Морева Е.В. (ОАО СибНИИНП)

Основной ошибкой потребителей петрофизической информации является использование значения пористости, определенного по традиционной методике Преображенского в атмосферных условиях без поправки на условия естественного залегания породы. Так как известно, что при поднятии на дневную поверхность керн расширяется в результате изменения напряженного состояния, поэтому пористость, определенная в атмосферных условиях, будет несколько завышенной.

Для оценки величины поправки пористости на условия естественного залегания в лаборатории отдела физики пласта института СибНИИНП была разработана методика определения истинного значения пористости (истинное значение пористости образца – пористость, соответствующая пористости породы, находящейся в условиях естественного залегания при разработке залежи).

Методика базируется на экспериментальном материале, полученном при изучении 215 образцов, отобранных из неокомских отложений с территорий деятельности ОАО «Юганскнефтегаз», ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «Ноябрьскнефтегаз», ОАО «Пурнефтегаз» и НТК «Славнефть», и работах 60-70-х годов таких авторов, как Добрынин В.М., Поляков Е.А., Ломтадзе В.Д., Байдюк Б.В. и других.

Методика отрабатывалась на полимиктовых песчаниках и алевролитах со средней пористостью 17,5% (11-23%). Для работы использовалась установка, представленная на рис.1.

Рис.1. Установка для определения упругих, деформационных и прочностных свойств пород коллекторов в пластовых условиях

Перечислим основные условия предлагаемой нами методики.

1. Минимальный объём исследуемых образцов.

Из-за того, что осадочные горные породы представляют собой сложные агрегаты, состоящие из зерен, имеющих разные размеры и, возможно, разные механические свойства, возникает вопрос о минимальном объеме кернов, исследуя которые можно судить о свойствах пород в массиве. Согласно К.В. Руппенейту [1], при изучении однородных пород с гранулярным типом пористости представительным является объём керна, удовлетворяющий условию

l ≥ 6.7d,      (1)

где l — длина керна, d — средний диаметр зёрен. Поэтому для работы рекомендуется использовать керн цилиндрической формы длиной 30 мм и диаметром 28-30 мм, так как на таких образцах условие К.В. Руппенейта выполняется.

2. Подготовка образцов к эксперименту.

Все образцы должны проходить через экстракцию спиртобензольной смесью до полной очистки содержащихся в них углеводородов; шлифовку торцевых поверхностей образца параллельно друг другу и перпендикулярно боковым поверхностям; насыщение в условиях вакуума керосином.

3. Постановка эксперимента.

При постановке эксперимента в качестве действующей нагрузки рекомендуем использовать значение эффективного напряжения. Численное значение эффективного напряжения (Р_эф) равно разности между величиной горного давления (Р_гор), обусловленного весом всех вышележащих толщ, и величиной пластового давления (Р_пл). Использование значения эффективного напряжения в постановке эксперимента позволяет учесть все виды деформаций в скелете породы при всестороннем сжатии, а следовательно, и определить эффективное изменение объёма образца:

Р_эф=Р_гор-n•Р_пл      (2)

где n – безразмерный коэффициент, показывающий, какую часть давления пластовой жидкости необходимо учесть при определении результирующих деформаций в породе, то есть какова «активная» часть пластового давления. Несмотря на большой объём проведенных исследований, рядом авторов в 60-80 годы по образцам пористых пород значение величины n остаётся неопределенным. В большинстве случаев её принимают равной 0,85, иногда – 0,5. Для ее определения используют формулу

n=1-β_з/β_ск      (3)

где β_з,β_ск - коэффициенты объемного сжатия зерен породы и скелета среды соответственно. Согласно работам В.Н. Щелкачева и Г.Брандта, рекомендуется использовать при изучении коллекторов значение n = 1 во всех случаях, когда пластовое давление меньше половины горного давления. С точки зрения В.М. Добрынина [2], следует использовать n = 0,85, так как это цифра не очень далека от среднего значения, полученного для песчаника в интервале давлений 0-700 атм. Кроме того, сопоставляя результаты исследований полимиктовых песчаников, полученные автором при постановке эксперимента с n = 0,85 и n =1, значимой разницы обнаружено не было. Поэтому в дальнейшем безразмерный коэффициент (n) стал приниматься равным 0,85.

Если изучать образцы при всестороннем равномерном сжатии, то результаты полученных значений пористости будут соответствовать пористости породы, находящейся в невскрытом массиве. В действительности проходка скважины изменяет напряжения в массиве горных пород. Перераспределение напряжений, создаваемое выработанным объемом породы, приводит к условиям, при которых горные породы испытывают неравномерное всестороннее сжатие (растяжение). Поэтому для приближенного моделирования напряженного состояния керна в приствольной зоне скважины образец следует изучать под воздействием бокового и осевого давлений. В качестве осевого выступает эффективное напряжение (Р_эф), бокового (Р_бок) – расчетное значение, равное

Р_бок=Р_эф•ζ      (4)

ζ=μ/(1-μ)      (5)

где ζ — коэффициент Пуассона, μ — коэффициент бокового давления.

Для предотвращения разрушения образца его нагружение эффективным давлением нужно производить ступенями от начального Р_эф.н.≈1-3 кгс/см² до конечного Р_эф.кон., близкого к давлению на образец в условиях естественного залегания. Затем также ступенями разгружать образец от давления Р_эф.кон до Р_эф.н.

Опираясь на работы Добрынина, рекомендуем изменять нагрузку ступенями по экспоненциальной зависимости

Р_эф.=а•е^0,4132N,      (6)

где а∈(11,0-15,0), N∈(1-x) — количество ступеней.

В данном случае величина ступени обеспечивает на всем изучаемом интервале давлений равномерную скорость деформаций. Поскольку упругие деформации наиболее интенсивно протекают при относительно небольших эффективных напряжениях, первые ступени напряжений обычно меньше последующих. Это позволяет считать, что ошибка, которая возможна в результате неполного завершения деформаций в породе, одинаково распределится по всему интервалу напряжений и не повлечет за собой значительного искажения вида зависимости данного физического свойства от давления.

Заметим, что при проведении эксперимента на всех образцах отмечалось наличие упругого гистерезиса кривых деформации, т.е. несовпадение значений физических свойств, наблюдаемых при увеличении и уменьшении нагрузки (рис.2).

Рис.2. Изменение относительной деформации образца под действием нагрузки

Считается, что это явление связано с отставанием деформаций в зернистых средах от роста нагрузки. Упругий гистерезис можно наблюдать во время деформаций многих даже однородных тел (например, металлов), если достаточно быстро изменять напряжение. В сцементированных зернистых средах явление гистерезиса значительно подчеркнуто разнообразием строения деформируемого скелета, а также особенностями проведения экспериментов. Для определения остаточных деформаций и истинного значения пористости, а также в качестве контроля за результатами следует проводить несколько циклов нагрузки-разгрузки.

Экспериментально установлено, что стабилизация процесса деформации наступает с четвертого цикла. Обратим внимание, что ширина петли первого цикла значительно отличается от последующих, так как во время высыхания и усадки глинистого материала в образцах образуются микротрещины, которые не полностью исчезают при повторном насыщении пород. Поэтому результаты первого цикла для характеристики породы в массиве не используются. Величина пористости, полученная при стабилизации процесса, будет называться стабилизированным значением пористости, так как истинное значение пористости можно получить благодаря не только стабилизации, но и определенной скорости нагружения.

В эксперименте по определению истинного значения пористости автор выявил два фактора, влияющих на значение изучаемой величины: выбор временного интервала (временной интервал – время стабилизации процесса деформации на каждой ступени, в одном цикле 16 ступеней.), т.е. скорости нагружения и способ фиксирования результатов исследования.

Сначала были поставлены экспресс — эксперименты, при которых скорость нагружения для каждой ступени составляла 3,3-16,0х10^-3с^-1. В результате по индикаторам часового типа с точностью измерения 0,002 мм было установлено, что пористость образца уменьшается на 0,6-6% относительных единиц при увеличении эффективного напряжения Р_эф.н.≈1-3 кгс/см² до конечного Р_эф.кон., близкого к давлению на образец в условиях естественного залегания. При фиксировании результатов исследования индикаторами часового типа с вышеуказанной скоростью нагружения учитывается только быстрое последействие от приложенной нагрузки Р_эф. и не учитывается весь объём изменения порового пространства. Поэтому для наблюдения за динамикой изменения пористости стали использовать данные по объему вытесненной жидкости.

После того как стали фиксировать изменение порового пространства не только по индикаторам часового типа, но и по объему вытесненной жидкости в измерительном капилляре с ценой деления 0,001 см³ заметили, что при смене эффективного напряжения от Р_эф.кон до Р_эф.ндвижение жидкости в трубке сильно запаздывает. Предположили, что эффект запаздывания связан с недостаточной длительностью эксперимента. Потому методично, по каждому классу коллектора стали искать достоверный временной интервал (временной интервал – время стабилизации процесса деформации на каждой ступени нагрузки). Для этого было изучено несколько коллекций образцов при следующих скоростях нагружения: 16*10^-3, 5.6*10^-3, 3.3*10^-3, 1.6*10^-3, 0.98*10^-3, 0.5*10^-3, 0.48*10^-3, 0.25*10^-3, 0.19*10^-3, 0.15*10^-3, 0.11*10^-3с^-1.

Рис.3. Влияние скорости нагружения каждой ступени на относительную погрешность определения пористости образца

Рассмотрим рис.3, на котором представлена зависимость Δк_п от скорости нагружения образца (к_п^ист – истинная пористость образца, к_п^стаб. – стабилизированное значение пористости, Δк_п=(к_п^ист-к_п^стаб.)/к_п^ист).

Из рисунка видно, что исследуемая зависимость имеет два некоторых плато, одно — в области высоких скоростей (область А), второе — в области низких (область Б).

Это можно объяснить тем, что в области упругих деформаций породы изменение физических параметров образца во времени после приложения давления Р_эф связано с двумя закономерностями: быстрым изменением (в течение 1—5 мин. — область А) и последующим медленным (от десятков минут до нескольких часов – область Б). Первая стадия деформации образца получила название условно-мгновенной, вторая — упругого последствия [3].

При воздействии на образец эффективного давления изменяется объем порового пространства образца, в результате этого давление в поровой жидкости р увеличивается, что препятствует завершению деформации порового объема. Снижение внутрипорового давления будет происходить за счет перемещения жидкости из пор в капиллярную трубку системы. Время истечения жидкости t оценим из уравнения Дарси:

(7)

где ΔV – объем жидкости, вытекающей из образца, при перепаде давлений между образцом и трубкой Δр; η — вязкость жидкости; К_ПР - коэффициент проницаемости породы; l и S — соответственно, длина пути и площадь, по которой перемещается жидкость.

В рассматриваемом случае объем жидкости, выходящей из порового пространства образца ΔV, будет пропорционален величине Δр. Величина ΔV/Δр = β_жV_п, где βж — сжимаемость жидкости; V_п— объем пор образца.

Следовательно, выражение (1.2.7) можно записать в виде

(8)

Площадь контакта образца в районе расположения выводной капиллярной трубки порядка 1 см², поэтому в первом приближении отношение l/S можно принять равным единице. Вязкость воды при 20°С близка к единице. Тогда

(9)

При β_ж = 44*10^-6 см²/кгс V_п = l см³ и К_ПР = 0,002 мД (по воде для низкопористых карбонатных пород) t≈22с. Для песчано-глинистых коллекторов (К_пр≈0,01 и выше) время t будет еще меньше [3].

Полученное значение времени характерно для условно-мгновенной деформации. Таким образом, время условно-мгновенной деформации определяется проницаемостью коллектора. Следует отметить, что при использовании для оценки t коэффициентов проницаемости породы и вязкости жидкости, засчитывались только те поры в породе, по которым происходит фильтрация свободной воды, наблюдаемая в приборах для измерения проницаемости породы.

Кроме этих пор в породе имеются поры малого размера и микропоры (микротрещины), в которых вода находится в различной степени связи с поверхностью породы. Эта вода не участвует в фильтрации при измерении проницаемости. При завершении условно-мгновенной деформации наступает время упругого последействия, которое будет определяться процессом истечения жидкости из пор данного образца.

Поэтому, ссылаясь на работы Л.И. Орлова, Е.А. Поляков делает заключение, что «…опыт изучения образцов при высоких давлениях показывает, что длительность деформации упругого последействия может быть и значительно большей – до 20 часов. По-видимому, это объясняется тем, что наибольший вклад в длительность последействия вносит процесс выравнивания поля давления в микропорах и микротрещинах, происходящий путем истечения из них жидкости». Таким образом, «…для каждого типа пород следует экспериментально находить время завершения упругого последействия, кроме того, ускорение процесса изучения физических свойств образцов не представляется возможным» [3].

В результате экспериментального определения зависимости Δк_п от скорости нагружения образца (где Δк_п=(к_п^ист - к_п^стаб.)/к_п^ист) можно сделать вывод о том, что эксперимент по изучению физических свойств пород — коллекторов, представленных полимиктовыми песчаниками и алевролитами со средней пористостью 17,5% (11-23%), следует проводить со скоростью нагружения 0,19*10^-3с^-1((0,11-0,48)*10^-3с^-1).

Выделим основные аспекты методики определения истинной пористости полимиктовых песчаников и алевролитов со средней пористостью 17,5% (11-23%):

1. Для работы нужно использовать керн цилиндрической формы длиной 30 мм и диаметром 28-30 мм, прошедший стандартные этапы подготовки к эксперименту.
2. После отбора и подготовки коллекции керн необходимо исследовать на установке при одновременном действии осевого и бокового давлений , так как при этом создается имитация напряженного состояния, которое он испытывал в естественных условиях.
3. Действующая нагрузка должна изменяться циклически, где каждый цикл разбит на определенное число ступеней. Необходимое количество циклов – пять.
4. Опыт рекомендуем проводить со скоростью нагружения на каждой ступени 0,19*10^-3с^-1.
5. Истинное значение пористости следует рассчитывать по объему вытесненной жидкости.

Используя описанную методику определения истинного значения пористости на полимиктовых песчаниках и алевролитах со средней пористостью 17,5% (11-23%), нами установлено, что полученное таким образом значение меньше пористости по Преображенскому на 1-4% абсолютных единиц [4].

Кроме того, известно, что сам процесс разработки залежи происходит с понижением пластового давления до 10 МПа, приводящим к оттоку поровых вод и уменьшению их давления во вмещающих глинистых породах, способствующих уплотнению осадочных пород, а следовательно, изменению пористости. Поэтому при учете в постановке эксперимента понижения пластового давления на 10 МПа нами установлено, что действительное значение пористости образцов, определенное по предложенной методике, меньше значения пористости по методике Преображенского уже на 1-6% абсолютных единиц [5,6].

Таким образом, предложенная методика позволит оценить поправку пористости, которую необходимо вносить при использовании традиционного значения пористости для подсчета запасов, интерпретации геофизических данных, выбора проекта разработки нефтяных месторождений.

Литература

1. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород. Гостоптехиздат.- 1960.
2. Добрынин В.Д. Физические свойства нефтегазовых коллекторов в глубоких скважинах.- М.: Недра.- 1965.- 161 с.
3. Поляков Е.А. Методика изучения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра.- 1981.-180 с.
4. Морева Е.В, Быков В.В. Изменение пористости гранулярных пород коллекторов при всестороннем изотермическом сжатии.// Основные направления научно-исследовательских работ в нефтяной промышленности Западной Сибири. Тюмень.- СибНИИНП.- 2000.- С. 24-28.
5. Питкевич В.Т., Морева Е.В., Семенов В.В. Использование данных о механических свойствах пород – коллекторов месторождений ХМАО с целью эффективной разработки и эксплуатации.// Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО. -Ханты-Мансийск. –2000.-С.342-345.
6. Морева Е.В., Питкевич В.Т., Голик С.О., Морев А.В. Использование петрофизических методов исследования керна для решения проблем контроля за разработкой нефтяных месторождений. // Тезисы докладов Международной Геофизической Конференции.- Санкт-Петербург.- 2000.-С. 397-398.