Full Text

Введение Деформация коллекторов при добыче углеводородов приводит к снижению продуктивности скважин [1, 2]. Это связано со снижением порового давления относительно литостатического (горного) давления и увеличением эффективного давления [3-7]. Снижение пластового давления по мере истощения пласта способствует уменьшению противодавления весу вышележащих горных пород, что приводит к механическому уплотнению коллекторов и закрытию трещин [8-13]. Исследованиям проницаемости горных пород в зависимости от изменения эффективного давления посвящено большое количество научных работ [14-18], большинство этих работ основано на лабораторных исследованиях образцов горных пород [19-23]. Несмотря на использование реальных образцов керна, полученных из нефтяных и газовых скважин, все исследователи отмечают, что в условиях пласта проницаемость является более чувствительной к изменению давления, чем в лабораторных условиях, главной причиной этому является закрытие трещин при снижении пластового давления [24, 25]. Высокая чувствительность пористых коллекторов, в которых отсутствуют трещины, к снижению пластового давления не объясняется. В связи с этим целью данной работы является анализ и раскрытие причин ухудшения проницаемости пористых коллекторов при снижении пластового давления на основе сопоставления лабораторных исследований и полевых данных об изменении проницаемости, полученных по результатам гидродинамических исследований скважин (ГДИС). Задачей исследования является оценка пластической деформации порового коллектора и ее влияние на проницаемость. Для этого было сделано следующее: выполнен анализ методов прогнозирования изменения проницаемости от эффективного давления, результатов промысловых исследований изменения проницаемости на примере нефтяных месторождений Пермского края; проведены лабораторные исследования влияния эффективного давления на проницаемость керна. Анализ существующих методов оценки изменения проницаемости горных пород в зависимости от эффективного давления показал, что в большинстве случаев исследователи используют эмпирические зависимости, полученные путем аппроксимации экспериментальных данных [19, 25-28]. Аппроксимация результатов одинаково хорошо подходит для описания изменения проницаемости как в пористых, так и в трещиноватых средах [25, 29-31]. Наиболее распространенным уравнением, описывающим изменение проницаемости от эффективного давления, является степенной закон. (1) где k и ko - текущая и начальная проницаемость соответственно; ΔP - изменение пластового давления; А - эмпирический коэффициент; n - показатель степени, характеризующий интенсивность снижения проницаемости от изменения давления. Лабораторные методы исследования керна позволяют получить зависимость изменения проницаемости от эффективного давления, а также дают возможность в широком диапазоне изменять условия эксперимента. Однако, чтобы понять, что происходит с проницаемостью пласта в реальных условиях, исследований керна Таблица 1 Свойства нефтеносных пластов в районе исследуемых скважин Параметр Пласт C2b C1bb Порода Известняк Песчаник Проницаемость, мкм2·10-3 1-34 6-564 Пористость, % 9,7-16 7,6-18 Начальное пластовое давление, МПа 15,5-18,0 15,87-16,36 Толщина пласта, м 8,5-15,2 9,2-20,9 Глубина залегания пласта, m 1979-2167 2144-2353 A, МПа-¹ 0,4815 … 1,0265 0,8323 0,4116 … 0,843 0,6253 n 0,946 … 1,138 1,138 0,619 … 2,115 1,317 недостаточно, необходима сравнительная оценка результатов полевых и лабораторных исследований. Анализ результатов ГДИС В процессе добычи углеводородов коллекторские свойства подвергаются различным изменениям из-за снижения пластового давления, изменения фазовых проницаемостей, кольматации, органических и неорганических отложений и т.д. [32-35]. Наибольшим изменениям подвергается призабойная зона пласта (ПЗП). Обычно для оценки изменения проницаемости в результате деформации коллектора используются результаты лабораторных исследований керна. Однако этот метод имеет ряд недостатков, основными из которых являются неполное отражение пластовых неоднородностей и нарушение естественного напряженно-деформированного состояния при извлечении керна из скважины. В связи с этим для получения достоверной информации об изменении проницаемости пласта необходимо использовать данные ГДИС. В работе использованы данные по пластам C1bb и C2b месторождений Пермского края. Свойства пластов представлены в табл. 1. Нами проанализированы испытания скважин, проведенные в течение 23 лет в период с 1995 г. Анализировались результаты ГДИ скважин в начальный период эксплуатации, полученные методами установившегося режима течения и методами построения кривых восстановления давления и уровня. Для сравнительной оценки влияния изменения пластового давления на проницаемость данные исследования были нормированы - проницаемость приведена в безразмерном виде: k/ko - относительная проницаемость, k - проницаемость при снижении пластового давления dPп, ko - проницаемость при начальном пластовом давлении Po. Выполнен анализ исследований скважин, эксплуатирующих поровые карбонатные и терригенные коллекторы, в которых по результатам интерпретации ГДИ отсутствуют трещины. Кроме того, во избежание влияния относительной фазовой проницаемости учитывались следующие критерии выбора скважин: пластовое давление в районе скважины не должно опускаться ниже давления насыщения; обводненность не должна превышать 5 %. Отложения парафинов и солей в таких термобарических условиях маловероятно, поэтому ими можно пренебречь. В период наблюдения в скважинах не должно проводиться никаких мероприятий по интенсификации притока и увеличению нефтеотдачи. На основании указанных критериев выбраны 11 скважин, 6 из которых эксплуатируют карбонатный коллектор (C2b) и 5 скважин - терригенный коллектор (C1bb) одного из нефтяных месторождений Пермского края. Зависимости проницаемости от снижения пластового давления (dPп) показаны на рис. 1. Свойства исследуемых пластов и расчетные значения коэффициентов А и показателей n уравнения (1) показаны в табл. 1. Анализ результатов ГДИ показал значительное влияние снижения пластового давления на проницаемость пластов: при снижении пластового давления до 5 МПа проницаемость снижается более чем на 80 %. Установлено, что проницаемость карбонатного пласта C2b с высокой точностью описывается степенным уравнением (1). В окрестностях всех выбранных скважин проницаемость карбонатного пласта и его чувствительность к изменению пластового давления почти одинаковая, что обусловлено малым различием в проницаемости - от 1·10-3 до 34·10-3 мкм2 (см. табл. 1). Анализ результатов ГДИ скважин, эксплуатирующих терригенный пласт C1bb, показал, что его проницаемость также ухудшается по степенной зависимости (1) при снижении пластового давления. В окрестностях скважин № 1 и 5 (см. рис. 1, б) пласт имеет наибольшую начальную проницаемость, ее снижение максимально и составляет более 90 %. В окрестностях скважин № 2, 3 и 4 пласт C1bb имеет меньшую начальную проницаемость и чувствительность к снижению пластового давления. Лабораторные исследования керна Для сравнительного анализа выполнены лабораторные исследования керна из скважин, пробуренных на объектах C1bb и C2b рассматриваемого месторождения. Свойства образцов керна указаны в табл. 2. Очищенные и сухие образцы керна стандартного размера диаметром 30 мм и длиной 30 мм фильтровались с применением азота на установке UltraPoroPerm-500 (CoreLab Instruments, США). Процедура проведения фильтрационных исследований заключалась в следующем: 1. Перед началом исследований керн помещался в кернодержатель, в котором при помощи ручного насоса создавалось начальное давление обжима - 2,76 МПа. Для релаксации напряжений керн выдерживался при начальном давлении в течение 10 мин, результаты исследований показали, что этого времени достаточно для полной стабилизации деформаций. 2. Определение проницаемости путем закачки чистого азота. Азот прокачивался через образец с расходом не более 1 мл/с для поддержания линейного режима течения. 3. Изменение порового давления моделировалось путем изменения давления обжима керна в кернодержателе. Во время закачки азота давление обжима ступенчато увеличивалось с 2,76 до 13,8 МПа, а затем обратно снижалось до 2,76 с шагом 2,76 МПа. Выбранное максимальное давление обжима позволяет оценить влияние только упругих деформаций. а б Рис. 1. Влияние снижения пластового давления (dPп) на проницаемость карбонатных (а) и терригенных (б) коллекторов а б Рис. 2. Влияние давления обжима на проницаемость образцов известняка (а) и песчаника (б) Таблица 2 Свойства образцов керна Параметр Свойства образцов керна Среднее значение Порода Известняк № образца 1 2 3 4 5 6 Абсолютная проницаемость, мкм²·10-³ 384 34 15 156 107 42 122,9 Пористость, % 14,14 14,79 10,11 14,97 13,51 15,63 13,86 A, МПа-¹ 1,038 1,034 1,034 1,026 1,025 1,021 1,030 n 0,038 0,033 0,032 0,027 0,023 0,019 0,029 Порода Песчаник Среднее значение № образца 7 8 9 10 12 11 Абсолютная проницаемость, мкм²·10-³ 427,5 117,4 6,3 13,2 41,5 27,8 105,6 Пористость, % 15,19 15,19 11,08 11,58 9,69 7,60 11,72 A, МПа-¹ 1,125 1,135 1,119 1,085 1,014 1,036 1,086 n 0,130 0,121 0,107 0,077 0,013 0,038 0,081 Азот прокачивался с постоянным расходом для минимизации влияния эффекта проскальзывания на результаты исследований. 4. Данные с расходомера и датчиков давления записывались на компьютере установки с шагом одно измерение в секунду и определялись значения мгновенной проницаемости. 5. По результатам исследований построены графики зависимостей проницаемости образцов керна от давления обжима (рис. 2). Анализ результатов лабораторных исследований показал, что зависимости проницаемости образцов известняка и песчаника при чисто упругих деформациях с высокой точностью описываются степенными уравнениями (1), расчетные коэффициенты и показатели уравнений представлены в табл. 2. Независимо от типа породы, наибольшее снижение проницаемости наблюдается в высокопроницаемых образцах и составляет 6 % и 20 % для известняков и песчаников соответственно. Несмотря на широкий диапазон проницаемости выбранных образцов, расчетные значения коэффициента А уравнения (1) во всех образцах обладают низкой дисперсией и равны от 1,021 до 1,038 МПа-1 у известняков и от 1,014 до 1,135 МПа-1 у песчаников. Показатель n степенного уравнения (1), характеризующий чувствительность пород к изменению порового давления, у известняков в среднем составляет 0,029 и изменяется в пределах от 0,019 до 0,038, у песчаников значение n равно от 1,014 до 1,135 при среднем 0,081. Исследованным образцам песчаника из-за их крупнозернистой структуры свойственна более высокая чувствительность проницаемости к нагружению, чем у мелкокристаллических известняков при чисто упругих деформациях. Обсуждение результатов и моделирование В условиях залежи при снижении пластового давления возникают упругие и пластические деформации. В результате пластических деформаций происходит уплотнение коллекторов и безвозвратная потеря продуктивности скважин. Деформация горных пород и изменение пористости под воздействием внешней нагрузки могут быть описаны реологическими моделями, включающими в себя упругие, пластичные и ползучие элементы [36]. Поскольку проницаемость напрямую зависит от пористости, то ее изменение при нагружении можно представить в виде двухсоставной модели Гука (Two-Part Hook Model - TPHM) [37], на основе которой нами предложена реологической модель проницаемости (рис. 3), которая состоит из упругих и вязких элементов. В модели гетерогенный пласт, состоящий из n пластов, представлен последовательно соединенными пропластками, каждый из которых состоит из параллельно соединенных упругих и пластических элементов (см. рис. 3). Каждый пропласток обладает своими фильтрационными и механическими свойствами, которые взаимосвязаны между собой. Наиболее проницаемые пропластки обладают большей пористостью и меньшей прочностью и наоборот. Упругие и пластические свойства пород зависят от размеров зерен, количества цемента и их минеральных составов. Упругий элемент показывает изменение проницаемости от нагрузки, вызванное упругими деформациями минеральных зерен. Упругие деформации обратимы и вносят незначительный вклад в общее изменение проницаемости пропластка. Влияние упругой деформации на проницаемость описывается степенным уравнением (1), а значения коэффициентов и показателей степени для пластов определены по результатам лабораторных исследований керна. Главной задачей при контроле за разработкой месторождения является оценка необратимых деформаций пласта. Пластические деформации возникают, когда снижение пластового давления превышает предел текучести породы, происходит закрытие трещин, смятие пористых пород. Пластические деформации приводят к необратимому снижению проницаемости пропластков. Вклад пластических деформаций в общее снижение проницаемости значителен, однако в пористой среде Рис. 3. Реологическая модель неоднородного пласта Рис. 4. Схема возникновения деформационных полос в призабойной зоне неоднородного пласта при снижении пластового давления и их влияние на потоки пластового флюида пластическая деформация происходит неравномерно и в первую очередь смятие возникает в наиболее пористых и продуктивных пропластках (рис. 4), а общее смещение деформации локализуется в узких деформационных полосах, при этом основная часть пористой среды продолжает испытывать только упругие деформации. Несмотря на то, что фильтрационные характеристики основной части пористой среды остаются почти неизменными, общая проницаемость пласта снижается из-за наличия деформационных полос, которые выступают в роли низкопроницаемых барьеров фильтрации между пропластками. О подобном механизме уплотнения пористых сред свидетельствуют экспериментальные исследования [38], а также тот факт, что деформационные полосы можно наблюдать на поверхностных обнажениях горных пород по всему миру. Деформационные полосы не единичны и образуют кластеры, ширина которых может варьироваться от нескольких сантиметров до десятков метров [39]. Ширина кластеров деформационных полос зависит от масштаба перемещений, деформационные полосы с большей шириной образуются во время тектонических сдвигов, землетрясений. В продуктивных пластах снижение пластового давления редко приводит к большому смещению пород, а следовательно, ширина деформационных полос незначительная. Несмотря на малые размеры полос, их появление существенно сказывается на фильтрационных свойствах пласта. Зоны пласта с уплотнениями являются барьерами для фильтрации, а растрескивание породы приводит к образованию мелкого обломочного материала, который, мигрируя совместно с флюидом, формирует внутреннюю фильтрационную корку. В отличие от деформационных полос, наблюдаемых на поверхностных отложениях, которые образовались задолго до выхода горных пород на поверхность и за длительное время успели стать непроницаемым барьером, вновь образованные деформационные полосы не обладают высокой прочностью и не способствуют полному прекращению фильтрации [40]. Для учета влияния образования деформационных полос на проницаемость воспользуемся следующим упрощением: деформирование пласта происходит за счет вертикальной нагрузки. Локализация деформации происходит посередине однородного пропластка и сокращает его эффективную толщину в два раза, что также приводит к снижению интегральной проницаемости, определяемой по ГДИ, в два раза. Образование последующих деформационных полос будет также снижать эффективную толщину пласта в два раза, таким образом, изменение эффективной толщины пласта будет уменьшаться по степенной зависимости с показателем степени n равным 2, и таким же образом должна меняться проницаемость, определяемая по ГДИ. Однако, как показал анализ результатов ГДИ, показатель n степенного уравнения (1) в редких случаях превышает 2 и наблюдается только в высокопроницаемых песчаниках (см. табл. 1). В условиях пласта меньшее значение показателя степени n обусловлено тем, что деформационные полосы хоть и являются барьерами, но не полностью блокируют фильтрацию и обладают некоторой проницаемостью, которая зависит от двух факторов: 1) уплотнения - уменьшение проходного сечения поровых каналов. Степень уплотнения пористых сред зависит от величины прикладываемой нагрузки и снижения пластового давления; 2) миграции коллоидных частиц [41, 42] - при деформации пористой среды образуется мелкий обломочный материал, который мигрирует совместно с потоком пластового флюида и блокирует поры. Учет влияния уплотнения и миграции коллоидных частиц на проницаемость деформационных швов - сложная задача и сложно учитываемая применительно к условиям скважины, так как наличие деформационных полос и их геометрические размеры неизвестны, а судить о их наличии возможно, только зная механизм деформации пористых сред. Однако известно [43], что проницаемость имеет степенную зависимость от миграции коллоидов. Таким образом, учитывая универсальность степенного закона [44] и то, что аппроксимация зависимостей проницаемости от изменения пластового давления по результатам ГДИ с высокой точностью описывается уравнением (1), реологическую модель проницаемости можно представить в виде уравнения: (2) где k и ko - текущая и начальная проницаемость соответственно; ΔP - изменение пластового давления; А, B и C - эмпирические коэффициенты; n и m - показатели степени, характеризующие интенсивность снижения проницаемости от изменения давления. А и n характеризуют упругие деформации, их значения определены по результатам лабораторных исследований керна (см. табл. 2). Значения B и m показывают влияние пластических деформаций на общую проницаемость пласта, по их величине можно судить о степени ухудшения проницаемости пласта вследствие пластических деформаций. С - это жесткость пласта, характеризует остаточную проницаемость при полном снижении пластового давления (рис. 5). Анализ расчетных коэффициентов и показателей разработанной модели (2) показал, что на показатель m, характеризующий вероятность возникновения деформационных полос в пласте, оказывает влияние его толщина. При большей толщине деформация пласта вызывает большие смещения пород, в результате которых в пластах возникают значительные тангенциальные напряжения, которые приводят к образованию поперечных полос деформации (рис. 6), оказывающих максимальное влияние на продуктивность пласта. Выводы и практическое применение результатов исследования Проведен сравнительный анализ результатов лабораторных и полевых исследований влияния давления на проницаемость терригенных и карбонатных пород. Раскрыт механизм ухудшения проницаемости продуктивных пластов при снижении пластового давления, на основании которого предложена модель, учитывающая упругие и пластические деформации пористых коллекторов. Установлено, что высокопроницаемые пласты больше всего подвержены пластическим деформациям с образованием деформационных полос. В пластах с большей толщиной вероятность снижения проницаемости при падении пластового давления повышается, что связано с образованием поперечных деформационных полос. Деформация коллекторов является необратимым процессом, в результате которого фильтрационные характеристики пласта снижаются. Образование воронки депрессии и падение пластового давления в процессе добычи углеводородного сырья неизбежно, а следовательно, предотвратить деформирование продуктивного пласта в пределах призабойной зоны пласта невозможно. Попытки восстановить продуктивность скважин с деформированным пластом путем применения традиционных методов, таких как кислотная обработка, могут оказаться неэффективными. При закачке кислоты увеличение продуктивности скважины происходит за счет формирования высокопроводящих каналов, однако эти каналы образуются по пути фильтрации кислоты в направлениях с наименьшим сопротивлением. Наличие деформационных полос препятствует проникновению через них кислоты и снижает охват пласта обработкой. Тем не менее понимание природы Рис. 5. Влияние толщин пластов на показатель степени m уравнения (2) Рис. 6. Схематическое изображение влияния толщины пласта на плотность вертикальных трещин снижения продуктивности ПЗП позволяет сформировать программу по восстановлению продуктивности скважин. Наличие деформационных процессов в пластах должно учитываться при проведении обработок ПЗП. С учетом наличия деформаций в пластах и зон уплотнения наиболее предпочтительными методами воздействия на ПЗП являются: кислотные обработки с одновременным импульсным воздействием, термогазохимические методы воздействия (пороховые заряды, бинарные смеси и т.д.). Перед применением подобных обработок пластовое давление должно быть восстановлено до величин, близких к начальному пластовому давлению, в противном случае влияние импульсного воздействия приведет к еще большему уплотнению пород пласта и снижению продуктивности скважины.

About the authors

E. V. Kozhevnikov

Perm National Research Polytechnic University

M. S. Turbakov

Perm National Research Polytechnic University

E. P. Riabokon

Perm National Research Polytechnic University

E. A. Gladkikh

Perm National Research Polytechnic University

M. A. Guzev

Perm National Research Polytechnic University

Qi Chengzhi

Beijing University of Civil Engineering and Architecture

References

Statistics

Views

Abstract - 68

PDF (Russian) - 30

PDF (English) - 35

Refbacks

• There are currently no refbacks.