Лабораторная работа №6

Тема: 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

Теоритическая часть:

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 называетсявлагоемкостью; 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 иV_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, имееткапиллярно-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.ов 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.₀прямым 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.0воды, выделенной из образца, а затем, зная объем образца и коэффициент пористости к_п, вычисляютV_nи 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.₀при 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 значениеk_в.o.npбудет 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_вовыполняют 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.

Необходимая аппаратура и принадлежности

4

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

Рис. 3.1. Аппарат Закса

Описание аппаратуры

Аппарат Закса (рис. 3.1) состоит из колбы (4), стеклянной ловушки (2), калиброванной но 10 см³, стеклянного холодильника 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.оразличаются 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.ометодом 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 Δр, вытесняющая фаза) коэффициента водонасыщения к_в.о. Величину Δр выбирают в соответствии с размером пор мембраны, т.е. несколько меньшим значения Δр_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= 2аcosO/(Δр), (2)

где Δр - создаваемый максимальный перепад давления на образце; а - поверхностное натяжение на границе воздух - вода. Значение берут в пределах 0<O<45°, чаще полагаютO=0. Величину к_в.овычисляют по формулеk_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_ввыти текущего коэффициента остаточного водонасыщения к_в.о.тек. Результаты опыта изображают графически в виде зависимостиk_B.0=f(Δp), где Δр=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 кривойp_n=f( Δр) 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.орассчитывают по формуле:

k_B.0 = 1 –( (m₂–m₁)δ_в/ (m₂–m₁)(δ_в - δ_н) (1)

где m₁,m₂,m₃- соответственно массы образца сухого, насыщенного водой и после завершения опыта; 8_Ви 8_Нплотности 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 Δр_mахв капилляриметрическом способе определения к_воподбирают для изучаемого геологического объекта или группы объектов таким, чтобы значения к_в.опо 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.опрямым методом хотя бы для одной скважины, пробуренной на изучаемом месторождении или группе месторождений. Применяемые в настоящее время полупроницаемые мембраны и соответствующие им давления Δр_к.mахобеспечивают 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_кв поровых каналах образца:

р_к =l,8n²Δδ(3RL + L²)-10^-10

где n- частота вращения ротора центрифуги,^мин-1; Δδ – разность плотностей воды и вытесняющей фазы (если это воздух, то Δδ=δ_В), г/см³;RиL- 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 значениямk_ls.₀на 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.ометодом 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^-15м² обычно используют п < 4000 мин"¹при времени вращения до 30 мин. С уменьшением к_првремя 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.0рассчитывают 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 определенияk_B.0.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте понятие остаточной воды коллектора и объясните его связь с нефтегазонасыщением пород.

2. Назовите виды связанной воды. Какие факторы являются определяющими в процессе формирования слоев связанной воды пород.

3. Назовите достоинства и недостатки косвенных методов оценки остаточного водонасыщения.

4. Назовите виды воды, насыщающей поровое пространство горной породы.

5. Какую воду относя к остаточной воде? Дайте определения каждаму виду этой воды.

6. Какими факторами обусловлена неподвижность воды в поровом пространстве горной породы.