Измерения проницаемости

Проницаемость пород-коллекторов определяется обычно в лабораторных условиях посредством исследования образцов или кусочков керна в пермеаметре. Пермеаметры разных систем различаются в деталях конструкции, но все они обычно состоят из кернодержателя, насоса для нагнетания флюида через керн, манометров для измерения перепада давления в керне и расходомера для измерения скорости прохождения флюида через керн. Лабораторные методы стандартизованы, поэтому все измерения можно проводить быстро и с достаточной точностью для решения проблем, связанных с коллектором. Для испытаний, как правило, используют цилиндрические образцы керна диаметром 2 см и длиной 2-3 см¹. Разработано и описано несколько таких методов [8].

При измерении проницаемости коллекторов применяют обычно воздух или сухой газ при минимальном давлении, обеспечивающем наименьшую поддающуюся определению скорость течения флюида; если давление вызовет турбулентное течение флюида в породе, измерения будут чреваты серьезными погрешностями. Чаще всего в качестве эталона используют воздух, поскольку он слабо или вообще не реагирует с веществом породы и не вызывает каких-либо систематических изменений ее проницаемости². Кроме того, измерения проницаемости пород с применением воздуха легко сравнимы между собой. Установлено, однако, что воздухопроницаемость образца породы-коллектора в лабораторных условиях не всегда соответствует ее проницаемости в отношении нефти, газа и минерализованной воды в пластовых условиях. Повышение значений проницаемости при определении ее с помощью воздуха по отношению к проницаемости, измеренной с помощью пластовых флюидов, вызывают следующие факторы:

¹В СССР в качестве стандартных для определения проницаемости приняты следующие размеры образцов: диаметр 3 см, длина 5 см. ‑ Прим. ред.

²Еще лучше применять нейтральный азот. ‑ Прим. ред.

Перед проведением измерений проницаемости образец породы высушивается и полностью освобождается от присутствующих в нем газа, нефти и воды. Поскольку коллекторы в большинстве своем гидрофильны (т.е. каждая частица породы обволакивается тонкой пленкой пластовой воды), воздухопроницаемость сухого образца будет отличаться от газо- и нефтепроницаемости смоченного водой образца.

1. Породы-коллекторы почти всегда содержат некоторое количество глинистых минералов, многие из которых химически неустойчивы. Некоторые из них, особенно монтмориллонит, поглощают воду и разбухают (причем степень разбухания зависит от свойств воды). В связи с тем что при лабораторной обработке вода из образцов пород удаляется, глинистые минералы могут либо лишиться содержащейся в них воды, либо и вовсе распасться на более мелкие частицы, а любое из этих изменений глинистых минералов отражается на результатах измерения проницаемости пород. Коллоидный глинистый материал породы-коллектора после сушки и очистки образца от нефти может утратить связанность и стать рыхлым. Поэтому он может забить мелкие поры породы; во всяком случае, структура порового пространства изменится по сравнению с ее характеристикой в пластовых условиях.

Если планируется заполнение коллекторов водой, как, например, в случае заводнения при применении методов вторичной разработки, желательно провести специальные измерения проницаемости пород с использованием той же самой воды, которую предполагается закачивать в пласт. Полученные при этом значения будут отражать водопроницаемость пород, которая обычно ниже их воздухопроницаемости. Эффективность и успешность работ по вторичной добыче нефти с нагнетанием воды в пласт в целях вытеснения или вымывания нефти из пор зависит в большой степени от свойств применяемой» воды, которая не должна вызывать разбухания глинистых частиц в породе.

3. Неполное высушивание керна может быть причиной частичного захвата породой воздуха (эффект Жамэна). Поэтому сопротивление фильтрации значительно возрастает, когда в капиллярных каналах газовые пузырьки будут перемешиваться с капельками жидкости, например, пузырьки воздуха и капельки воды или пузырьки газа и капельки нефти [9]. В связи с этим, если при определении проницаемости пород применяется жидкость, весь газ и воздух должны быть удалены из исследуемого образца с особой тщательностью; в противном случае значения проницаемости будут сильно занижены.

4. Проницаемость не зависит от типа флюида, фильтрующегося через породу, так же как и от величины перепада давления. Однако газопроницаемость пород выше их проницаемости для жидкостей, что, вероятно, в значительной мере объясняется проскальзыванием пузырьков газа вдоль стенок сообщающихся пустот (чего не отмечается для жидкостей). С ростом давления уменьшается объем воздуха или любого другого газа, испольуемых для измерения проницаемости и, следовательно, сильно уменьшается редний свободный пробег газовых молекул, пока при достаточно высоких давлениях газ не становится почти тождественным жидкости. Для определения поправки на это различие между воздухом и жидкостью Клинкенберг предложил специальную шкалу [10]. Она основана на представлении о том, что газопроницаемость является функцией среднего свободного про газовых молекул, т.е. газопроницаемость зависит от таких факторов, ратура. давление и состав газа. Давление является наиболее главным из них. Низкое давление обусловливает максимальную величину среднего свободного пробега молекул и, кроме того, наибольшую их к проскальзыванию. Поправку на проницаемость Клинкенберг по определить путем измерения воздухопроницаемости при нескольких различных значениях давления и экстраполяции получаемой кривой до бесконечно высокого давления, при котором воздухопроницаемость приближается к проницаемости для жидкостей. Проницаемость по Клинкенбергу, эквивалентная воздухопроницаемости, в «плотных» песках (проницаемость менее 1 миллидарси) может возрасти на 100 %: эта поправка приближается к нулю для пород высокой проницаемости. Таким образом, поправочный коэффициент проницаемости Клинкенберга применяется для определения ошибки измерения, которая возникает в результате проскальзывания газа низкого давления при его использовании. Эта зависимость на бумаге с двойной логарифмической сеткой выражается прямой линией.

Обычно проницаемость измеряется в направлении, параллельном поверхностям напластования породы-коллектора. По направлению этой горизонтальной, или латеральной, проницаемости и происходит основная фильтрация флюидов в скважину. Часто измеряют также проницаемость в направлении, поперечном по отношению к поверхностям напластования, или вертикальную проницаемость, которая обычно меньше горизонтальной¹. Высокая проницаемость поперек слоистости может явиться причиной просачивания воды снизу или проскальзывания газа сверху вниз; в результате этого изменяется относительная насыщенность пласта у ствола скважины, что отрицательно сказывается на ее продуктивности.

Причиной более высокой горизонтальной проницаемости по отношению к вертикальной является в значительной степени характер расположения и упаковки слагающих породу частиц, который возникает в процессе седиментации. Поскольку плоские зерна стремятся располагаться и перекрывать друг друга параллельно поверхностям наслоения, растворы наиболее свободно движутся в этом направлении, и, растворяя минеральные частицы породы, эти жидкости повышают горизонтальную проницаемость породы. Незначительные отдельности внутри пласта и слоистость, связанная с изменениями размера частиц, гораздо чаще располагаются параллельно наслоению, чем поперек его, так что эти явления также способствуют увеличению горизонтальной проницаемости по сравнению с вертикальной. Следует отметить, что те значения, которые мы получаем обычно при лабораторных исследованиях, характеризуют именно проницаемость параллельно напластованию. Однако, если пласт-коллектор имеет крутое или вертикальное падение, направление повышенной проницаемости может быть почти параллельным стволу скважины.

Высокая вертикальная проницаемость связана в основном с наличием трещин и процессами растворения вдоль них, а также с существованием поверхностей отдельности, ориентированных поперек слоистости. Она чаще всего встречается в карбонатных и других хрупких породах, а также свойственна кластическим породам с высоким содержанием растворимого материала. Ее можно обнаружить, кроме того, в неплотно упакованных или несцементированных песчаных породах.

Если отобрано и исследовано достаточное количество керна, с помощью стандартных лабораторных методов можно получить все необходимые сведения о проницаемости пород, причем точность измерений будет удовлетворять требованиям, возникающим при решении самых различных задач - геологических, технологических и промысловых. Полевые методы определения проницаемости, хотя и уступают в точности лабораторным, все же чрезвычайно полезны, а часто предоставляют единственно возможные данные о проницаемости тех или иных пород.

¹Отождествлять проницаемость вдоль слоистости с горизонтальной можно лишь в случае небольших углов падения пород. ‑ Прим. ред.

1. Если во вскрытом пласте содержится так много свободной воды, что она начинает поступать в ствол скважины, разжижая буровой раствор при вращательном бурении или частично заполняя скважину при канатном, это указывает на то, что пласт проницаем. Скорость, с которой вода поступает в ствол скважины канатного бурения, дает даже лучшее представление об общей проницаемости вскрываемых пород, чем лабораторное исследование керна.

2. При вращательном бурении глинистый раствор закачивают в ствол скважины по квадратной бурильной трубе, и через коронку долота он поступает к забою, а затем вместе с шламом вновь выносится на поверхность по кольцевому пространству между бурильной трубой и стенкой скважины. Если глинистый раствор не возвращается к устью скважины или выносится не полностью, говорят о потере его циркуляции в скважине. Это означает, что раствор уходит из ствола скважины в пласт, который должен обладать высокой проницаемостью и давлением, меньшим по сравнению с гидростатическим давлением бурового раствора в скважине.

3. Внезапное увеличение скорости проходки указывает на вскрытие скважиной менее твердых пород; это может означать, что долото вошло в пласт, обладающий высокой пористостью, а возможно, и проницаемостью.

4. Одним из лучших способов измерения общей, или суммарной, проницаемости пласта являются испытания его продуктивности, при которых выясняется зависимость между производительностью скважины и снижением давления на забое. Если проницаемость пород высока, то скорость снижения давления на забое скважины при увеличении скорости добычи будет незначительной, при низкой же проницаемости снижение забойного давления с увеличением скорости добычи будет гораздо более интенсивным. Весьма показательна также скорость восстановления пластового давления после проведения испытаний, ибо она позволяет судить об объеме системы потом. является ли система изолированной или открытой. Испытания пласта при полностью открытых задвижках скважины с целью определения свободного дебита являются стандартной процедурой, когда для точных подсчетов запасов нефти и газа в пласте и его отдачи наряду с учетом метода завершения скважины бурением требуется знание его флюидопроницаемости

5. Можно составить профиль проницаемости коллектора с помощью электрозонда [10] – прибора для для определения в стволе скважины положения поверхности раздела между двумя жидкостями, характеризующимися различной электропроводностью. В скважину нагнетают соленую воду до полного перекрытия коллекторского пласта. Затем она проталкивается в пласт закачиваемой в скважину нефтью. Скорость снижения раздела между нефтью и соленой водой фиксируется электрозондом по мере его смещения вниз по стволу вслед за этой поверхностью раздела. Проницаемость пород любой части разреза проницаемого пласта выражается в процентах относительно общей проницаемости пород всего разреза в целом.

6. Качественная оценка проницаемости может быть произведена посредством закачивания в коллектор радкоактивного глинистого раствора и последующего измерения радкоактивности против коллектора с помощью счетчика Гейгера. Высокая радиоактивность указывает на интервалы наибольшего проникновения радкоактивного раствора в пласт и фиксирует, таким образом зоны высокой проницаемости.

7. Основываясь на зависимости между проницаемостью пород и кривой их капиллярного давления, можно рассчитать проницаемость по шламу или обломкам керна [13] (см. также стр. 421-427: Капиллярное давление).