ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
Б. БАЙДЮК, Л. ШИЦ, ОАО НПО "Буровая техника" - ВНИИБТ
Принятие эффективных технико-технологических решений в современных условиях бурения скважин требует получения объективных данных о состоянии и свойствах разбуриваемой породы, их изменении в процессе бурения вследствие взаимодействия породы с буровым раствором. Эти данные должны быть надежны и информативны. Вместе с тем оперативные способы их получения не должны быть дорогими, трудоемкими, иметь сложную аппаратурно-методиче-скую базу.
На основе многолетних исследований во ВНИИБТ разработан комплекс методик и портативный универсальный прибор для их реализации [1], которые дают возможность получать необходимую информацию на основе исследований (испытаний) обломков выносимого из скважины бурового шлама и кернового материала. В начале 1980-х результаты разработки воплотились в методическом руководстве, оформленном как Руководящий документ Миннефтепрома [2]. Для физико-механических и физико-химических испытаний горной породы (образцов шлама или керна) был сконструирован и выпущен в виде экспериментальной партии мобильный прибор с ручным приводом - пробник ПШ-2 (ПШ-2М) с дополнительными приспособлениями (узлами).
Позднее в связи с обострением проблемы сохранения коллекторских свойств приствольной зоны вскрываемых бурением продуктивных пластов были специально разработаны дополнительные узлы к прибору ПШ-2, позволяющие оценивать фильтрующую способность проницаемой горной породы [3].
Проницаемость горной породы по отношению к флюиду той или иной природы (газу или жидкости) является важнейшим параметром, характеризующим ее фильтрационные свойства. Принято считать, что ламинарный поток флюида в трещиновато-пористой среде (горной породе или моделирующей ее дисперсной структуре) с достаточно хорошим приближением описывается линейным законом фильтрации Дарси [4]:
О АР V =—= к — , (1)
5 т А-ц
где V - объемный поток жидкости, т. е. объем жидкости (или газа) О с вязкостью п, проходящий за время т через
пористую среду с площадью поперечного сечения 5 и длиной А при перепаде давлений АР.
количественной мерой проницаемости фильтрующей среды (породы) служит размерный коэффициент пропорциональности К, обычно называемый коэффициентом проницаемости (кП), который выражается в единицах площади или в несистемных единицах дарси (Д), при этом 1 Д=10-12 м2= 1 мкм2.
Оснащенный узлом фильтрации прибор ПШ-2 с ручным приводом позволяет, не прибегая к использованию дорогостоящих стационарных установок (например, УИПК-1М и др.), определять с достаточной для решения практических задач точностью значения кП разбуриваемых пород не только в лабораторных, но и полевых условиях.
Схема прибора в сборке с одним из вариантов конструкции узла фильтрации показана на рисунке. Основная часть прибора - общий корпус 1 с осевым 3 и угловым 2 динамометрами - составляет узел нагружения (УН), который находится в подвижном резьбовом соединении с узлом фильтрации (УФ). Последний состоит из микрокамеры гидравлического давления 4, поршня 5 с уплотнитель-ными кольцами 6, поддона 7, ступенчатой втулки 8 с уплотнительными кольцами 9 и 10, дренажной опорной пластины 11 и прижимной крышки 12, которая жестко скрепляет перечисленные детали УФ между собой и с испытуемым образцом породы 13. Причем боковая поверхность цилиндрического образца породы покрыта тонким непроницаемым слоем эпоксидной смолы.
Узел фильтрации может быть приспособлен для испытания как монолитных образцов породы, взятых из сохранивших цельность кусков кернового материала, так и несцементированной или измельченной породы в виде уплотнен-
ного слоя сыпучего материала определенного гранулометрического состава. В последнем случае деталь 7 составляет единое целое с деталью 8 (уплотнение 9 отсутствует), а крышка 12 имеет некоторые конструктивные особенности, обусловленные удобством сборки-разборки узла в процессе выполнения эксперимента.
Процедура испытания горной породы заключается в следующем. Испытуемый образец, находящийся в естественном или воздушно-сухом состоянии, под вакуумом или давлением, пропитывают нейтральной углеводородной жидкостью и устанавливают в узел фильтрации. В камеру 4 узла фильтрации, отсоединенного от корпуса 1 и освобожденного от поршня 6, с помощью микродозатора (шприца или градуированной пипетки) вводят углеводородную жидкость, которой пропитан образец породы. Затем в камеру 4 вставляют поршень 5 и ввинчивают УФ в выступающую часть осевого динамометра 3 узла нагружения.
Прибор ПШ-2 в сборке для испытаний образцов породы на проницаемость и кольматируемость
УФ с помощью рукоятки вращают по часовой стрелке до тех пор, пока поршень 5 не придет в соприкосновение со штоком 14 осевого динамометра.
При дальнейшем вращении УФ поршень начинает давить на жидкость в камере 4, и она начинает фильтроваться через образец породы 13. В процессе фильтрации по секундомеру регистрируют время О, затраченное на выполнение пяти оборотов УФ, производимых равномерно со скоростью, при которой заданная сила давления (Г) по шкале динамометра остается постоянной. Таким образом, обеспечивается необходимая объемная скорость фильтрации жидкости через породу при данном перепаде давлений по толщине фильтрующего слоя.
Для вычисления КП испытуемой породы (выраженного в мкм2) используют расчетную формулу, полученную преобразованием уравнения (1). При постоянных геометрических параметрах образца породы и режиме испытаний она имеет вид:
П
К = А
1-АГ
(2)
где: п - вязкость (мПа.с) фильтруемой жидкости;
1 - продолжительность фильтрации
(с);
АГ - сила (Н) преодоления гидравлического сопротивления фильтрующей среды, причем АГ=Г-Г0, где Г - сила, обеспечивающая равномерное поступательное движение поршня в гидравлической камере и определяемая по показаниям динамометра, а Г0 - сила преодоления сопротивления движению поршня при холостом опыте (в отсутствие гидравлического сопротивления);
А - постоянная прибора (множитель, зависящий от геометрических параметров прибора, которые определяют размеры испытуемого образца породы и объем фильтруемой через него жидкости).
При обычном режиме испытания породы на приборе ПШ-2 жидкость фильтруют через цилиндрический образец породы диаметром 10 мм и высотой (толщиной фильтрующего слоя) 10 мм. В процессе фильтрации через образец
Табл. 1
породы объемом 0,785 см3 пропускают около 1,7 см3 испытуемой жидкости. Если пористость породы, например, равна 0,18, объем фильтрата составляет 12 по-ровых объемов породы, что вполне достаточно для установления стационарного фильтрационного потока и определения значений К по формуле (2), в которой А=795 при указанных условиях испытания.
В качестве стандартной углеводородной жидкости при определении абсолютной проницаемости фильтрующей среды удобно использовать декан (плотность 0,730 г/см3; т. пл. -29,70 С; т. кип. 174,10 С). Химически он достаточно инертен, не летуч, а по реологическим свойствам близок к воде, что видно из данных табл. 1. Последнее обстоятельство особенно важно при оценке фазовой проницаемости породы в зависимости от изменения поверхностных свойств контактирующих фаз. Различия в гидродинамических свойствах водной и углеводородной фаз, обусловленные разными значениями их вязкости, осложняют выявление роли физико-химических факторов в фильтрационном процессе. Контрольные определения абсолютной проницаемости образцов песчаника по декану и по азоту показали, что расхождения результатов не выходят за пределы возможной ошибки эксперимента.
Чем выше проницаемость породы, тем быстрее необходимо вращать узел фильтрации для поддержания усилия АГ, обеспечивающего заданный перепад давлений на фильтрующем слое. Поскольку вращение осуществляется вручную и равномерность движения трудно выдержать при частоте выше 1 с-1, прибор ПШ-2 целесообразно использовать при испытаниях образцов горной породы, для которых КП не превышает 0,5 мкм2 (500 мД).
При экспериментальной оценке проницаемости горной породы допустимо вести рабочие расчеты, на основе соотношения параметров фильтрации, определяемых законом Дарси [7]. Однако следует иметь в виду, что отклонения от него возникают и увеличиваются по мере уменьшения поперечного сечения транспортных каналов-пор
Температура, 0С Вязкость, мПа.с
н-Декан Вода
0 1,296 1,7921
20 0,907* 1,0050
50 0,6015 0,5494
80 0,4525 0,3565
100 0,357 0,2838
Табл. 2
Фильтрационные характеристики мелкозернистых песчанников
Образец породы
Проницаемость породы
Место отбора керна (месторождение) Проба К.103, мкм2 г, мкм
Кислорское 1 1,10 0,23
2 1,38 0,26
3 2,48 0,35
4 3,30 0,40
Тянское 1 5,19 0,50
2 6,31 0,56
3 8,10 0,63
4 9,35 0,68
5 11,5 0,75
Бованенковское (Карска НГРЭ) 1 4,42 0,46
2 6,94 0,58
3 7,64 0,61
4 11,1 0,74
Камынское 1 136 2,6
2 159 2,8
3 190 3,1
и, как следствие, увеличения относительной роли физико-химических факторов в сравнении с гидродинамическими в процессе фильтрации (особенно многофазной) флюида сквозь проницаемую породу.
Исходя из уравнений Дарси (1) и Гагена-Пуазейля У=яг4АР/(8п^), где г - средний радиус фильтрующих капиллярных каналов с учетом пористости фильтрующего слоя (П) и коэффициента извилистости пор (8), можно установить приблизительное соотношение между проницаемостью породы и средним радиусом пронизывающих ее каналов-пор [4, 8]:
К=Пг2/(88).
(3)
* По данным разных источников информации п20~0,91 0,93 мПа.с
Доля пор в объеме пород разных категорий может составлять от 0,03 до 0,35 [9]. Но для большинства нефтеносных пород она находится в пределах 0,1-0,2 причем 10-25% объема пор обычно занимает "реликтовая" вода [10], а значения 8 лежат в пределах 1-1,5 [8].
В табл. 2 приведены данные по проницаемости образцов мелкозернистого песчаника разного происхождения, полученные с использованием описанных выше методики и прибора. В той же таблице указаны размеры (условный
средний радиус) поперечного сечения транспортных каналов-пор фильтрующей породы, которые определены по уравнению (3), преобразованному в удобную для расчетов формулу, где
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.