинистым породам с большой емкостью поглощения. В этом случае количество связанной воды находится в некоторой зависимости от физико-химических факторов.

При разном составе поглощенных оснований и при одной и той же структуре пород содержание прочно связанной воды может быть различным: Экспериментальные данные подтверждают, что величина гигроскопичности грунтов изменяется в зависимости от состава обменных катионов (Роде, 1952). Вода, взаимодействующая с твердой поверхностью породы, называется связанной, потому, что ее дипольные молекулы, потеряв под взаимодействием силового поля твердой поверхности породы часть степеней свободы движения ориентируются и располагаются более стройно и плотно, С постоянным переходом от свободного состояния к связанному по мере приближения к твердой поверхности. Чем больше суммарная поверхность соприкосновения породы с водой, тем большего содержания воды следует ожидать в пласте.

Слои воды, находящиеся на разном расстоянии от поверхности твердых частиц, неравноцены по своему физическому состоянию и неоднородны по химическому составу. Некоторую часть воды в подобных системах обычно называют связанной водой, отличая ее от воды свободной, не подверженной влиянию дисперсной фазы.

В разбавленных системах - суспензиях и коллоидных растворах - связывание жидкости с дисперсными частицами обнаруживается в уменьшении скорости оседания этих частиц и в увеличении внутреннего трения системы. В сцементированных и: не сцементированных горных породах связывание жидкости с дисперсными частицами сказывается в уменьшении живого сечения капилляров, что приводит к уменьшению фильтрации флюидов через пористые среды.

Для гидрофильных систем количество связанной воды во много раз превышает количество твердой фазы. Из присутствующих в осадочных породах дисперсных систем такой высокой способностью связывать воду обладают минеральные коллоиды - глинистые минералы, особенно пины группы монтмориллонита.

Прочно связанная вода не способна растворять в себе растворимые вещества (соли, сахар и т.д.). Она лишена электропроводности, имеет плотность выше единицы, не замерзает при охлаждении до .:-78С, ее диэлектрическая постоянная равна 2-2,2 (Роде, 1952; Пирсон, 1961). Наибольшее содержание влаги, обладающей всеми этими свойствами, по большей части несколько ниже величины максимальной гигроскопичности.

Образование адсорбированной воды может происходить одновременно на поверхности минеральных частиц, внутри их кристаллических решеток и вокруг адсорбционного слоя ионов. На (прил. 1) представлено распределение адсорбированной воды в частицах монтмориллонита. А.Ф. Лебедев (1936), исходя из состояния воды и ее подвижности, выделяет в породах воду кристаллизационную и химически связанную, гироскопическую, пленочную, гравитационную, парообразную и в твердом состоянии.

К категории воды, содержащейся в тонких капиллярах, относится вода, находящаяся в капиллярно неподвижном и стыковом (контактная) состояниях. Вода, находящаяся в более крупных поровых каналах, имеет капиллярно-подвижное, четочное и капиллярно-легкоподвижное состояние. Ее движение осуществляется главным образом за счет капиллярных (менисковых) сил.

Толщина слоя

Толщина слоя связанной воды обусловлена сферой действия электромолекулярных сил и взаимоотношением связанной воды мельчайших капилляров (Андрианов, 1946)., В литературе опубликован ряд работ, касающихся изучения толщины тонких смачивающих слоев жидкости. Однако большинство их относится к измерению толщины тонких слоев жидкости на плоской твердой поверхности.

Толщина слоя связанной воды зависит от гидрофильности минерального скелета, от внешних условий (относительной влажности, давления, температуры), от условий равновесия между силой, отнимающей воду, и силой, связывающей воду у твердой поверхности, от присутствия тех или иных катионов, от степени концентрации электролитов в пластовой воде, а также от размеров частиц породы.

Исходя из особенностей образования нефтяных газовых месторождений, а также характера смачиваемости пород, обычно считают, что связанная вода может находиться в пленочном состоянии, Когда она окружает поверхность обломочных зерен; в виде менисков в случае нахождения на контактах минеральных зерен; в виде капель на поверхности зерен, что бывает при малом ее содержании в породе и при гидрофобных свойствах составляющих породу частиц; она также находится в тонких поровых каналах, удерживаемая капиллярными силами.

Распределение остаточной воды даже в пределах образца керна может быть неоднородным, в особенности при наличии различных по гранулометрическому составу разностей пород, что находит отражение в различии электросопротивлений отдельных участков керна. В пластовых условиях они возрастают.

Методы определения остаточной водонасыщенности

Для определения к_в.о в практике петрофизических лабораторий применяют несколько способов, которые можно разделить на две группы. К первой относится единственный способ, получивший название прямой метод, или метод Закса, в котором определяют количество воды, содержащейся в образце породы, извлеченном при вскрытии продуктивного коллектора скважиной с нефильтрующейся промывочной жидкостью - раствором на нефтяной основе (РНО). При реализации прямого метода необходимым условием является сохранение в образце до эксперимента всех флюидов, заполняющих поры образца в пластовых условиях.Способы второй группы различаются условиями моделирования остаточной воды в образце. Общим для них является подготовка образца к эксперименту путем экстрагирования из образца углеводородов и солей, растворенных в пластовой воде, заполнявших поры образца в естественном залегании. Способы второй группы иногда называют косвенными.

Прямые методы определения водонасыщенности коллекторов

Определение 1с_в.₀ прямым методом включает следующие этапы:

1) изучаемые продуктивные отложения вскрываются скважиной с РНО при сплошном отборе и выносе образцов керна в заданном интервале разреза;

2) образцы после выноса на поверхность немедленно консервируются, в дальнейшем соблюдаются условия для сохранения в образце пластовых флюидов;

3) каждый образец, подлежащий исследованию, расконсервируют и экстрагируют спиртобензольной смесью в аппарате Закса, снабженном специальной ловушкой для воды, извлекаемой из образца при экстракции;

4) определяют объем V_B.0 воды, выделенной из образца, а затем, зная объем образца и коэффициент пористости к_п, вычисляют V_n и по рассчитывают к_в.о

Прямой метод позволяет установить значение к_в._апр, характеризующее продуктивный коллектор в условиях естественного залегания. Это значение адекватно рассмотренному выше параметру к_в.₀ при следующих условиях: а) коллектор полностью гидрофильный; б) вся остаточная вода коллектора в пластовых условиях представлена капиллярно-удержанной и физически связанной водой. В действительности эти условия редко соблюдаются. Продуктивный коллектор может быть частично гидрофобным, что ведет к снижению содержания физически связанной и капиллярной воды в породе, и тогда значение k_в.o.np будет меньше к_в.о. При заполнении ловушки углеводородами в процессе формирования залежи нефти или газа в коллекторе может сохраниться известное количество подвижной воды, которая не является капиллярно-удержанной (вода капельная и т.п.); в этом случае к_в.о.пр < к_в.о. Несмотря на это прямой метод считается эталонным при определении параметра к_в.о, поскольку он дает представление о реальных значениях коэффициентов водо-, нефте- и газонасыщения в пластовых условиях для изучаемого геологического объекта. Недостатком прямого метода является невозможность использования его для получения представительного массива значений к_в.о, поскольку скважины, бурящиеся с применением РНО и полным отбором керна, - большая редкость. Поэтому основной объем исследований на образцах с целью определения к_во выполняют косвенными методами.

При определении и водонасыщенности прямым методом объектом испытания могут быть образцы пород, отобранные при бурении из необводненного продуктивного горизонта (интервала горизонта) при использовании в качестве промывочной жидкости растворов на нефтяной основе (РНО) или растворов, нефильтрующихся в пористую среду. Образцы должны быть надёжно законсервированы непосредственно на буровой и доставлены в лабораторию с соблюдением предосторожностей.

Аппарат Закса (ЛП-4), аналитические весы, букс, толуол.



Аппарат Закса

Описание аппаратуры

Аппарат Закса (рис. 3.1) состоит из колбы (4), стеклянной ловушки (2), калиброванной по 10 см³, стеклянного холодильника (1) и стеклянного цилиндра (3) с дном из пористого стекла (фильтра). Колба, ловушка и холодильник тщательно прищлифовываются друг к другу для устранения утечки паров растворителя через места соединения. В процессе работы цилиндр с керном помещают в горловину колбы на специальные выступы. В верхней части цилиндра имеются два отверстия, в которых закрепляют проволочную дужку для удобства извлечения цилиндра из колбы.

Косвенные методы определения коэффициента остаточного водонасыщения.

Перед проведением исследований любым косвенным методом образец породы, извлеченный из скважины при бурении на глинистом растворе, содержащий в порах фильтрат промывочной жидкости и невытесненные пластовые флюиды, экстрагируют в аппарате Сокслета, используя спиртобензольную смесь, а также дополнительно другие органические растворители - хлороформ, толуол. Далее экстрагированный образец высушивают при постоянной температуре, обычно 105°С. Заметим, что изложенный способ подготовки образца к эксперименту тождествен тому, который применяют перед определением коэффициента пористости породы способом насыщения. Зятем образец насыщают водой, используя в зависимости от применяемого варианта косвенного метода модель пластовой воды или дистиллированную воду. Далее удаляют воду из образца, фиксируя в конце эксперимента содержание в образце остаточной, воды.

Косвенные методы определения к_в.о различаются способом удаления воды из образца. В лабораторной практике применяют следующие косвенные методы моделирования и определения остаточной воды: капиллярного вытеснения, центрифугирования, сушки при изменении температуры и с сохранением ее постоянной (изотермическая сушка), влагоемких сред, метод ЯМР. Наиболее широко применяют методы капиллярного вытеснения и центрифугирования.

Для определения к_в.о методом капиллярного вытеснения (капилляриметрии) изучаемый образец полностью насыщенный водой, помещают в специальную ячейку, в которую вслед за образцом помещают полупроницаемую мембрану с порами определенного размера. Под действием небольшого перепада, давлений, не превышающего 0,15-0,2 МПа, воду из образца вытесняют воздухом. В упрощенном варианте метода воду из образца вытесняют до создания в нем минимального для заданных условий (перепад давлений Др, вытесняющая фаза) коэффициента водонасыщения к_в.о. Величину Др выбирают в соответствии с размером пор мембраны, т.е. несколько меньшим значения Др_кр, при котором возможен прорыв через мембрану вытесняющей фазы. Следовательно, условия проведения эксперимента уже заранее определяют верхний предел радиуса пор г_гр, из которых вода не будет вытесняться:

г_гр = 2а cosO/(Др),

где Др - создаваемый максимальный перепад давления на образце; а - поверхностное натяжение на границе воздух - вода. Значение берут в пределах 0<O<45°, чаще полагают O=0. Величину к_в.о вычисляют по формуле k_в.о=(V_n - V_B.BbIT)/V_n.

В усложненном варианте эксперимента изучают динамику вытеснения воды воздухом, постепенно увеличивая Ар до предельного значения, при этом для нескольких промежуточных значений Ар определяют соответствующие им значения У_ввыт и текущего коэффициента остаточного водонасыщения к_в.о.тек. Результаты опыта изображают графически в виде зависимости k_B.0=f(Дp), где Др=р_к - перепад давлений, обеспечивающий вытеснение капиллярно- удержанной воды из пор определенного размера . Если ячейка снабжена устройством для измерения удельного сопротивления образца, в ходе вытеснения воды воздухом фиксируется изменение во времени удельного сопротивления образца р_п; выход кривой p_n=f( Др) на асимптоту показывает, что процесс вытеснения воды и моделирования остаточного водонасыщения образца завершен.

Кривую k_B.0 = f(p_K) используют для построения распределения по размерам пор, вычисляя среднее значение г группы пор, соответствующее величине р_к каждой промежуточной ступени вытеснения.

Значения к_{в 0}, полученные при вытеснении воды воздухом, целесообразно использовать при изучении газоносных коллекторов. Для определения к_в.о нефтеносных коллекторов воду из образца вытесняют керосином или, что более правильно, моделью пластовой нефти изучаемого геологического объекта.

Значение к_в.о рассчитывают по формуле:

k_B.0 = 1 -( (m₂ - m₁)д_в / (m₂ - m₁)(д_в - д_н)

где m₁,m₂,m₃ - соответственно массы образца сухого, насыщенного водой и после завершения опыта; 8_В и 8_Н плотности воды и нефти.

В настоящее время промышленность выпускает полупроницаемые мембраны, рассчитанные на максимальное давление вытеснения 0,3-0,4 МПа, что позволяет повысить Ар и соответственно уменьшить граничное значение г_гр. Оптимальное значение Др_mах в капилляриметрическом способе определения к_во подбирают для изучаемого геологического объекта или группы объектов таким, чтобы значения к_в.о по данным капилляриметрического и прямого методов были наиболее близкими для всей коллекции образцов коллектора при изменении коэффициентов пористости и проницаемости в широком диапазоне. Таким образом, для «настройки» технологии капилляриметрии необходимо располагать результатами определения к_в.о прямым методом хотя бы для одной скважины, пробуренной на изучаемом месторождении или группе месторождений. Применяемые в настоящее время полупроницаемые мембраны и соответствующие им давления Др_к.mах обеспечивают вытеснение воды из капилляров радиусом г > 0,5-1 мкм.

В методе центрифугирования полностью водонасыщенный образец прошедший ту же подготовку перед исследованием капилляриметрическим методом, помещают в ячейку ротора центрифуги и центрифугируют в течение некоторого времени с заданной частотой вращения п. Вытеснение воды происходит благодаря созданию при центрифугировании давления р_к в поровых каналах образца:

р_к =l,8n²Дд(3RL + L²)-10^-10

где n - частота вращения ротора центрифуги, ^мин-1; Дд - разность плотностей воды и вытесняющей фазы (если это воздух, то Дд=д_В), г/см³ ; R и L - радиус вращения и длина образца, см.; р_к, МПа.

Частоту и продолжительность вращения выбирают обычно такими, чтобы получаемые значения к_{в о} были наиболее близкими к значениям k_ls.₀ на тех же образцах, установленными прямым или капилляриметрическим методом. Для этого подбирают коллекцию образцов, представительную по отношению к изучаемому объекту, и на них определяют к_в.о методом центрифугирования и прямым методом, или центрифугированием и капилляриметрией, режим которой обоснован сравнением с данными прямого метода.

В качестве вытесняющей фазы используют воздух, реже - керосин. Частота и продолжительность вращения устанавливаются тем большими, чем ниже коэффициент проницаемости образца. Для образцов с к_пр > 100-10^-15 м² обычно используют п < 4000 мин"¹ при времени вращения до 30 мин. С уменьшением к_пр время вращения доводят до 1 ч, а частоту вращения до 6000 мин"¹. Как и при капилляриметрическом методе, устанавливая значение к_в.о методом центрифуги, режим центрифугирования подбирают таким, чтобы обеспечить вытеснение воды из капилляров с г > 0,5н-1 мкм.

Величину k_в.0 рассчитывают по формуле (1). Очевидное преимущество метода центрифугирования по сравнению с капилляриметрическим значительно меньшая, продолжительность эксперимента. К недостаткам метода относятся необходимость настройки режима центрифугирования на данные капилляриметрии и более низкая точность определения k_B.0.



Лабораторная работа №3

Моделирование коэффициента остаточной водонасыщенности методом центрифугирования

(Определение водоудерживающей способности пород)



Цель: Изучить понятия остаточной водонасыщенность порового пространства пород-коллекторов, её связь с нефтетегазонасыщением. Составить представление о способах определения коэффициента остаточной водонасыщения.

Задачи:

Изучить понятия остаточного водонасыщения порового пространства. Выяснить физические причины явления остаточной водонасыщенности.

Описать технологию работы с керном в процессе определения коэффициента остаточного нефтенасыщения прямыми методами. (смотреть Практикум по петрофизике под руководством В.Г Виноградова, А.В. Дахнова, С.Л. Пацевич стр. 53-59, Руководство стр. 41-46, + СТП ООО ТЦ «Тюменьгеофизика»)

Описать технологию работы с керном в процессе определения коэффициента остаточного нефтенасыщения косвенными методами (смотреть Практикум по петрофизике под руководством В.Г Виноградова, А.В. Дахнова, С.Л. Пацевич стр. 50-53, Руководствопо лабораторным работам под руководством А.В. Дахнова стр. 38-41, +СТП ООО ТЦ «Тюменьгеофизика»)

Остаточной водонасыщенностью называется величина, характеризующая степень заполнения порового пространства породы водой, оставшейся в ней в полностью сформированной залежи углеводородов и не извлекаемой из породы в процессе при эксплуатации этой залежи. Величина остаточной водонасыщенности характеризуется коэффициентом остаточного водонасыщенности К_во.

В лабораторной практике для определения остаточной водонасышенности наиболее широко применя-ются центрифугирование и метод капилляриметрии, т.к. они детально обоснованы и позволяют получать воспроиз-водимые результаты. Возможность создания при центрифугировании значительных ускорений позволяет модели-ровать процессы вытеснения жидкости при значительном сокращении их длительности по сравнению с классичес-ким способом полупроницаемой мембраны. Применение метола центрифугирования требует дифференциации режимов и подбора их в каждом конкретном случае в зависимости от коллекторских свойств образцов.

Определение остаточной водонасыщенности методом центрифугирования

Определение остаточной водонасыщенности методом центрифугирования относиться к косвенным лабораторным методам. Для исследования допускаеться использование образцов пород, отобранных из продуктивного интервала на любой стадии разработки месторождений и при использовании в бурении скважин любых промывочных растворов.

Исследования ведутся на образцах цилиндрической формы, высверленных из куска керна в направлении параллельно напластованию породы, проэкстрагированных и высушенных в сушильном шкафу.

В основе метода лежит воздействие на образец насыщенный водой центробежными силами, возникающими при кручении образца в центрифуге. Вытеснению воды из породы препятствуют капиллярные, силы. В начале, с увеличением числа оборотов ротора центрифуги, жидкость вытесняется из крупных пор, за счет перепада давления на торцах образца, когда перепад превысит величину капиллярного давления, развиваемого в них менисками.

При дальнейшем увеличении числа оборотов центрифуги жидкость вытесняется из пор меньшего размера. С некоторого момента повышение числа оборотов ротора практически перестаёт влиять на количество оставшейся в порах воды. Эту воду и считают остаточной

Измеряя количество выделившейся жидкости как функцию числа оборотов ротора, можно построить зависимость "капиллярное давление - водонасыщенность. Опыт на центрифуге может воспроизводить вытеснение воды нефтью и газом. В центрифуге под давлением центробежных сил между фазами возникает давление (Р), равное капиллярному, значение которого определяется формулой:

Р = 4,04 Rnh (с₁- с₂),

где: R - радиус вращения (принимается равным расстоянию от центра оси центрифуги до середины длинны образца), м;

n - число оборотив ротора центрифуги в секунду, h - длина образца, м;

с₁, с₂ - плотность воды, насыщающей образец и плотность вытесняющей фазы соответственно, (при вытеснении воздухом можно принять с_{2 =} О).

Необходимая аппаратура и принадлежности

Установка для насыщения образца под вакуумом, аналитические весы с разновесами, центрифуга, дистиллированная вода.

Порядок работы

Путём взвешивания определяют массу сухого образца с точностью до 0,001 г. и насыщают его дистиллированной водой под вакуумом.

После насыщения взвешивают образец и определяют объем воды в породе. Керн помешается в пробирку, которая вставляется в стакан ротора центрифуги. В целях уравновешивания центрифуги в противоположный стакан помещается груз приблизительно равный массе керна.

Включив центрифугу с закрытой крышкой доводят число оборотов ротора до 500 в минуту и вращают образец с этой скоростью 5 минут.

Все работы с центрифугой производят согласно специальной инструкции по работе на центрифуге.

После остановки центрифуги, извлекают исследуемый образец и путём взвешивания устанавливают массу оставшейся воды в керне и текущий коэффициент водонасыщенности.

В дальнейшем вновь помешают образец в центрифугу и повторяют вра-щение образца при оборотах вращения ротора 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 в минуту и времени вращения при этой скорости 5 минут. При этом каждый раз определяют массу оставшейся воды в керне и текущий коэффициент водонасыщенности.

Текушии коэффициент водонасыщенности определяется по формуле:

Кв = (Mn - M₁) / (M₂ -M₁),

где: M₁ - масса сухого образца, г.;

M₂ - масса образца полностью насыщенного водой, г;

Mn - массы образца после каждого режима центрифугирования, г.

По результатам опыта строится графическая зависимость "капиллярное давление - коэффициент текущей водонасыщенности" (Рис. 3.2.). По этому графику устанавливают коэффициент остаточной водонасыщенности и он равен такому значению, когда при увеличении капиллярного давления величина коэффициента водонасыщенности остаётся постоянной.

Графическая зависимость

Отбор и методы подготовки образцов горных пород.

Отбор образцов горных пород осуществляется по ГОСТ 26450.0-85 со слёдующим дополнением: представительность отбора керна из интервалов однородных пород должна составлять не менее 2 образцов на 1 метр и возрастать в зависимости от степени их неоднородности, обеспечивая представительство каждой литологической разновидности.

При изучении керна с естественным нефтеводонасыщением отбор образцов осуществляют в соответствии с требованиями методики работ и исследований герметизированного керна.

При изготовлении образцов ось цилиндров должна быть ориентирована параллельно плоскости напластования; маркировку образцов и их дальнейшую подготовку (экстракцию, отмывку, сушку и насыщение подготовленных образцов пластовой водой или ее моделью) производят в соответствии с ГОСТ 26450.1 -85.

Аппаратура и материалы;

1) четное количество (от 2 до 8) образцов горной породы цилиндрической формы стандартных размеров (диаметром и высотой 30-2 мм);

2) шкаф сушильный любой конструкции с регулируемой температурой нагрева до 1 10

3) насос вакуумный, обеспечивающий разряжение до 10`~ мм pi ст марки ЗНВР-1Д или ему подобный:

4) эксикатор вакуумный типа ЭВ с хлористым натрием;