image

Территория Нефтегаз № 6 2016

Добыча нефти и газа

01.06.2016 10:00 Проблемы изучения нефтенасыщенных образцов пород баженовской свиты
Баженовская свита – это природный нефтеносный объект, который обладает целым рядом неизученных свойств. Получить данные по многим из этих свойств на стандартной аппаратуре не представляется возможным. Прямой перенос известных методик на исследование баженовской свиты практически нереализуем. Дополнительное усложнение по описанию происходящих процессов накладывается при применении метода термогазового воздействия (ТГВ). Исследование природной структуры нефтенасыщенных пород баженовской свиты, получение данных для моделирования химических реакций, происходящих в содержащихся в породе углеводородах при закачке в пласт воздуха, требует развития и создания новых специализированных методик и аппаратуры исследования. В статье рассмотрены основные проблемы и задачи изучения нефтенасыщенных пород баженовской свиты с целью получения исходных данных для проектирования разработки этих залежей с применением метода ТГВ. Показано отличие этого типа залежей и содержащихся в породах углеводородов от традиционных. Рассмотрены основные физико-химические процессы, происходящие в баженовской свите применительно к ТГВ, которые принципиально отличаются от процессов, происходящих при применении ТГВ на месторождениях с легкими нефтями и четко выраженной структурой пористой среды. Показана необходимость создания условий для фильтрации пластовых флюидов при крайне низкой проницаемости нефтенасыщенных пластов баженовской свиты, таких как гидроразрыв пласта как вариант. Проведено исследование нефтенасыщенных образцов породы баженовской свиты с целью изучения прочностных характеристик. Приводится методика лабораторных исследований образцов нефтенасыщенной породы Средне-Назымского месторождения. Даны рекомендации по дальнейшей программе исследований.
Ключевые слова: баженовская свита, трудноизвлекаемые запасы, кероген, увеличение нефтеотдачи, термогазовое воздействие, внутрипластовое горение, экзотермические превращения, остаточная нефть, низкопроницаемый коллектор.
Ссылка для цитирования: Ашмян К.Д., Вольпин С.Г., Юдин В.А., Магадова Л.А., Шидгинов З.А. Проблемы изучения нефтенасыщенных образцов пород баженовской свиты // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 64–69.
Открыть PDF


64-69-r1.jpgОбщеизвестно, что Россия достаточно богата нефтью: на территории страны, составляющей 12,8% территории Земли, сосредоточено 12–13% прогнозных ресурсов, около 12% разведанных запасов нефти [1]. На 2014 г. доказанные запасы нефти России составляли примерно 8%, и по этому показателю Россия находилась на 4-м месте в мире [1].

Однако в нефтедобывающей промышленности России наблюдается и невысокая обеспеченность запасами, и ухудшение качества имеющихся остаточных запасов [1]. Доля благоприятных для извлечения запасов составляет менее половины российских разведанных запасов нефти.

Для преодоления этих негативных тенденций весьма перспективным в стратегическом плане представляется освоение совершенно нетрадиционных нефтенасыщенных коллекторов: кремнисто-глинистых и карбонатно-кремнисто-глинистых битумонасыщенных пород Западной Сибири, в первую очередь баженовской свиты [2]. По консервативным оценкам, величина ресурсов углеводородов в этих отложениях достигает несколько миллиардов тонн, по оптимистичным – до сотен миллиардов тонн.

В качестве одного из наиболее перспективных вариантов разработки таких отложений рекомендуется термогазовое воздействие [3, 4], или по американской терминологии – HPAI. Метод ТГВ был независимо предложен в СССР в 1971 г. и начал более-менее интенсивно разрабатываться и опробоваться в США в 1980-х гг.

Формально схема реализации этого метода совпадает со схемой внутрипластового горения: в пласт закачивается газообразный окислитель (в основном, воздух) в пласте начинаются экзотермические химические реакции пластовых углеводородов с закачанным окислителем, возникает движущийся источник тепла в пласте. Нефть вытесняется к добывающим скважинам за счет ряда физических факторов: парами воды; газами, возникающими при реакции нефти с окислителем; при смешивающемся вытеснении нефти и растворяющейся в ней двуокиси углерода; конденсированной горячей водой; валом нагретых углеводородов (рис. 1 [3, 4]).

Как известно, метод ТГВ заключается в том, что при закачке в пласт воздуха создаются условия для низкотемпературного окисления (горения), в результате чего происходит вытеснение подвижной нефти газами горения. При этом одновременно повышается пластовая температура, что приводит к изменению количества и состава неподвижной нефти, т.к. часть этой нефти при новых термобарических условиях становится подвижной [1]. Таким образом, во-первых, увеличивается доля вытесненной из пласта подвижной нефти. Во-вторых, происходит процесс фильтрации окислителя (воздуха) через продукты сгорания. Данное явление – распространение волн экзотермического превращения в пористой среде при фильтрации окислителя – носит название «фильтрационное горение» и имеет хорошо изученные прототипы как в природе (тление, подземные пожары), так и в технологических процессах металлургии. Уникальной способностью волн экзотермических превращений в пористой среде является их способность концентрировать энергию сгорания топлива, в результате чего температура в зоне реакции может достигать теоретически неограниченных значений [5]. Выгорание углеводородной составляющей остаточной нефти приводит к изменению структуры «пористой среды», в результате чего пористость, теплопроводность и проницаемость резко ухудшаются [6]*.

64-69-r2.jpgОднако при рассмотрении особенностей технологии ТГВ в баженовской свите не учитывается, что пластовые углеводороды, содержащиеся в этих отложениях, имеют сложный состав [7]. В пустотах может содержаться подвижная нефть, как автохтонная, так и мигрировавшая из других областей породы. Органическое вещество (ОВ) в этих породах является и частью скелета, причем состоит как из собственно керогена (т.е. нерастворимого в низкокипящих органических растворителях ОВ), так и битумоида, который этими жидкостями может быть растворен. Помимо этого, порода содержит и целики микронефти, т.е. углеводородов, еще не преобразованных в полностью подвижную нефть [7].

Сами битумоиды также могут различаться по генезису и составу: автохтонные битумоиды, «закономерно входящие в состав любого синхронного осадка рассеянного ОВ и являющиеся источником микронефти» (по С.Г. Неручеву); эпибитумоиды, образованные при первичной миграции из других слоев; паравтохтонные битумоиды — «оторвавшиеся от исходного ОВ, но не покинувшие пределы нефтематеринской породы» (по Н.Б. Вассоевичу). При этом внутри самого керогена имеются закрытые поры, заполненные битумоидами [7]. Схематически это сложное распределение пластовых углеводородов показано на рисунке 2.

По предварительным оценкам, с учетом очень низкой проницаемости нефтенасыщенных пород и сложного состава пластовой нефти большое количество высоковязких (битуминозных) компонентов в нефти – до 40–60% пластовой нефти баженовской свиты – это априори остаточные нефти.

Однако эта часть пластовой нефти играет в методе ТГВ важную роль, т.к. процесс низкотемпературного окисления (горения) происходит именно с углеводородными компонентами пластовой нефти, которые остались в пласте и не были вытеснены из зоны окисления.

Очевидно, что при добыче на естественном режиме на поверхность будет извлечена только подвижная нефть, а все остальные углеводороды станут для этого метода остаточной нефтью.

О различии между этими типами нефти свидетельствуют и эксперименты на центрифуге. И сопоставление сигналов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) на нефтенасыщенных образцах породы и ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) показали, что в пустотном пространстве поднятого на поверхность керна отсутствуют подвижные флюиды.

Как уже отмечалось выше, метод ТГВ имеет ряд преимуществ, которые подробно описаны в работе [1]. Однако существенным и принципиальным фактом является то, что при применении тепловых методов, в том числе ТГВ, не учитывается, что воздействие оказывается на всю пластовую систему углеводородов. Тем не менее характер химических реакций, происходящих при воздействии на пласт, и свойства пластовой системы углеводородов, необходимые для выбора режима воздействия (в том числе теплотворная способность), учитываются по нефти, которая была отобрана на устье скважины. То есть это динамически подвижная часть нефти, которая профильтровалась до призабойной зоны скважины и затем была отобрана для определения ее физико-химических свойств, в ней содержится мало тяжелых высокомолекулярных битуминозных компонентов.64-69-r3.jpg

Как известно, нефтенасыщенные пласты месторождений баженовской свиты обладают крайне низкой проницаемостью. Как вариант разработки таких объектов рассматривается предварительный гидроразрыв пласта, а затем – применение ТГВ.

Вследствие проведения гидроразрыва формируются каналы, по которым происходит фильтрация динамически подвижной (легкой) части углеводородов, содержащихся в пласте. Таким образом, в породе образуются пустоты, которые ослабляют структуру породы при воздействии высоких температур (ТГВ), также происходит изменение физических и химических свойств тяжелой части пластовой нефти, которая прежде всего займет за счет расширения при нагревании свободное пространство в пористой среде, а затем начнет фильтроваться в добывающую скважину.

Для того чтобы получить корректные исходные данные для реализации любых тепловых методов воздействия на рассматриваемые породы, необходимо отобрать керн, содержащий пластовые флюиды, в герметичный пробоотборник, в котором сохраняются пластовые условия и физико-химические составы пластовых флюидов. И в дальнейшем следует исследования проводить именно на этом крене с сохранением пластовых условий.

Применение методики поэтапного исследования физико-химических характеристик породы, насыщенной пластовыми флюидами, позволит провести основные виды исследований и приблизиться к модели образца нефтенасыщенной породы в пластовых условиях. Без таких исследований прогноз результатов тепловых методов, в том числе и ТГВ, выбор оптимальных режимов воздействия, регулирование воздействия на отложениях типа баженовской свиты может привести к некорректным выводам и оценкам.

 

Изучение прочностных характеристик образцов керна баженовской свиты

Поднятый на поверхность керновый материал не содержит газообразных, а также легких летучих компонентов нефти. За счет выхода из насыщенного углеводородного образца газовых и легких летучих углеводородных компонентов в поровом пространстве появляются свободные объемы. Это можно видеть на образцах (шлифах) керна баженовских пород, что, приближенно можно считать, соответствует 1-му этапу извлечения подвижных (легких) углеводородов.

Таким образом, фактически имеется образец породы, соответствующий тому состоянию (при применении термогазового метода), которое предшествует 2-му этапу извлечения тяжелых высокомолекулярных окисленных углеводородов. То есть при низкотемпературном горении сначала под воздействием температуры из породы фильтруются и уходят в добывающую скважину газ и легкие углеводороды, а затем, после начала горения (окисления при 200 °С тяжелого остатка), появляется более тяжелая фракция подвижной нефти, которая только при нагревании становится более подвижной, и также фильтруется по породе к добывающей скважине.

Горит (окисляется) фактически неизвлекаемая часть нефти, содержащая битуминозные и асфальтовые и неорганические компоненты, в том числе сероорганику, металлоорганику (металлопорфирины), которые, в свою очередь, являются катализаторами термохимических реакций.

В работе [8] результаты по изучению состава углеводородов в образцах породы баженовской свиты хорошо согласуются с методикой поэтапного изучения особенностей процессов генерации и эмиграции (первичной миграции) битумоида баженовской свиты.

Вышеприведенная схема является упрощенной и привязана к конкретным (общепринятым) методикам изучения кернового материала, т.е. 1-й этап – это конечный результат, который может быть достигнут при фильтрации легких компонентов «нефти» из образца породы баженовской свиты (соответствует в эксперименте образцу № 79). Аналогично принимается, что полностью отмытый, стандартно выпиленный цилиндрический образец породы
(№ 165) может условно рассматриваться как конечный результат проведения ТГВ (но без участия углеводородов, входящих в состав структуры породы – керогенов).

Такой подход не вполне отвечает общепринятой нашими и зарубежными специалистами модели, однако при ТГВ считается, что до горения процесс вообще не доходит, т.к. происходит только низкотемпературное окисление. Режим низкотемпературного окисления должен регулироваться попеременной закачкой воздуха и воды, чтобы пласт не сильно нагревался. Однако для фильтрации в период воздействия метода низкотемпературного горения необходимо создать пути фильтрации, для чего предполагается предварительно провести гидроразрыв пласта.

 

Методика испытания

  1. Имеющийся в нашем распоряжении керн был подготовлен к дальнейшим исследованиям (распилен и обмерен). Размеры испытуемого образца замерялись с помощью электронного микрометра с точностью 0,01 мм (рис. 3).
  2. Подготовленный образец (№ 79) был помещен в специальный контейнер, который является испытательной ячейкой прибора Chandler 4262, на котором в соответствии со стандартами API/ISO определяются прочностные характеристики тампонажных цементов. Измерения основаны на корреляции времени прохождения ультразвукового сигнала через образец цемента и прочностью на сжатие. Максимальное давление – 35 МПа, максимальная температура –200 °С. Измерения проводились методом ультразвуковой локации при высоких термобарических условиях, моделирующих реальное пластовое давление Рпл=20,0 МПа и tпл=130 °С, это метод неразрушающего контроля.
  3. Эксперимент на данном оборудовании является первым в программе работ с последовательным увеличением давлений и температуры, характерных для реализации ТГВ на данном объекте.
  4. Для испытания были использованы образцы породы (керн) Средне-Назымского месторождения. Образец породы не был загерметизирован, и в течение длительного времени из породы выделялись легколетучие компоненты. Таким образом, имеется недонасыщенная порода, в которой образовались пустотные зоны, из которых ушли легкие углеводородные компоненты нефти.

Термобарическое воздействие на неоднородный образец породы позволит получить информацию, подтверждающую ее поведение (разрушение, растрескивание, сжатие или слипание структуры) после выхода из нее легких углеводородных компонентов нефти в пластовых условиях.

Полученные данные необходимы при применении метода ТГВ, а также при проведении предварительного гидроразрыва породы баженовской свиты.

  1. Аналогичные исследования проведены на экстрагированном спирто-бензольной смесью керне Средне-Назымского месторождения, полученного из кернохранилища Научно-аналитического центра рационального недропользования имени В.И. Шпильмана.

Размеры отмытого керна, подготовленного для фильтрационных лабораторных работ, d=51 мм, Hmax=65 мм.

Цель эксперимента – создать методику оценки изменения геометрических размеров породы и оценить ее сжимаемость при проведении ТГВ.

Установив образец под нагрузку, можно определить, как изменятся его прочностные характеристики в начальный и конечный этапы воздействия ТГВ, т.е. ответить на вопросы:

  1. насколько применим метод ТГВ для данной конкретной породы;
  2. как изменятся прочностные характеристики образца той же породы при использовании метода ТГВ;
  3. выявить тенденции к изменению геометрических размеров образцов породы баженовской свиты в зависимости от роста давления и температуры в пластовых условиях.

При исследовании образца № 79 в инертную жидкость (высокоочищенное минеральное масло), применяемую для обжатия, перешло некоторое количество высокомолекулярных углеводов. На рисунке 4 показана жидкость обжатия до и после эксперимента.

Результаты исследования образца № 79 после исследования под нагрузкой и при температуре продемонстрировали, что повторная нагрузка (имитация повторного воздействия на породу) показала неоднородное изменение геометрических размеров образца по сторонам:

  • по длине – увеличение по стороне с;
  • уменьшение по сторонам b и d;
  • сторона а не изменена;
  • по высоте – уменьшение по всем сторонам.

Таким образом, следует ожидать, что после вытеснения динамически подвижной нефти из породы баженовской свиты произойдет вертикальное сжатие и будет вытеснено дополнительно небольшое количество остаточной нефти. Результаты исследования образца № 165 показывают, что полностью отмытый образец породы, представляющий собой цилиндр диаметром 30,0 и высотой 48,65 мм, изменил свои геометрические размеры только по высоте – после насыщения высота образца стала 48,70 мм, т.е. приращение составляет 0,1%.

Цвет рабочей жидкости обжима не изменился.64-69-r4.jpg

 

Результаты экспериментов

  1. Образец № 79 – это образец породы баженовской свиты (шлиф) до воздействия на нее ТГВ.
  2. Образец породы № 165 получен после экстракции спиртобензольной смесью (стандартно выпиленный образец цилиндрической формы).

В эксперименте он представляет собой образец породы, из которой в идеале методом ТГВ вытеснили подвижную и остаточную нефть – образец в данной методике характеризует область за фронтом окисления и с максимальным вытеснением, поскольку за фронтом окисления и вытеснения будет почти сухая порода, в которой пустые поры будут заполнены либо закачиваемым воздухом, либо смесью воздуха с водой. Однако режим закачки воздуха может измениться в силу того, что за счет сжатия может понизиться проницаемость для его закачки.

Таким образом, исследованиями установлено, что находящийся под нагрузкой и при температуре неэкстрагированный образец породы (имитация зоны до ТГВ) изменяет свои геометрические размеры разнонаправленно, а образец, экстрагированый спиртобензольной смесью (имитация зоны после ТГВ), изменил свои геометрические размеры только по высоте. Это говорит о том, что после сжатия обработанной зоны может понизиться ее проницаемость для последующей закачки воздуха.

 

* В работе [6] рассматривается фильтрационное горение как теоретическая основа внутрипластового горения и приводятся кинетические закономерности окисления чистой нефти методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК высокого давления). Предлагается простейшая интерпретация кинетических данных в виде модели независимых реакций окисления нефтяных компонентов, применимая для моделирования процесса горения.

Реклама 64-69-rek1.jpg


← Назад к списку


im - научные статьи.