автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Научно-методические основы исследования влияния свойств пород-коллекторов на эффективность извлечения углеводородов из недр



Л

%/ / /

Открытое акционерное общество ВСЕРОССИЙСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ им. академика А.П.КРЫЛОВА (ОАО "ВНИИнефть")

На правах рукописи УДК 622.276.031

КУЗНЕЦОВ Александр Михайлович

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ НЕДР

Специальность 05.15.06 - "Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений"

Диссертация)^! соиекание ученой степени

ь??

^<^о^Гтехнич€СкйХ наук

Москва -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 6

1. ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ФЛЮИДОВ И

ОБРАЗОВАНИЯ СКОПЛЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ............ 11

1.1 Современные представления о Земной коре и характере периодических процессов по мере накопления осадочного материала.. 14

1.2 Общая оценка роли Земной коры в процессах фильтрации и аккумуляции углеводородов........................................................................ 27

1.3 Разнообразие типов ловушек-залежей и их взаимное расположение в пределах месторождения или региона....................................................... 30

1.4 Процессы миграции и возможные механизмы образования нефтяных и газовых залежей............................................................................................ 42

1.5 Геолого-физические факторы, определяющие изменения свойств пласта-коллектора и насыщающих его жидкостей в течение геологических времен, предшествующих разработке месторождения и

в процессе разработки................................................................................. 50

1.6 Различие свойств нефти в пределах залежи и месторождения до начала разработки........................................................................................ 56

1.7 Сургутский свод как элемент континентальной части Земной коры......... 61

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ ПОДСЧЕТА ЗАПАСОВ И ОЦЕНКИ ДОБЫВНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЗАЛЕЖИ......................................................... 77

2.1 Обоснование нижних пределов открытой пористости и абсолютной

проницаемости пород-коллекторов продуктивных отложений.................. 77

2.2 Фазовые и относительные фазовые проницаемости при многофазной фильтрации................................................................................................... 82

2.3 Проведение исследований на установке многофазной фильтрации с контролем насыщенности методом рентгеновского сканирования.......... 87

2.4 Определение фазовых проницаемостей при совместной фильтрации

нефти, газа и воды........................................................................................ 98

3. ОБРАЗОВАНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В ПЛАСТОВЫХ

ФЛЮИДАХ ПРИ ИХ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ

ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ....................................................................................... 112

3.1 Классификация типов мелкодисперсной твердой фазы............................ 113

3.2 Основные предпосылки диспергирования породообразующих минералов продуктивных отложений в процессе фильтрации................. 115

3.3 Выпадение солей из водных растворов в поровом пространстве пород-коллекторов................................................................................................... 123

3.4 Образование дисперсных систем при кристаллизации различных соединений в пластовых флюидах нефтяных залежей............................. 126

3.5 Закономерности кристаллизации парафинов нефти................................. 127

3.6 Особенности кристаллизации парафинов в растворах растворителей,

в присутствии ПАВ и в поровом пространстве........................................... 131

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

МНОГОФАЗНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ПРИ НАЛИЧИИ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ

ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЯХ.............................................. 137

4.1 Методика проведения экспериментов..................................................................................................................137

4.2 Особенности однофазной фильтрации флюидов при наличии мелкодисперсной твердой фазы..................................................................................................................................139

4.3 Оценка эффективности вытеснения нефти водными растворами, содержащими мелкодисперсную твердую фазу..................................................................................149

4.4 Особенности вытеснения нефти раствором ПАВ............................................................................155

5. ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА, ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ФИЗИКО-

ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ В ОБВОДНЕННЫХ

ПЛАСТАХ............................................................................................................... 161

5.1 Косвенные методы оценки остаточной нефтенасыщенности в

призабойной зоне и межскважинном пространстве обводненных пластов..........................................................................................................

5.2 Экспериментальная оценка количества остаточной нефти при вытеснении водой в лаборатории и по данным анализа керна из промытых зон продуктивного пласта........................................................... 165

5.3 Лабораторные эксперименты по вытеснению нефти водой на больших образцах (блоках) породы............................................................................ 173

5.4 Факторы, определяющие величину остаточной нефтенасыщенности

при заводнении, и возможности прогнозирования ее изменения............. 178

5.5 Состав и физико-химические свойства остаточной нефти в обводненных зонах....................................................................................... 191

5.6 Анализ остаточной нефти непосредственно в керне и извлеченной из кернов, отобранных из обводненных продуктивных пластов.................... 196

5.7 Использование модели остаточной нефти при оценке эффективности методов увеличения нефтеотдачи на конкретных объектах.................... 206

6. ИЗУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД И ЕЕ

ВЛИЯНИЯ НА ПРОНИЦАЕМОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОД-

КОЛЛЕКТОРОВ ПРОДУКТИВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ............................................. 212

6.1 Деформационные характеристики пород-коллекторов и ориентация отобранного в скважинах керна................................................................... 213

6.2 Исследования проницаемостной анизотропии при однофазной фильтрации жидкостей через образцы ориентированного керна............. 223

6.3 Определение относительных фазовых проницаемостей при двухфазной фильтрации в направлении осей минимальных и максимальных напряжений.......................................................................... 229

6.4 Оценка влияния анизотропии проницаемости на технологические показатели разработки................................................................................. 232

6.5 Рациональное размещение рядов добывающих скважин с учетом анизотропии проницаемости пласта........................................................... 242

7. СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ ПРИ ПОДСЧЕТЕ ЗАПАСОВ, ПРОЕКТИРОВАНИИ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИИ ТЕХНОЛОГИЙ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ.................................................................................................... 248

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................ 261

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................. 264

ВВЕДЕНИЕ.

Современный этап развития нефтегазовой отрасли страны характеризуется существенным усложнением условий разработки месторождений из-за ухудшения структуры сырьевой базы и вступления крупнейших месторождений, обеспечивающих основную долю добычи нефти и газа, в завершающую стадию разработки. Вводимые в разработку новые месторождения содержат, как правило, трудноизвлекаемые запасы, приуроченные к низкопроницаемым коллекторам, подгазовым и водонефтяным зонам, к залежам с низкой начальной нефтенасыщенностью и с высокой степенью расчлененности продуктивных пластов.

Эффективная разработка месторождений в такой ситуации не может быть обеспечена без всесторонней и достоверной информации о породах-коллекторах и процессах, происходящих при фильтрации пластовых флюидов в поровом пространстве. Для получения такой информации необходимо использовать как существующие, так и новейшие методы, появившиеся в последние годы, которые бы позволяли оценивать весь спектр специфических свойств горных пород и прогнозировать их возможное влияние на характер течения флюидов в продуктивных пластах и полноту извлечения углеводородов.

Исследованиям пород-коллекторов и происходящих в них процессов фильтрации посвятили свои работы многие известные ученые: Авчан Г.М., Аметов И М., Багов М.С., Багринцева К.И., Баренблатт Г.И., Батурин Ю.Е., Басниев К.С., Березин В.М., Бузинов С.Н., Вахитов Г.Г., Гороян В.И., Глумов И.Ф., Гриценко А.И., Горбунов А.Т., Гужов А.И., Гиматудинов Ш.К., Добрынин В.М., Желтов Ю.В., Желтов Ю.П., Жданов С.А., Зотов Г.А., Закиров С.Н., Иванов В.А., Кисиленко Б.Е., Ковалев

A.Г., Коротаев Ю.П., Котяхов Ф.И., Крылов А.П., Кузьмичев Д.Н., Курбанов А.К., Кундин С.А., Максутов P.A., Марморштейн D.M., Мартос В.Н., Мархасин И.П., Минский Е.М., Мирзаджанзаде А.Х., Михайлов H.H., Николаевский В.Н., Оганджанянц В.Г., Орлов Л.И., Петерсилье В.И., Рассохин Г.В., Ромм Е.С., Сонич

B.П., Сургучев М.Л., Тер-Саркисов P.M., Топорков В.Г., Требин Ф.А., Требин Г.Ф., Тульбович Б.И., Фахретдинов Р.Н., Фоменко В.Г., Ханин A.A., Шерстнев Н.М., Ширковский А.И., Эфрос ДА, Амикс Дж., Бан А., Баклей И., Ботсет X., Виков Р., Вилли М., Леверетт М., Льюис У., Маскет М., Пирсон С., Стоун X., Хорнеш Я. и многие другие.

Исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, выполнялись в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских

работ ВНИИнефть и являлись частью работ по Научно-технической программе Госкомитета СССР по науке и технике и Госплана СССР (Постановление № 543/228 от 21.10.85 г.) раздел 0.02.01. "Создать прогрессивные технологии и технические средства по добыче нефти, обеспечивающие высокую степень извлечения углеводородов из недр, подготовку и транспорт нефти и попутного газа", Государственной научно-технической программы "Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России" (ГНТП "Недра России") проект 3.1 "Технологические комплексы для разработки сложнопостроенных месторождений нефти и газа", а также частью "Комплексной программы научно-исследовательских и опытно-промышленных работ РМНТК "Нефтеотдача" по повышению степени извлечения нефти из месторождений с трудноизвлекаемыми запасами", подраздел 04.01. "Провести фундаментальные исследования механизма фильтрационных процессов в гетерогенных пористых средах в целях максимального извлечения углеводородов из недр".

Актуальность проблемы. Эффективное вовлечение в разработку месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, повышение степени извлечения нефти на разрабатываемых месторождениях во многом определяется количеством и качеством информации о пластовых системах. Одним из главных источников такой информации являются результаты лабораторных исследований петрофизических и фильтрационных свойств образцов пород-коллекторов, извлеченных из пласта в виде керна.

Актуальность диссертационной работы обусловлена повышением требований к методам получения по керну всесторонней и достоверной информации о породах-коллекторах и процессах, происходящих при фильтрации пластовых флюидов в пустотном пространстве. Такая информация является основой для интерпретации данных геофизических исследований скважин (ГИС), построения геолого-математических моделей залежей, настройки гидродинамических моделей расчета технологических показателей разработки и служит базой для разработки технологий увеличения нефтеотдачи пластов.

Цель работы заключается в создании научно-методических основ лабораторных исследований образцов пород-коллекторов и процессов, происходящих при фильтрации через них пластовых флюидов, для повышения эффективности разработки месторождений и увеличения степени извлечения углеводородов из недр.

Основными задачами исследований являются:

1. Исследование природных геологических факторов, определяющих формирование фильтрационно-емкостных свойств пород-коллекторов, распределение в поровом пространстве и характер фильтрации нефти, газа и воды.

2. Совершенствование методик определения коллекторских свойств пород продуктивных пластов для повышения достоверности подсчета запасов углеводородов и качества проектирования разработки месторождений.

3. Исследование причин появления в поровом пространстве пород-коллекторов мелкодисперсной твердой фазы. Разработка методов оценки влияния мелкодисперсной твердой фазы на процессы многофазной фильтрации и эффективность вытеснения нефти.

4. Разработка комплекса методов определения характера распределе-ния, количества и физико-химических свойств остаточной нефти в обводненных пластах.

5. Исследование влияния анизотропии напряженного состояния горных пород-коллекторов на фильтрационные характеристики продуктивных пластов и эффективность процессов добычи углеводородов.

6. Разработка современной концепции лабораторных исследований петрофизических и фильтрационных свойств пород-коллекторов и происходящих в них процессов многофазной фильтрации для повышения эффективности извлечения углеводородов из недр.

Научная новизна. Автором предложен комплекс методов лабораторного

исследования пород-коллекторов и процессов, происходящих при фильтрации

пластовых флюидов в поровом пространстве, при обосновании которого получены

следующие новые результаты.

1. Научно обоснована необходимость определения величин остаточной нефте- и водонасыщенности, абсолютной и относительной проницаемости и других параметров, контролирующих потенциальное содержание в продуктивных пластах промышленных углеводородов и возможную степень их извлечения, в экспериментах с максимальным приближением их условий к реальным условиям залегания продуктивных отложений.

2. Рекомендован для изучения многофазной фильтрации в условиях, моделирующих пластовые, высокоточный и надежный метод определения

величин насыщенности порового пространства различными фазами, основанный на поглощении рентгеновского излучения.

3. Исследован механизм появления в пластовых жидкостях твердых частиц субмикронных размеров. Проведена экспериментальная оценка влияния твердой мелкодисперсной фазы на процессы извлечения нефти, показавшая, что уменьшение остаточной нефтенасыщенности может составлять до 7,5% объема пор.

4. Обоснован комплекс методов определения характера распределения, количества и физико-химических свойств остаточной нефти в обводненных зонах продуктивных пластов.

5. Установлено, что продуктивные пласты обладают анизотропией проницаемости по простиранию пласта, одной из главных причин которой является анизотропия напряженного состояния. Различие величин проницаемости в разных направлениях по напластованию пласта может составлять от десятков процентов до нескольких раз.

6. Сформулирована концепция определения петрофизических и фильтрационных свойств пород-коллекторов и исследования процессов многофазной фильтрации для построения геолого-математических моделей залежей и проведения корректных математических расчетов технологических показателей разработки.

Практическая значимость работы. Разработанные методики представляют собой современный инструмент для исследования механизмов многофазной фильтрации и получения всесторонней и достоверной информации о петрофизических и фильтрационных характеристиках пород-коллекторов, являющейся основой для разработки более эффективных процессов вытеснения нефти, определения количества и свойств остаточной нефти в заводненных зонах, выбора направления бурения стволов горизонтальных скважин, оптимизации расстановки скважин на месторождении.

Обоснованный подход к лабораторным методам изучения керна позволит повысить достоверность подсчета запасов углеводородов, качество проектирования разработки месторождений и внесет значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в нефтегазовой отрасли.

Реализация работы в промышленности. Результаты диссертационной работы использованы при составлении технико-экономического обоснования разработки Ачимовского и Чистинного месторождений (Западная Сибирь, 1990 г.),

при составлении технологических схем разработки Ново-Спасского (1993 г.) и Западного (1995 г.), месторождений Ульяновской области, а также в "Уточненной технологической схеме разработки месторождения Белый Тигр" (СРВ, 1996 г.). Отдельные методики вошли в "Комплекс методик оценки характера распределения и свойств остаточной нефти в заводненных пластах", разработанный по заказу Миннефтепрома СССР, и в отраслевые стандарты ОСТ 39-195-86 "Нефть. Метод определения коэффициента вытеснения нефти водой в лабораторных условиях" и ОСТ 39-235-89 "Нефть. Метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной стационарной фильтрации".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Разработка газоконденсатных месторождений" (Краснодар, 1990 г.), на научно-техническом Совете Миннефтепрома СССР (Альметьевск, 1991 г.), на VII Европейском симпозиуме по увеличению нефтеотдачи (Москва, 1993 г.), на научно-производственной конференции по вопросу внедрения методов повышения нефтеотдачи на месторождения