К оглавлению журнала

 

УДК 622.276.26 98

© Коллектив авторов, 1997

О ВЛИЯНИИ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННО-ЕМКОСТНЫХ СВОЙСТВ ТЕРРИГЕННЫХ ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

М.Т. Абасов, Р.Д. Джеваншир, А.А. Иманов, Г.И. Джалалов (ИПГНГМ АН Азербайджана)

Проведение гидродинамических расчетов показателей разработки месторождений нефти и газа предусматривает процедуру, связанную с необходимостью учета влияния изменения пластового давления на коллекторские свойства пород, главным образом пористость и проницаемость. При этом в основном используют данные экспериментальных исследований керна на установках высокого давления, а именно: экспериментальные кривые зависимости коэффициентов пористости и проницаемости от эффективного давления, представляющего собой разность между горным (всесторонним) и пластовым (внутрипоровым) давлениями [1-4]. Эти зависимости аппроксимируются обычно в виде экспоненциальных уравнений, которые в дальнейшем включаются в гидродинамические расчетные схемы определения показателей разработки исследуемых объектов.

Следует иметь в виду, что наиболее часто применяются относительно доступные экспериментальные кривые изменения пористости и проницаемости в зависимости от всестороннего давления, трансформированные затем в кривые изменения пористости и проницаемости от эффективного или пластового давления. Аналогичным образом используются и более представительные экспериментальные данные, полученные с учетом изменения как всестороннего, так и внутрипорового давления в образцах пород. Известны обобщенные сводки о влиянии эффективного давления на изменение пористости и проницаемости пород-коллекторов различного вещественного состава относительно их значений в атмосферных условиях, рекомендованные для практического использования [1, 2].

Вместе с тем применение обобщенных данных об изменении пористости и проницаемости образцов пород под действием эффективного давления относительно их значений в атмосферных условиях без учета реальных процессов, происходящих при падении пластового давления в углеводородных залежах в условиях их естественного залегания, может привести к существенным погрешностям при проведении гидродинамических расчетов показателей разработки. Этот вопрос особенно актуален для глубокозалегающих месторождений, где относительная роль влияния пластового давления на физические свойства пород-коллекторов заметно возрастает.

В работе [2 ] справедливо указывается, что экспериментальные исследования, моделирующие влияние давления на физические свойства пород-коллекторов в процессе разработки, должны проводиться при фиксированных значениях всестороннего давления и изменяющемся поровом. Вместе с тем, несмотря на очевидность данного утверждения, практически отсутствуют данные о подобных экспериментах, выполненных непосредственно с целью использования при проведении гидродинамических расчетов показателей разработки конкретного объекта.

Идея настоящей работы возникла после анализа литературных данных [1-4 ], а также собственных экспериментальных исследований в Институте проблем глубинных нефтегазовых месторождений (ИПГНГМ) АН Азербайджана по изучению влияния эффективного давления на пористость и проницаемость терригенных пород-коллекторов (Иманов А.А., 1984). Эти исследования позволили установить, что при одних и тех же эффективных давлениях, но разных значениях всестороннего и порового давлений зависимости изменения пористости и проницаемости пород от эффективного давления отличаются друг от друга. Приведем некоторые типичные результаты комплексных экспериментальных исследований влияния эффективного давления на пористость и проницаемость образцов гранулярных пород-коллекторов продуктивной толщи Азербайджана, отобранных из глубоких скважин в интервале глубин 2400-6000 м (рис. 1).

Как видно, для условий относительно малых глубин (см.рис. 1) преобладающую роль играет рост горного давления, воздействующего главным образом на скелет породы, а для больших глубин – изменение порового давления, влияющего как на собственно скелет породы, так и на минеральную часть скелета, а также ту часть твердой фазы ("пассивную" по терминологии [1]), которая не испытывает нагрузку со стороны внешних сил.

Как показано в работах [1, 2], рост давления жидкости в порах приводит к увеличению объема скелета породы из-за уменьшения эффективного давления; в то же время под действием увеличивающегося пластового давления происходит сокращение объема минеральных частиц, составляющих твердую фазу породы, а следовательно, и уменьшение объема скелета породы. Такая трактовка физического смысла роли пластового давления при оценке степени изменения объема скелета породы справедлива для гранулярных сред, представляющих жесткосцементированную систему без пассивной твердой фазы, которая не испытывает нагрузку со стороны внешних сил, когда последние действуют на эластичную оболочку образца (всестороннее давление). Для пород с пассивной твердой фазой (песчаники и алевролиты с плохо отсортированными зернами или с цементом заполнения пор) пластовое давление наряду с вышеуказанными эффектами дополнительно увеличивает объем пор вследствие сжатия вещества твердой фазы. Это увеличение объема пор будет происходить без изменения внешнего объема, т.е. объема скелета. Следовательно, относительные изменения объемов скелета и пор при одинаковом пластовом давлении будут определяться строением породы и соотношением активной (скелетной) и пассивной твердой фаз [1].

Приведенные рассуждения достаточно четко указывают на необходимость строгого подхода к использованию опубликованных экспериментальных данных для гидродинамических расчетов показателей разработки месторождений нефти и газа, так как зависимости изменения пористости и проницаемости пород от эффективного давления при различных соотношениях горного и перового давлений могут носить различный характер (см.рис. 1).

С целью дальнейшего изучения влияния процессов разработки на фильтрационно-емкостные свойства коллекторов Южно-Каспийской впадины была реализована более адекватная схема проведения эксперимента по изучению влияния падения пластового давления на изменение пористости и проницаемости, заключающаяся в том, что начальным условием экспериментов принимались горное и пластовое давления, соответствующие глубине залегания исследуемого объекта (образца породы), а изучение изменения пористости и проницаемости для условий падения пластового давления проводилось относительно этих начальных условий.

Последовательность операций по данной схеме следующая. Перед началом опыта, исходя из глубины отбора образца керна пласта, определялось значение горного давления и уточнялось фактическое значение начального пластового давления пласта. Затем образец помещался в камеру высокого давления и в соответствии с реальными барическими условиями различных глубин осуществлялось ступенчатое увеличение эффективного давления (путем соответствующего увеличения горного и порового давлений) до значений, отвечающих условиям естественного залегания пласта. В процессе эксперимента на каждой ступени определялись значения пористости и проницаемости и их изменение относительно значений в атмосферных условиях. Следующий этап эксперимента заключался в моделировании процесса разработки путем последовательного ступенчатого снижения порового давления в образце, что, естественно, сопровождалось увеличением эффективного давления.

На установке ИПГНГМ АН Азербайджана была выполнена серия экспериментов по указанной схеме. Для сравнения на идентичных образцах керна получены экспериментальные кривые зависимости пористости и проницаемости от эффективного давления путем увеличения горного давления при фиксированном поровом давлении, равном 0,1 МПа.

Анализ результатов выполненных экспериментов (рис. 2) по определению проницаемости для трех образцов песчано-алевритовых пород-коллекторов глубокозалегающих месторождений Южно-Каспийской впадины по предлагаемой схеме и при изменении только горного давления (аналогичные результаты получены и по пористости) позволяет высказать ряд положений, имеющих, на наш взгляд, принципиальное значение.

В первую очередь следует отметить, что, как и предполагалось, при одних и тех же эффективных давлениях, но различных значениях горного и порового давлений (см. кривые 1 и 2 на рис. 2) получены количественно отличающиеся друг от друга зависимости коэффициента проницаемости от эффективного давления, носящие в обоих случаях характер, близкий к экспоненциальному. При этом в интервале изменения эффективного давления от 0 до 30-40 МПа кривые 1 и 2 на рис. 2 мало отличаются друг от друга из-за преобладающего влияния горного давления, действующего в основном на скелет породы. При дальнейшем увеличении эффективного давления те же кривые отличаются друг от друга уже более существенно, что обусловлено доминирующей ролью порового давления, воздействующего также и на пассивную часть породы, приводящего к ее дополнительному сжатию и соответственно к сохранению более высоких значений пористости и проницаемости (см.кривую 2 на рис. 2). Интересно также отметить, что в интервалах изменения эффективного давления, отвечающих реальным условиям залегания изучаемых образцов (60-80 МПа), обе кривые выходят на асимптоты, что может свидетельствовать о незначительном влиянии эффективного давления на изменение пористости и проницаемости глубокозалегающих пород-коллекторов.

Наиболее интересны результаты, отражающие ту часть экспериментов, при которой увеличение эффективного давления достигалось путем снижения порового давления на этапе моделирования процесса разработки пласта (см .кривую 3 на рис. 2). При переходе от кривой 2 к кривой 3, т.е. в точке, начиная с которой производилось снижение порового давления в образцах пород по принятой схеме, наблюдается специфический излом, а сама кривая 3, отражающая влияние падения порового давления на изменение проницаемости, носит иной характер и существенно отличаются от зависимостей, представленных кривыми 1 и 2. Объяснение этому результату вновь находим в физическом смысле трактовки влияния порового давления на пассивную часть породы. Излом между кривыми 2 и 3 можно объяснить тем, что в этой точке схема эксперимента претерпела существенное изменение, после чего рост эффективного давления стал обеспечиваться не последовательным увеличением одновременно горного и порового давлений, а снижением порового давления при постоянном горном. При этом наряду с увеличением давления на скелет одновременно происходило значительно более резкое снижение давления на пассивную часть породы, что, по-видимому, и обусловило появление указанного излома. Аналогичным образом объясняется и изменение самого характера зависимостей, представленных на кривых 3 рис. 2, которые для данных конкретных условий оказались близкими к линейным, хотя не следует исключать получение зависимостей и иного вида.

Для дополнительной иллюстрации полученного эффекта и механизма его объяснения приведем результаты экспериментального изучения изменения коэффициента проницаемости образца породы в процессе разработки под действием увеличивающегося эффективного давления, выполненного по аналогичной схеме (рис. 3). Однако последняя отличается тем, что рост эффективного давления на этапе, моделирующем процесс разработки, создается не снижением порового давления в образце породы, а увеличением горного давления при фиксированном поровом. Как видно из рис. 3 (кривая 2), рост эффективного давления за счет увеличения горного давления при фиксированном поровом не привел ни к появлению излома на экспериментальной кривой, ни к изменению ее характера в целом. Это является еще одним наглядным подтверждением адекватности приводимого механизма влияния порового давления на пассивную часть породы. В данном случае рост горного давления способствовал лишь дополнительному сжатию скелета образца породы, что и обусловило сохранение вида и характера зависимости коэффициента проницаемости от эффективного давления.

Исходя из изложенного можно утверждать, что наиболее корректным подходом к рассматриваемой проблеме является использование экспериментальных данных, полученных по принятой адекватной схеме на представительной группе образцов из конкретного разрабатываемого объекта. При отсутствии такой возможности можно применять обобщенные экспериментальные данные, полученные на достаточно репрезентативных коллекциях образцов пород изучаемого нефте-газоносного района, с тем, однако, условием, что эти данные содержат результаты изучения изменения пористости и проницаемости от эффективного давления при различных комбинациях горного и порового давлений (см.рис. 1,2). При таком подходе имеется возможность более обоснованного выбора подходящих для каждого конкретного случая экспериментальных данных с учетом реальных значений начального пластового и горного давлений разрабатываемого объекта и вещественного состава пород-коллекторов.

С целью получения названных зависимостей для терригенных пород-коллекторов Южно-Каспийской впадины авторами проведена математическая обработка результатов выполненных ранее комплексных экспериментальных исследований на установке ИПГНГМ АН Азербайджана.

Учитывая, что зависимости пористости и проницаемости от внутрипорового давления при фиксированных значениях горного давления (см. рис. 1) в значительном диапазоне изменения внутрипорового давления носят практически линейный характер, представим эти зависимости уравнением вида

Крг=А+ВРпл-СРгор,

где Кг - начальные значения параметров (проницаемость или пористость), соответствующие естественным условиям залегания пласта; Кр - то же при текущем внутрипоровом (пластовом) давлении; Ргор, Рпл - соответственно горное и поровое (пластовое) давления, МПа; А, В, С - коэффициенты изменения параметра (пористости или проницаемости).

Представленное уравнение существенно отличается от обычно применяемых в подземной гидродинамике формул, в которых зависимости пористости и проницаемости даются только для пластового давления. В нашем же случае эта зависимость является двухпараметрической, что позволяет одновременно учитывать изменение как пластового, так и горного давления.

Числовые значения коэффициентов А, В и С определялись с помощью ЭВМ по методу наименьших квадратов с использованием стандартной подпрограммы (таблица). Породы-коллекторы подразделены на три класса, отличающихся как упругими свойствами скелетной составляющей твердой фазы, так и характеристиками пассивной твердой фазы.

Таким образом, представляется возможным получение зависимостей изменения пористости и проницаемости от давления для конкретных условий естественного залегания разрабатываемого пласта.

ВЫВОДЫ

1. На примере терригенных пород-коллекторов Южно-Каспийской впадины реализована адекватная схема экспериментального изучения влияния барических условий на фильтрационно-емкостные параметры терригенных пород-коллекторов в процессе разработки залежей углеводородов, отличающаяся тем, что начальными величинами считаются значения пористости и проницаемости в условиях естественного залегания образца, а их дальнейшее изменение определяется посредством снижения в нем порового давления.

2. Экспериментальными исследованиями по указанной схеме установлен характер изменения пористости и проницаемости образцов пород глубокозалегающих месторождений Южно-Каспийской впадины в процессе падения порового давления.

3. Предложена эмпирическая формула, описывающая зависимость пористости и проницаемости одновременно от горного и пластового давлений при различных их сочетаниях, рекомендуемых для использования при проведении гидродинамических расчетов показателей разработки залежей нефти и газа, сложенных гранулярными коллекторами различного вещественного состава.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Авчян Г.М. Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах - М Недра, 1972
  2. Горбунов А.Т. Разработка аномальных нефтяных месторождений - М Недра, 1981
  3. Добрынин В.М. Деформация и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа - М Недра, 1970
  4. Желтов Ю.П. Деформации горных пород -М Недра, 1966

ABSTRACT

Realization of the adequate scheme of experimental study of baric conditions effect on porosities and permeabilities parameters of terrigenous reservoir rocks in process of hydrocarbon pools development was exemplified by terrigenous reservoir rocks of South-Caspian depression. This scheme differs that porosities and permeabilities parameters under natural sample occurrence are regarded as initial values, while their further change is governed by pore pressure decrease.

Experimental studies according to the above scheme allowed to establish a character of porosity and permeability change in rock samples of deep-seated pools of South-Caspian depression in process of formation pressure decrease.

A set of empirical formula describing porosity and permeability relationships simultaneously versus rock and formation pressures at their different combinations, recommended to be used for hydro-dynamic estimation of development indices of oil and gas pools composed by granular reservoirs of different lithological composition is proposed.

Числовые значения коэффициентов изменения пористости и проницаемости пород-коллекторов

Класс коллекторов

Физические параметры

Эмпирические коэффициенты

А

B, МПа-1

С, МПа-1

Хорошо отсортированные слабосцементированные пески и песчаники средне- и крупнозернистые, кварцевые (60-90 %), высокопористые (более 20 % ) с глинистостью менее 20 %

Кр

0,957

0,0010992

0,0001265

Кг

0,832

0,008147

0,002300

Средне- и плохоотсортированные песчаники и алевриты тонко- и мелкозернистые, полевошпатовые и кварцевые (кварц 25-60 %), среднепористые (10-20 %) с глинистостью 20-35 %

Кр

0,932

0,0018033

0,0001420

Кг

0,788

0,010060

0,002733

Плохоотсортированные сильноглинистые мелкозернистые песчаники и алевриты с содержанием кварца до 25 %, пористостью до 10 % и глинистостью более 35 %

Кр

0,860

0,0034700

0,0001527

Кг

0,342

0,021220

0,002684

Рис.1. ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОРИСТОСТИ (А) И ПРОНИЦАЕМОСТИ (Б) В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПОСТОЯННЫХ ЗНАЧЕНИЯХ ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЯ

А - кривые 1-4 при поровом давлении, равном соответственно 0,1, 20; 40 и 60 МПа, Б - кривые 7-7 при поровом давлении, равном соответственно 0,1; 10; 20; 30; 40; 50 и 60 МПа; пунктиром показаны те же зависимости для постоянных значений эффективного давления

Рис.2. КРИВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОНИЦАЕМОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭФФЕКТИВНОГО ДАВЛЕНИЯ

А - месторождение Бахар, скв 36, интервал 4769-4771 м, свита перерыва, Б - месторождение Дуванный-Дениз, скв 547, интервал 5416-5425 м, X горизонт балаханской свиты, В - месторождение Бахар, скв 29, интервал 4852-4856 м, X горизонт балаханской свиты, 1 - при изменении горного давления и фиксированном поровом давлении, равном 0,1 МПа, 2 - при одновременном изменении горного и порового давлений, 3 - при снижении порового давления и фиксированном горном давлении (этап моделирования разработки).

Рис.3. КРИВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОНИЦАЕМОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭФФЕКТИВНОГО ДАВЛЕНИЯ

Месторождение Сангачалы-Дениз, скв 550, интервал 3419-3422 м, надкирмакинская песчаная свита, 1 - при одновременном изменении горного и порового давлений, 2 - при увеличении горного давления и фиксированном поровом давлении (этап моделирования разработки).