РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.023.25+622,276.432
© С.Н. Попов, 2015
Влияние механохимических эффектов на проницаемость трещин при моделировании циклической закачки воды в карбонатные коллекторы
С.Н. Попов, к.т.н. (ИПНГ РАН)
Адрес для связи: popov@ipng.ru
Influence of mechanochemical effects on elastic and strength properties of reservoir rocks
S.N. Popov (Oil and Gas Research Institute of RAS, RF, Moscow)
Ключевые слова: карбонатный коллектор, нагнетание, образцы керна, проницаемость трещин, эффективные напряжения, механохимические эффекты.
E-mail: popov@ipng.ru
Key words: mechanochemical effects, Rebinder effect, tensile strength, compressive strength, elastic properties, effective stresses.
The paper presents an overview and analysis of scientific studies on the influence of mechanical effects (including Rebinder effect) on mechanical properties of reservoir rocks. Some basic experimental and theoretical results of these studies are presented. Significant degree of influence of mechanochemical effects on elastic and strength properties of reservoir are showed.
При эксплуатации месторождений нефти и газа происходят необратимые техногенные изменения фильтрационно-емкостных (ФЕС) и физико-механических (ФМС) свойств пород-коллекторов в при-скважинной зоне пласта [1, 2] и продуктивной толще [3, 4]. Подобные эффекты наиболее ярко выражены в коллекторах трещинного и трещинно-порового типов. Изменения ФЕС и ФМС прежде всего объясняют их зависимостью от эффективных напряжений в продуктивном пласте, однако, как показывает опыт, такие явления могут быть обусловлены воздействием нагнетаемой воды, применяемой для поддержания пластового давления (ППД) [5-7]. При этом происходят взаимосвязанные механические и геохимические (механохимические) процессы, вызванные образованием и растворением солей, и как следствие, изменением фильтрационных, упругих и прочностных свойств пород-коллекторов [8].
Для более детального изучения эффектов изменения ФЕС и ФМС, обусловленных механохимическими процессами, автором были проведены испытания образцов керна карбонатных пород-коллекторов одного из месторождений Пермского края. В связи с тем, что исследуемый продуктивный объект относится к трещинно-поровому типу, эксперименты выполнялись как на монолитных (стандартных), так и на трещиноватых образцах. На месторождении для системы ППД планируется использовать пресную воду низкой минерализации (около 0,5 г/л), однако в экспериментах использовали дистиллированную воду для того, чтобы более достоверно определить состав солей, поступающих из породы при растворении.
Для исследования влияния геомеханических эффектов деформирования трещин и поровой матрицы проводились циклическ ая нагрузка и выдержка образцов под воздействием повышенных эффективных напряжений, соответ-
Номер эксперимента Серия экспериментов Эффективное напряжение, МПа Время выдержки, ч
1 I 0,5 -
2 13 0,5
3 26 2
4 II 26 2
5 26 2
6 III 17 0,5
7 8 0,5
8 19,5 0,5
9 31 2
10 IV 31 2
11 31 2
12 V 22 0,5
13 13 0,5
14 24,5 0,5
15 36 2
16 VI 36 2
17 36 2
18 VII 24 0,5
19 12 0,5
20 0,5 0,5
Примечание. Отбор воды из стандартных и полноразмерных образцов для химических анализов в каждой серии экспериментов составлял соответственно 1 и 10 мл, общий отбор воды - соответственно 7 и 70 мл.
ствующих изменению пластового (забойного) давления. Программа исследования образцов приведена в таблице.
Монолитные образцы имели стандартный размер, полноразмерные - высоту 10 см, диаметр 10 см. Во всех случаях образцы предварительно экстрагировались и высушивались при температуре выше 100 °С. Затем они насыщались дистиллированной водой, и через них осуществлялась фильтрация также дистиллированной воды. Образцы подвергались трем циклам нагрузки - выдержки - разгрузки:
1) начало закачки воды (эффективное давление 26 МПа);
2) снижение давления флюида на 5 МПа (эффективное давление 31 МПа);
3) снижение давления флюида еще на 5 МПа (эффективное давление 36 МПа).
В лабораторных испытаниях, кроме пористости и проницаемости определялись упругие характеристики породы: модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ^ [9]
(Зу
■4у2)
М- =
V 2 / - 2
2(у2 / у2 -1)'
(1)
(2)
где р - плотность породы; Ур, у$ - скорость пробега соответственно продольной и поперечной волны.
В каждом цикле время выдержки составляло 6 ч, ФЕС и ФМС измерялись каждые 2 ч. В в начале и в конце каждого цикла выдержки проводился отбор отфильтрованной воды, химический состав которой определялся с использованием хроматографа «Хроматэк-Кристалл 5000».
Результаты экспериментов показали, что наибольшее изменение проницаемости монолитного образца происходит при изменении эффективных напряжений для каждого цикла нагрузки - разгрузки (рис. 1, а). Это обусловлено преимущественно проявлением механических эффектов: варьированием эффективных напряжений. В таком случае влияние растворения породы на проницаемость под воздействием дистиллированной воды незначительно.
Для полноразмерных образцов с трещинами изменение проницаемости происходит более интенсивно в процессе как нагрузки - разгрузки, так и выдержки при постоянном эффективном напряжении (см. рис. 1, б). Максимальное уменьшение проницаемости наблюдается в первом цикле
нагрузки. При выдержке под постоянным эффективным напряжением изменение данного параметра достигает 2030 %. По мнению автора, это вызвано совместным влиянием механических и химических эффектов, т.е. разрушением и растворением острых стенок трещины под воздействием эффективных напряжений и фильтрующейся воды.
Влияние гидрохимических эффектов можно подтвердить результатами химических анализов проб отфильтрованной воды, которые по специальной методике были пересчитаны в концентрации солей (рис. 2). Для обоих видов образцов наблюдается снижение общей минерализации и концентраций солей, что свидетельствует о вымывании легкорастворимых компонентов.
Изменение концентраций гидрокарбоната Са(НСО3)2 и сульфата кальция СаSO4 характеризует растворение скелета породы (см. рис. 2). Если для стандартного образца наблюдается менее интенсивное и достаточно равномерное снижение концентрации Са(НСО3)2, то для полноразмерного образца после увеличения концентрации до максимального значения происходит ее резкое снижение. Подобный эффект, по мнению автора, объясняется постоянным растворением карбонатной породы под воздействием фильтрующейся воды и давления обжима. Об этом также свидетельствует менее интенсивное по сравнению с другими солями снижение концентрации CaSO4. Несмотря на то, что концентрация Са(НС03)2 и CaSO4 в отфильтрованной воде достаточно мала (1-4 ммоль/дм3), даже таких значений достаточно для начала разрушения стенки трещины. Так, в работах зарубежных специалистов [10, 11] показано, что при фильтрации дистиллированной воды через карбонатный образец с трещиной увеличение концентрации ионов Са2+ в отфильтрованной воде на 0-20 мг/дм3 может привести к интенсивному уменьшению средней
Е
1.2
1
2 1.0
и
О 0,8
Л й 0,6
р
Щ 0,4
'4
X I 0,2
о
Е= 0
0,040 | 0.035 £ 0.030 0,025 § 0,020
е
О)
5
0,015 0,010 | 0,005
= о
в
А 7
ЖБ/ { 13.»
100
90 -
ЯП 01
70
60
50
40
30
20 о
10
8 10 12 14 16 18 20 22 24 Время, ч
Ж.5 27.1 553
1 в/
30
25 $ 20
8 10 12 14 16 18 20 22 24 Время, ч
£ |
Проницаемость в цикле:
первое -— втором — третьем » концентрация ролей
Рис. 1. Изменение проницаемости и концентрации солей в воде, прошедшей через монолитный (а) и полноразмерный с трещиной (б) образцы керна
Рис. 2. Изменение концентрации солей в воде, прошедшей через стандартный (а) и полноразмерный (б) образцы керна
08'2015
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
78
Рис. 3. Изменение модуля упругости монолитного образца (а) и образца керна с трещиной (б) в процессе лабораторного эксперимента
ширины трещины (ее смыканию) даже при эффективных напряжениях, близких к нулю.
В заключение приведены данные об изменении в процессе лабораторных экспериментов модуля упругости, определенного динамическим методом (рис. 3). Как видно из рис. 3, изменение данного параметра непосредственно зависит только от изменения эффективных напряжений, влияние химических эффектов не прослеживается, особенно при циклах выдержки образцов под постоянным эффективным напряжением. Однако следует отметить, что в связи со слабой растворимостью карбонатной матрицы породы эффект воздействия гидрохимических процессов на упругие и прочностные свойства может проявиться при более длительных экспериментах. Кроме модуля упругости, во время лабораторных исследований определялся коэффициент Пуассона. Было установлено отсутствие явных закономерностей изменения данного параметра в зависимости от механических или геохимических условий эксперимента.
Выводы
1. Результаты экспериментов показали, что проницаемость стандартных образцов керна изменяется только при увеличении или уменьшении эффективных напряжений. Проницаемость полноразмерных образцов керна снижается даже при постоянном эффективном напряжении.
2. Несмотря на кратковременность испытаний, для полноразмерных образцов керна этого времени достаточно для проявления механохимических эффектов в виде существенного снижения проницаемости (20-30 %) при каждом цикле выдержки под постоянным эффективным напряжением.
3. Механизм изменения проницаемости следующий:
- для стандартных образцов данный параметр преимущественно зависит от геомеханического фактора (изменения эффективных напряжений), так как вследствие кратковременности эксперимента интенсивного растворения скелета поровой матрицы не происходит;
- для полноразмерных образцов керна снижение проницаемости вызвано растворением и разрушением породы на острых стенках трещины, что наблюдается при выдержке образцов под постоянным эффективным напряжением, т.е. проявляются механохимическ ие процессы.
4. В ходе экспериментов наблюдается увеличение модуля упругост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.