Способ исследования проницаемости образцов керна с трещинами

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано при проектировании разработки нефтяных месторождений с трещиноватым типом коллектора, на которых используется система поддержки пластового давления (ППД) в виде нагнетания воды.

При проектировании разработки нефтяных месторождений с трещиноватым типом коллектора появляется необходимость учета закономерностей изменения проницаемости систем трещин при изменении пластового давления. Данный факт обусловлен тем, что проницаемость трещин весьма существенно реагирует даже на небольшое изменение эффективных напряжений в пласте. Однако еще более интенсивно проницаемость трещин может изменяться при совместном воздействии фильтрации воды и эффективных напряжений, если химический состав нагнетаемой воды существенно отличается от химического состава пластовой воды. Чаще всего для нагнетания используют пресную воду из близлежащих водоемов (рек, озер) под воздействием которой скелет породы-коллектора начинает растворяться. Растворение происходит еще более интенсивно при воздействии эффективных напряжений на стенках трещин, что приводит к их постепенному смыканию и, как следствие, к уменьшению проницаемости трещиноватого коллектора в целом.

Известен способ исследования проницаемости образцов керна с трещинами, включающий совместное воздействие фильтрации воды и эффективных напряжений [1]. Однако эти исследования проводятся при постоянном эффективном напряжении и не учитывают упругую составляющую деформаций образца керна.

Технической задачей описываемого изобретения является определение закономерности изменения трещинной составляющей проницаемости при совместном воздействии фильтрующейся воды и при циклическом увеличение и уменьшении эффективных напряжений с целью учета упругой составляющей деформаций пород-коллекторов.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что при совместном воздействии фильтрации воды и эффективных напряжений на образцы керна, исследование образцов керна проводят при циклическом увеличении и уменьшении эффективных напряжений и определяют величину изменения проницаемости трещин за счет упругих деформаций образца керна.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг. 1 - зависимость ширины трещины от коэффициента площади контактов стенок трещины;

фиг. 2 - зависимость изменения упругой составляющей ширины трещины от изменяющихся эффективных напряжений;

фиг. 3 - экспериментальная и расчетная динамика изменения проницаемости образца керна с трещиной.

Описываемый способ реализуют следующим образом.

Проэкстрагированный и высушенный образец керна с единичной трещиной насыщают дистиллированной водой или моделью нагнетаемой воды. Образец помещают в установку для фильтрационных исследований образцов керна. В установке создают эффективные напряжения, соответствующие пластовым условиям и определяют проницаемость образца при фильтрации дистиллированной воды или модели нагнетаемой воды. В процессе фильтрации воды образец подвергают циклическому воздействию увеличивающихся и уменьшающихся эффективных напряжений (минимум три цикла), а также выдержке при различном значении постоянного эффективного напряжения (минимум три выдержки). Данные циклы изменения эффективных напряжений должны соответствовать величинам изменения пластового или забойного давления. Одновременно производят отбор профильтровавшейся воды (минимум три пробы) и определяют ее химический состав.

На основе динамики изменения проницаемости образца керна определяют изменение средней ширины трещины из соотношения:

где - расстояние между трещинами; - проницаемость образца с трещиной.

Расстояние между трещинами принимают равным диаметру испытанного образца керна.

Далее определяют коэффициент площади контакта стенок трещины на основе соотношения:

где Δb/Δt - скорость изменения ширины трещины; Q - количество профильтровавшейся воды; C_p - концентрация растворенной порсды в профильтровавшейся воде; ρ_g - плотность твердых частиц породы.

На основе полученных значений коэффициента площади контакта стенок трещины строят зависимость ширины трещины от данного параметра, которая может быть задана в виде функции:

где R_c0 - начальный (минимальный) коэффициент площади контактов; a₁, a₂, a₃ - определяемые константы.

С помощью эмпирической зависимости (3) получают расчетные значения величины изменения ширины трещины на каждый интервал времени:

где V_m - молярный объем твердого вещества скелета породы; σ_а - эффективное напряжение на контакте; σ_с - критическое напряжение; k₊ - коэффициент растворимости минерала; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Эффективное напряжение на контакте определяют из выражения:

где - эффективные напряжения, создаваемые в эксперименте.

За величину критического напряжения принимают максимальное эффективное напряжение в эксперименте. Изменение ширины трещины включает две составляющие:

где Δb_mech - упругая составляющая изменения ширины трещины под воздействием напряжений; Δb_ps - изменение ширины трещины под совместным воздействием постоянных эффективных напряжений и растворения породы; с₁ и с₂ - определяемые коэффициенты.

Величину Δb_mech находят из корреляционной зависимости ширины трещины от изменяющихся эффективных напряжений. Коэффициенты c₁ и c₂ определяют из условия минимума отклонения расчетного и экспериментального значения ширины трещины.

В конечном итоге изменение проницаемости образца керна с трещиной определяют из выражения, обратного (1):

Пример реализации способа.

В результате проведения эксперимента образца керна с трещиной, отобранного из карбонатного коллектора при начальном насыщении и фильтрации дистиллированной воды, были получены исходные данные, приведенные в таблице 1 (столбцы 1-6).

На основе обработки экспериментальных данных с использованием формул (1)-(3) получили значения параметров ширины трещины и коэффициента площади контактов стенок трещины (столбцы 7, 10). В результате построили зависимость данных параметров друг от друга (фиг. 1). Для карбонатного коллектора константы в выражении (4) принимались следующими: V_m=2.27⋅10^-5 м³/моль; σ_с=90 МПа; k₊=2.45-15⋅10^-8 моль/(м²с); ρ_g=2650 кг/м³.

Для определения зависимости изменения упругой составляющей ширины трещины от изменяющихся эффективных напряжений была построена корреляционная зависимость двух данных параметров друг от друга (фиг. 2).

При использовании выражений (4)-(7) получили расчетное значение ширины и проницаемости трещины, представленное на фиг. 3 и в таблице 1 (столбец 11).

При использовании описываемого способа определения зависимости изменения проницаемости образцов керна с трещинами при совместном воздействии фильтрации воды и изменяющихся эффективных напряжений появляется возможность повысить эффективность прогноза основных технологических показателей разработки нефтяных месторождений с трещиноватым коллектором и системой ППД в виде нагнетания воды.

Литература

1. Elsworth D., Yasuhara Н. Short-timescale chemo-mechanical effects and their influence on transport properties of fracture rock // Pure and applied geophysics, October 2006, Volume 163, Issue 10, pp. 2051-2070.