книги из ГПНТБ / Султанов С.А. Контроль за заводнением нефтяных пластов

больше и больше осложняется. Основное затруднение заключается

втом, что применяемые в настоящее время методы контроля не всегда позволяют определять, какие нагнетательные скважины об­ водняют конкретные эксплуатационные скважины отдельных уча­ стков. Эта задача решается относительно просто методом меченых жидкостей. Появление индикатора в исследуемой скважине будет

вряде случаев однозначно указывать на обводнение ее от нагне­ тательной скважины, где был запущен индикатор.

Однако при разработке нефтяных месторождений путем пло­ щадного или особенно избирательного заводнения пластов, когда нагнетательные скважины располагаются хаотично, подчиняясь ус­ ловиям сложной неоднородности пластов, повсеместная закачка меченой жидкости только с одним изотопом (например, с тритием) большого эффекта дать не может. Поэтому в этих условиях в раз­ личные нагнетательные скважины необходимо закачивать жидко­ сти с различными изотопами с последующим контролем их появле­ ния в эксплуатационных скважинах. В настоящее время такого опыта ни в СССР, ни за рубежом нет.

Метод меченых жидкостей позволяет решать и такие важные задачи, как оценка проницаемости, послойной неоднородности пла­ ста и др. Рассмотрение их не входит в задачу настоящей моногра­ фии. Они детально изложены в работе Э. В. Соколовского [127].

Одна из сложнейших задач контроля за процессом заводнения нефтяных месторождений — это выделение обводняющегося зака­ чиваемой водой пласта в условиях совместно-раздельной эксплуа­ тации нескольких пластов единым фильтром. В настоящее время такие пласты выделяются путем комплексных исследований гео­ физическими и промысловыми методами (использование дебито- мера-влагомера). Применение меченой жидкости может значитель­ но облегчить решение этого вопроса. Закачку меченой жидкости необходимо произвести в один из пластов или в несколько, если имеются различные виды индикаторов. Наблюдая за появлением индикаторов в эксплуатационных скважинах, можно установить, ка­ кой из пластов обводняется закачиваемой водой в настоящий мо­ мент.

Например, на Абдрахмановской площади Ромашкинского ме­ сторождения в районе нагнетательной скв. 723 начала обводняться соседняя эксплуатационная скв. 722 (рис. 31). В разрезе скв. 723 имеются пять пластов а, б2 + в, ги г2 и д. Закачка воды осуществля­ лась во все пласты, причем раздельно в верхние (а, б2+в) и ниж­ ние {г\, гг и д) пласты. Изотоп — тритий — был закачан в нижние пласты. В наблюдаемой скв. 722 имеются такие же пласты. Они вскрыты перфорацией за исключением пласта а. Исследования дебитомером показали, что в скв. 722 эксплуатируются три пласта — б2, в и д . Анализ воды из обводненной скв. 722 показал, что в про­ бах содержится тритий. Следовательно, исследования с меченой жидкостью и дебитомером однозначно указывают, что в скв. 722 обводняется пласт <5.

ca

о

Й CQ W

Интересно отметить, что по данным измерений расходомерами, проведенными в скв. 723 в различное время, из нижних пластов воду принимает только пласт а2 (рис. 32). Отсюда следует, что ме­ ченая жидкость была закачана только в пласт гг. В этом случае появление индикатора в скв. 722, где пласт а2 не эксплуатируется, как бы противоестественно. Но так как содержание трития в про­ бах является фактом, не вызывающим сомнения (оно подтвержда­ ется повторным анализом), то появление трития в скв. 722 указы­ вает, что между скв. 723 и 722 имеется зона слияния пластов гг

и д.

9. Р А Д И О Г Е О Х И М И Ч Е С К И Й М Е Т О Д

В последние годы для выявления заводненных пластов приме­ няется радиогеохимический метод, в котором использован эффект повышения естественной радиоактивности пластов в процессе их заводнения. Повышение естественной радиоактивности против про­ дуктивных пластов и в призабойной зоне нефтяных скважин было обнаружено сравнительно давно на нефтяных месторождениях Апшеронского полуострова [57], Урало-Поволжья [39, 80, 91] и Ста­ вропольского края [126]. Выпадение радиоактивных солей в нефтя­ ных скважинах, наземных резервуарах и трубопроводах наблю­ дается и на нефтяных месторождениях США [166].

В перечисленных работах авторы не дали удовлетворительного объяснения генезиса повышенной радиоактивности в нефтяных скважинах и каких-либо полезных рекомендаций относительно ис­ пользования этого явления в нефтепромысловой ядерной геофизике. Напротив, некоторые из этих авторов (Д. А. Шапиро, О. К. Мака­ ров), связывая повышение естественной радиоактивности с выпа­ дением глинистых частиц и тяжелых фракций нефтей в призабой­ ной части скважин, принимали это явление только за помеху, иска­ жающую показания нейтронных методов и снижающую их эффек­ тивность при определении водонефтяного контакта.

В 1964 году М. X. Хуснуллиным было показано, что повыше­ ние естественной радиоактивности и выпадение радиоактивных со­ лей в нефтяных скважинах связано с изменением концентрации ес­ тественных радиоактивных элементов в пласте в процессе вытесне­ ния нефти водой. Было предложено использовать эффект повышения естественной радиоактивности для выявления заводненных пластов [170] . Начиная с этого времени, измерения естественной радиоак­ тивности получили промышленное применение и используются для контроля за обводнением нефтяных месторождений Татарии. Еже­ годно исследования этим методом проводятся в 500—600 скважи­ нах. В последние годы этот метод применяется на нефтяных ме­ сторождениях Западной Сибири, Мангышлака и Ставропольского края.

Исследования, выполненные под руководством М. X. Хуснул­ лина в тресте «Татнефтегеофизика», а затем в ТатНИПИнефти [171] , привели к следующим представлениям о физико-химических

83-

основах повышения естественной радиоактивности. В процессе за­ воднения нефтяных пластов закачиваемыми и пластовыми водами в передней части фронта вытеснения образуется радиоактивная

зоне достигают ІО-8—10“э Ки/л, что на один—два порядка выше концентрации этих изотопов в пластовых водах за пределами неф­ тяной залежи. Возникновение радиоактивной оторочки установлено путем измерения естественной радиоактивности пластов в процессе их заводнения, а также изучением концентрации изотопов радия в пластовых водах.

Результаты измерений естественной радиоактивности и измене­ ния интенсивности естественного гамма-излучения во времени, по­ лученные в наблюдательной скв. 487 Бавлинской площади, приве­ дены на рис. 33. Скв. 487 пробурена специально для наблюдения за заводнением нефтеносного песчаника в интервале глубин 1798,6— 1814 м. По данным импульсных нейтронных методов заводнение нефтеносного песчаника началось в 1964—1965 годы; затем пласт полностью заводнился пластовой соленой водой. Исследование гамма-методом (рис. 33, а) от 10/11 1965 года выявило увеличение интенсивности гамма-излучения по сравнению с первоначальной ин­ тенсивностью, измеренной 7/Ш 1961 года до заводнения пласта. В марте 1965 года исследования ГМ проводились трижды. Было обнаружено движение радиоактивной оторочки пластовых вод. Из рис. 33, б видно четкое изменение интенсивности Jy во времени. Кривая изменения Jy(t), эквивалентная кривой изменения концен­ трации изотопов радия в пласте CRS (0> вначале растет, проходит через максимум и затем снижается до определенного уровня, кото­ рый остается постоянным в последующие годы. В максимуме Д /ѵ составляет 40 мкР/ч. Постоянное приращение естественной радио­ активности, равное 10 мкР/ч, сохраняющееся после прохождения радиоактивной оторочки, обусловлено необратимой адсорбцией ра­ диоактивных солей на поверхности цементного кольца скважины.

Замеры Jy в наблюдательной скв. 487 были использованы для оценки максимальной концентрации изотопов радия в радиоактив­ ной оторочке пластовых вод. Подсчет CR8 проводился в предполо­ жении, что AJy вызвано только одним изотопом радия — 22eRa, на­ ходящимся в равновесии со своими продуктами распада1. Под­ счеты, выполненные по стандартной методике, показывают, что мак­ симальное содержание ^ R a в пластовой воде составляет 4,6* 10-9% по весу, что эквивалентно удельной активности 4,6- ІО-8 Ки/л. Это примерно на два порядка выше концентрации радия в пластовых

84

прямыми измерениями в пробах пластовых вод. В пластовых водах нефтяных месторождений присутствуют четыре изотопа радия: 226Ra, 228Ra(MsThI), 224Ra(ThX) и 223Ra. Наибольший интерес с то­ чки зрения вклада в поле естественного гамма-излучения в сква­ жине представляют изотопы ^R a и 228Ra — продукты распада соот­ ветственно 238U и 232Th. Эти изотопы и определялись в пробах пласто­ вых вод, причем 226Ra — эманационным методом по радону-222 •с помощью сцинтилляционного эманометра, 228Ra — путем измере­ ния активности 228Ас.

Для отбора проб пластовых вод из заводненных пластов был выбран экспериментальный участок на юге Павловской площади Ромашкинского месторождения. Этот участок, представляющий круговую залежь по пластам г + д, заводняется пластовыми и за­ качиваемыми водами. Пробы пластовых вод отбирались из сква­ жины с различной обводненностью жидкости. В пробах вод, ото­

максимальное в начальный период обводнения скважин, уменьша­ ется по мере увеличения обводненности и опреснения пластовых вод. Установлено, что с увеличением концентрации одного из изото­ пов радия увеличивается концентрация другого изотопа и наоборот.

Материнские элементы 238U и 232Th, в результате распада кото­ рых образуются изотопы 226Ra и ^R a, в пластовых водах практи­ чески отсутствуют. Они содержатся в минеральном скелете горных пород и в нефтях. Последние являются источниками, из которых изотопы радия выносятся в поток пластовых и закачиваемых вод. ■Следовательно, процесс обогащения пластовых вод изотопами ра­ дия можно рассматривать как результат термодинамического пере­ распределения частиц между различными фазами нефтяного пла­ ста в процессе вытеснения нефти водой. В связи с этим были уста­ новлены закономерности взаимодействия фильтрующихся пластовых вод с вмещающими горными породами и нефтью. Изотопы радия из кристаллической решетки горных пород попадают в пластовые воды за счет процесса выщелачивания [132]. Вследствие этого глу­ бинные пластовые воды независимо от наличия нефтяной залежи ■обогащаются изотопами радия.,

При фильтрации пластовых вод по нефтяному пласту происхо­ дит еще большее обогащение пластовых вод изотопами радия. Не- •фти различных месторождений содержат уран и торий в повышен­ ных концентрациях. В результате радиоактивного распада их в не­ фтях постоянно образуются изотопы радия. Потери изотопов радия обусловлены естественным распадом и экстракцией их в контакти­ рующие воды. Однако в условиях природной ловушки обмен частиц между нефтью и подпирающими водами отсутствует, за исключе­ нием зоны водонефтяного контакта. Поэтому радий, образующийся

« 6

в результате распада урана и тория, присутствует в нефти в из­ бытке по сравнению с тем состоянием, когда вся масса нефти кон­ тактировала бы с водой. Радий оказывается запечатанным в нефтя­ ной залежи.

В процессе разработки нефтяной залежи пластовые и закачи­ ваемые воды интенсивно внедряются в нефтяную залежь. При этом резко увеличивается поверхность раздела фаз и ускоряется обмен частиц между фазами. Радий из нефти, связанной воды и с поверх­ ности вмещающих пород переносится в поток фильтрующихся вод- В начальной стадии вытеснения концентрация радиоактивных ча­ стиц в пластовых водах увеличивается. На каком-то расстоянии от нагнетательных скважин, или от первоначальных контуров нефте­ носности поле концентрации в потоке стремится к равновесному состоянию: когда в потоке мало растворимых частиц, они из нефти и с поверхности вмещающих пород переходят в воду; если же кон­ центрация частиц в воде высокая, частицы начинают уходить из. потока и осаждаются на стенках пор, в результате чего источники превращаются в поглотители.

Вхлоркальциевых водах нефтяных месторождений радий и ба­ рий находятся в растворенном состоянии. Если по каким-либо при­ чинам в водах повышается концентрация сульфат-ионов, то проис­ ходит соосаждение бария и изотопов радия в виде нерастворимогорадиобарита Ba(Ra)S0 4 . Повышение концентрации сульфат-ионов--

впластовых водах происходит в результате закачки в пласт по­ верхностных вод. Процесс повышения сульфатности пластовых вод. может происходить и без участия поверхностных вод за счет сме­ шения пластовых вод с погребенными водами нефтяного пласта.. Существуют сведения [12], что погребенные воды обладают повы­ шенной сульфатностью. На практике выпадение радиобарита на­ блюдается при заводнении пластов как закачиваемыми, так и лластовыми водами.

Впроцессе фильтрации пластовых и закачиваемых вод в неф­ тяном пласте микрокристаллики радиобарита могут длительноевремя находиться во взвешенном состоянии, образуя коллоидные растворы. Однако, когда эти воды прорываются в скважину, ча­ стицы радиобарита по различным причинам выпадают на поверхно­ сти цементного кольца, в электроцентробежных насосах и насосно­ компрессорных трубах. По данным химического и радиотехниче­ ского анализов основная масса радиоактивных солей представлена сульфатом бария. Кроме того, в составе барита в незначительных: количествах обнаружены сульфаты кальция (гипс) и стронция (це­

лестин). Содержание в осадке 226Ra составляет (2,6—9,24) X X ІО-9 Ки/г, ^ R a — от 3 • ІО-9 до 1,19 • ІО-8 Ки/г.

В интервале продуктивных пластов радиобарит выпадает на по­ верхности цементного кольца скважины, что имеет важное значе­ ние для определения заводненных пластов. Исследования пока­ зали, что процесс адсорбции бария на цементном камне в интер­ вале 0,005—0,1 нормальных концентраций ВаС12 количественно-

87

концентрация контактирующего раствора ВаСІг, мг-экв/см3.

Опыты по изучению десорбции бария показали, что при низких •значениях концентрации ВаСІг и соответствующих им емкостях по­ глощения адсорбция бария на цементе необратима. С увеличением концентрации раствора и емкости поглощения десорбция бария увеличивается и при 0,5—1 нормальных концентрациях раствора ВаСІг десорбируется около 30% поглощенного бария. При вымы­ вании образцов цемента водой десорбируются компоненты бария, поглощение которых обусловлено катионным обменом ионов. Оста­ точная емкость поглощения определяется диффузией ионов бария в глубь цемента по порам и трещинам и химической связью их •с веществом цемента.

Коллоидные частицы радиобарита интенсивно выпадают из пла­ стовых вод на поверхности цементного стакана за счет электрокинетических и механических взаимодействий с поверхностью це­ мента. Адсорбция коллоидных частиц на поверхности твердых тел является, как правило, необратимым процессом.

Таким образом, в результате физико-химических процессов, про­ исходящих в системе цементное кольцо — пластовая вода, поверх­ ность цементного кольца покрывается устойчивой пленкой радио­ барита. При контакте цементного кольца с нефтью выпадение ра­ дия на его поверхности не наблюдается. Это свойство цементного камня усиливает радигеохимический эффект и сохраняет его и по­ сле прохождения радиоактивной оторочки (см. рис. 33).

Исходя из физических основ и практики применения радиогеохимического метода на нефтяных месторождениях Тат. АССР, ус­ тановлено, что повышение естественной радиоактивности связано с заводнением пласта краевыми (пластовыми) и закачиваемыми водами. Когда отсутствуют помехи в виде случайного выпадения радиоактивных солей на поверхности конструктивных материалов скважины, повышение естественной радиоактивности однозначно •связано с заводненным интервалом пласта. Это условие обычно реа­ лизуется в неперфорированных пластах. На рис. 34 приведены ре­ зультаты определения заводненных пластов по скв. 3405 Абдрахмаловской площади. Скв. 3405 расположена между нагнетательными и эксплуатационными рядами скважин и пробурена специально для контроля за заводнением пластов горизонта Дь Заводнение всех трех пластов в скв. 3405 было установлено комплексом нейтронных методов. Измерение естественной радиоактивности пластов пока­ зало, что все заводненные интервалы отмечаются повышенной ра­ диоактивностью, а радиоактивность нефтенасыщеиных интервалов -осталась без изменения. Измерение / ѵ в этой скважине проведено спустя длительное время после заводнения пластов. Поэтому повыщение естественной радиоактивности обусловлено здесь необрати­

«8

мой адсорбцией радиоактивных солей на цементном кольце сква­ жины.

Сопоставление интервалов заводненных неперфорированных пластов, выделенных по данным нейтронных методов, с интерва­ лами повышенной радиоактивности пластов показано на рис. 35. Для этой цели было отобрано 37 неперфорированных пластов в на­ блюдательных и эксплуатационных скважинах Ромашкинского и Бавлинского месторождений, которые, будучи нефтенасыщенными,, заводнились пластовыми и закачиваемыми водами в процессе раз-

И /

пласта.

работки залежей. Заводнение пластов надежно установлено ней­ тронными методами. Против 31 заводненного пласта (84%) наблю­ дается повышение естественной радиоактивности, причем интер­ валы заводненных пластов и повышенной радиоактивности совпадают между собой (хорошо лежатся на прямую).

Измерения естественной радиоактивности позволяют выделять заводненные пласты и в перфорированных интервалах. Например, скв. 689 Ромашкинского месторождения (рис. 36) до обводнения фонтанировала нефтью с дебитом 50—60 т/сут. После обводнения пластовой водой плотностью 1,18 г/см3, когда обводненность жидкости достигла 46%, дебит снизился до 1 т/сут. По данным гамма-метода наибольшим приращением радиоактивности выде­ ляется интервал 1592—1597 м. Параметр наклона кривой n(t) им­ пульсного нейтрон-нейтронного метода в этом пласте составляет

8 »

150 мкс. Такая характеристика пласта по данным ГМ и ИНЫМ вызвана заводнением пласта ниже глубины 1592 м. После цемент­ ной заливки пласта и повторной перфорации интервала 1590,4— 1592 м и вышележащих пластов скважина начала фонтанировать безводной нефтью с дебитом 10—26 т/сут.

В перфорированных эксплуатационных скважинах возникают определенные затруднения при интерпретации гамма-аномалий. В случае одновременной эксплуатации нескольких пластов одним фильтром между пластами возникают перетоки жидкости. Нару­ шение целостности цементного камня приводит к возникновению

Ри с. 36. Вы деление заводненны х пластов. С к в . 689 Ром аш ки нского месторож дения.

Кривые ГМ: 1 — до обводнения пласта; 2 — после обвод­ нения пласта; I — заводненный интервал пласта; I I — ин­

тервал перфорации.

затрубного движения жидкости. В этих условиях выпадение радио­ активных солей наблюдается не только против заводненных пла­ стов, но и против интервалов, не участвующих в процессе разра­ ботки нефтеносных пластов и затрубного движения вод. Исключе­ ние ложных аномалий достигается привлечением кривых СП, микрозондов, НГМ, ГМ, поскольку «неработающими» являются обычно пласты с пониженными коллекторскими свойствами: уплот­ ненные, глинистые. Для прямого определения «неработающих» пластов используются данные дебитометрии и сведения о закачке жидкости в пласты и отборе ее в районе исследуемой скважины.

Другая причина, снижающая эффективность радиогеохимического метода, — отсутствие повышения естественной радиоактив­ ности против некоторых заведомо заводненных пластов. Обычно это явление наблюдается в пластах, в которых произошло сильное оп­ реснение пластовых вод. Возможно, что при вытеснении нефти за­ качиваемыми водами в отдельных случаях, например, когда нет

90