WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

УДК 550.832 ДЕНИСЕНКО

Александр Сергеевич ПЕТРОФИЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ И СКВАЖИННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В СИЛЬНОМ ПОЛЕ

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в лаборатории петрофизических исследований и обобщения ООО «Арктик-ГЕРС» и на кафедре геофизических информационных систем Российского Государственного Университета имени И.М. Губкина

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук, главный геолог ООО «Арктик-ГЕРС», ТОПОРКОВ Владимир Георгиевич,

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина НЕРЕТИН Владислав Дмитриевич кандидат геолого-минералогических наук, заместитель генерального директора ООО «ЦНИП ГИС», КОЛОТУЩЕНКО Леонид Данилович

Ведущая организация: ООО «Нефтегазгеофизика», г. Тверь

Защита состоится «22» мая 2012 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д.212.200.05 при Российском Государственном Университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, дом 65, Москва, В-296 ГСП-1, 1199

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Л.П. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 г. планируется обеспечить добычу нефти на уровне 530-535 млн. тонн.

Значительно увеличится и добыча газа. В этой связи значительно возрастает роль геологогеофизического обеспечения нефтегазопоисковых работ. Ключевую роль при этом играют петрофизические исследования керна методом ЯМР в сильном поле, которые на основе прямых измерений характеристик пород обеспечивают получение базовых констант, зависимостей и характеристик процессов, используемых при моделировании и оценке подсчетных параметров резервуаров.

Актуальность и востребованность новых ЯМР-разработок для исследования керна в нефтегазовых технологиях определяется несколькими группами факторов.

С точки зрения физических основ механизма ЯМР релаксации наиболее значимыми являются четыре компоненты – амплитуда сигнала, соответствующая водородосодержанию, время продольной и поперечной релаксации (Т1 и Т2) и коэффициенты самодиффузии насыщающих флюидов. Эти параметры имеют богатое петрофизическое содержание. В частности, механизмы поверхностной, диффузионной и объемной релаксации по Тчувствительны к изменению структуры емкостного пространства, поверхностных свойств горных пород и типа насыщающей их жидкости. На основе этих уникальных свойств в петрофизической практике созданы инструменты для изучения распределения пористости по временам релаксации, являющимся отражением структуры порового пространства, которое контролирует комплекс ФЕС (Кп, Кво, Кпр, Кпэф и др.), а также распределений вязкости флюидов.

Важным свойством ЯМР изучения горных пород являются также технологические факторы – этот метод относится к электромагнитным и дистанционным, т.е. не оказывающим какого-либо воздействия на объект исследования. Необходимо отметить возможности метода ЯМР как экспрессного и поэтапного, способного давать широкий спектр информации на различных стадиях изучения объектов недропользования, как в процессе ГТИ на скважине с измерением флюидов, навесок породы, шлама, так и в лабораторных прецизионных измерениях образцов керна.

Бурное развитие ядерного магнитного каротажа (ЯМК) в сильном поле обуславливает перспективность и актуальность метода ЯМР в изучении горных пород. В последние годы ЯМК проводится в более чем 100 скважинах в год как отечественными, так и зарубежными компаниями. Эффективность работы этого динамично развивающегося аппаратурнометодического комплекса опирается на целый ряд важных аспектов петрофизического обеспечения лабораторных и скважинных исследований горных пород методом ядерномагнитного резонанса, которые остаются не достаточно исследованными, что делает актуальной данную работу.

Цель работы: Создание научно-методических основ петрофизического обеспечения интерпретации данных ядерного магнитного резонанса в сильном магнитном поле.

Основные задачи работы:

1. Выполнить обзор современного состояния исследований горных пород на базе метода ЯМР в поле постоянных магнитов.

2. Разработать методику оценки структуры порового пространства и компонентного состава пористости на основе комплекса петрофизических методов с различной физической природой (ЯМР, имидж-анализ шлифов, капилляриметрия).

3. Оценить информативность метода ЯМР и разработать экспериментальную методику ЯМР-мониторинга изменения структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных комбинациях вытесняющего и вытесняемого флюидов.

4. Оценить эффективность применения «тяжелой» воды D2О при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в порах горных пород.

Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность исследований обусловлена тем, что все результаты диссертационной работы базируются на масштабных данных реального кернового материала более чем 20-ти нефтегазовых месторождений и сопоставлении данных ЯМР-исследований с другими физическими методами, такими как рентгеноструктурный анализ, имидж-анализ петрографических шлифов, растровая электронная микроскопия и данными интерпретации материалов ГИС разрезов, вскрытых бурением скважин.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показана эффективность метода ЯМР в сильном магнитном поле для оценки петрофизических характеристик песчано-глинистых и карбонатных пород по результатам исследования свыше 22500 образцов керна более чем с 20-ти крупных месторождений, в основном Западно-Сибирской, Волго-Уральской, Тимано-Печорской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинций России.

2. Экспериментально обоснована методика комплексной оценки порометрической характеристики пород по согласованным измерениям на керне прямыми и косвенными методами с различной физической природой и разрешающей способностью (ЯМР, имиджанализ петрографических прозрачных шлифов, капилляриметрия).

3. Разработана экспериментальная методика ЯМР-мониторинга структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных составах вытесняющего и вытесняемого флюидов.

4. Экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды D2О при ЯМРсопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в песчаноглинистых и карбонатных породах.

Основные защищаемые положения:

1. Комплексирование капилляриметрии, имидж-анализа шлифов и ЯМР-измерений на керне обеспечивают петрофизическую калибровку измерений ЯМР в скважинах для оценки порометрической характеристики и компонентного состава емкости.

2. ЯМР – измерения на керне в режиме мониторинга позволяют количественно оценивать изменение структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости, а также процессов по увеличению нефтеотдачи и их эффективности в результате соляно-кислотных обработок.

3. Использование воды D2О при моделировании системы «нефть-вода» в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов.

Практическая значимость работы и личное участие автора. Работа выполнялась автором в течение более чем 12 лет. Денисенко А.С. лично производил, а впоследствии и руководил регистрацией релаксационных кривых ЯМР всего изучаемого в лаборатории объема керна (более 22500 образцов керна); провел обоснованный расчет и последующую интерпретацию всех спектров распределения времен релаксации; осуществлял своевременную диагностику, юстировку и, при необходимости, руководил ремонтом и внедрением новых узлов, разработкой, апробацией и реализацией новых методических процедур комплекса имеющейся аппаратуры ЯМР. Участвовал в многочисленных научнотехнических совещаниях, конференциях, сессиях и консультациях, читал тематические лекции на слушаниях по повышению квалификации работников сферы геофизических и петрофизических исследований, готовил окончательные отчетные материалы и проводил их защиту на НТС заказчиков.

Разрабатывал и внедрял новые методико-аппаратурные решения в общем комплексе петрофизических исследований, а именно: высокоточного измерения газопроницаемости, рентгено-дифракционного анализа минералогического состава горных пород, анализа структуры пустотного пространства на базе петрографических прозрачных шлифов, капилляриметрических и фильтрационных исследований, комплексной интерпретации материалов ГИС и керна.

В процессе работы на базе петрофизических исследований материалов керна и ГИС более чем 20-ти крупных месторождений Денисенко А.С. были сформированы основные положения и тезисы диссертационной работы, поставлены цели и предложены новые методические решения и, впоследствии, доведены до непосредственного практического исполнения. С его личным участием и под его непосредственным руководством в программу возможных работ компании были внедрены: комплексы изучения динамики структуры емкостного пространства в процессе вытеснения, замещения насыщающего флюида, различных воздействий на матрицу пород; эксперименты с использованием водородонесодержащих жидкостей при изучении капиллярных свойств горных пород;

сопоставление и настройка спектров распределения времен релаксации по данным прямых методов изучения морфологии порового пространства. Предложенные методики и подходы в реализации аппаратурных комплексов на базе ЯМР позволяют существенно повысить эффективность существующих технологий петрофизических исследований песчаноглинистых и карбонатных пород коллекторов нефти и газа.

Все научные выводы, положения и результаты, защищаемые в диссертационной работе, разработаны и получены лично автором, либо под его непосредственным контролем и руководством.

Апробация и реализация результатов диссертации Основные положения диссертационной работы докладывались на: XVI Губкинских чтениях «Развитие нефтегазовой геологии – основа укрепления минерально-сырьевой базы» (г. Москва, 2002г.); научно-практической конференции «Ядерная Геофизика 2002» (г. Тверь, 2002г.); 5-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2003г.); Международном ежегодном симпозиуме SCA (Франция, г.По, 2003г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Состояние петрофизического обеспечения ядерно-геофизических, акустических и других методов ГИС» (г.Тверь, 2005г); Международном ежегодном симпозиуме SCA (Канада, Торонто, 2005г.); научно практическом семинаре «Новейшие ядерно-геофизические, петрофизические и ГИС- технологии при определении ФЕС нефтегазонасыщенных пластов на различных стадиях изучения (при поисках, разведке и разработке)» (Доминиканская Республика, 2007г.); научно практическом семинаре «Ядерно-геофизические скважинные и аналитические методы в комплексе ГИС для оценки ФЕС пластов при поиске, разведке и контроле эксплуатации месторождений нефти и газа» (Вьетнам, г.Фантьет, 2009г); научнопрактическом семинаре «Петрофизическое обеспечение геофизических исследований бурящихся скважин» (Республика Куба, 2010г.); Юбилейной международной конференции «Петрофизика: современное состояние, проблемы, перспективы», посвященная 100-летию со дня рождения профессора В.Н. Кобрановой (г. Москва, 2010г.); I Российском рабочем совещании, посвященном 90-летию со дня рождения Б.Б. Звягина, «Глины, глинистые минералы и слоистые минералы» (г. Москва, 2011г.); Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития ядерно-магнитных методов исследований нефтегазовых и рудных скважин, каменного материала и флюидов» (г. Тверь, 2011 г.);

научно-техническом семинаре «Новые ядерно-геофизические скважинные и петрофизические технологии при исследовании нефтяных и газовых месторождений» (к.

Канкун, Мексика, 2011г.) Публикации: По теме диссертации опубликовано 22 работы (3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) Фактический материал. В основу диссертационной работы положены исследования проведенные автором в ОАО НПЦ «Тверьгеофизика» (2000 -2005 гг.) и в ООО «АрктикГЕРС» (2005 – 2012 гг.). Был обработан, проанализирован и обобщен фактический материал петрофизических исследований керна. Проведены серии комплексных экспериментов на основе аппаратуры ЯМР. Анализ многочисленных результатов и их последующая интерпретация позволили расширить существующую методическую базу и разработать принципиально новые научно-обоснованные подходы в решении задач применения метода ЯМР в изучении петрофизических свойств горных пород. Использованы данные более чем по 20-ти месторождениям из всех нефтегазоносных провинций РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы - 149 страниц текста, 33 рисунка, 10 таблиц. Список литературы содержит 63 наименования, в том числе 32 на английском языке.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. Топоркову Владимиру Георгиевичу за неизменное внимание, ценные советы и конструктивные замечания, консультанту по научной работе д.т.н., профессору Стрельченко Валентину Вадимовичу за последовательные инструкции и корректировки, касающиеся структуры диссертации и к.т.н. Малинину Андрею Викторовичу за неоценимую помощь и консультации.

Автор также выражает свою искреннюю признательность ученым и специалистам д.ф.-м.н. В.А. Мурцовкину, к.т.н. С.Ю. Рудаковской, к.ф.-м.н П.В. Кошкину за плодотворные советы и ценные замечания и отдельно отмечает искреннюю заботу, безграничную поддержку и многочисленные рекомендации оказываемые в процессе работы его отцом, к.т.н Сергеем Ивановичем Денисенко.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследований, научная новизна работы, практическая значимость.

В главе 1 представлен обзор современного состояния, уровня и перспектив исследований горных пород на базе метода ЯМР.

Лабораторное изучение ядерно-магнитных свойств пород коллекторов началось в шестидесятых годах в связи с развитием и внедрением ядерно-магнитного каротажа, работающего в магнитном поле Земли (ЯМКз). В зависимости от типа ЯМР-релаксометров, имевшихся тогда в распоряжении исследовательских групп, ЯМР-измерения проводились в магнитных полях, сильно различающихся по магнитной индукции (Ларморовы частоты от до 30 МГц). Измерения, проводившиеся в поле Земли или в магнитных полях, близких по напряженности, отличались определенными ограничениями в части измерения сигналов свободной прецессии с временами поперечной релаксации менее первых десятков миллисекунд. Однако именно они могли быть непосредственно использованы в качестве основы для петрофизического обоснования интерпретации ЯМК в поле Земли.

Лабораторные измерения в сильных полях охватывали значительно больший диапазон в области малых времен релаксации. Данные, полученные при этих измерениях, использовались при определении коллекторских свойств пород и, кроме того, позволили установить общие закономерности, характеризующие возможности и особенности ЯМК.

Развитие ядерно-магнитного каротажа, использующего искусственное магнитное поле постоянных магнитов (ЯМКс), потребовало более углубленного изучения ядерно-магнитных свойств пород-коллекторов, проявляющихся при Ларморовых частотах 1 - 2 МГц, характерных для этой модификации метода.

Условия и методика проведения ЯМКс в относительно сильных магнитных полях наложили серьезный отпечаток на методологию и задачи лабораторных ЯМР-исследований образцов пород и пластовых флюидов. Основным фактором, определившим направление и результаты исследований, явилась возможность регистрации в условиях скважины сигналов спин-эхо, что позволило расширить диапазон измерения сигналов за счет области очень малых времен поперечной релаксации - до единиц миллисекунд и менее - и получать непрерывный спектр этого параметра. Более того, проведение измерений в магнитных полях с малым градиентом дало возможность оценивать и коэффициент диффузии пластового флюида.

Интенсивные лабораторные исследования и обобщение получаемых данных, проводимые в течение последних 7 - 8 лет, расширили и в определенной степени, изменили некоторые положения, касающиеся петрофизической основы ЯМК. Эти исследования продолжаются с прежней интенсивностью, поэтому многие представления эволюционируют и еще далеки от канонизации.

Во второй главе рассмотрены вопросы обоснования физической основы метода ЯМР, как метода отражающего структуру емкостного пространства пород. Проведены сопоставления результатов метода ЯМР и данных петрографического анализа прокрашенных шлифов («имидж-анализ»), показано их сходство, что является неоспоримым эмпирическим подтверждением основного феноменологического уравнения в теории релаксации ядерной намагниченности, которое связывает время релаксации и размер пор. Предложена методика на основе комплексирования данных капилляриметрии, «имидж-анализа» шлифов и ЯМРизмерений на керне, которая обеспечивает петрофизическую калибровку измерений ЯМР в скважинах для оценки порометрической характеристики и компонентного состава емкости.

Существуют прямые и косвенные методы изучения структуры порового пространства.

К прямым методам относятся оптические, с помощью электронной микроскопии, рентгеновской и ЯМР томографии, к косвенным – капиллярные методы, т.е. методы вытеснения. Наиболее распространенным среди оптических методов является исследование микрофотографий прокрашенных шлифов. Косвенные методы вытеснения, будь то метод полупроницаемой мембраны, ртутная порометрия, центрифугирование, позволяют оценить распределение фильтрующих каналов изучаемого объекта. Преимуществом данных подходов является их распространенность и изученность. Все перечисленные выше методы изучения морфологии порового пространства горных пород являются лабораторными.

Единственным исключением является метод ЯМР, который широко используется в каротаже.

Метод ЯМР, как метод исследования фильтрационно-емкостных свойств горных пород, позволяет получать косвенную информацию о структуре порового пространства, как в качественном (распределение времен поперечной (продольной) релаксации), так и в количественном виде – распределение размеров пор. Для перехода от времен релаксации к геометрическим размерам пор необходимо проводить настройку по данным какого-либо прямого метода. Предлагаемая петрофизическая калибровка данных ЯМР базируется на изучении прокрашенных петрографических шлифов, а именно «имидж-анализе».

На сегодняшний день в лаборатории изучено более 5000 прозрачных шлифов.

Сопоставление данных петрографии и ЯМР, описанные в работе, проведено на значительном количестве кернового материала различной литолого-генетической принадлежности, в том числе на сложных карбонатных породах, с хорошо развитыми процессами образования вторичной пористости. С точки зрения физики ЯМР, усложнение строения емкостного пространства не должно сказываться на информации, содержащейся в спектре времен релаксации. Независимо от конфигурации системы пор, время релаксации определяется типом насыщающего флюида, степенью взаимодействия с поверхность пор (релаксационная активность), размером и геометрией поры. Литолого-генетические особенности породы не сказываются на пропорциональности времен релаксации и размеров пор. В этом случае, полученные в работе взаимосвязи для терригенных пород должны оказаться справедливыми и для более сложнопостроенных пород. В качестве примера рассмотрим соответствие спектров Т2 и распределений размеров пор, полученных на основе изучения петрографических шлифов и капилляриметрии для карбонатных пород среднего и нижнего карбона месторождений Волго-Уральской нефтегазоносной провинции.

На рис. 1 представлены распределения размеров пор, полученные методами ЯМР, «имидж-анализа» и капилляриметрии. Слева на рисунке расположены группы гистограмм – распределения пористости по эквивалентному радиусу пор, по времени релаксации Т2, а также результат калибровки – наложения спектра ЯМР на данные «имидж-анализа», справа – фотографии микроструктуры емкостного пространства изучаемых объектов. Представленная устойчивая картина соответствия данных ЯМР прямому оптическому методу, на сложных, разнородных коллекторах подтверждает сделанные выводы для более упрощенных систем песчано-глинистых пород. Несмотря на изменение вещественного состава пород, их генезиса, отражающегося в усложнении морфологии емкостного пространства, сохраняется высокая степень подобия результатов изучения структуры порового пространства прямым и косвенным методами.

Спектры вытеснения, распределения фильтрующих каналов, полученные по данным метода полупроницаемой мембраны, также как и при рассмотрении терригенных пород, находятся в области значительно меньших размеров, их разница достигает одного порядка.

Процедура сопоставления этих распределений, зачастую используемая при построении кривых капиллярного вытеснения по данным ЯМР, некорректна. Динамическая характеристика – спектр размеров фильтрующих каналов, отражающий капиллярные и фильтрационные свойства горной породы не является аналогией спектра ЯМР – распределения емкости по размеру пор, а всего лишь его частный случай. Несмотря на это, для многих типов пород формы распределений, полученные по данным вытеснения и ЯМР, схожи (рис. 1). Это подобие присуще для осадочных пород гранулярного типа, т.е. в случае, когда реальная горная порода может быть приближена с некоторой точностью к модели плотнейшей шаровой упаковки (ПШУ), функция отношения радиуса тела поры к радиусу фильтрационного канала по размеру пор будет линейной.

Представленные в литературе оценки релаксационной активности поверхности пор отличны для пород различного минералогического состава. Единственная существующая технология оценки этого параметра основана на измерении отношения S/V, времени релаксации T2. Практических технологий измерения отношения S/V несколько, наиболее распространенные из них - растровая электронная микроскопия (РЭМ), ртутная порометрия, капилляриметрия, изотермы адсорбция паров азота (БЭТ), «имидж-анализ» петрографических шлифов. Фундаментальная проблема любого из перечисленных методов – различная чувствительность к очень тонким частицам и углублениям на поверхности минерального скелета (достигают размеров в нанометры), отличная для каждого метода и, в том числе, для ЯМР. Поэтому значения измеренных отношений S/V неодинаковы и определяются способом их изучения. Средние значения релаксационной активности - 0.015 мкм/мс для песчано-глинистых пород и 0.005 мкм/мс для известняков. Эти данные подтверждены отечественными исследователями, для терригенных пород релаксационная активность находится в диапазоне 0.00760.025 мкм/мс. В результате сопоставления данных петрографии и ЯМР, описанных в работе, для терригенных пород получены значения в диапазоне 0.050.3 мкм/мс, карбонатных – 0.010.05 мкм/мс. Как видно, эти значения выше данных, представленных в литературе, по крайней мере, на порядок. Напомним, диапазоны размеров тел пор и фильтрационных каналов в результате представленных в диссертационной работе исследований различны, достигают как раз одного порядка. Более того, известно, что при сопоставлении данных ЯМР и адсорбции азота (БЭТ), либо ртутной порометрии значения релаксационной активности составляют около 1/10 и менее, чем аналогичные по данным методов ЯМР и «имидж-анализа». Проведенные в работе сопоставления ЯМР и капилляриметрии действительно подтверждают общепринятые величины, например, для песчано-глинистых пород верхнемеловых отложений ЗападноСибирской нефтегазовой провинции значения составили 0.010.05 мкм/мс, известняки фаменских отложений Тимано-Печорской нефтегазовой провинции охарактеризованы значениями релаксационной активности в диапазоне 0.0010.003 мкм/мс. Полученные отличия подтверждают сделанные в работе выводы о различие размерных систем пор и Рис. 1. Распределения, отражающие морфологию емкостного пространства различных карбонатных пород, полученные методами ЯМР, петрографии и капилляриметрии (Волго-Уральская нефтегазоносная провинция, карбон) фильтрационных каналов.

Для перехода от времен релаксации к размерам пор можно использовать прямой коэффициент пропорциональности, полученный из представленных значений релаксационной активности. Для этого необходимо увеличить в три раза, т.к. в расчете использовалась модель сферических пор, для которых r=3T2. В результате расчетов для терригенных пород размеры пор составляют от долей микрона до 100 мкм, для карбонатных пород – до единиц миллиметров.

Третья глава посвящена решению задач «динамической петрофизики», т.е. в использовании ЯМР, как высокоточного индикатора изменения системы «керн - насыщающие флюиды - внешние воздействия». Агентами воздействия, в зависимости от изучаемой задачи, могут быть различные факторы – время, температура, давление, изменение степени смачиваемости поверхности, экстрагирование, вытеснение одного флюида другим и др. В данной главе диссертационной работы рассмотрены наиболее часто моделируемые процессы вытеснения и замещения порового флюида и показано, что метод ЯМР может быть использован как индикатор изменения структуры емкостного пространства и свойств поверхности пор горной породы. Глава разделена на пять частей, связанных описанной тематикой, - вводная и четыре относящиеся к различным блокам нефтегазовых технологий. Принципиально общим элементом разработанных экспериментальных методик мониторинга является последовательность выполнения работ («измерение - воздействие - изменение»), а индивидуальные особенности экспериментальных процедур связаны с характером, числом и периодичностью измерений, типом информативных параметров ЯМР и комплексированием с другими петрофизическими исследованиями.

Первая часть обобщающая, посвящена проблематике и предпосылкам использования метода ЯМР в мониторинге процессов динамической петрофизики.

Метод ЯМР, основанный на взаимодействии ядерной намагниченности водорода, присутствующего в насыщающем образец флюиде, и взаимно-перпендикулярно направленных постоянным и переменным магнитными полями релаксометра, является дистанционным, т.е. не изменяющим характеристик образца горной породы. ЯМР принципиально позволяет производить неразрушающий контроль состояния в процессе динамических воздействий во времени. Кроме технологических, другой важнейшей особенностью метода являются его чувствительность к широкому кругу физических факторов и параметров, по изменению которых можно судить о процессах, проходящих в образце. К ним относятся: общая емкость, разделяемая на типы, удельная поверхность, порометрические характеристики; смачиваемость поверхности; коэффициент диффузии и вязкости порового флюида; чувствительность к температуре и др. Возможность дистанционного неразрушающего контроля в сочетании со значительным числом разнообразных параметров, применяемых в анализе и интерпретации результатов, определяют широкий круг геологических, технологических и промысловых задач, где ЯМР может использоваться для мониторинга различных процессов.

Вторая часть третьей главы касается ЯМР-исследований в процессе вытеснения порового флюида газом и оценки неснижаемой водонасыщенности по спектрам Т2.

Метод полупроницаемой мембраны, капилляриметрия – важнейшая методика в петрофизических исследованиях. Моделируемый процесс вытеснения воды косвенно воспроизводит механизм формирования углеводородной залежи по капиллярному механизму. На основе подобных экспериментов моделируют и, самое важное, количественно оценивают значение неснижаемой водонасыщенности – Кво, также получают характеристику капиллярных свойств горной породы, а используя уравнение Лапласа, переходят к распределению размеров фильтрующих каналов.

Наиболее распространенный и общепринятый на данный момент подход в настройке метода ЯМР при оценке ФЕС коллекторов представлен подбором величины граничных времен релаксации T2гр, когда в качестве базисных данных используются кривые капиллярное давление – насыщенность. Величина граничного значения T2гр не является одной и той же для всех пород. Как показали западные исследователи, основное влияние на вариации T2гр оказывает содержание парамагнитных и, преимущественно, ферромагнитных включений на поверхности твердой фазы породы. Увеличение числа этих включении приводит к снижению T2гр и наоборот. Существенное различие в величинах граничного значения времени поперечной релаксации наблюдается у песчаников и известняков. Для песчаников, у которых содержание ферромагнитных включений достигает 1%, оно составляет в среднем 33 мс, карбонатные породы характеризуются более высоким значением T2гр, общепринятым считается значение T2гр = 90 мс. Указанные граничные значения широко используются при интерпретации данных ЯМК, однако эти величины необходимо корректировать по результатам непосредственных измерений на образцах пород из конкретной части разреза, но такие настройки зачастую приводят к получаемым граничным значениям в очень широких диапазонах.

Основное назначение ЯМР при капилляриметрических исследованиях – изучение структуры распределения остаточной воды (рис. 2), обоснование расчета из спектров ЯМР распределений размеров фильтрующих каналов, получение граничных значений T2гр для петрофизической калибровки данных каротажа по остаточной (неснижаемой) водонасыщенности. Методика экспериментальных исследований ЯМР по сопровождению метода полупроницаемой мембраны в общем случае включает измерение спектра ЯМР на полностью водонасыщенном образце, а также измерения на каждой (или отдельных) ступенях изменения давления. В ходе наших экспериментов установлено, что в ряде случаев за промежуток времени, необходимый для извлечения образца из капилляриметра и проведение измерения ЯМР с последующим возвращением образца в капилляриметр может происходить частичная потеря невытесненной воды. Поэтому такие эксперименты следует проводить на этапах полного, стопроцентного насыщения и последнем, соответствующем состоянию неснижаемой водонасыщенности, либо последней ступени давления вытеснения Учитывая, что методика капилляриметрии носит базовый характер и проводится в массовом порядке, то на сегодняшний день нами были изучены более 40 коллекций образцов песчано–глинистого и карбонатного разрезов из более чем 20-ти крупных месторождений России. В процессе исследований была установлена ограниченность некоторых описанных в литературе и принятых приемов и предложены более достоверные решения.

Большинство коллекторов относится к гидрофильным породам, у которых некоторая доля связанной воды покрывает внешнюю поверхность пор и не удаляется при вытеснении (рис. 2). Очевидно, что в таких случаях эффективная емкость, определяемая по кривой распределения T2, не соответствует области, ограниченной значением T2гр, так как в порах, содержащих как свободную, так и связанную пленочную воду, последняя не выделяется самостоятельно и, более того, вносит вклад в сигнал, характеризуемый временем релаксации более T2гр. Таким образом, в случае полностью водонасыщенных гидрофильных пород, оцениваемая принятым способом эффективная емкость является кажущейся величиной, т.к.

отделяет не свободную воду от связанной, а поры, содержащие свободную и пленочную связанную воду, от пор, содержащих только связанную воду.

В процессе работы и на основе зарубежных исследований был рассмотрен специальный подход для оценки объемного содержания связанной воды, который состоит в ведении так называемого «плавающего» граничного значения. Суть предлагаемого приема заключается в том, что во всем интервале значений T2 вводится весовая функция, рассчитываемая на основе фактических результатов ЯМР-исследований на частично водонасыщенных образцах керна, в состоянии, соответствующем остаточному (например, после вытеснения методом центрифугирования или вытеснения газом на полупроницаемой мембране). Весовая функция F(T2) меняется с ростом T2 от некоторого максимума (более 1), отражающего завышение по амплитуде в начальной области спектра (пленочная вода), до и учитывает радиус порового канала, капиллярное давление, угол смачивания и Рис. 2. ЯМР-спектры водонасыщенных образцов керна до и после центрифугирования.

Аркозовый песчаник, верхний мел, Восточная Сибирь поверхностное натяжение на границе воды и вытесняющей фазы (воздуха, нефти и т.п.).

Содержание связанной воды определяется путем интегрирования кривой распределения по T2 с учетом весовой функции, полученной на основе, подчеркнем, фактического распределения связанной воды по временам релаксации. При этом к связанной воде относится как доля площади слева от граничного времени, охватывающая пленочную воду, так и справа от него, увеличенная и уменьшенная соответственно пропорционально весовой функции. Этот прием дает наиболее приемлемую оценку связанной воды, хотя и требует дополнительного ЯМР-измерения образцов после моделирования остаточного водонасыщения.

Пример использования предложенного метода проиллюстрирован на рис. 3. Высокая степень соответствия полученных значений Кво по данным нового метода и метода полупроницаемой мембраны подтверждает законность и корректность предлагаемого способа расчета неснижаемой водонасыщенности по спектрам ЯМР. Близкие значения коэффициентов корреляции, полученные при сопоставлении данных капилляриметрии и ЯМР, в данном случае подчеркивают равноправность методов для оценки значений Кво, но с точки зрения гидродинамического вытеснения, капиллярных свойств и адгезии поверхности пор стандартный метод граничных времен, в отличие от предложенного, не обоснован.

Данный подход повышает достоверность оценки остаточной воды методом ЯМР и позволяет корректировать величину неснижаемой водонасыщенности в зависимости от соотношения плёночной и объёмной компоненты, а результаты экспериментальных данных, в соотношении с расчётными, становятся гораздо ближе.

Описанный подход позволяет избежать еще одного важного допущения принимаемого в методологии ЯМР. В карбонатных коллекторах, где развита внутризерновая пористость, существенно влияние диффузии происходящей за время релаксации между внутризерновыми и межзерновыми порами. В результате вклады соседних пор в распределение Tусредняются, а кривая распределения перестает отражать распределение пор по размерам. Хотя оценка общей пористости при этом не искажается, но чем меньше размер макропор, тем сильнее правая мода спектра смещается в сторону Рис.3. Сопоставления значений остаточной малых значений T2, при водонасыщенности, рассчитанных различными способами.

этом даже двухмодальАркозовые песчаники, неоком, Западно-Сибирская НГП ные распределения приближаются к одномодальным, причем положение моды, отвечающей микропорам, практически не смещается с изменением размера макропор. В результате обычный подход к определению по данным ЯМР эффективной пористости не дает верных оценок, чего лишен описанный выше прием с использованием фактических данных ЯМР после вытеснения.

Таким образом, по результатам широкого опробования установлено, что возможность расчета из спектров ЯМР распределения пористости по размерам фильтрующих каналов при калибровке по данным капиллярометрии ограничена. Такие связи удается построить для кварцевых песчаников, с большей погрешностью – для хорошо отсортированных шельфовых аркозовых песчаников и практически не удается – для карбонатных пород. Это связано с тем, что рассматриваемые методы оценки структуры порового пространства отражают разные величины. ЯМР – собственно размеры пор, полупроницаемая мембрана – размеры фильтрующих каналов.

В третьей части описаны возможности метода ЯМР в определение степени влияния различных буровых растворов на фильтрационно-емкостные характеристики пород.

В процессе бурения, обнажаемые на стенках скважины проницаемые породы под влиянием фильтрации в них буровых суспензий кольматируются и становятся слабопроницаемыми или полностью гидроизолированными. Одним из эффективных способов сохранения коллекторских свойств при вскрытии продуктивных пластов является использование специальных буровых растворов высокой кольматирующей способности, позволяющих создавать тонкую зону кольматации - фильтрационную корку, непроницаемый фильтр, выдерживающий большие перепады давления. На стадии разработки и внедрения таких систем большое значение имеет объективная экспериментальная оценка кольматирующих свойств буровых растворов для выбора их оптимальных составов.

В работе проведены специальные исследования керна для выяснения влияния кольматации на поровое пространство. Разработана специальная установка и методика испытаний, позволяющие моделировать процессы воздействия различных буровых растворов на коллекторах в забойных условиях и поставлены эксперименты по внедрению бурового раствора в породу с последующим течением углеводородной жидкости в обратном направлении. Контроль изменений структуры порового пространства и свойств поверхности осуществлен методом ЯМР.

На начальном этапе исследуемые образцы были полностью отэкстрагированы и насыщены моделью пластовой воды. Записанные релаксационные характеристики в данный момент являлись эталонными и использовались как отправная точка всех последующих воздействий на образцы. Остаточная водонасыщенность моделировалась методом центрифугирования, после чего образцы донасыщались нефтью. Дальнейшие этапы динамической и статической фильтрации различных буровых растворов оказали существенное влияние на структуру порового пространства образцов (рис. 4). Для выполнения ЯМРисследований первоначальный 70-мм образец распиливался на два цилиндра длиной 3.48 см (2-1) и 2.98 см (4-3), при этом отмечалось направление, в котором проводилась фильтрация бурового раствора, а от первого, впоследствии, удалялась 0.65 см образца вместе с образованной фильтрационной коркой. Торцы нумеровались в направлении фильтрации, 2 и 3 – результат распила. Далее проводилась фильтрация нефти в Рис. 4. ЯМР-спектры образца в полностью противоположном направлении, модеводонасыщенном состоянии, после лирующая эксплуатацию месторождецентрифугирования и после фильтрации ния. Значительное снижение амплитуд бурового раствора на его частях спектров, соответствующих общей пористости, отражает процессы кольматации прискважинной зоны мелкодисперсными частицами, содержащимися в буровом растворе. Как видно, уменьшение произошло только в области эффективных пор (граничное значение для этих пород равно 18.9 мс), и связано с внедрением в них частиц раствора.

Отметим, что для иллюстрируемого образца появились области спектра Т2 соответствующие более длинным временам по сравнению с исходным эталонным спектром полностью водонасыщенного состояния. Природа такого изменения связана с влиянием бурового раствора на физико-химические свойства поверхности пор данного образца, т.е. фильтрация ингибированного полимер-глинистого бурового раствора через образец привела к частичной дегидрофилизации поверхности пор. В результате чего, у образца после этапов динамической и статической фильтрации изменилась степень смачиваемости в сторону гидрофобности. Последующие декольматирующие процессы фильтрации нефти в обратном направлении восстановили емкостные свойства исследуемых образцов более чем на 90%.

Отличительной чертой фильтрации ингибированного полимер-глинистого бурового раствора оказалось видимое увеличение времен в результирующих спектрах Т2. Такое поведение подтверждает вывод о частичной гидрофобизации пород.

С точки зрения изучения изменений, как структуры емкостного пространства, так и свойств поверхности пор, ЯМР зарекомендовал себя как необходимый и обоснованный метод. На базе описанных исследований была проведена адаптация предложенного способа изучения кольматирующих процессов и внедрение метода ЯМР в практику применения подобных исследований. На данный момент разработанная технология является одним из значимых инструментов, применяемым в лаборатории ООО «Арктик-ГЕРС».

В четвертой части метод ЯМР используется в оценке влияния фильтрата бурового раствора на эксплуатационные характеристики пластов, содержащих в цементе набухающие минералы глин. Показано, что ЯМР – измерения на керне в режиме мониторинга позволяют количественно оценивать изменения структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости.

Одной из основных причин, вызывающих ухудшение коллекторских свойств продуктивных горизонтов, считают изменение физических свойств коллектора в зоне проникновения фильтрата бурового раствора. При взаимодействии водного фильтрата бурового раствора с твердой фазой породы происходит поверхностная гидратация набухающих минералов скелета пород. При этом, чем сложнее структура порового пространства породы, чем более мелкодисперсными частицами она сложена, тем значительнее остаточная гидратация породы. В результате этого, в зоне проникновения раствора, увеличивается количество прочно связанного фильтрата, уменьшаются эффективная пористость и проницаемость коллектора. Уменьшение проницаемости в зоне проникновения в результате поверхностной гидратации пород может составлять до 40% первоначальной.

Для установления количественных критериев и оценки вышеописанных процессов были проведены исследования дегидратации глинистых минералов катионами натрия на образцах песчаника чаркабожской свиты. Сухой образец был насыщен фильтратом бурового раствора. Индикатором изменения структуры порового пространства послужил метод ЯМР – проведена регистрация релаксационных свойств. После этого раствор, путем фильтрации, был замещен на высокоминерализованный раствор NaCl (234 г/л) и вновь были сняты ЯМРхарактеристики. По полученным спектрам времен T2 были рассчитаны емкости воды, связанной с общей пористостью, с глинистыми минералами, остаточной водонасыщенностью и эффективным флюидом. На рис. 5 приведены результаты обработки релаксационных кривых: (1) – для фильтрата бурового раствора, (2) – для раствора NaCl. Как видно из приведенных данных, замена фильтрата на высокоминерализованный раствор привела к существенному изменению распределения воды, связанной в первую очередь с дегидратацией набухающих глин. В результате последующей замены высокоминерализованного раствора на пресный фильтрат бурового раствора (кривая 3), фильтрационно-емкостные характеристики образцов практически полностью вернулись в исходное состояние.

Рис. 5. Спектры времен релаксации Т2.

Триас, чаркобожская свита.

(1 – Насыщенные пресным фильтратом бурового раствора (8 часов); 2 – насыщенные 4N раствором NaCl; 3 – замена раствора NaCl на пресный фильтрат бурового раствора (1080 часов);

А – уменьшение доли связанной воды за счет дегитратации смектита на 31%;

Б – увеличение доли межзерновой связанной воды; В – увеличение эффективной пористости на 61%) Сопоставляя полученные результаты можно отметить, за счет дегидратации глин катионами натрия, происходит существенное восстановление эффективной пористости и проницаемости - до 60 % от первоначальных, что должно приводить к улучшению фильтрационных характеристик пласта.

В последней пятой части рассмотрен вопрос динамики морфологии емкостного пространства карбонатных коллекторов в процессе воздействия на породу различными кислотными композиционными составами, показана целесообразность применения метода ЯМР как индикатора таких изменений.

Поскольку карбонатные коллекторы по химической природе являются солями угольной кислоты, которые хорошо растворимы в кислотах, то базовым методом воздействия на призабойную зону при освоении и повышении производительности скважин в карбонатных коллекторах является кислотное воздействие. Задачей лабораторий по исследованию керна являлся подбор кислотного состава, который имел бы замедленную и продолжительную скорость реакции, что позволяет глубоко проникать в ПЗП и достаточно эффективно растворять загрязнения с учетом пластовых условий и минералогического состава породы.

Результаты ЯМР-исследований в оценке изменений структуры емкостного пространства за счет воздействия кислотных составов для карбонатных верхнедевонских отложений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции представлены на рис. 6. Спектры распределения времен поперечной релаксации до и после воздействия на них кислотными композициями отражают изменение внутренней структуры образцов в результате химического протравливания и разрушения. Все без исключения спектры, соответствующие состоянию после воздействия, смещены относительно исходного нетронутого состояния породы в сторону меньших времен Т2. Такая картина воздействия химических растворителей указывает на необратимые ухудшения свойств изучаемых горных пород. Уменьшение времен, отражающее снижение эффективного размера пор, связано с процессами разрушения поверхности пор, вытравливанием крупных частиц и зерен породы с последующим осаждением продуктов реакции в поровой системе образца. Такая критическая перестройка морфологии емкостного пространства крайне отрицательно сказывается на ФЕС пород.

Безусловно, уменьшение эффективного диаметра пор влечет за собой снижение площади сечения фильтрационных каналов коллектора, что ведет к резкому снижению коэффициентов проницаемости пород, а в результате, падению продуктивности скважины.

0.До обработки, До обработки, Кп = 15.82% N лаб. 71123 N лаб. 70479-Кп = 8.46% 0.После кисл. обр-ки, Кп = 8.6% 0.1.После кисл. обр-ки, Кп = 15.91% 0.0.0.0.0.0 0.1 1 10 100 1000 10000 0.1 1 10 100 1000 100Время релаксации, мс Время релаксации, мс До обработки, Кп = 20.15% До обработки, N лаб. 71126-Кп = 13.54% 2.N лаб. 70482-1.После кисл. обр-ки, Кп = 20.3% После кисл. обр-ки, 1.Кп = 11.11% 0.0.0.1 1 10 100 1000 1000.1 1 10 100 1000 100Время релаксации, мс Время релаксации, мс Рис. 4.Рис. 4.Результаты ЯМР- исследований до кислотной обработки образцов Результаты ЯМР- исследований до кислотной обработки образцов Рис. 6. Результаты ЯМР-исследований до и после воздействия кислотных составов на и после обработки.

и после обработки.

Северо-Хоседаюское месторождение, скв. 12Северо-Хоседаюское месторождение, скв. 11скелет породы. Верхний девон, Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция Проведенные исследования изменения проницаемости пород в результате кислотных воздействий подтвердили сделанные выводы, резкие снижения фильтрационных Кп, % Кп, % Кп, % Кп, % характеристик, после воздействия кислоты на исследуемые породы, указывают на нецелесообразность использования данного кислотного состава при повторном вскрытии разреза.

Важно отметить, что в некоторых случаях происходит увеличение проницаемости на фоне смещения спектров Т2 в область коротких времен. Это противоречие обычно связано с возникновением крупных единичных дренажных каналов в матрице пород, которые значительно увеличивают общую проницаемость пород наряду с изменением поверхностных свойств породы, отражающихся в ЯМР-характеристиках. Согласно основному феноменологическому уравнению ЯМР, время релаксации определяется не только размером пор, но их формой и релаксационной активностью поверхности пор. Поэтому снижение времени релаксации, укорочение спектров Т2 не всегда соответствует ухудшению коллекторских свойств. В таких случаях возможны изменения свойств поверхности за счет воздействия кислот, образования тонких пленок продуктов реакции, увеличение, либо, наоборот, снижение удельной поверхности пор – кислота способна, как очистить поверхность зерен и пор, так и способствовать образованию мелких дефектов и трещин.

Подобные варианты требуют более глубоких тщательных подходов в изучении, основанных, например, на параллельном изучении шлифов до и после травления, либо приготовлении и последующем изучения методом ЯМР насыпных монофракционных моделей из образцов до и после воздействия кислоты.

Таким образом, последовательное использование метода ЯМР позволяет осуществлять контроль изменений структуры емкостного пространства коллекторов в процессе кислотных обработок и, более того, анализировать весь комплекс возможных воздействий на породу за счет взаимодействия с кислотой и композициями на ее основе.

Описанные в третьей главе исследования показали, что ЯМР – измерения на керне в режиме мониторинга позволяют количественно оценивать изменение структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости, а также процессов по увеличению нефтеотдачи и их эффективности в результате соляно-кислотных обработок.

В главе 4 уделено внимание работам с применением водородонесодержащих жидкостей, а именно тяжелой воды (D2O). Нулевой вклад подобных жидкостей в измеряемый сигнал ЯМР позволяет охарактеризовать емкостное пространство горных пород по содержанию различных насыщающих флюидов, проводить идентификацию флюидов, и, в некоторых случаях, оценить внутрипоровое положение того или иного флюида.

Использование воды D2О при моделировании системы «нефть-вода» в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов.

«Тяжелая» вода D2O обладает очень близкими физико-химическими свойствами по сравнению с обыкновенной водой, поэтому используя в качестве насыщающей фазы не воду H2O, а «тяжелую» воду получается система, которая практически полностью воссоздает насыщенный коллектор, с той лишь разницей, что регистрация сигнала ЯМР будет только от углеводородной фазы – нефти, либо ее компонент. Таким образом, фиксируя ЯМРхарактеристики образца породы на каждой стадии центрифугирования, записывая сигнал только от углеводородов, получим точное значение соотношения насыщающих образец жидкостей – воды и нефти.

Первый этап центрифугирования проводится в системе нефть-вода, т.е. образцы находятся в посадочных местах центрифуги заполненных нефтью. Кюветы герметизированы, что исключает процессы испарения во время вращения ротора. Температура всей системы выдерживается постоянной и соответствует значению температуры в пласте. Вращение центрифуги проводится на 8-ми различных скоростях роторов, выбранных так, чтобы равномерно записать всю кривую капиллярного вытеснения. Каждая ступень центрифугирования продолжается вплоть до полной стабилизации процессов вытеснения и составляет не менее 8 часов. После каждой ступени образцы вынимаются из центрифужных стаканов, взвешиваются и проводится ЯМР-регистрация. Второй этап центрифугирования проводится в системе вода-нефть, т.е. образцы помещаются в кюветы центрифуги заполненные «тяжелой» водой. Измерение кривой принудительного впитывания также проводится на 8-ми ступенях с 8-ми часовой стабилизацией. ЯМР регистрация завершает каждую ступень.

Эксперимент, поставленный в соответствии с данной методикой, позволяет получить кривые капиллярного вытеснения и последующего принудительного впитывания в системе «нефть-вода» для 8-ми исследуемых образцов. Для удобства интерпретации в пределах данной работы кривые принудительного впитывания построены в первом квадранте декартовой системы координат (положительная область давлений).

Пары полученных экспериментально кривых принудительного вытеснения и впитывания для выборочных карбонатных образцов пород фаменского яруса ТиманоПечорской нефтегазоносной провинции представлены на рис. 7. Снижение значений неснижаемой водо- и нефтенасыщенности отражено в характерном «разлете» кривых, определяется расстоянием между абсциссами точек, соответствующих Кво и Кно, что отражает динамическую пористость. На наш взгляд, с точки зрения удобства визуальной интерпретации форма представления графиков процессов капиллярного вытеснения и впитывания, схожая с формой зависимостей фазовых проницаемостей, выгодно отличается от общепринятой.

Характер полученных кривых указывает на частичную, либо полную гидрофобизированность поверхности пор изучаемого коллектора. Как видно из рисунков, значения остаточной нефтенасыщенности в результате принудительного впитывания значительно выше значений Кво, полученных в процессе капиллярного вытеснения воды нефтью. Подобные результаты характерны для пород, поверхность пор которых олеофильна, т.е. смачиваема нефтью. В случае гидрофильных пород, в большинстве случаев картина меняется, кривые смещаются в правую сторону.

На каждой ступени «вытеснения – впитывания» проводились ЯМР-измерения образцов с различным соотношением насыщающих флюидов. Как говорилось выше, использование «тяжелой воды» позволяет регистрировать только сигнал нефти, поэтому полученный спектр распределения времен поперечной релаксации будет отражать лишь фракционный состав нефти и возможную способность ядер водорода в ее составе к поверхностной релаксации. Напомним, что релаксация на поверхности пор происходит только в случае контакта жидкости и твердой фазы, т.е. поверхность смачиваема или частично смачиваема этой жидкостью.

Визуальная интерпретация полученных ЯМР-спектров нефти достаточно сложна. Для упрощения этой задачи каждому спектру было сопоставлено единственное численное значение – среднее логарифмическое время. На рис. 7 представлены зависимости изменения средних логарифмических времен от стадии центрифугирования для той же пары выбранных образцов. Характерное уменьшение времени релаксации, смещение спектра распределения времен Т2 в сторону коротких времен, может быть объяснено увеличением площади контакта нефти с породой в процессе вытеснения-впитывания. Такой процесс возможен только в случае частичной, либо полной гидрофобности поверхности пор изучаемых горных пород.

Снижение среднего логарифмического времени в последующем процессе впитывания, вытеснения нефти водой указывает на замещение в исследуемых образцах частей нефти, находящихся в «свободном объеме», не контактирующих с поверхностью. Безусловно, время релаксации нефти, контактирующей с поверхностью, значительно ниже времени нефти, не взаимодействующей с породой. Нефть, смачивающая стенки пор, не замещается водой и образует неснижаемую нефтенасыщенность.

а в Рис. 7. Кривые принудительного вытеснения и впитывания в системе нефть-вода (а, в), а также зависимости средних логарифмических времен Т2 от давления (б, г).

Фаменский ярус, Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция Характер всех полученных зависимостей однозначно свидетельствует о частичной гидрофобности поверхности пор изучаемых пород фаменского яруса Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции. Важно отметить, что свойства поверхности пустотного пространства этих пород были сильно изменены в сторону гидрофильности в процессе экстракции и, несмотря на это, в образцах присутствуют области, физико-химия поверхности которых значительно ближе к свойствам нефти, нежели воды.

Проведенные автором разработка и адаптация метода построения кривых капиллярного вытеснения и впитывания позволили сделать ее неотъемлемой частью общего комплекса петрофизических исследований лаборатории ООО «Арктик-ГЕРС».

В результате исследований капиллярных свойств пород как песчано-глинистых отложений, так и карбонатных, с различными системой пор и фильтрационных каналов, степенью смачиваемости поверхности, коллекторскими свойствами экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды D2О при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода». Показано, что замена «легкой» воды (Н2О) на «тяжелую» воду (D2О) в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и характеризовать степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов. Представленная в работе качественная характеристика степени смачиваемости рассматриваемых пород многократно подтверждена капельным методом на профиле керна и измерениями коэффициентов Аммота-Гарвея на цилиндрических образцах (аналог метода Тульбовича).

В заключении изложены основные выводы работы:

1. Выполнен обзор современного состояния и перспектив исследований горных пород на базе метода ЯМР в поле постоянных магнитов. Подтверждена высокая информативность амплитудно-временных характеристик процессов продольной Т1 и поперечной Т2 релаксации в изучении свойств коллекторов нефти и газа. В сочетании с новыми аппаратурнометодическими решениями это принципиально позволяет решать широкий круг задач в области петрофизического обеспечения геологоразведочного, технологического и промыслового блоков современных нефтегазовых технологий. Эти возможности подтверждаются опытом ЯМР-исследований более 20 тысяч образцов керна из основных нефтегазоносных провинций России.

2. На основе измерений на керне методами с различной физической природой и разрешающей способностью (ЯМР, имидж-анализ шлифов, капилляриметрия) экспериментально обоснована методика оценки структуры порового пространства и компонентного состава пористости песчано-глинистых и карбонатных пород. Показано, что распределения емкости по размерам пор, получаемые из данных капилляриметрии и имиджанализа шлифов, могут существенно отличаться и отражают меру неоднородности размеров тел пор и соединяющих их каналов. Обоснован переход от значений времен ЯМР- релаксации к геометрическим размерам пор на основе прямого метода изучения морфологии порового пространства горных пород – петрографического имидж-анализа прокрашенных шлифов. Предложена методика расчета остаточной водонасыщенности по спектрам ЯМР, основанная на введении дополнительной весовой функции, определяемой экспериментально на образцах керна при достижении неснижаемой водонасыщенности. Показано, что комплексирование капилляриметрии, имидж-анализа шлифов и ЯМР-измерений на керне обеспечивает петрофизическую калибровку измерений ЯМР в скважинах для оценки порометрической характеристики и компонентного состава емкости.

3. Разработана экспериментальная методика ЯМР-мониторинга структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных комбинациях вытесняющего и вытесняемого флюидов. Показано, что данные ЯМР позволяют количественно оценивать изменение структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости глинистых коллекторов, а также процессов по увеличению нефтеотдачи в результате солянокислотных обработок карбонатных пород.

4. Экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды D2О при ЯМРсопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в песчаноглинистых и карбонатных породах. Показано, что замена «легкой» воды (Н2О) на «тяжелую» воду (D2О) в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и характеризовать степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Топорков В.Г., Денисенко А.С. Практическое применение данных ЯМР в оценке свойств и структуры пород продуктивных нефтегазоносных залежей // НТВ «Каротажник.

Тверь: Изд. АИС. 2008. Вып. 12(177). С. 162-188.

2. Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С., Борисенко С.А. Определение степени влияния калий хлор-полимерной и пресной ингибированной систем буровых растворов компании Бейкер Хьюз Дриллинг Флюидз на фильтрационно-емкостные характеристики пород // НТВ «Каротажник. Тверь: Изд. АИС. 2008. Вып. 12 (177). С. 189-209.

3. Денисенко А.С. Петрофизическое обеспечение ЯМК при разведке нефтегазовых месторождений // НТВ «Каротажник. Тверь: Изд. АИС. 2012. Вып. 3 (213). С. 66-91.

4. Мурцовкин В.А., Денисенко А.С. Расчет ЯМР спектров времен продольной релаксации Т1 по спектрам времен поперечной релаксации Т2 // Тезисы докладов научно-практической конференции «Ядерная Геофизика 2002», Тверь, 2002, с.48-49.

5. Мурцовкин В.А., Денисенко А.С. Определение флюидонасыщенности методом ЯМК. // 5-я научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». Тезисы докладов. М., 2003, с.82.

6. Toporkov V.G., Rudakovskaya S.Yu., Rakhmanin M.Yu., Denisenko A.S. Examination of unconsolidated core by nuclear-magnetic resonance method // SCA Proceedings, France, Pau, 2003.

p.679-683.

7. Toporkov V.G., Rudakovskaya S.Yu., Rakhmanin M.Yu., Denisenko A.S., Duzin V.I.

Modeling residual water saturation by NMR, semipermeable membrane and ultracentrifugation in hydrophobic and partially hydrophobic pore and cavern carbonate reservoirs // SCA Proceeding, Canada, Toronto, 2005. SCA 2005-71.

8. Топорков В.Г., Астафьев О.В., Денисенко А.С., Орлов В.Н., Рахманин М.Ю., Рудаковская С.Ю. Применение метода ЯМР при изучении воздействия кислотных составов на продуктивные коллектора // Всероссийский научно-практический семинар «Состояние петрофизического обеспечения ядерно-геофизических, акустических и других методов ГИС» Тезисы докладов. г.Тверь, 2005г, с.116-119.

9. Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С., Рахманин М.Ю., Федорцов В.В.

Определение граничного значения времени поперечной релаксации Т2гр для оценки остаточной водонасыщенности методом ЯМК в терригенно-карбонатном разрезе // Всероссийский научно-практический семинар «Состояние петрофизического обеспечения ядерно-геофизических, акустических и других методов ГИС» Тезисы докладов. г.Тверь, 2005г, с.105-110.

10. Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С., Рахманин М.Ю. Использование метода ЯМР при оценке процессов дегидратации набухающих минералов глин для восстановления проницаемости пластов коллекторов // Всероссийский научно-практический семинар «Состояние петрофизического обеспечения ядерно-геофизических, акустических и других методов ГИС» Тезисы докладов. г.Тверь, 2005г, с.111-115.

11. Топорков В.Г., Денисенко А.С., Рудаковская С.Ю., Лебзин Д.Е., Рахманин М.Ю.

Сопоставление данных ЯМР, петрографического имидж-анализа шлифов и капилляриметрии в оценке структуры порового пространства пород // Научно практический семинар «Новейшие ядерно-геофизические, петрофизические и ГИС- технологии при опрделении ФЕС нефтегазонасыщенных пластов на различных стадиях изучения ( при поисках, разведке и разработке)» Тезисы докладов. М. ООО «Центр информационных технологий в природопользовании», 2007 г., с.45-52.

12. Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С. Использование ЯМР для изучения распределения флюидов нефтяного пласта при оценке нефтеотдачи в процессе эксплуатации нефтяных месторождений // Доклады научно практического семинара «Ядерногеофизические скважинные и аналитические методы в комплексе ГИС для оценки ФЕС пластов при поиске, разведке и контроле эксплуатации месторождений нефти и газа». М.

ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, 2009, с.106-110.

13. Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С. Проблемы выделения и оценки характеристик пластов коллекторов в залежах, приуроченных к туронским и сеноманским отложениям на месторождениях Западной Сибири с применением новых технологий, базирующихся на методе ЯМР // Материалы Международной конференции «Петрофизика:

современное состояние, проблемы, перспективы». Москва, 2010, с.26-28.

14. Денисенко А.С., Рахманин М.Ю., Андреев И.В., Копылов Д.В., Борисенко С.А.

Определение капиллярного давления по нефти/воде при вытеснении-пропитке комплесным методом центрифугирования и ЯМР-регистрации // Материалы Международной конференции «Петрофизика: современное состояние, проблемы, перспективы». Москва, 2010, с.54-56.

15. Лебзин Д.Е., Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С., Рахманин М.Ю.

Современные технологии отбора и анализа керна // Доклады научно-практического семинара «Петрофизическое обеспечение геофизических исследований бурящихся скважин», М. ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, 2010, с.14-43.

16. Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С. Уточнение баланса запасов углеводородов в отложениях сеномана и турона на месторождениях Западной Сибири с применением новых технологий, базирующихся на методе ЯМР // Доклады научнопрактического семинара «Петрофизическое обеспечение геофизических исследований бурящихся скважин», М. ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, 2010, с. 51-54.

17. Топорков В.Г., Денисенко А.С., Рахманин М.Ю. Использование метода ЯМР при оценке процессов дегидратации набухающих минералов глин для восстановления проницаемости пластов коллекторов // Материалы I Российского рабочего совещания «Глины, глинистые минералы и слоистые минералы», посвященного 90-летию со дня рождения Б.Б. Звягина – Москва, ИГЕМ РАН, 2011, с. 141-142.

18. Топорков В.Г., Денисенко А.С., Мурцовкин В.А. Этапы развития экспериментальных исследований нефтегазовых коллекторов методом ЯМР 1990-2010 годов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития ядерно-магнитных методов исследований нефтегазовых и рудных скважин, каменного материала и флюидов». 27-29 июня 2011 г., г. Тверь, с. 82-99.

19. Денисенко А.С., Рахманин М.Ю., Топорков В.Г. Изучение свойств горных пород методом ЯМР в барических условиях, моделирующих пластовые // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития ядерно-магнитных методов исследований нефтегазовых и рудных скважин, каменного материала и флюидов».

27-29 июня 2011 г., г. Тверь, с. 303-314.

20. Денисенко А.С, Топорков В.Г., Рудаковская С.Ю. Использование комплексного метода ЯМР и центрифугирования при построении кривых капиллярного вытеснения и впитывания // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития ядерно-магнитных методов исследований нефтегазовых и рудных скважин, каменного материала и флюидов». 27-29 июня 2011 г., г. Тверь, с. 303-314.

21. Рудаковская С.Ю., Денисенко А.С., Рахманин М.Ю. Изучение свойств некосолидированного керна методом ЯМР в условиях, моделирующих пластовые // Доклады научно-технического семинара «Новые ядерно-геофизические скважинные и петрофизические технологии при исследовании нефтяных и газовых месторождений» М.

ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, 2011, с. 63-74.

22. Денисенко А.С. Петрофизическое обеспечение ЯМК при разработке нефтегазовых месторождений // Доклады научно-технического семинара «Новые ядерно-геофизические скважинные и петрофизические технологии при исследовании нефтяных и газовых месторождений» М. ГНЦ РФ ВНИИгеосистем, 2011, с. 75-93.

Подпись автора: /Денисенко А.С./






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.