Применение фильтрационных исследований для изучения технологий разработки месторождений нетрадиционных коллекторов и трудноизвлекаемых запасов нефти

Полный текст

Методы проведения исследований В настоящее время определение коэффициента вытеснения путем проведения фильтрационного эксперимента регламентируется ОСТ 39-195-86. Нефть. Метод определения коэффициента нефти водой в лабораторных условиях (Стандарт), согласно которому определение коэффициента вытеснения производится на насыщенном керосином керне, предварительно полностью проэкстрагированном и высушенном [1]. Цель данной работы - определение недостатков Стандарта и составление рекомендаций по его изменению, для чего авторами было проведено несколько десятков экспериментов, в том числе для улучшения существующей нормативно-технической документации. Согласно Стандарту восстановление смачиваемости производится в течение 16-24 ч. Исследованиями, выполненными группой авторов в 2012 г. [2], установлено, что данный период достаточен для восстановления смачиваемости, так как значительное изменение смачиваемости происходит в первые 24 ч при пластовых условиях, а дальнейшее увеличение времени выдержки образцов под давлением несущественно влияет на изменение смачиваемости. Однако группой исследователей [3] было установлено, что длительность «старения» керна должна составлять от нескольких недель до нескольких месяцев, или же необходимо применять методы «мягкой» экстракции с использованием таких растворителей, как гептан или алкан, которые не влияют на изменение поверхностных свойств породы, что дает основания для изменения стандарта [4], предусматривающего использование спирто-бензольной смеси или четыреххлористого углерода при экстрагировании. Хижняк Г.П. доказано, что применение неэкстрагированного керна для сохранения естественной смачиваемости только снижает достоверность определения коэффициента вытеснения, так как нефть, содержащаяся в породе, после длительного хранения теряет большинство легких углеводородов, и происходит процесс ее окисления. Кроме того, из-за испарения пластовой воды происходит осаждение кристаллов солей в поровом пространстве. В результате снижается динамическая пористость керна, увеличивается вязкость нефти. Это особенно важно при проведении исследований низкопроницаемого керна, в том числе доманиковых отложений, так как любые ухудшения фильтрационных свойств керна оказывают существенное влияние на результат эксперимента с керновым материалом по сравнению с традиционными коллекторами. Согласно Стандарту, при проведении фильтрационных исследований рекомендовалось использовать пластовую воду, либо ее модель. Однако при этом не учитывался тот факт, что вода, применяемая для заводнения нефтяных пластов, согласно действующим нормативно-техническим документам [5-14], может оказывать негативное влияние на конечный результат проводимого эксперимента, снижая динамическую пористость в результате кольматирования каналов фильтрации механическими примесями, частицами эмульгированной нефти, выпадением осадков солей и др. Все перечисленные факторы могут исказить результаты проведенного эксперимента или привести к неисправности используемого оборудования. В связи с этим необходимо изменить требования к используемой для проведения фильтрационных экспериментов модели воды. Также необходимо ужесточение требований к измерению температуры. Указанная в Стандарте погрешность в ±1 °С является довольно существенной для отдельных случаев изменения температуры в указанном диапазоне, что значительно влияет на вязкость нефти и, как следствие, на коэффициент ее вытеснения. К тому же современное оборудование позволяет поддерживать стабильную температуру с погрешностью ±0,1 °С. Уменьшение интервала погрешности температуры позволит улучшить воспроизводимость экспериментов по фильтрации флюидов. Предлагается изменение требований к материалам, из которых изготавливаются части оборудования, контактирующие с флюидами. В отличие от рекомендации Стандарта, в соответствии с которыми применялись медные трубки и трубки из сплава никеля, предложено исключить использование меди, так как данный металл, контактируя с углеводородами, окисляется с последующим выпадением окислов в осадок, которые, в свою очередь, могут заблокировать каналы фильтрации либо привести к неисправности оборудования. Любое изменение формы и путей фильтрации в низкопроницаемых кернах, в том числе и доманиковых, оказывает гораздо более существенное влияние на конечный результат, чем при использовании традиционных кернов. Также согласно Стандарту при температурах испытания более 75 °С рекомендовалось использовать термостойкую резину или сплав из нескольких металлов - олова, висмута и свинца. Однако данный сплав обладает достаточно низкой температурой плавления, в ряде случаев ниже температуры кипения воды. Использование низкотемпературного сплава при высокотемпературных экспериментах с вытеснением паром может привести к неисправности используемого оборудования. В Стандарте для исключения разрушения образцов в момент испытания и возникновения дополнительных пустот между испытуемыми образцами керна рекомендовалось использование фильтровальной бумаги между образцами в манжете, или заполнение пустот измельченной породой. Все вышесказанное также снижает качество проводимых экспериментов. Для этого дополнительно предлагается включить следующие требования по геометрической форме: · допустимое отклонение диаметра образца не более ±1 мм; · торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными боковой поверхности. Допустимое отклонение от плоскости ±0,05 мм, параллельности ±0,4 мм, перпендикулярности ±1 мм; · отсутствие сколов на торцах (не более 1,5 мм), каверн на боковой поверхности, видимых трещин. Были проведены эксперименты по определению коэффициента вытеснения на одинаковом керне с использованием нефти с разных скважин: первый опыт проводился с нефтью из той же скважины, что и керн, а второй опыт - с нефтью из другой скважины, но аналогичной по реологическим свойствам [15]. Конечные коэффициенты вытеснения сильно отличались. В связи с этим предлагается использовать при фильтрационных исследованиях образцы проб нефти из той же скважины, откуда был извлечен керновый материал. Необходимо пересмотреть постановку фильтрационного эксперимента в п. 4.12.3 Стандарта, в котором рекомендуется десятикратное увеличение скорости вытеснения. По мнению В.В. Колпакова и др. [16], составители Стандарта опирались на Д. Амикс и др., предложивших увеличение скорости фильтрации при использовании одного образца керна или короткой насыпной модели пласта, которые считали, что относительная проницаемость при высоких градиентах давления не зависит от градиента [17]. Другие авторы утверждали, что при высоком градиенте давления возникают большие скорости потока, в результате чего происходит отклонение от закона Дарси из-за появления инерционных эффектов [18]. Таким образом, Стандарт нуждается в доработке и актуализации постановки фильтрационного эксперимента. Дополнительно необходимо исключить из набора оборудования для фильтрационных экспериментов бюретки высокого давления и специальный жидкостный контейнер в связи с утратой актуальности перечисленного оборудования и внедрением автоматических регуляторов противодавления, которые позволяют исключить из системы измерения лишние единицы оборудования, тем самым снизив погрешность измерения. Для замены предлагается использовать мерные бюретки-сепараторы с ценой деления не более 0,2 мл; кроме того, рекомендуется применять ультразвуковые, оптические и другие автоматические сепараторы, исключающие человеческий фактор при измерении. Оборудование, используемое для проведения исследований Стандарт был разработан для исследований на установке УИПК-1М, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. Рис. 1. Принципиальная схема соединения узлов установки для определения коэффициента вытеснения нефти водой по ОСТ 39-195-86: КД - кернодержатель; К1-К6 - контейнеры жидкостные; М1-М4 - манометры образцовые; В1-В26 - вентили игольчатые; ВР - вентиль регулируемый; С - контейнер жидкостный специальный (или бюретка высокого давления); Л - мерная бюретка-сепаратор; ГСБ - газовый счетчик барабанный; III - пресс с регулируемым редуктором и реверсивным электродвигателем; П2 - пресс с реверсивным электродвигателем; Б - масляный бачок; Р1 - редуктор регулируемый; Р2 - редуктор; М - масло; К - керосин; Н - нефть; В - вода; А - азот; м - мотор; дм - дифманометр [Fig. 1. Schematic diagram of equipment units connection for determining the displacement of oil by water ratio in accordance with IST 39-195-86] Рис. 2. Принципиальная схема фильтрационной установки Vinci CFS-700 [Fig. 2. Schematic diagram of the Vinci CFS-700 filtration unit] К существенным недостаткам данной схемы относятся следующие: · все существующее оборудование аналогового типа, ручные краны; · отсутствуют такие важные элементы, как регулятор противодавления; · не предусмотрено термостабилизирование всей системы; · велико влияние человеческого фактора. На сегодняшний день все ведущие производители фильтрационных установок, как отечественные, так и зарубежные, используют схожую принципиальную схему построения оборудования для подобных экспериментов, но по сравнению с УИПК-1М оборудование автоматизировано и исключает большинство недостатков первых установок. На европейском рынке одним из лидирующих производителей является Vinci Technologies компаний и разработанный ими лабораторно-измерительный комплекс CFS-700 (рис. 2), предназначенный для проведения фильтрационных исследований с использованием образцов керна для обоснования данных при проектировании разработки месторождений. Комплекс позволяет проводить исследования таких параметров, как начальная фазовая проницаемость нефти, остаточная нефтенасыщенность, фазовая проницаемость по воде, коэффициент вытеснения нефти [19]. На американском рынке лидером в производстве петрофизического оборудования является Core Lab Instruments (рис. 3). Для проведения фильтрационных исследований компания производит автоматизированные фильтрационные системы для исследования пластовых условий заводнения c модульной компьютеризованной системой, сконфигурированной для исследования проницаемостей по жидкости, исследований по закачке химикатов и растворителей, а также тестирования относительной проницаемости жидкость/жидкость и жидкость/газ при нестационарном заводнении [20]. На отечественном рынке ведущей компанией в производстве оборудования для исследования керна является АО «Геологика». Установка для исследования керна для высокотемпературных исследований в кислотостойком исполнении ПИК-ОФП/ЭП-К-Т (рис. 4) может работать в автоматическом и ручном режимах и предназначена для проведения как стандартных, так и специализированных экспериментов [21]. Установка позволяет определять следующие параметры: · электрическое сопротивление; · время распространения продольных и поперечных ультразвуковых волн; · коэффициент открытой пористости в пластовых условиях; · изменение коэффициента открытой пористости в зависимости от изменения пластовых условий; · коэффициент проницаемости по жидкости; · коэффициент вытеснения нефти водой, паром; · коэффициент фазовых проницаемостей по жидкости. Для качественной оценки изменения фильтрационно-емкостных свойств без разрушения породы посредством давления или фильтрации дополнительно могут быть применены томографические исследования, основанные на том, что рентгеновские лучи при прохождении сквозь породу теряют мощность пропорционально ее плотности и регистрируются на матрице приемника. После обработки полученных снимков создается 3D-модель породы [22]. Q m о 5 z z t:J:j 2. Q о i о о u ...... Q.., ::: m и · < z Su Q z (y"J (:О m § m :;-' z 9 m и :::i: о mz (1 m W i': 1 W I=> V-..>.) - · · ""'' ;;i !:, ;:,;.. - P(•D)О w +:>. \О Рис. 3. Принципиальнаs схема фильтрационной установки Саге Lab AFS-300 [Fig. 3. Schematic diagгam of the Саге Lab AFS-300 filtгation unit] Белошапка И.Е., Ганиев Д.И. Вестник РУДН Серия: Инженерные исследования . 2018. т. 19. № 3. с.343-357 ,-г----------------. ,----;-f----------------------,, !. i . ·i j 1 ""'"' == ..... :i ,/---------------"-------,\ / /----i 11 il' i !l lt 1 i 1 1 1 1 1 • : s 1 1 1 1 1 : i 1 1 /---------/------------------------------------------------- ....----1, 1' i ' i ! i i j ! 1'11 1 1 1 1 i 1 , lt if i ! -1 / ; ; ,'--------------------- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ··- 1 1 1 1 1 JI ..,., i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1·in l''W')I 1· ir:r l'ln" ' "." "." l'ln" "."Q i ll 'UJI ··- ".... 1 1 ,.,., 1 1 '---------------------------- Рентгеновская томография породы позволяет оценить фильтрационно-емкостные свойства, выделить поры, трещины, каверны, распределить включения по плотности материала [23]. Совместное использование фильтрационной установки для проведения кислотных обработок и томографа позволяет оценить эффективность проведенной технологии, проследив изменение пористости, проницаемости исследуемого керна. Отметим, что в документе Стандарте вообще не учитываются возможности использования неконсолидированного керна, что не соответствует современным технологиям добычи нефти из нетрадиционных коллекторов, керн которых, в свою очередь, может быть неконсолидированным, как в битуминозных отложениях, или легкоразрушаемым в ходе проведения экспериментов. Поэтому необходимо дополнить Стандарт единой методикой, которая должна содержать требования к насыпной модели, неконсолидированному керну, рабочим агентам (в том числе к пару), проведению эксперимента с насыпной моделью, сбор и обоснование результатов. Выводы Таким образом, в Стандарт, регламентирующий исследования по определению коэффициента вытеснения нефти, предлагается внести следующие поправки: · изменить требования по подготовке кернового материала, а именно: заменить применение спирто-бензольной смеси и четыреххлористого углерода при экстрагировании образца керна на растворители, не влияющие на поверхностные свойства породы, для предотвращения изменения смачиваемости породы; · добавить требования к образцам керна, которые применяются при проведении фильтрационных экспериментов, для предотвращения разрушения образца под давлением и исключить из Стандарта требование применения фильтровальной бумаги и измельченной породы для заполнения пустот: допустимое отклонение диаметра образца не более ±1 мм, торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными боковой поверхности. Допустимое отклонение от плоскости ±0,05 мм, параллельности ±0,4 мм, перпендикулярности ±1 мм, отсутствие сколов на торцах (не более 1,5 мм), каверн на боковой поверхности, видимых трещин; · изменить требования к используемой воде при фильтрационных исследованиях, а именно: исключить возможность применения пластовой воды без ее предварительной подготовки по содержанию механических примесей, солей, эмульгированной нефти и др., что может заблокировать пути фильтрации образца керна и исказить конечный результат эксперимента; · ограничить использование нефти из той же скважины, из которой извлечен керновый материал, так как применение нефти из другой скважины, даже аналогичной по реологическим свойствам, может значительно повлиять на конечный результат фильтрационных экспериментов; · текущая нормативно-техническая документация не учитывает возможностей и особенностей использования неконсолидированного или легкоразрушаемого керна, поэтому необходимо дополнить Стандарт единой методикой, которая должна регламентировать требования к насыпной модели, неконсолидированному керну, рабочим агентам (в том числе к пару), проведению эксперимента с насыпной моделью, методике сбора и к обоснованию результатов; · изменить требования к применяемому при фильтрационных экспериментах оборудованию: исключить применение сплавов из олова, висмута и свинца для высокотемпературных элементов оборудования, так как данный сплав обладает низкой температурой плавления, исключить применение меди при изготовлении элементов оборудования, непосредственно контактирующих с флюидами, исключить из набора оборудования для фильтрационных экспериментов бюретки высокого давления и специальный жидкостный контейнер в связи с устареванием данного оборудования и внедрением автоматических регуляторов противодавления, которые позволяют вывести из системы измерения лишние единицы оборудования, тем самым снизить погрешность измерения, заменить их на мерные бюретки-сепараторы с ценой деления не более 0,2 мл, рекомендовать применение ультразвуковых, оптических и других автоматических сепараторов, исключающих человеческий фактор при измерении. Введение перечисленных изменений позволит более качественно проводить эксперименты на стадии воссоздания пластовых условий, с более высокой точностью оценивать коэффициент вытеснения нефти, снизить погрешности при проведении экспериментов. При этом совмещение фильтрационных экспериментов с томографическими исследованиями позволит осуществлять более четкий контроль эффективности разрабатываемых технологий.

Об авторах

Иван Евгеньевич Белошапка

Альметьевский государственный нефтяной институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.e.beloshapka@gmail.com

аспирант кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Альметьевский государственный нефтяной институт». Область научных интересов: повышение эффективности разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти, фильтрационные исследования

Российская Федерация, 423452, Альметьевск, ул. Ленина, 2

Динис Ильдарович Ганиев

Альметьевский государственный нефтяной институт

Email: dinisganiev@gmail.com

аспирант кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Альметьевский государственный нефтяной институт». Область научных интересов: разработка нетрадиционных запасов нефти, фильтрационные исследования, томографические исследования

Российская Федерация, 423452, Альметьевск, ул. Ленина, 2

Список литературы