книги / Физико-геологические проблемы остаточной нефтенасыщенности

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ НЕФТИ И ГАЗА

ФИЗИКО­

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ

ПРОБЛЕМЫ

ОСТАТОЧНОЙ

НЕФТЕНАСЫЩЕННОСТИ

Ответственный редактор

Ю.П. Желтое

МОСКВА

"НАУКА" 1993

ВВЕДЕНИЕ

Нефтенасыщенносгь продуктивного пласта после окончания его разра­ ботки - остаточная нефтенасыщенносгь (ОНН) - один из важнейших параметров при проектировании систем нефтедобычи, характеризующий фактическую эффективность извлечения. Надежная информация об ОНН необходима как на стадии обоснования методов воздействия на пласт и призабойную зону, так и при контроле за степенью выработки пласта.

На современном этапе многие крупные месторождения вступают в за­ вершающую стадию разработки и встает вопрос о повышении нефте­ отдачи выработанных пластов.

Знание ОНН позволяет правильно оценить и спрогнозировать оста­ точные запасы нефти и характер их распределения по пласту, что особенно важно при внедрении новых методов увеличения нефтеотда­ чи.

В отличие от заводнения при разработке месторождений на поздней стадии методами повышения нефтеотдачи (МПН) ошибки в оценках и прогнозе остаточных запасов приводят к большим непроизводительным затратам.

По всем этим причинам проблема ОНН уже давно привлекает внима­ ние многочисленных исследователей - физиков, химиков, гидродинамиков, геофизиков, промысловых геологов. В ходе многолетних исследований ус­ тановлены различные виды остаточной нефти: капиллярно-защемленная, сорбированная, пленочная, неустойчивого вытеснения, целики различного рода.

Сложная природа и недостаточно изученный механизм образо­ вания ОНН в различных геолого-промысловых условиях предопределили необходимость изучения ОНН целым комплексом разнородных мето­ дов.

В настоящее время накоплен значительный объем фактического мате­ риала по изучению ОНН методами физического моделирования, получены значительные результаты по математическому моделированию ОНН, соб­ ран и обобщен колоссальный объем керновых определений ОНН, резуль­ татов изучения ОНН геофизическими и физико-химическими методами в околоскважинной зоне пласта. Имеется много публикаций по промыс­ ловым оценкам ОНН в масштабах всей залежи. Однако проведенные ис­ следования носят, как правило, узко направленный характер. Результаты

изучения ОНН различными методами во многих случаях не согласуются друг с другом и фиксируют различие в значениях ОНН, ее свойствах и взаимосвязи с параметрами пласта и условиями вытеснения. Имеющийся опыт изучения ОНН не позволяет осуществить надежный прогноз этого параметра на ранних стадиях разработки.

Современная технология увеличения нефтеотдачи пластов позволяет вовлекать в активный процесс извлечения нефть, оставшуюся в пласте после использования традиционных технологий извлечения. В то же время для эффективного применения конкретных технологий необходимы на­ дежные сведения не только о значениях ОНН, но и о ее детальной струк­ туре. Необходимо количественно оценить, сколько остаточной нефти на­ ходится в виде не охваченных заводнением целиков, сколько в непол­ ностью выработанных пластах, сколько в капиллярно-защемленном, сор­ бированном, пленочном виде. Эти сведения должны быть получены с вы­ сокой степенью точности и достоверности, поскольку высокая стоимость реализации методов повышения нефтеотдачи предопределяет экономи­ чески жестко обоснованный выбор метода и технологии воздействия. Сте­ пень же эффективности метода повышения нефтеотдачи части меняется в очень узком диапазоне насыщенности, что накладывает весьма жесткие ограничения на точность оценок ОНН. Причем точные значения ОНН необходимы как при использовании методов повышения нефтеотдачи, так и при обычном заводнении на начальной стадии разработки и при контроле частично выработанных пластов - т.е. необходимы прогнозные значения ОНН.

В промысловой практике длительное время преобладала точка зрения на ОНН как на одно из свойств, присущих коллектору» Такой подход обусловил развитие и использование методов оценки ОНН, не адекватных природе этого параметра. В частности, технология большинства имею­ щихся способов оценки ОНН в выработанных пластах не гарантирует сох­ ранности пластовой ОНН и таким образом затрудняется изучение подвиж­ ной и условно подвижной составляющих ОНН.

Сложная структура пластовой ОНН и многообразие форм остаточной нефти предопределили необходимость особого подхода к ее изучению. В настоящей монографии с современных позиций проанализированы виды и свойства ОНН, которая рассматривается как техноприродная динамичес­ кая система, включающая все виды остаточной нефти в их взаимо­ действии.

В связи с тем, что авторы придерживаются разных систем обозначений, коэффициент остаточной нефтенасыщенности обозначается в главах 1-4 - кно, в главах 5, 6 - Кон; число капиллярности в главах 1-4 - NCi в главе 5 - /VCa.

Глава!

НЕФТЕНАСЫЩЕНИЕ ПРИРОДНЫХ И РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПЛАСТОВ

Нефтенасыщение продуктивных пластов является одним из важнейших параметров, характеризующих промышленную ценность коллектора и эф­ фективность систем разработки. Изучению особенностей нефтенасыщения продуктивных пластов уделено большое внимание в фундамен­ тальных работах по физике нефтяного пласта [6]. В то же время в этих исследованиях основное внимание уделено начальному нефтенасыщению. В процессе разработки природное (начальное) нефтенасыщение уменьша­ ется и возникает сложное по насыщенности состояние, на которое помимо чисто природных факторов большое влияние оказывают и технологичес­ кие факторы, такие как режим разработки, условия вытеснения, гидро­ динамическая неоднородность разрабатываемых пластов и др. Ниже рас­ смотрены основные особенности нефтенасыщения природных и разраба­ тываемых пластов.

ПРИРОДНОЕ НЕФТЕНАСЫЩЕНИЕ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ

В природных условиях продуктивные нефтеносные пласты насыщены нефтью и водой. Существующее на начало разработки нефтенасыщение коллекторов - начальное нефтенасыщение - складывалось в течение дли­ тельного геологического периода формирования залежей. Считается, что первоначально большинство залежей формировалось в условиях морского и полуконтинентального осадкообразования и коллекторы были заполнены водой. Затем в течение геологического периода происходило замещение в коллекторах воды нефтью. Этот процесс мог быть циклическим и ослож­ нялся, в зависимости от условий района, гидрогеологическими, палео­ географическими, тектоническими и другими явлениями. Нефтенасы­ щение, существующее в природных условиях, обусловливается совокуп­ ным действием всех процессов, происходящих в залежи в течение всей истории ее образования, развития и трансформации.

В зависимости от геологических условий степень насыщения нефтью продуктивных пластов колеблется в широких пределах и определяется степенью вытеснения первоначально содержащейся в пластах воды в про­ цессе формирования залежи. Нефтенасыщение природных пластов колеб­ лется от 30% и менее и до 90% и более порового объема. Природная неф­

тенасыщенность в значительной степени определяется литологией коллек­ тора и структурой порового пространства. Нефтенасыщение заглинизированных, структурно неоднородных, литологически изменчивых плас­ тов, как правило, ниже, чем нефтенасыщение однородных пластов с высо­ кими фильтрационно-емкостными свойствами.

Помимо нефти, во внутрипоровом пространстве природных пластов на­ ходится остаточная вода, т.е. вода, не вытесненная из коллектора в про­ цессе формирования залежи. Насыщение природных пластов остаточной водой определяется значениями удельной поверхности, размерами пор, их количеством, поверхностными свойствами и литологией. Остаточная вода может быть адсорбированной, капиллярной или содержаться в углах пор и в тупиковых порах [6].

Если процесс формирования залежи не завершен и в настоящее время, то в природных пластах имеется существенное количество подвижной остаточной воды, которая с самого начала разработки поступает в скважины и извлекается на поверхность. Нефтенасыщение в таких пластах не превышает 50-55%.

Разность объемов открытых пор и остаточной воды характеризует нефтенасыщенную емкость коллектора. Коэффициент нефтенасыщенности характеризует отношение нефтенасыщенной емкости к объему открытого порового пространства коллектора. Помимо коэффициента на­ чального нефтенасыщения существенное влияние на остаточную нефтенасыщенность (ОНН) разрабатываемых пластов оказывает характер рас­ пределения остаточной воды и нефти в природных пластах.

Структура нефтенасыщенности природных пластов. Определяется по­ верхностными свойствами, микро- и макронеоднородностью пластов и их литологическим составом. В однородных пластах влияние поверхностных свойств обусловлено характером смачиваемости скелета пористой среды.

Вгидрофильных породах мелкие поры заполнены преимущественно водой и имеется непосредственный контакт водной фазы с большей частью поверхности скелета. Вода образует на внутрипоровой поверх­ ности непрерывную пленку, заполняя наиболее мелкие поры и участки пор. Нефть как несмачивающая фаза занимает центрь! наиболее крупных пор, а также расширения средних поровых каналов. Такая структура при­ родной нефтенасыщенности формируется в силу того, что энергия такой системы минимальна. Нефть, попавшая в небольшие поры, вытесняется в центры более крупных пор за счет самопроизвольного впитывания воды, что снижает энергию системы. В природных гидрофильных пластах нефть

ивода образуют непрерывные фазы.

Вгидрофобных породах нефть заполняет преимущественно более мел­ кие поры и имеется непосредственный контакт нефти с большей частью внутрипоровой поверхности. Нефть образует сплошную пленку на внутри­ поровой поверхности и заполняет мелкие поры и сужения пор. Остаточная вода является прерывной фазой и располагается в виде дискретных ка­ пелек в центрах поровых каналов.

Впроцессе образования нефтяных залежей некоторые компоненты нефтей могут проникать через сплошную водную пленку и адсорбиро­ ваться на внутрипоровой поверхности, гидрофобизуя ее. Так как внутри-

поровая поверхность состоит из минералов с различными поверхностными, химическими и адсорбционными свойствами, то могут происходить сущест­ венные изменения смачиваемости в различных участках пор. Такие изме­ нения формируют избирательную смачиваемость, при которой часть кол­ лектора является сильно гидрофильной, а другая часть - сильно гидро­ фобной. В результате формируется избирательная структура распреде­ ления нефти и остаточной воды в природном коллекторе.

Иногда выделяют специальный тип избирательной смачиваемости - смешанную смачиваемость, при которой крупные поры, образующие сплошные пути, покрыты пленкой адсорбированной нефти, более мелкие поры насыщены водой и являются гидрофильными [47]. Помимо поверх­ ностных свойств, начальное распределение нефти и воды определяется также и фильтрационно-емкостными свойствами коллектора и его литоло­ гией. В настоящее время установлены устойчивые связи остаточной водонасыщенности с логарифмом проницаемости пласта и с его пористостью. В большинстве случаев наблюдается обратная зависимость остаточной водонасыщенности от фильтрационно-емкостных свойств: с их умень­ шением остаточное водонасыщение возрастает [41].

В большинстве случаев с ростом заглинизированности коллектора оста­ точная водонасыщенность увеличивается, так как глина является гидро­ фильной мелкопористой составляющей коллектора. Исключение состав­ ляют некоторые типы глин, например шамозитовая глина, которая по данным [47] гидрофобизует поверхность пор, так как ионы железа, входя­ щие в ее состав, являются сильными активаторами. Коэффициент началь­ ного нефтенасыщения характеризует общую нефтесодержащую емкость коллектора, но не отражает структуру начальной нефтенасыщенности.

Структурные модели природного нефтенасыщения. Позволяют связать характер распределения нефти и воды с объемными характеристиками коллектора. Неоднородность распределения пор по размерам в терригенных межзерновых коллекторах связана с объемным содержанием различных компонент: чисто песчаная компонента породы характе­ ризуется наиболее крупными порами и высокой пористостью £п,песч; алевролитовая компонента характеризуется порами среднего размера и пористостью кплп\ глинистая компонента характеризуется порами мини­ мального размера и пористостью Лпгл; пористость скелета кпсКхарак­ теризует объем между зернами скелета; этот поровый объем может быть как открытым (поры скелета сообщаются с порами других компонент), так и изолированным.

В чисто гранулярных коллекторах поровое пространство формируется преимущественно скелетной пористостью. В поровом пространстве гидро­ фильного чистого коллектора находится связанная вода в количестве 10-15% для чистых песчаников и до 80% и более для чистых алевролитов. Остальная часть порового объема заполнена нефтью, незначительная часть которой может быть прочно связана внутрипоровой поверхностью. В гидрофобных коллекторах количество связанной воды уменьшается, а количество связанной нефти возрастает (рис. 1).

В заглинизированных коллекторах часть внутрипорового пространства может быть заполнена глинистой компонентой, которая в случае ее

Рис. 1. Структурные модели природного нефтенасыщення Коллектор: а - чисто гранулярный, б - заглинизированный, в - трещинновато-кавернозно-

порнстый; - коэффициенты связанной водо- и нефтенасыщенности, соответственно; k„ - коэффициент остаточной водонасыщекностн; коэффициент пористости: кп- общей, кпЛл - блоковой, к„лр - трещинной, ^ ш - каверновой

гидрофильности полностью насыщена остаточной водой, при гидрофобности глинистой компоненты она насыщена связанной и подвижной нефтью.

Коэффициент природного нефтенасыщення гидрофильного заглинизированного коллектора определяется по формуле

JL _ ^н.песч(^п.ск "“^п.гл^гл)