фазовая проницаемости коллекторов нефти

СПБГУАП группа 4736

Из всех способов определения ОФП особое место принадлежит лабораторным методам, поскольку они позволяют проводить прямые определения ОФП на образцах изучаемого пласта-коллектора. Основными из них являются методы стационарной фильтрации и вытеснения, которые широко применяются в нефтепромысловой практике. Общепризнано, что эти методы дают более достоверные результаты, чем расчетные с использованием промысловых данных и др.

Условия подобия в экспериментах

Корректное определение и использование относительных фазовых проницаемостей требуют соблюдения условий подобия процессов,

реализуемых в эксперименте моделируемым натурным процессом.

Из анализа условий подобия при моделировании фильтрации нефти и воды следует, что фазовые проницаемости для нефти и воды в общем случае являются функциями ряда параметров:

где Sв - водонасыщенность;

К - абсолютная проницаемость; m - пористость;

у - поверхностное натяжение;

и - краевой угол смачивания;

ДP - перепад давления на длине z;

мн, мв - динамические вязкости нефти и воды;

Дс - разность плотностей воды и нефти;

Pэф - эффективное давление на скелет породы; h - толщина пласта;

Qн,в-расходы нефти и воды;

Рк - капиллярное давление;

СПБГУАП группа 4736

g - ускорение свободного падения.

Согласно к-теореме (Шенк X., 1972), имея три независимые размерности (длину к, время Т и массу М), можно из перечисленных шестнадцати определяющих параметров выделить тринадцать безразмерных соотношений. Тогда условием подобия натурного и модельного процессов фильтрации нефти и воды будет равенство выделенных безразмерных соотношений для модели и пласта.

В предыдущем разделе рассмотрено влияние различных факторов на ОФП. Сделанные рекомендации по проведению измерений обеспечивают соблюдение условий подобия в экспериментах по большинству критериев.

Однако соблюдение полного подобия по безразмерному соотношению:

в экспериментах невозможно, так как в этом случае длина модели должна быть равна размеру пласта (Эфрос Д.А., 1963). Тем не менее, в

экспериментах по стационарной фильтрации условие (3) может быть соблюдено, если добиваться подобия по отношению к процессу,

происходящему не во всем пласте, а в его элементе, где существуют такие же условия фильтрации. В этом случае результаты экспериментов, проведенных при выбранных режимах, будут соответствовать определенному участку пласта.

В опытах, проводимых в режиме вытеснения, рекомендуется (Эфрос Д.А., 1963) соблюдать приближенное подобие и проводить их при таких режимах, когда процесс становится автомодельным по отношению к указанному критерию. Точное значение скорости вытеснения, при которой наступает область автомодельности по критерию (3), зависит от особенностей изучаемого объекта и в каждом конкретном случае может быть установлено экспериментально на основании опытов, проведенных с

СПБГУАП группа 4736

различными скоростями вытеснения.

Метод стационарной (установившейся) фильтрации

Метод стационарной фильтрации считается наиболее точным среди методов определения ОФП на образцах горных пород. Основным преимуществом этого метода является возможность определения ОФП в условиях, максимально приближенных к пластовым. Метод стационарной фильтрации позволяет получать ОФП во всем диапазоне изменения насыщенности образца, изучать влияние различных факторов на фильтрационные характеристики пород.

Анализ влияния различных факторов на ОФП показывает, что ОФП следует определять на образцах изучаемого пласта-коллектора с использованием пластовых жидкостей, при термобарических условиях,

соответствующих пластовым.

Определение ОФП включает подготовку образца и рабочих жидкостей,

проведение эксперимента и обработку полученных результатов.

Подготовка образца и рабочих жидкостей. Определение ОФП при совместной установившейся фильтрации нефти и воды следует проводить на составных образцах породы, монтируемых из отдельных цилиндрических кернов с ненарушенной структурой. Общая длина составного образца выбирается исходя из условий подобия и должна быть не менее

СПБГУАП группа 4736

где zmin - минимальная длина образца, мм;

К - средняя проницаемость составного образца, мкм2;

m - средняя пористость составного образца, доли единицы;

р1, р2 - критерии подобия Д.А. Эфроса.

Отдельные цилиндрические образцы, высверленные из керна параллельно напластованию (при малой анизотропии пласта допускается высверливать образцы перпендикулярно напластованию) экстрагируются соответствующим образом, чтобы не изменить естественной характеристики смачиваемости и полностью удалить высокомолекулярные углеводороды.

Выбор экстрагента производится индивидуально в каждом конкретном случае. Основным требованием является отсутствие реакции экстрагента с породообразующими минералами и цементирующим веществом. В практике лабораторного изучения коллекторов нефти и газа наибольшее применение находит спиртобензольная смесь в соотношении компонентов 1:3,

допускается использование четырехкомпонентной смеси (бензол - этиловый спирт - хлороформ - четыреххлористый углерод в соотношении 4:1:1:1) и

других растворителей.

Важное значение имеет также температура сушки, которая, как правило, составляет 102…104°С, но для сильноглинистых пород не должна превышать 80°С.

При компоновке составного образца проницаемость отдельных кернов не должна отличаться более чем на 50% от среднего ее значения, а порядок компоновки должен быть таким, чтобы по направлению течения жидкостей каждый последующий образец имел бы меньшую проницаемость. Для обеспечения надежного капиллярного контакта между кернами их торцы тщательно притираются, между ними прокладывается слой фильтровальной бумаги либо слой измельченной породы толщиной не более 0,3 мм.

Составной образец герметизируется с помощью манжеты (рис. 3, а) со специальными боковыми отводами для трубок дифманометра и электродов

СПБГУАП группа 4736

или эпоксидной шпатлевки (рис. 3, б). Образец оборудуется двумя трубками на входе, подводящими нефть и воду таким образом, чтобы обеспечивать перемешивание жидкостей непосредственно в пористой среде, двумя трубками на серединной (рабочей) части образца для замера перепада давления и электрического сопротивления и трубкой на выходном торце для сбора выходящей смеси нефти и воды.

Длина серединной части составляет примерно одну треть общей длины образца и находится на равном удалении от входного и выходного торцов образца.

Герметизированный образец помещается в кернодержатель (КД), в

котором за счет гидрообжима создается горное давление, соответствующее условиям изучаемого пласта. Образец насыщается пластовой водой, и при пластовых условиях определяется абсолютная проницаемость для воды при

100%-й водонасыщенности. К величине абсолютной проницаемости для воды в последующем относят величины фазовых проницаемостей при расчете ОФП.

Отнесение фазовых проницаемостей к величине абсолютной проницаемости для воды, а не к величине абсолютной проницаемости для газа представляется более правильным с точки зрения воспроизведения условий образования залежи. Кроме того, абсолютная проницаемость для воды отражает свойства системы пористая среда - пластовая жидкость, в то время как абсолютная проницаемость для газа является характеристикой только пористой среды. Поэтому отнесение фазовых проницаемостей к величине абсолютной проницаемости для газа не совсем корректно, а форма кривых ОФП при этом становится неестественной и неудобной.

В экспериментах по определению ОФП при стационарной фильтрации желательно использовать пробы безводной пластовой нефти и пластовую воду. Но поскольку это не всегда возможно, допускается использовать модели нефти, приготовленные разбавлением дегазированной и очищенной нефти растворителями (керосин, бензин, петролейный эфир и др.) в

СПБГУАП группа 4736

количестве не более 30% от объема смеси с целью подбора значения вязкости модели нефти, соответствующей пластовым условиям. Также допустимо использовать так называемые рекомбинированные пробы нефти, которые приготавливаются из дегазированной нефти путем насыщения ее углеводородными газами (метан - бутан).

Важно отметить, что при отборе, транспортировке и хранении нефти нельзя допускать ее охлаждения ниже +15°С и контакта с кислородом воздуха. Опыт работы с нефтями показал, что в противном случае возможно выпадение из нефти твердой фазы, которая не растворяется даже при нагревании до пластовой температуры, и как следствие затухание фильтрации нефти, а это в свою очередь приводит к существенным искажениям получаемых результатов.

В качестве модели воды допускается использование раствора NaCl в

дистиллированной воде, соленость которого соответствует пластовой воде.

Проведение эксперимента. В общем случае проведение эксперимента начинается с определения проницаемости образца при 100%-м насыщении пластовой водой после достижения установившейся фильтрации в условиях,

близких к пластовым. Затем в образец подается нефть практически до полного прекращения вытеснения воды, что приближенно имитирует процесс формирования залежи, но с конечной водонасыщенностью больше неснижаемой (связанной) на 10… 18%. С целью достижения пониженных значений остаточной водонасыщенности допускается последовательно вытеснить воду маслом, керосином, а затем нефтью, либо использовать метод капиллярной вытяжки или центрифугирования. После этого образец необходимо выдержать при пластовых термобарических условиях в течение

16…24 ч для приведения в состояние равновесия системы пористая среда -

пластовые жидкости и воспроизведения естественной характеристики смачиваемости.

Непосредственно эксперимент по определению ОФП включает в себя ряд опытов (режимов), при проведении которых нефть и вода подаются в

СПБГУАП группа 4736

образец в определенном соотношении, которое от опыта к опыту меняется при увеличении доли воды в потоке, тогда как суммарный расход обеих фаз остается постоянным.

Суммарный расход нефти и воды выбирается исходя из реальной (или проектируемой) промысловой скорости перемещения фронта вытеснения в данном пласте. Линейная скорость фильтрации жидкостей при проведении эксперимента вычисляется по формуле

где - линейная скорость, м/сут;

Q - суммарный расход нефти и воды, см /с;

F - площадь поперечного сечения образца, см; m - пористость образца, доли единицы;

Sво, Sно - остаточная водо- и нефтенасыщенность, соответствующая пластовым условиям, доли единицы.

Каждый опыт продолжается до наступления установившегося стационарного режима фильтрации, который фиксируется по стабилизации показаний дифференциального манометра и замерам электрического сопротивления на рабочем участке образца, после чего начинается новый опыт при другом соотношении нефти и воды в потоке. Число режимов выбирается в каждом случае индивидуально, но должно быть не менее пяти.

Заканчивается эксперимент при фильтрации пластовой воды до полного исчезновения нефти в выходящей струе.

Для сокращения времени проведения эксперимента фильтрацию воды и нефти при заданном соотношении в каждом опыте можно начинать на высокой скорости, в 5…10 раз превышающей промысловую, и отключенном дифманометре. После окончания высокоскоростной прокачки жидкостей в количестве 2…3 объемов пор образца переходят на рабочую скорость,

СПБГУАП группа 4736

примерно соответствующую промысловым условиям. После установления стационарного режима замеряют перепад давления, электрическое сопротивление и объемы закачанных и вышедших фаз. Как показали специально поставленные эксперименты, насыщенность на каждом режиме фильтрации устанавливается после прокачки определенного объема смеси вне зависимости от того, закачивалась ли она первоначально на большой скорости или фильтрация осуществлялась только на рабочей скорости.

По измеренным значениям перепада давления для фиксированных соотношений нефти и воды в потоке рассчитываются фазовые проницаемости по уравнению Дарси:

где Кн, Кв - фазовые проницаемости для нефти и воды, мкм2;

Qн,вi - расходы нефти и воды на i-м режиме при определенном соотношении нефти и воды в потоке, см3/с;

мн,в-вязкость нефти и воды, мПа·с;

l - длина рабочего участка, на котором производится измерение давления и электросопротивления, см;

F - площадь поперечного сечения рабочего участка, см2,

ДPi - перепад давления при установившемся течении на i-м режиме,

МПа.

Значения водонасыщенности образца, соответствующие каждому соотношению нефти и воды в потоке, рассчитываются по величине измеренного электрического сопротивления и зависимости параметра насыщения Рн от водонасыщенности Sв, построенной при подготовке эксперимента. В отдельных случаях вполне приемлемые результаты дает метод определения водонасыщенности (средней для всего образца) по балансу закачанных и вышедших жидкостей.

СПБГУАП группа 4736

После завершения эксперимента образцы помещаются в аппарат ЛП-4

(Закса) и насыщенность контролируется экстракционно-дистилляционным методом.

По рассчитанным значениям относительных фазовых проницаемостей,

полученных отнесением к величине проницаемости для воды при 100%-й

водонасыщенности, строятся аналитические зависимости ОФП от водонасыщенности, используемые для расчета технологических показателей разработки нефтяных месторождений.

Экспериментальная техника для реализации метода стационарной Фильтрации. Принципиальная схема лабораторной установки для определения ОФП при совместной установившейся фильтрации нефти и воды показана на рис. 4. Установка включает механическую систему прессов

(дозирующих насосов) П1 и П2, обеспечивающую подачу в образец при пластовом давлении нефти и воды в различных соотношениях при постоянном суммарном расходе.

Кернодержатель (КД) предназначен для установки в нем исследуемого образца в резиновой манжете или эпоксидной шпатлевке и должен обеспечивать надежную стыковку отдельных цилиндрических образцов,

действие всестороннего обжима, ввод жидкостей в образец и замер на серединной рабочей части образца перепада давления и электрического сопротивления.

Контейнеры жидкостные (К1 - К3) предназначены для помещения в них рабочих жидкостей. Они оборудуются вентилями и в некоторых случаях разделительными поршнями.

Сборная бюретка (БС) служит для создания противодавления и сбора вытесненных из образца нефти и воды. Она оборудуется вентилями и двумя патрубками в нижней части для ввода жидкостей и перевода их в мерную бюретку (БМ) после каждого режима.

Кернодержатель, контейнер с рабочими жидкостями, сборная и мерная бюретки помещаются в воздушном термостате, обеспечивающем