книги / Физические свойства коллекторов нефти при высоких давлениях и температурах

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ

НА СКОРОСТЬ УПРУГИХ ВОЛН В НАСЫЩЕННЫХ ЖИДКОСТЯМИ ОБРАЗЦАХ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Е.И. Баюк

Изучение* физических свойств осадочных пород имеет важное зна­ чение для решения прикладных задач, связанных с размещением и поисками нефти и газа. Большинство осадочных пород представляет собой пористые среды, содержащие пустоты в виде пор, трещин, ка*. верн и т.д. Для нефтяной геологии они приобретают интерес как коллекторы, содержащие углеводороды.

Существуют и разрабатываются специальные геофизические ме­ тоды обнаружения коллекторов на различных глубинах. Применение этих методов основано на связи между особенностями геологиче­ ского строения и распределением в среде физических параметров*. Наибольшее распространение получили сейсмические методы [ 1 ,2 ] и др. Интерпретация результатов сейсмических наблюдений сущест­ венно улучшается с развитием лабораторных методов изучения ско­ ростей упругих волн в образцах осадочных пород. Преимуществом

лабораторных методов является возможность установления непосред­ ственной связи между известным веществом образца и физической характеристикой его. При этом необходимый комплекс физических величин можно получить на одних и тех же образцах при изменении внешних условий (давление, температура и т.д .).

В связи с задачами поисков месторождений нефти и газа на больших глубинах (5 - 10 км) давление в опытах должно дости­ гать 3—4 кбар, а температура 100-200О С . Важно сравнить физи­ ческие свойства образцов осадочных пород, поры которых заполне­ ны жидкостью и газом. Таким образом, кроме неоднородности, ха­ рактерной для осадочных пород, необходимо учитывать многофазность, т.е. изучать упругие свойства в зависимости от состава и структуры породы, а также от свойств и содержания заполни­ телей пор.

И з-за сложности многофазных систем трудно создать теорию, удовлетворительно описывающую поведение упругих характеристик

вних. Поэтому экспериментальным исследованиям осадочных пород

вразличных внешних условиях уделяется большое внимание [3 -6 ].

Изучение скоростей упругих волн в осадочных породах проводи­ ли при высоком всестороннем давлении до 3 -4 кбар. При этом об­ разцы диаметром 3 см и длиной 3 -6 см покрывали непроницаемой гибкой оболочкой из тонкой медной фольги. Испытания проводили в установке, где средой, передающей давление, был газ - азот [5]. Скорость продольных волн измеряли импульсным ультразвуковым методом на частоте 5 0 0 - 7 0 0 кГц с точностью 1-2%,

В реальных условиях поровое пространство горных пород обыч­ но заполнено пластовой жидкостью. Поэтому и в лаборатории из­ менения физических свойств осадочных пород при воздействии вы­ сокого давления важно изучать с учетом влияния на них насыщаю­ щей жидкости. В связи с этим перед испытанием образцы насыща­ ли водой или керосином, для сравнения испытывали также сухие об­ разцы, т.е. не содержащие жидких заполнителей пор.

В естественных условиях на глубине залегания, кроме внешнего давления, на горную породу действует внутрипоровое давление жид­ кости, находящейся в порах. Эффективное давление, выражаемое как разность внешнего и внутрипорового, оказывает основное влияние на скорость упругих волн [3, 4]. При постоянном эффективном дав­ лении наибольшее изменение скорости наблюдается при малых зна­ чениях внутреннего давления, с увеличением которого изменение скорости замедляется.

Однако на больших глубинах отдельные пласты горных пород с жидкими заполнителями можно рассматривать как закрытую систе­ му. Именно такую систему представляют собой образцы, насыщен­ ные жидкостью и изолированные от среды, передающей давление, тонкой гибкой оболочкой.

Характерные кривые зависимости скорости продольных волн от давления для образцов различных осадочных пород приведены на рис. 1. Малые значения скорости продольных волн при атмосферных давлениях наблюдаются в глинах или в песчаниках и алевролитах с большим содержанием глинистого цемента. Эти породы, как пра­ вило, обладают большими значениями коэффициента пористости (до 30% ). Тонкозернистые однородные глины с пористостью 25-30% показали почти линейное возрастание скорости продольных волн с увеличением давления до 4 кбар, это возрастание не превосходило 30%. Глинистое вещество, постепенно уплотняясь под давлением, не может иметь скорость, большую той величины, которая харак­ терна для глинистых минералов. В глинах, содержащих кроме гли­ нистого вещества еще другие минералы, так же как в песчаниках и алевролитах с глинистым цементом, наблюдается очень сильное изменение скорости с давлением (до 20% ),

Почти все осадочные породы без жидких заполнителей пор (су­ хие) обнаруживают неравномерное увеличение скорости продольных волн при повышении давления. Это связано с тем, что в состав осадочных пород наряду с такими минералами, как кварц, кальцит, плагиоклаз и другие, обладающими высокой упругостью, и прочно­ стью, входят глинистые минералы, тонкозернистые с малой проч­ ностью. Сжатие, уплотнение глинистого вещества начинается уже при небольших давлениях, вызывая сближение минералов с высокой упругостью. Благодаря этому происходит увеличение скорости уп­ ругих волн. Затем под давлением смыкаются или заполняются гли­ нистым веществом микропоры и трещины, которые имеются в ми­ нералах. Это также вызывает повышение скорости. Интенсивность изменения скорости упругих волн на разных интервалах давления

fff м /с

может быть различной из-за разных процессов, которые определя­ ют ее изменение. Неравномерное возрастание скорости постепенно выравнивается при давлениях, больших 1 -2 кбар.

Величина скорости продольных волн в сухих осадочных породах связана с коэффициентом пористости. Особенно тесной оказывается эта связь, если значение скорости определено при давлении 1 - 2 кбар, т.е. когда перестает сказываться влияние микротрещино­ ватости. Как видно (рис. 2 ), для песчано-алевритовых и карбонат­ ных пород эти связи несколько различаются: при одинаковых значе­ ниях коэффициента пористости скорость продольных волн в карбо­ натных породах выше, чем в песчано-алевритовых. Это объясняется в первую очередь тем, что основной минерал карбонатных пород - кальцит обладает большей упругостью, чем кварц, главный минерал песчано-алевритовых пород.

После насыщения осадочных пород жидкостями скорость упругих волн в них увеличивается, а характер изменения скорости с давле­ нием становится другим. Он определяется как свойствами твердого скелета, так и свойствами заполнителя пор.

В образцах кварцевых песчаников, насыщенных водой, вначале до давления 0 ,2 - 0 ,5 кбар наблюдается резкое увеличение скорости,

Р и с . 4. Зависимость скорости продольных волн от давления в образцах

а- известняк» Кп = 3% ( Прикарпатье), б - пелитоморфный из­ вестняк, Кп = 4,3% (Азербайджан). Обозначения те же, что на рис. 3

которое при дальнейшем росте давления переходит в более плавное. Кривые у = f(p) для водонасыщенных образцов выглядят более сглаженными, чем для сухих, что видно, например, из рис. 3, и рас­ полагаются всегда выше* Зависимость скорости упругих волн от давления для образцов, насыщенных керосином, представлена еще более плавными кривыми, а изменение скорости с давлением для них меньше, чем в предыдущих случаях (см. рис. 3 ).

В известняках, насыщенных водой, резкого повышения скорости при малых давлениях не наблюдается; возрастание скорости проис­ ходит более плавно, чем в песчаниках (рис. 4 ). Для слабопористого известняка (Кп = 3%) из Прикарпатья кривые v == f{p) для образ­ цов с разными заполнителями вообще почти не различаются.

Как видно из рис. 3 и 4, насыщение образцов осадочных пород керосином всегда приводит к увеличению скорости продольных волн. При этом относительное изменение скорости с давлением в большин­ стве случаев оказывается меньше, чем в сухих образцах. Обладая хорошей смачиваемостью, керосин хорошо проникает в поры образ­ ца (даже в микротрещины) и полностью их заполняет. Вместе с тем, будучи неполярным углеводородом, керосин не взаимодейст­ вует с веществом породы. Такая система твердое тело-жидкость обладает большей упругостью, чем система твердое тело-газ.

Вода характеризуется относительно более высокой упругостью, чем керосин, однако при атмосферном давлении водонасыщенные об­ разцы чаще всего имеют меньшую скорость продольных волн, чем

те же образцы, насыщенные керосином. Было замечено, что вода заполняет лишь часть порового пространства породы, а керосин за * полняет его почти полностью. С повышением давления поровое про­ странство сокращается и в какой-то момент образец становится полностью насыщенным водой. В этом случае скорость в таком об­ разце может сделаться выше, чем в образце, насыщенном кероси­ ном, например в образце кварцевого песчаника из Прикуринской впадины (см. рис. 3 ). Однако все зависит от структуры породы и характера порового пространства. Поскольку керосин обладает спо­ собностью заполнять тонкие капилляры, то в образцах, имеющих большое количество капиллярных пор, степень заполнения общего объема порового пространства для керосина будет выше, чем для воды. Такого типа поры, вероятно, имели место в пелитоморфном

ления для этих образцов, насыщенных керосином, при всех давлени­ ях выше, чем для образцов, насыщенных водой, и тем более выше, чем для сухих образцов.

Приведенные результаты показывают, что скорость продольных волн в пористых осадочных породах, насыщенных различными жидко­ стями, всегда выше, чем в сухих или точнее в осадочных породах, поровое пространство которых заполнено газом. Это означает, что по величинам скорости в естественном залегании можно выделить пласты, содержащие жидкости, например, нефть. Однако, на самом деле, такое выделение затруднительно по многим причинам. Во-пер­ вых, не получено однозначной зависимости величины скорости от

ризонты переслаиваются другими породами, часто более плотными, скорость в которых может оказаться даже выше, чем в насыщенных жидкостями пористых породах. Могут встретиться и непроницаемые глины с низкой скоростью продольных волн, иногда соответствую­ щей скорости в сильно пористых песчаниках.

Таким образом, следует сделать вывод о том, что интерпретация полевых геофизических наблюдений на основе только данных о ско­ ростях продольных волн не является однозначной. Для уточнения интерпретации необходимо привлекать результаты комплексных ис­ следований упругих, электрических, деформационных и других свойств горных пород при высоких давлениях и температурах.

ЛИТЕРАТУРА

вершенствования интерпретации данных сейсморазведки, - Геология нефти и газа, 1 9 7 7 , N? 2, с. 3 3 - 3 8 .

.'J. Добр ынин B.M. Деформации и изменения физических свойств коллекто­ ров нефти и газа. М.: Недра, 1 9 7 0 . 240 с.

4 . А вч ян Г.М. Физические свойства осадочных пород при высоких давлени­

ных волн при высоких давлениях в содержащих жидкости Осадочных поро­ дах Прикарпатья. - Тр. / Ин-т физики Земли АН СССР, 1966, № 37 (2 04), с. 1 4 9 -1 5 6 .

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД КУМСКОЙ СВИТЫ (КРАСНОДАРСКИЙ КРАЙ) В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ, ТИПИЧНЫХ ДЛЯ ГЛУБИН ЗАЛЕГАНИЯ

Г. А. Коренцвит, А. А. Фомин

Лабораторное изучение деформационных свойств порово—трещин­ ных коллекторов кумской свиты в условиях моделирования не толь­ ко эффективных напряжений и температур, но и абсолютных значе­ ний поровых давлений позволило выявить существенное влияние по­ следних на все деформационные характеристики: объемные деформа­ ции, коэффициенты сжимаемости пор и пористости [ 1]. Было уста­ новлено, что при высоких поровых давлениях деформированность пород растет, коэффициенты сжимаемости пород и пор увеличивают­ ся, а коэффициенты пористости уменьшаются значительно больше, чем при тех же эффективных напряжениях, но меньших поровых дав­ лениях.

Оценка влияния порового давления на физические свойства важ­ на как для установления величин поправок на упругие свойства ко­ эффициентов пористости и проницаемости при выносе керна на по­ верхность, так и для интерпретации результатов геофизических ис­ следований.

В связи с этим в ИГиРГИ были исследованы влияния высоких поровых давлений на удельное электрическое сопротивление песчано­ алевритовых пород в термодинамических условиях, типичных для больших глубин залегания.

Экспериментальное изучение удельного электрического сопротив­ ления коллекторов кумской свиты при эффективных напряжениях, температурах и поровых давлениях насыщающей' породы модели плас­ товой воды проводилось на модернизированной установке ВНИГНИ для определения газопроницаемости пород. Установка состояла из термостатированного кернодержателя, рассчитанного на температуру до 2 0 0 °С при всестороннем равномерном давлении до 1 2 0 0 кгс/ см^, создаваемом с помощью насоса НЖР и мультипликатора.

Исследуемые образцы, изолированные от жидкости, создающей давление, зажимали в кернодержателе между двумя штуцерами, к которым присоединяли входную и выходную трубки для подвода и отвода газа (азота). Модернизация установки, проведенная ИГиРГИ, позволила подводить к образцу жидкость и создавать в нем поровое давление разной велиичны (до 7 0 0 - 8 0 0 к гс/см 2 ), измеряя при этом значения электрического сопротивления.

Для изучения электрического сопротивления в установку в ка­ честве узла была включена приставка, представляющая собой урав­ новешенный четырехполюсный мост переменного тока. Измерение удельного электрического сопротивления образцов пород, насьпцен-

с нормальными пластовыми давлениями при равных эффективных дав­ лениях колеблется в пределах от 3 до 10%.

Практически это означает, что интерпретацию результатов гео­ физических исследований в глубоких скважинах с аномально-высо­ кими пластовыми давлениями нельзя проводить, используя данные лабораторных исследований электрического сопротивления пород в атмосферных условиях или при моделировании лишь абсолютного значения эффективного напряжения. Необходимо в этих случаях из­ мерять рп при истинных величинах порового давления, чтобы полу­ чить объективные данные о емкостных свойствах пород на глубине залегания.

По-видимому, применительно к глубокозалегающим месторожде­ ниям с аномально-высокими пластовыми давлениями должны быть внесены поправки в инструкцию по подсчету запасов, учитывающие собственное влияние порового давления на коллекторские и физиче­ ские свойства горных пород.

Следует остановиться на объяснении, на первый взгляд, противо­ речивых результатов определений изменений относительной сжимае-