Тепловые свойства терригенных коллекторов и насыщающих флюидов

Актуальность работы.

Тенденции развития нефтяной геофизики за последние десятилетия характеризуются существенным возрастанием роли геотермических и петротепловых исследований, как в рамках отдельных нефтяных месторождений, так и в масштабах крупных осадочных бассейнов с запасами углеводородов. В обоих случаях это обуславливает необходимость получения представительных данных о тепловых свойствах коллекторов.

Проектирование и оптимизация методов добычи нефти с тепловым воздействием на продуктивный пласт, особенно при добыче вязких нефтей, интерпретация данных термокаротажа, моделирование процессов теплои массопереноса в коллекторах на различных стадиях освоения месторождений, изучение тепловых режимов глубоких горизонтов в осадочных бассейнах, анализ влияния теплового режима недр на процессы формирования залежей углеводородов — при всех этих работах необходима информация о таких тепловых свойствах коллекторов, как теплопроводность, температуропроводность и объемная теплоемкость. Такая тепловая характеристика нефтенасыщенных пород, как температурный коэффициент линейного расширения, требуется для точных оценок напряженного состояния околоскважинного пространства и массива горной породы при использовании тепловых методов воздействия на пласт. В связи с этим повышение уровня достоверности информации о перечисленных тепловых свойствах коллекторов, и в частности — терригенных коллекторов, является актуальной задачей современной геофизики.

Современная тепловая петрофизика характеризуется отсутствием достаточно надежных средств для измерений тепловых свойств пород в скважинах (теплового каротажа). В связи с этим изучение этих свойств в настоящее время' возможно в основном путем измерений на керне при нормальных термобарических условиях с последующим изучением влияния пластовых давлений и температур на отдельных образцах. Но для теплофизических исследований нефтенасыщенных пород на керне даже при нормальных условиях до последнего времени существовали серьезные трудности, что являлось причиной острого' недостатка в, справочной и научно-технической литературе информации^ теплопроводности и особенно температуропроводности, объемной теплоемкости и температурном коэффициенте линейного расширения^ нефтенасыщенных коллекторов и отсутствия надежных баз данных об этих свойствах для различных нефтяных месторождений.

В' этих условиях в нефтяной петрофизике важной задачей до последнего' времени являлось повышение уровня экспериментальных теплофизических исследований нефтенасыщенных пород на керне лабораторными методами при нормальных условиях и получение представительных, метрологически обоснованных данных о тепловых свойствах коллекторовв частности — терригенных коллекторов, для разных месторождений углеводородов. В рамках этой задачи необходимым является также развитие инженерных (несложных, но одновременно достаточно надежных) теоретических моделей эффективных тепловых свойств флюидонасыщенных пород и создание на их основе подходов к прогнозу тепловых свойств нефтенасыщенных пород-коллекторов.

Теплопроводностьпород-коллекторов, существенно зависит от теплопроводности поронасыщающих флюидов, что необходимо учитывать при интерпретации результатов измерений, теоретическом моделировании и прогнозе теплопроводности коллекторов. Вместе с тем существуют серьезные проблемы с надежным аппаратурно-методическим обеспечением экспериментальных исследований тепловых свойств флюидов, что является причиной недостатка экспериментальной информации о тепловых свойствах разных флюидов (пластовая^ вода, легкие и тяжелые нефти и др.). Все это определяет важность разработки более совершенных средств для измерений теплопроводности флюидов, метрологической проверки их надежности и получения представительной экспериментальной информации об этой характеристике.

Решение перечисленных задач должно способствовать повышению надежности данных о связях тепловых свойств с другими физическими свойствами нефтенасыщенных коллекторов, в первую очередь — с коллекторскими свойствами.

Цель работы.

Целью работы является повышение эффективности тепловых методов добычи нефти и изучения процессов теплои массопереноса в осадочных бассейнах с запасами, углеводородов путем развития теоретической и экспериментально-методической базы для получения надежных данных о тепловых свойствах нефтенасыщенных горных пород и насыщающих флюидов и повышения представительности экспериментальной информации о тепловых свойствах коллекторов и их связи с другими физическими свойствами коллекторов. f Основные задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью в работе решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:

1. Повышение представительности существующей базы данных о тепловых свойствах терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) нефтяных месторождений — теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости, температурного коэффициента линейного расширения — путем прецизионных массовых измерений на представительных коллекциях керна с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород на уровне образца и пласта.

2. Установление корреляционных связей тепловых свойств с коллекторскими и другими физическими свойствами нефтенасыщенных пород.

3. Разработка и метрологическое тестирование аппаратуры для измерений теплопроводности флюидов и проведение при ее помощи измерений теплопроводности нефтей, бурового раствора и других порозаполняющих флюидов в широком диапазоне температур.

4. Повышение эффективности применения при теплофизических исследованиях терригенных коллекторов широко распространенной в петрофизике теоретической модели эффективной теплопроводности Лихтенеккера-Асаада, оценка вариаций значений корректировочного I коэффициента данной теоретической модели для нефтенасыщенных горных пород и изучение его связи с геометрическими характеристиками порового пространства.

5. Разработка методики прогноза теплопроводности нефтенасыщенных терригенных коллекторов на основе теоретического моделирования. г.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе массовых измерений тепловых свойств (теплопроводности, i температуропроводности, объемной теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения) нефтенасыщенных пород-коллекторов на коллекциях керна впервые получены представительные метрологически обоснованные данные о тепловых свойствах терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород на уровне каждого образца.

2. По результатам обширных экспериментальных исследований установлены корреляционные зависимости между тепловыми, емкостными, акустическими и фильтрационными свойствами терригенных коллекторов, насыщенных нефтью (включая тяжелую нефть) и другими флюидами, замещающими нефть при тепловых методах добычи.

3. Разработан и метрологически проанализирован аппаратурно-методический комплекс для измерений теплопроводности нефтей и других флюидов в диапазоне температур от 0 до 160 °C.

4. На основе измерений, проведенных при помощи разработанной аппаратуры, получены данные о теплопроводности нефтей различных месторождений и бурового раствора в широком температурном диапазоне.

5. Экспериментально установлены значения корректировочного коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для нефтенасыщенных терригенных коллекторов, что обеспечило применимость этой модели при прогнозе теплопроводности кварцевых нефтенасыщенных песчаников.

6. Разработана методика прогноза теплопроводности нефтенасыщенных кварцевых песчаников по экспериментальным данным о теплопроводности пород в их воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях с последующим применением теоретической модели Лихтенеккера-Асаада.

Защищаемые научные положения.

1. Экспериментальные результаты о теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициенте тепловой анизотропии, полученные в результате прецизионных измерений более чем на 250 образцах кварцевых песчаников, насыщенных тяжелой нефтью и другими порозаполняющими флюидами, значительно расширяют базу данных по тепловым свойствам терригенных коллекторов и их корреляционным связям с другими физическими свойствами коллекторов, помогают осуществить прогноз вариаций тепловых свойств в процессе термодобычи.

2. Разработанная аппаратурно-методическая база для измерений теплопроводности флюидов обеспечивает повышение надежности экспериментальной информации о теплопроводности порозаполняющих флюидов, необходимой для интерпретации результатов теплофизических исследований коллекторов и прогноза их тепловых свойств на основе теоретического моделирования.

3. Экспериментально установленные диапазоны вариаций температурного коэффициента линейного расширения кварцевых песчаников при температуре от 20 до 170 °C предоставляют возможность для более точных оценок напряженного состояния околоскважинного пространства и горного массива при использовании тепловых методов воздействия на пласт.

4. Установленные требования к точности определения исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада и полученные значения корректировочного коэффициента этой модели для нефтенасыщенных кварцевых песчаников обеспечивают прогноз теплопроводности коллекторов данного типа на основе этой теоретической модели.

Личный вклад автора состоит в следующем: активное участие в организации и проведении массовых измерений тепловых свойств коллекций кварцевых песчаников, насыщенных нефтью, пластовой водой и воздухом, с различных нефтяных месторожденийкорреляционный анализ результатов измерений комплекса физических свойств пород нефтяных месторожденийсоздание аппаратурно-методической базы для измерений теплопроводности флюидов и ее метрологические исследованияизмерения теплопроводности различных нефтей, бурового раствора, пластовой воды цемента при помощи разработанных аппаратуры и методикиразработка комплекса требований к качеству исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для обеспечения необходимой надежности оценки теплопроводности нефтенасыщенных пород на основе данной моделиопределение корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для кварцевых песчаников и анализ взаимосвязи этого коэффициента с геометрическими характеристиками порового пространстваразработка методики прогноза теплопроводности нефтенасыщенных пород по данным о теплопроводности воздушно-сухих и водонасыщенных пород.

Практическая ценность работы.

1. Результаты измерений комплекса тепловых свойств терригенных коллекторов одного из месторождений вязких нефтей, установленные диапазоны пространственных вариаций тепловых свойств в пределах месторождения и в зависимости от вида насыщающих флюидов являются важным элементом для создания теплофизической 4D-модели месторождения и оценок напряженного состояния горного массива при проектировании и оптимизации нефтедобычи при помощи термических методов.

2. Экспериментальные данные о тепловых свойствах нефтенасыщенных кварцевых песчаников в совокупности с результатами других петрофизических измерений на тех же образцах позволили установить взаимосвязь тепловых свойств с емкостными, фильтрационными и акустическими свойствами^ что необходимо для прогноза теплового режима коллектора и осуществления сейсмомониторинга месторождения тяжелой нефти.

3. Разработанная аппаратурно-методическая база для измерений теплопроводности флюидов с учетом влияния их тепловой конвекции в процессе измерений используется для получения экспериментальных данных о теплопроводности нефти, бурового раствора и пластовой воды в широком диапазоне температур, для прогноза вариаций теплопроводности пород-коллекторов в процессе добычи тяжелых нефтей при помощи термических методов, моделирования теплопроводности пород при их насыщении разными флюидами по данным о теплопроводности минерального скелета, пористости и геометрических характеристиках порового пространства;

4. Расширение области применимости теоретической модели: Лихтенеккера-Асаада обеспечивает прогноз теплопроводности терригенных коллекторов, по данным о пористости и теплопроводности минерального скелета пород.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты работы внедрены в Научно-исследовательской лаборатории проблем геотермии Российского государственногогеологоразведочного университета, применяются компаниями ООО «Технологическая компания, Шлюмберже», СК «ПетроАльянс» и ООО «Лукойл» и использованы в работах PFFPY по проектам, поддерживаемым Российским фондом фундаментальных исследований.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-2003»,. Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» в 2008 г., Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» в 2003, 2005, 2007 и 2009 г. г., Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса ВУЗов минерально-сырьевого комплекса России в 2006 г., конференции «Молодые — наукам о Земле» в 2006 и 2008 г. г., X юбилейной международной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2009» в 2009 г.

Публикации.

Результаты работы отражены в 4 научных статьях и 12 тезисах докладов, сделанных на Международных научных конференциях.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 115 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 8^ таблиц и библиографию из 111 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе прецизионных измерений теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициента тепловой анизотропии, выполненных для 267 образцов кварцевых песчаников при насыщении их тяжелой нефтью, водой, керосином (как моделью легкой нефти) и воздухом, сформирована представительная база данных о тепловых свойствах флюидонасыщенных терригенных коллекторов, представленных в основном кварцевыми песчаниками.

2. Из анализа результатов измерений комплекса тепловых свойств нефтенасыщенных образцов пород, представляющих собой терригенные коллектора (в основном кварцевые песчаники), установлены тесные корреляционные связи и уравнения регрессии связи тепловых свойств пород с емкостными, фильтрационными свойствами и взаимные корреляционные связи тепловых свойств при разных порозаполняющих флюидах.

3. Измерения скоростей продольных волн и тепловых свойств для исследованных коллекций кварцевых песчаников, насыщенных нефтью и другими флюидами, позволили установить тесные корреляционные связи тепловых свойств с акустическими и емкостными свойствами терригенных коллекторов данного типа.

4. На основе массовых измерений температурного коэффициента линейного расширения кварцевых песчаников установлено, что диапазон вариаций температурного коэффициента линейного расширения при температуре 20−30 °С составляет (9,3 — 11,0)-10~6 К" 1, а при температуре 170 °C (13,0 — 15,1)-10″ 6 К" 1.

5. Разработана и метрологически изучена аппаратурно-методическая база для измерений теплопроводности флюидов, насыщающих коллектора, в температурном диапазоне от 0 до 160 °C и при нижней границе диапазона вязкости изучаемых флюидов З’Ю" 4 Пах. Влияние естественной тепловой конвекции, возникающей при измерениях теплопроводности флюидов созданным прибором, контролируется и исключается из результатов измерений.

6. При помощи разработанного прибора проведены измерения теплопроводности нефтей различных месторождений, бурового раствора на водной основе и керосина К0−20 (используемого в качестве модели легкой нефти при петротепловых исследованиях) в температурном диапазоне 2., 160 °C.

7. Комбинация измерений теплопроводности разработанным прибором и методом оптического сканирования позволила контролировать тепловые свойства цемента и устанавливать пространственно-временные вариации тепловых свойств цемента в процессе его застывания и высыхания.

8. Аналитическим путем установлено влияние погрешностей при определении различных исходных параметров теоретической модели Лихтенеккера-Асаада на точность определения корректирующего коэффициента модели и прогноза эффективной теплопроводности для терригенных коллекторов, представленных кварцевыми песчаниками,.

9. Экспериментально установлены значения корректирующего коэффициента теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для терригенных коллекторов (кварцевых песчаников) при заполнении порового пространства различными флюидами. Установлена зависимость этого коэффициента от теплопроводности порозаполняющих флюидов и разработана методика оценки теплопроводности нефтенасыщенных терригенных коллекторов на основе рассмотренной модели, основанная на экспериментальных данных о теплопроводности пород в сухом и водонасыщенном состояниях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.