Полный текст

Введение Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) после открытия в 1946 г. нашло широкое применение в различных областях науки и практики, в том числе в нефтегазовой геологии при изучении петрофизических характеристик продуктивных отложений. Физические основы метода подробно описаны в работе [1]. ЯМР является неразрушающим методом исследования горных пород, который позволяет определять различные петрофизические характеристики продуктивных отложений: пористость, остаточная водонасыщенность, структура пустотного пространства, смачиваемость и другие [1-12]. Его применение в комплексе лабораторных исследований керна дает возможность получить дополнительную, а иногда и уникальную, информацию о свойствах горных пород. В работе на примере керна терригенных отложений одного из месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции показана интерпретация данных ЯМР в рамках петрофизических исследований: определены коэффициенты пористости и остаточной водонасыщенности, предложены подходы к оценке характера распределения остаточной воды в пустотном пространстве, определения размеров пор, а также изучено влияние смачиваемости на результаты ЯМР-исследований. Характеристика объекта исследования. Используемые данные Объектом исследования является керн эйфельских D2ef и старооскольских D2st продуктивных отложений, отобранный из скважин одного из месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции (Республика Коми). Отложения представлены кварцевыми мелко-, средне-мелко-, крупно-средне- и разнозернистыми песчаниками, преимущественно слабоглинистыми и кварцевыми разнозернистыми алевролитами. ЯМР-исследования проведены на 38 образцах керна стандартного размера. Перед исследованиями образцы были проэкстрагированы и высушены согласно ГОСТ 26450.0-85 [13]. В результате исследований получены распределения ЯМР-пористости по временам поперечной релаксации Т2 на полностью насыщенных моделью пластовой воды образцах и при остаточной водонасыщенности, которая была создана путем вытеснения воды газом в групповом капилляриметре согласно ОСТ 39-204-86 [14]. Помимо этого, на образцах проведены стандартный комплекс исследований керна (определены коэффициенты открытой пористости и абсолютной газопроницаемости), капилляриметрические исследования в системе «газ - вода» и на части образцов определена смачиваемость поровой поверхности согласно ОСТ 39-180-85 [15]. Также для анализа привлечены данные микроописания петрографических шлифов, отобранных из мест выпиливания образцов, и литологическое макроописание керна. Коэффициент открытой пористости изучаемых пород изменяется от 9,16 до 27,92 %, составляя в среднем 20,09 %, коэффициент абсолютной газопроницаемости варьировался от 0,567 до 7427,000 мД, среднее геометрическое - 289,183 мД. По своим фильтрационно-емкостным свойствам (ФЕС) изучаемые отложения относятся к коллекторам порового типа (рис. 1). Определение коэффициента пористости методом ЯМР Определение коэффициента пористости является одной из главных задач ЯМР-исследований [16]. Считается, что метод ЯМР позволяет оценить общую пористость горных пород, результаты определения которой не зависят от литологических особенностей отложений [17]. Однако при проведении ЯМР-исследований необходимо учитывать значение водородного индекса насыщающей породу жидкости [18]. Рис. 1. Зависимость коэффициента абсолютной газопроницаемости от коэффициента открытой пористости Рис. 2. Сопоставление коэффициентов пористости, определенных методами ЯМР и жидкостенасыщения На рис. 2 представлено сопоставление коэффициентов пористости, определенных методами ЯМР и жидкостенасыщения (согласно ГОСТ 26450.1-85 [19]). Наблюдается хорошая сходимость полученных данных. Результаты литолого-петрографических исследований показывают, что изучаемые отложения в большинстве своем характеризуются минимальным содержанием глинистой фракции, в связи с чем данные определения пористости двумя методами сопоставимы. Опыт изучения терригенных пород показывает, что для образцов с повышенным содержанием пелитовых частиц наблюдается превышение значений пористости, определенных методом ЯМР, над значениями, полученными методом жидкостенасыщения, что обусловлено наличием глинисто-связанной воды, которая не удаляется во время сушки [20, 21]. Оценка размера пор, слагающих пустотное пространство Метод ЯМР является одним из методов исследования структуры пустотного пространства горных пород. При выполнении ЯМР-исследований, как правило, измеряют времена поперечной релаксации Т2 ввиду сокращения временных затрат. В случае полного заполнения образца керна одним флюидом и отсутствии градиента магнитного поля время поперечной релаксации отдельной поры определяется выражением [16]: (1) где T2 - наблюдаемое время релаксации, мс; ρ2 - релаксационная активность породы для поперечной релаксации, мкм/мс; S/V - отношение площади поры к ее объему (удельная поверхность), мкм2/мкм3; Т2св - время поперечной релаксации насыщающего породу флюида в свободном объеме, мс. Вторым слагаемым в правой части вышеприведенного уравнения обычно пренебрегают в связи с тем, что его вклад является незначительным [16, 22, 23]. Релаксационная активность породы представляет собой параметр, характеризующий способность поровой поверхности породы влиять на релаксацию насыщающего пустотное пространство флюида и зависящий от минералогического состава породы, а также от типа флюида [24, 25]. Различие в оценках данного параметра достаточно велико: D. Chang и др. [26] предлагают использовать значение 0,005 мкм/мс для карбонатных пород и 0,015 мкм/мс для песчаников; В.А. Мурцовкин на основе мультирешеточной капиллярной модели для песчаников продуктивных отложений Западной Сибири получил значения релаксационной активности в диапазоне 0,0076-0,083 мкм/мс [27]; по данным М.Й. Шумскайте [23], для терригенных пород Западной Сибири значения релаксационной активности изменяются в диапазоне от 0,004 до 0,059 мкм/мс; А.С. Денисенко [22] для терригенных и карбонатных пород приводит следующие диапазоны изменения данной характеристики - 0,05-0,3 и 0,01-0,05 мкм/мс соответственно. Оценка величины релаксационной активности связана со сложностью определения удельной поверхности породы. «Прямых» методов измерения удельной поверхности несколько [28], наиболее распространенным из которых является метод изотерм адсорбции паров (расчет по методу Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ)). Также оценка удельной поверхности возможна по данным капилляриметрических исследований, имидж-анализа петрографических шлифов и гранулометрического анализа, при этом используются упрощенные модели строения пустотного пространства горных пород. P.B. Basan et al. [29] отмечают, что величина релаксационной активности существенно зависит от используемого метода определения удельной поверхности породы: так, различия в значениях релаксационной активности могут достигать трех порядков при сопоставлении методов имидж-анализа и БЭТ. Для «настройки» метода ЯМР (определения релаксационной активности), как правило, используют результаты капилляриметрических исследований либо имидж-анализа шлифов [22, 30]. При этом многие исследователи отмечают, что ЯМР позволяет оценить размер пор [22, 31-33], а не соединяющих их поровых каналов, определение размера которых является задачей капилляриметрических исследований. Соответственно, настраивать данные ЯМР по результатам капилляриметрических исследований не всегда корректно. Для оценки удельной поверхности можно воспользоваться следующим выражением, представляющим собой один из вариантов уравнения Козени - Кармана [34]: (2) где Sуд - удельная поверхность, м2/м3; Кп - коэффициент пористости, доли ед.; Кпр - коэффициент проницаемости, м2. Стоит отметить, что данное уравнение выведено теоретически для модели пористой среды с цилиндрическими поровыми каналами. Также необходимо указать, что рассчитанная по данному уравнению величина является удельной поверхностью именно фильтрующих каналов и при значительном содержании глинистых частиц не отражает полную удельную поверхность горной породы в связи с тем, что огромная поверхность мелких пор, расположенных между пелитовыми частицами, не участвует в процессе фильтрации [35]. Так как исследуемые в данной работе образцы керна по своей литологической характеристике не являются глинистыми, то использование данного уравнения для приблизительной оценки удельной поверхности является вполне правомерным. В результате применения уравнения (2) для всех образцов было рассчитано значение удельной поверхности: для песчаников ее величина изменяется в пределах от 0,036 до 0,452 мкм2/мкм3, а для алевролитов - от 0,419 до 1,408 мкм2/мкм3. Для оценки релаксационной активности будем полагать, что в пределах образца для всех групп пор ее величина остается постоянной. Для i-й группы пор (одинакового размера) уравнение (1) принимает следующий вид (без второго слагаемого в правой части): (3) Переписав уравнение (3) относительно удельной поверхности, получаем: (4) Общую удельную поверхность можно выразить через ЯМР-пористость следующим образом: (5) где Кпi - пористость i-й группы пор, доли ед.; Кп - пористость образца, доли ед. Подставляя уравнение (4) в уравнение (5) и решая его относительно релаксационной активности, получаем: (6) В уравнении (6) значение удельной поверхности определяется по данным определения коэффициентов пористости и проницаемости, исходя из уравнения (2), остальные параметры получаются из результатов ЯМР-исследований. В результате расчетов для всех образцов были определены значения релаксационной активности, которые варьируются в пределах от 0,033 до 0,635 мкм/мс, составляя в среднем 0,174 мкм/мс. Так как при расчете удельной поверхности пустотное пространство принималось в виде пучка капиллярных трубок (уравнение (2)), то удельную поверхность можно выразить через радиус капилляра, и для перехода от времен релаксации к радиусу пор уравнение (3) можно записать в следующем виде: (7) где Ri - радиус пор i-й группы, мкм. В результате расчетов для всех образцов были построены распределения пор по размерам. Порядок размера пор сопоставим с данными петрографического описания шлифов, и их размер больше размера поровых каналов, определенных в результате капилляриметрических исследований. В качестве примера на рис. 3 представлено сопоставление распределений поровых каналов и пор для одного из исследуемых образцов: видно, что распределения имеют схожий вид, однако радиус пор на порядок больше радиуса соединяющих их каналов. Также в результате исследований была установлена достаточно тесная связь между средневзвешенным радиусом поровых каналов, определяемым по данным капилляриметрических исследований, и среднелогарифмическим значением радиусов пор (рис. 4), который рассчитывается из уравнения (7), где вместо T2i подставляется Т2logmean (среднелогарифмическое значение времен поперечной релаксации), определяемое по формуле [36]: (8) где T2logmean - среднелогарифмическое значение времен поперечной релаксации, мс; Кпi - i-я пористость, доли ед., соответствующая i-му значению Т2i, мс. Наличие данной связи обосновывает возможность использования так называемой «гантельной» модели [37] при описании пустотного пространства изучаемых отложений. Рис. 3. Сопоставление распределений радиусов поровых каналов и пор образца керна Рис. 4. Связь между средним радиусом пор (ЯМР) и средним радиусом поровых каналов (капилляриметрия) Рис. 5. Распределения ЯМР-пористости по временам поперечной релаксации Т2 при полном и остаточном водонасыщении образца керна Рис. 6. Зависимость содержания пленочной воды в общем объеме пустотного пространства от удельной поверхности Определение величины и характера распределения остаточной водонасыщенности Для определения значений коэффициента остаточной водонасыщенности по данным ЯМР использован метод граничной отсечки, суть которого сводится к нахождению граничного значения времени поперечной релаксации Т2гр, отделяющего свободную воду от связанной [16]. Для нахождения времени граничной отсечки проводятся два измерения времен поперечной релаксации: при полной водонасыщенности и при остаточном водонасыщении, которое в данной работе было достигнуто методом полупроницаемой мембраны [14]. Полученные значения граничных отсечек варьируются в диапазоне от 19,076 до 631,227 мс, составляя в среднем 119,936 мс. Величина коэффициента остаточной водонасыщенности для изучаемых пород по данным ЯМР варьируется от 2,16 до 77,23 %, среднее значение равняется 20,67 %. Совместный анализ распределений пористости по временам поперечной релаксации Т2 при полном и частичном (остаточном) водонасыщении образца позволяет получить дополнительную информацию о распределении остаточной водонасыщенности в пустотном пространстве горных пород. При капилляриметрических исследованиях не вытесненная газом вода удерживается силами поверхностного натяжения в тонких капиллярах, полностью заполняя их, а также в виде пленок на стенках и в углах крупных пор [35]. Повышение значений ЯМР-пористости в области малых времен релаксации при остаточном водонасыщении по сравнению со значениями при полном насыщении указывает на формирование тонкой пленки остаточной воды на стенках и в углах пор [38]. На рис. 5 в качестве примера приведены распределения ЯМР-пористости по временам поперечной релаксации Т2 при полном и остаточном водонасыщении одного из исследуемых образцов керна: в области времен релаксации от 5 до 30 мс наблюдается значительное превышение ЯМР-пористости при остаточном водонасыщении над значениями при полной водонасыщенности, что обусловлено образованием пленки воды при ее вытеснении воздухом из крупных пор. Для всех образцов был рассчитан объем воды, находящейся в виде пленки на стенках и в углах пор. Содержание данного вида воды от общего объема остаточной воды для песчаников изменяется от 22,23 до 75,27 %, составляя в среднем 41,98 %, а для алевролитов варьируется от 1,72 до 8,19 %, среднее значение равняется 5,43 %. Видно, что для алевролитов преобладающим видом остаточной воды является капиллярно-удерживаемая. Также была рассчитана доля остаточной воды, находящейся в виде пленки на стенках и в углах пор, в общем объеме пустотного пространства. Ожидаемо, что ее содержание тесно связано с удельной поверхностью пор (рис. 6), при этом данные для песчаников и алевролитов аппроксимируются различными уравнениями. Влияние смачиваемости на результаты ЯМР-исследований Влияние смачиваемости поровой поверхности на результаты ЯМР-исследований горных пород впервые было показано в 1956 г. в публикации R.J.S. Brown и I. Fatt [39]. С тех пор различными исследователями разработано большое количество методик и индексов оценки смачиваемости продуктивных отложений по данным ЯМР-исследований [40-56]. Рассмотрим влияние смачиваемости на результаты определения времен поперечной релаксации при вытеснении воды из образца воздухом в процессе моделирования остаточной водонасыщенности. В случае полного насыщения образца керна водой время поперечной релаксации единичной поры определяется следующим выражением: (9) где Sп - площадь поры, мкм2; Vп - объем поры, мкм3. При вытеснении воды воздухом и достижении остаточной водонасыщенности время релаксации будет определяться выражением (10) где Sов - площадь поры, занятая остаточной водой, мкм2; Ков - коэффициент остаточной водонасыщенности, доли ед. Поделив уравнения (9) и (10) одно на другое, получим: (11) В случае гидрофильной поверхности пленка остаточной воды полностью покрывает поверхность поры, тогда Sов = Sп, и уравнение (11) может быть записано: (12) Интегральной характеристикой, комплексно оценивающей распределение времен поперечной релаксации, является среднелогарифмическое значение, определяемое выражением (8). С учетом уравнения (8) уравнение (12) принимает вид: (13) Уравнение (13) выведено теоретически, на практике экспериментальные данные аппроксимируются следующей функцией (заменим при этом отношение в левой части на T2n) [57]: (14) где T2n - нормализованное время поперечной релаксации (безразмерный параметр); a и b - эмпирические коэффициенты. Уравнение (14) по своей форме является аналогом уравнения Дахнова - Арчи [35], связывающее удельное электрическое сопротивление частично водонасыщенных пород с коэффициентом водонасыщенности (T2n - аналог параметра насыщения Pн, b - аналог показателя насыщения n). Однако строгие параллели между данными уравнениями проводить нельзя, так как физические процессы, лежащие в их основе, являются различными. Очевидно, что при прочих равных условиях образование тонких пленок в гидрофильной породе будет приводить к смещению среднелогарифмического значения времен поперечной релаксации при остаточном насыщении в область меньших значений (следовательно, уменьшению параметра T2n) по сравнению с гидрофобной, в которой вытеснение воды не сопровождается формированием остаточной пленки на поверхностях пор. При этом величина показателя степени b для гидрофильных пород будет характеризоваться более высокими значениями, чем для гидрофобных. Безусловно, на вид функции (14) будет влиять и структура пустотного пространства, так как времена поперечной релаксации пропорциональны размерам пор. Рис. 7. Зависимости нормализованного времени поперечной релаксации от коэффициента остаточной водонасыщенности На рис. 7 приведены зависимости нормализованного времени поперечной релаксации от коэффициента остаточной водонасыщенности для изучаемых терригенных отложений и карбонатных пород другого месторождения Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции: получены достаточно тесные связи. Показатель смачиваемости образцов исследуемых терригенных отложений, определенный согласно ОСТ 39-180-85 [15], изменяется от 0,37 до 0,99, составляя в среднем 0,82, что характеризует их в большинстве своем как гидрофильные породы. При сопоставлении образцов с близкими значениями остаточной водонасыщенности образцы, характеризующиеся более высокими значениями показателя смачиваемости, как правило, располагаются ниже (то есть величина Т2n меньше). Для образцов карбонатных отложений, приведенных на графике рис. 7, показатель смачиваемости варьируется от 0,03 до 0,92, составляя в среднем 0,42, что соответствует породам с промежуточной смачиваемостью. Видно, что в большинстве своем точки экспериментальных данных карбонатных пород располагаются выше изучаемых терригенных отложений, показатель степени при этом хотя и незначительно, но ниже (1,103 против 1,128). Заключение В результате проведенных исследований для изучаемых отложений определены коэффициенты пористости и остаточной водонасыщенности, построены распределения пор по размерам, а также оценен характер распределения остаточной воды, показано влияние смачиваемости на результаты ЯМР-исследований. Определение коэффициентов пористости и остаточной водонасыщенности (методом граничной отсечки) по данным ЯМР в практике петрофизических исследований продуктивных отложений является давно зарекомендовавшей себя и хорошо отработанной технологией. Предложенные автором в данной работе подходы к оценке характера распределения остаточной воды, размера пор и смачиваемости требуют апробации на других объектах и дальнейшего развития. Проведение ЯМР-исследований и их интерпретация в комплексе лабораторных работ по изучению керна показывают эффективность в определении петрофизических характеристик продуктивных отложений и дают дополнительную информацию, необходимую для петрофизического обеспечения геологического и гидродинамического моделирования залежей углеводородов.

Об авторах

А. В Разницын

ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг»

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 92

PDF (Russian) - 365

PDF (English) - 4

Ссылки

• Ссылки не определены.