Что показывают капиллярные кривые
Изучение структуры порового пространства коллекторов методами капиллярометрии
Для изучения структуры порового пространства капиллярных явлений использовались образцы керна из скважин Восточно-Таркосалинской (Р-18) и Холмистой (Р-666) площадей. Характеристики кернового материала приведены в табл. 1.
Таблица 1. Литолого-физическая характеристика образцов пород
Исследования капиллярных явлений в образцах проводились на американском групповом капилляриметре «CORE LABORATORIES» (СибНИИНП).
Коллекцию образцов, насыщенных водой с минерализацией 20 г/л, помещали в камеру высокого давления на полупроницаемую мембрану. Между керном и мембраной устанавливался капиллярный контакт через тонкую фильтровальную бумагу. Внутри камеры создавали давление, под действием которого азот проникал в поры и вытеснял воду. Давление поддерживали постоянным до прекращения поступления воды из капилляриметра. Процесс вытеснения ограничивался поровым давлением прорыва мембраны – 0.25 МПа. Заданные термобарические условия поддерживались в течение 2–3 месяцев. В результате проведенных экспериментов получены кривые капиллярных давлений (рис. 1). Шифр кривых соответствует образцам в таблице.
Рис. 1. Зависимость величины капиллярного давления от насыщенности порового пространства
По данным капилляриметрических измерений построены функции распределения пор по размерам и количеству пор, участвующих в фильтрации (рис. 2).
Рис. 2. Графики распределения пор по размерам (V/Vп) и долевое участие пор в фильтрации (Vж/Vп)
Анализ проведенных исследований свидетельствует о наличии тесной связи между капиллярным давлением, степенью насыщенности смачивающим флюидом и фильтрационно-ёмкостными свойствами (ФЕС) образцов пород.
Согласно теории капиллярных явлений, флюид удерживается капиллярными силами, которые зависят от свойств и структуры порового пространства. Чтобы вытеснить флюид даже из самых крупных капилляров, необходимо создать давление в вытесняющей фазе, причем с увеличением давления вытесняющая фаза будет проникать в капилляры всё меньшего радиуса. Процесс вытеснения завершится в тонких порах, силы капиллярного давления в которых очень высоки и увлажняющий флюид теряет свою подвижность.
На кривых капиллярного давления, полученных на высокопроницаемых образцах 2 и 3-го класса (по Ханину), выделяется плато, соответствующее типичному размеру крупных капилляров (кривые 4,5,7 на рис. 1). В этой области кривых при незначительном изменении давления градиент насыщенности высокий. С понижением ФЕС образцов пород плато уменьшается, кривые смещаются в сторону более высокой насыщенности (кривые 8, 9, 10, 11 на рис. 1). Для низкопроницаемых пород 5 класса (по Ханину) кривые капиллярного давления идут круто вверх (кривая 1 на рис. 1). Силы взаимодействия флюида с матрицей таких пород очень высоки, а зависимость насыщенности от давления незначительна (10–15% при 0.24 МПа).
Связь между капиллярным давлением и радиусом пор отражает поведение флюидов в поровом пространстве и определяется с учетом свойств флюидов и породы по известной формуле
Формула 1. Связь между капиллярным давлением и радиусом пор
где Рк — капиллярное давление; s — поверхностное натяжение на границе раздела фаз; Q — угол смачиваемости; Rк — радиус капилляра (поры).
Натяжение поверхности раздела для воды и нефти или воды и газа измеряется относительно просто на лабораторных установках. Определение угла смачиваемости проблематично. Значительное влияние на угол смачиваемости оказывают свойства различных минеральных составных частей природных коллекторов.
Систематические исследования Моррд и Мунчана показали, что зависимость капиллярного давления от угла смачивания для небольших его значений (от 0 до 49) практически не изменяется и только начиная с cosQ=73 град. отмечается небольшое уменьшение капиллярного давления. Поэтому при хороших условиях увлажнения, достаточно уверенно можно считать cosQ=1. В наших опытах экстракция образцов предопределяет их смачиваемость раствором NaCl (С=20 г/л). Обусловлено это тем, что систематические специальные исследования пород, залегающих ниже глубины 1500 м, показывают большую вероятность гидрофильности коллекторов.
Коллекция образцов, подобранная для капиллярных исследований, представлена крупно-, средне- и мелкозернистыми песчаниками в широком диапазоне проницаемостей. Наиболее существенным структурным отличием для исследования литологических разностей является процентное содержание пор в области значений r>20 мкм, по сравнению с мелкозернистыми коллекторами с близкими петрофизическими характеристиками.
Влияние структуры порового пространства на фильтрационные свойства пород-коллекторов обусловлено не только размерами пор, но и их взаимным расположением, степенью сообщаемости, удельным количеством тех или иных групп пор. Фильтрационные свойства пород при дальнейших расчетах рассматриваются как свойства самих пород независимо от фильтрующихся флюидов.
Расчет влияния структуры порового пространства на фильтрационные свойства производили по формуле Пурцелла
Формула 2. Расчет влияния структуры порового пространства на фильтрационные свойства
где Кпр — проницаемость; m — пористость; dS — доля пор, заполненных флюидами; Рк — капиллярное давление; Lр – трудноопределимый литологический фактор пористой среды, характеризующий отличие реальной породы от идеальной.
Для расчета проницаемости по формуле (2) значения Рк и dS определяли по данным капилляриметрических измерений. Произведение Lp·S·m было принято за постоянную величину, т.к. в него входит трудноопределимый параметр Lр. Такой подход к решению уравнения позволил определить долевое участие поровых каналов в фильтрационном процессе.
Полученные распределения долевого участия пор в фильтрации (рис. 2) свидетельствуют о том, что поры радиусом r>1 мкм для фильтрационных показателей не информативны, т.к. участие этих пор в процессе фильтрации жидкостей минимально. Причем кривые долевого участия пор в фильтрации и кривые капиллярного давления Rк = f (Sа) этих же образцов показывают, что из пор r2МПа). Такие поры не участвуют в фильтрационном процессе и их принято называть субкапиллярными.
В образцах с проницаемостью менее 4 мД доля субкапиллярных пор составляет более 60%. Коллекторы такого класса вряд ли представляют интерес для процессов интенсификации притоков физико-химическими способами.
В коллекторах 4–5 классов (по Ханину) доля субкапиллярных пор убывает с 60 до 20–30%. В породах 5 класса доля микропор радиусом 1
Автор: Клещенко И.И. (ООО ТюменьНИИГипрогаз) Кузнецов Н.П., Ягафаров А.К. (ЗАО ТННЦ) Лепнев Э.Н. (ТФ СургутНИПИнефть)
Капиллярные эффекты
Капиллярные эффекты — поверхностные явления в пористых средах, возникающие вследствие наличия преимущественной смачиваемости поверхности поровых каналов
Капиллярные эффекты (капиллярное давление и капиллярная пропитка) — поверхностные явления в пористых средах, возникающие вследствие наличия преимущественной смачиваемости поверхности поровых каналов.
Если капилляр привести в контакт со смачивающей его поверхность жидкостью, то стремясь сократить избыточную поверхностную энергию, жидкость начнет самопроизвольно двигаться по капилляру.
В вертикальном капилляре жидкость будет подниматься до тех пор, пока поверхностные силы не будут уравновешены весом столба жидкости.
Высоту столба жидкости можно охарактеризовать гидростатическим давлением, соответственно уравновешивающие его в капилляре поверхностные силы можно представить как капиллярное давление.
Капиллярное давление рк связано с радиусом капилляра следующим соотношением:
Капиллярное давление выражает разность давления в смачивающей и несмачивающей фазах.
Оно направлено в сторону Iнамачивающейся фазы.
В зависимости от характера смачиваемости породы капиллярное давление может способствовать вытеснению нефти из породы или же препятствовать ему.
Под действием капиллярного давления смачивающая фаза может самопроизвольно впитываться в пористую среду, вытесняя из нее несмачивающую фазу.
Так как смачивающая жидкость обладает меньшей свободной поверхностной энергией, а мелкие поры — большей удельной поверхностью, то смачивающая и несмачивающая фазы самопроизвольно перераспределяются в пористой среде таким образом, чтобы смачивающая фаза занимала мелкие поры, а не смачивающая — крупные. При таком распределении фаз достигается минимум свободной поверхностной энергии.
Явление, при котором смачивающая жидкость внедряется в пористую среду исключительно под действием капиллярных сил, называется капиллярной пропиткой.
Характер вытеснения нефти водой в гидрофобном (а) и гидрофильном (б) пластах
На рисунке показан характер вытеснения нефти водой из гидрофобного и гидрофильного пластов.
В гидрофобной породе вода как несмачивающая фаза движется по наиболее широким порам, а нефть — смачивающая фаза, покрывает поверхность зерен и остается в сужениях поровых каналов.
Капиллярное давление, направленное в сторону несмачивающей фазы (воды), препятствует проникновению воды в мелкие поры, занятые нефтью.
В гидрофильной породе вода под действием капиллярного давления вытесняет нефть из сужений в крупные поры.
В них нефть после вытеснения остается в виде отдельных капель, окруженных водной фазой.
Общее количество остаточной нефти в гидрофильных коллекторах значительно меньше по сравнению с гидрофобными.
Особенно важную роль капиллярная пропитка играет в породах с сильно неоднородными коллекторскими свойствами и пористо-трещинноватых коллекторах.
Что показывают капиллярные кривые
ОСОБЕННОСТИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НИЗКОПРОНИЦАЕМЫХ ПРОДУКТИВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
А.К. Ковалев (ОАО РМНТК «Нефтеотдача»), А.М. Кузнецов, Е.М. Дзюбенко, П.Г. Пчелинцев (ОАО «ВНИИнефть»)
В последние 10-15 лет в нашей стране отмечается существенное ухудшение структуры запасов нефти. Особенно заметны эти изменения для Западной Сибири, где перспективы увеличения добычи связываются с большим числом вновь открываемых залежей нефти, приуроченных к низкопроницаемым коллекторам (НПК). В связи с истощением, в том числе до практически полного обводнения, и «выходом в тираж» крупных высокодебитных месторождений для поддержания достаточно больших отборов нефти в регионе потребуется ввод в разработку множества средних и мелких месторождений, где основные запасы сосредоточены в низкопроницаемых породах.
Учитывая, что низкопроницаемые породы характеризуются сложным минеральным составом и, как правило, высоким содержанием глинистых фракций, при подготовке образцов для различных лабораторных исследований необходимо соблюдать ряд условий. При экстрагировании образцов необходимо исключить возможность потери определенными минералами кристаллизационной воды. Для этого температура кипения растворителя не должна быть выше 80-90 ºС и в то же время растворитель должен хорошо растворять содержащиеся в породе флюиды (подходящим растворителем является, например, спиртобензольная смесь). Сушку образцов до постоянной массы также следует проводить в термошкафах при 80 С.
При определении газопроницаемости необходимо вводить поправку на эффект Клинкенберга в соответствии с общепринятой методикой. Оценку фильтрационных характеристик проводят по общепринятым методикам.
Кривые капиллярного давления, выражающие зависимость капиллярного давления (Р к ) от водонасыщенности (Sв), надежно отражают особенности распределения в пустотном пространстве породы-коллектора связанной и подвижной фаз и позволяют определять области совместного течения смачиваемой и несмачиваемой жидкостей. При этом следует помнить, что для получения качественной капиллярной кривой интервал изменения капиллярных давлений должен быть достаточно широким, соответствующим условиям залегания реальных пластов с высотой нефтенасыщенной части до 200-250 м. В настоящее время известны методики и техника, дающие возможность реализовать это условие (Ковалев А.Г., Кузнецов В.В., Багринцева К.И., Пих Н.А., 1986; [1,2]). Капиллярометрические установки с полупроницаемой мембраной, как известно, позволяют оценивать зависимости Р к = f (S В ) в условиях достигаемого равновесия, когда динамические эффекты перестают играть какую-либо заметную роль. Однако оптимальное использование этих установок ограничено сравнительно небольшим рабочим давлением (как правило, до 0,7 МПа), превышение которого приводит к прорыву несмачивающей фазы через полупроницаемую мембрану. Кроме того, эксперименты требуют больших затрат времени на полный цикл исследования.
С целью сокращения больших затрат времени при осуществлении экспериментов по построению кривых капиллярного давления многие исследователи стали применять специальные петрофизические центрифуги. Но при этом для гарантии объективности получаемых с помощью центрифуги результатов требовалась корректировка расчетных уравнений. Это оказалось вполне возможным при сопоставлении результатов (главным образом при определении капиллярного давления как функции числа оборотов), получаемых для одних и тех же образцов при исследовании на центрифуге и с использованием полупроницаемой мембраны.
При исследовании образцов НПК в лаборатории оказалось возможным пересчитывать кривые капиллярного давления в кривые изменения водонасыщенности продуктивных коллекторов в зависимости от высоты (Н) над уровнем нулевого капиллярного давления (Ковалев А.Г., Кузнецов В.В., Багринцева К.И., Пих Н.А., 1986; [2]). Используя информацию об отметке ВНК для рассматриваемого пласта и привязав кривые капиллярного давления к реальному разрезу, можно оценить характер распределения водо- и нефтенасыщенности в коллекторах различной проницаемости. Толщины переходных (водонефтяных) зон также оказываются обратно пропорциональными проницаемости коллекторов. Очевидно, что если в некоторых залежах зоны предельного насыщения пород нефтью с неснижаемой водонасыщенностью отсутствуют, то в пределах всей нефтенасыщенной толщины будет содержаться подвижная вода. Это так называемые «недонасыщенные» залежи, при введении которых в разработку сразу же наблюдаются притоки в продуктивные скважины обводненной нефти.
Одним из критериев для разграничения НПК и НК как раз и могут быть признаки отсутствия или наличия в пласте-коллекторе данной проницаемости чисто нефтяной зоны, т.е. зоны предельного насыщения (конечно, с учетом общей высоты нефтенасыщенной части продуктивного пласта). Важно помнить, что объективность кривых капиллярного давления, получаемых в процессе лабораторных исследований, в большой степени зависит от соответствия условий эксперимента реальной обстановке. Это значит, что изучаемые коллекции образцов должны быть, безусловно, представительными по отношению к эффективным нефтенасыщенным толщинам и охватывать весь диапазон изменения фильтрационно-емкостных свойств пласта. Очевидно, что чем больше будет образцов, составляющих такую коллекцию, тем надежнее окажется информация. Однако их минимальное число при отсутствии резких проявлений микронеоднородности должно быть не менее пяти-семи.
Еще одним очень важным критерием является идентичность характеристик смачиваемости образцов в лаборатории и реального пласта. Известно, что в процессе бурения (в условиях действия интенсивных динамических нагрузок и взаимодействия породы с промывочной жидкостью или ее фильтратом) и подъема керна на поверхность <когда резко меняются температура и давление) в поровом пространстве отбираемого керна происходят различные по своим последствиям явления, связанные с изменением фазового состояния флюидов, адсорбцией определенных компонентов на поверхности минералов, релаксационными деформациями скелета породы и др.
Принятая практика экстрагирования образцов породы различными растворителями не обеспечивает абсолютной очистки поверхности зерен минералов. Факт их контакта с различными компонентами нефти практически всегда фиксируется в «памяти» соответствующими признаками, прежде всего изменением характеристики смачиваемости по сравнению с изначальной, присущей этим минералам от природы. Проявления этого эффекта «памяти» можно избежать прокаливанием образца при температуре 600-800 °С, но при этом могут происходить необратимые изменения в текстуре породы, в частности, из-за потери некоторыми минералами кристаллизационной воды.
На сегодняшний день в лабораторных исследованиях при изучении процесса многофазной фильтрации считается допустимым использовать образцы реальных пород после их тщательного экстрагирования (до достижения неизменной прозрачности растворителя в течение 1 сут), насыщения пластовой водой, в свою очередь вытесненной пластовой нефтью (или ее моделью), и выдерживания при пластовых температуре и давлении в течение не менее 18-20 ч.
Говоря об информативности кривых капиллярного давления, полученных при исследовании гидрофильных пород, следует отметить известные приемы построения на их основе кривых фазовых проницаемостей для смачивающей и несмачивающей жидкостей. Приемы расчета проницаемости для группы поровых каналов определенных размеров известны (Добрынин В.М., Ковалев А.Г., Кузнецов A.M., Черноглазов В.Н., 1988; Ковалев А.Г., Кузнецов A.M., Тульбович Б.И., Кочкин О.В., 1993; [3]). Оценка фазовых проницаемостей по кривой капиллярного давления может считаться корректной при условии, что течение каждой из фаз происходит по строго сформированным группам поровых каналов. В действительности, как показывает практика лабораторных исследований, в процессе многофазного (в том числе и двухфазного) течения жидкостей в пористой среде происходит образование дисперсий, точнее, образование и их разрушение одновременно. В результате фильтрационные сопротивления при течении несмешивающихся жидкостей в системе поровых каналов меняются не всегда предсказуемо, хотя общая закономерность увеличения фазовой проницаемости при возрастании насыщенности этой жидкостью (фазой) остается очевидной.
Из сказанного следует, что фазовые проницаемости надежнее определять при проведении фильтрационных экспериментов на установках, позволяющих моделировать термобарические условия изучаемого пласта, а текущую насыщенность оценивать по поглощению рентгеновского излучения. При этом очень важно поддерживать скорость фильтрации в эксперименте соответствующую темпам перемещения вытесняющей и вытесняемой жидкостей в реальном пласте.
Представляется, что цикл исследований образцов низкопроницаемых пород продуктивного пласта должен обязательно включать оценку влияния на фильтрационные свойства и пустотность эффективного давления, т.е. разницы между давлением гидравлического обжима образца, имитирующим горное давление, и внутрипоровым давлением, имитирующим пластовое давление. В низкопроницаемых породах его влияние на фильтрационные характеристики и развитие различных процессов во внутрипоровом пространстве может быть весьма существенным.
Заключая обсуждение особенностей лабораторных исследований образцов НПК, являющихся на многих месторождениях Западной Сибири продуктивными, хотелось бы высказать следующие соображения, которые в известной степени могут представляться парадоксальными.
Это касается проблемы определения начального содержания остаточной воды. Ряд наблюдений показывает, что в некоторых пластах в зонах, имеющих одинаковую проницаемость (по измерениям на отдельных образцах), содержится существенно различное количество остаточной воды (например, по капиллярным кривым Рк = f (S B ). По-видимому, в этих случаях нужна дополнительная информация об удельной поверхности или о природе породообразующих минералов и их соотношениях.
Представляется интересным и тот факт, что содержание остаточной нефти после вытеснения ее водой в породах низкой проницаемости, во всяком случае гидрофильных, часто оказывается заметно меньше по сравнению с таковым в обычных коллекторах. Возможно, это объясняется тем, что в достаточно однородных НПК фронт вытеснения может перемещаться весьма компактно, обеспечивая довольно полное вытеснение, или тем, что при большом содержании остаточной воды занятая нефтью доля поровых каналов промывается более эффективно. В любом случае этот факт требует дополнительных исследований.
Specific peculiarities of low permeable reservoir rocks require the improvement of laboratory petrophysical research methods. The article examines methods of evaluating filtration-capacious parameters including relative phase permeability (it is important in course of experiment to maintain the rate of filtration corresponding to the migration rate of displaced and displacing fluid in the real bed) and the change in oil-and-water saturation of low permeable reservoirs in the pool varying with the height over water-oil level.
It was noted that research cycle should include the estimate of effective pressure on filtration-capacious characteristics of producing rocks which could be rather significant.
Рис. 1. КРИВЫЕ КАПИЛЛЯРНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ (пласт БВ)
Рис. 2. ЗАВИСИМОСТЬ ОСТАТОЧНОЙ ВОДОНАСЫЩЕННОСТИ ОТ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Капиллярный контроль
Неразрушающий контроль, в том числе капиллярный метод, – это эффективное, а в ряде случаев единственно возможное средство предотвращения аварийных ситуаций в объектах повышенной опасности. Задача ученых, инженеров-конструкторов, инженеров-технологов – разработать аппаратуру и технологию контроля, которая давала бы возможность дефектоскописту определить только пригодные к эксплуатации детали и не пропустить дефектные.
Дефектоскопист – последняя инстанция, которая может предотвратить аварию, отказ, непредвиденную остановку машины или механизма. Особая ответственность лежит на дефектоскопистах, контролирующих детали авиационной и космической техники, локомотивов и вагонов; оборудования атомных, энергетических и химических производств, представляющих огромную опасность не только для человека, но и окружающей среды.
Во всем мире неразрушающий контроль качества и техническая диагностика – это целая индустрия, неотъемлемая часть производства и эксплуатации всех технических устройств: сотни тысяч специалистов ежедневно обеспечивают отбраковку некачественных деталей при производстве (качество) и своевременное обнаружение опасных трещин на работающих технических устройствах (диагностика), прежде всего опасных для жизни, здоровья людей и окружающей среды (безопасность).
Уровень развития передовых стран мира на современном этапе характеризуется не столько высоким объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, сколько показателями качества, надежности и безопасности.
В высокоразвитых странах затраты на контроль качества составляют в среднем 1 – 3 % от стоимости выпускаемой продукции, а в таких отраслях промышленности, как оборонная, атомная, а так-же аэрокосмическая, затраты на контроль качества возрастают до 12 – 18 %. Трудозатраты на контроль сварных соединений в строительстве трубопроводов большого диаметра и большой протяженности достигают 10 %. Во всем мире давно поняли, что экономия на контроле – это мнимая экономия, которая в конечном итоге оборачивается огромными затратами на преодоление последствий аварий и катастроф.
На стадии изготовления необходима объективная информация о свойствах детали, которая даёт возможность судить о качестве детали, её пригодности к работе и конкурентоспособности изделия в целом.
Использование средств неразрушающего контроля в процессе эксплуатации позволяет диагностировать техническое состояние объекта, определить его остаточный ресурс, сроки дальнейшей безопасной эксплуатации. Диагностика особенно актуальна для таких потенциально опасных технических объектов, как оборудование магистральных нефте- и газопроводов, химических и нефтеперерабатывающих производств, сосудов под давлением, подъемно-транспортных устройств и др., особенно если принять во внимание, что среди них многие уже выработали свой ресурс.
Суждение о работоспособности и качестве достигается через выявление с помощью приборов неразрушающего контроля и технической диагностики:
Капиллярная дефектоскопия является старейшим методом неразрушающего контроля и самым чувствительным методом неразрушающего контроля поверхностных дефектов. Капиллярный метод позволяет выявить поверхностные трещины раскрытием 0,5 – 1 мкм и более. Он основан на проникновении в поверхностные дефекты специальных жидкостей, благодаря которым повышается свето- и цветоконтрастность дефектного участка относительно неповрежденного участка поверхности детали. Достоинством метода является то, что точно фиксируется местоположение дефекта, его ориентация и размеры. Его эффективность в большой степени зависит от правильности соблюдения технологических режимов всех стадий, которые определяются физико-химическими процессами, протекающими при проведении контроля.
Наиболее эффективен капиллярный метод для неразрушающего контроля больших площадей, особенно со сложной геометрией и в случаях массовых производств. Технологов прельщает возможностью обнаружить дефект на ранних стадиях изготовления, а также на всех стадиях технологического процесса изготовления. Технология капиллярной дефектоскопии сравнительно проста и не требует сложного дорогостоящего оборудования.