Сравнение результатов определения остаточной водонасыщенности в атмосферных и термобарических условиях

В лабораторной практике общепринятым методом для определения остаточной водонасыщенности (Кво) и кривых капиллярного давления (ККД) является метод полупроницаемой мембраны в групповом капилляриметре [1].

Получаемые в групповых капилляриметрах значения Кво (ККД) определяются в атмосферных условиях, и для дальнейшего использования результатов в петрофизической, геологической и гидродинамической моделях требуется их приведение к пластовым условиям.

Согласно [2] для преимущественно гидрофильных пород перевод коэффициента остаточной водонасыщенности в атмосферных условиях (здесь и далее — Кво,ау) в коэффициент остаточной водонасыщенности в термобарических условиях (здесь и далее — Кво,тбу) осуществляется с использованием расчетной формулы, учитывающей снижение пористости при ТБУ за счет сжатия порового пространства, что приводит к возрастанию значений Кво:

Кво,ТБУ = Кво,ау × (Кп,ау / Кп,тбу).

Согласно представленной формуле, остаточная водонасыщенность в пластовых условиях возрастает на 3—7%. Однако в источнике [2] отсутствует экспериментальное обоснование данной зависимости, а сама формула учитывает лишь перераспределение остаточной воды за счет сжатия порового пространства и не отражает влияние температуры, что ограничивает ее применимость.

В общем случае для гидрофильных пород с низкой глинистостью и отсутствием развитой трещиноватости повышение эффективного давления действительно может способствовать росту Кво. Это объясняется сдвигом распределения пор по радиусам в сторону более мелких значений и соответствующим увеличением капиллярных давлений. В то же время повышение температуры снижает поверхностное натяжение в системе «вода — газ», что ведет к уменьшению капиллярных давлений и, как следствие, к снижению Кво. Таким образом, изменение Кво при переходе к пластовым условиям определяется совокупным и разнонаправленным воздействием давления и температуры, что делает однозначное увеличение Кво маловероятным без учета конкретных термобарических и петрофизических условий.

Дополнительно в работе [3] на основе анализа 13 керновых образцов показано, что в негидрофильных коллекторах различие между значениями Кво,ау и Кво,тбу оказывается незначительным. Это указывает на важность смачиваемости как ключевого фактора, влияющего на поведение остаточной водонасыщенности при изменении внешних условий.

Следует отметить, что в опубликованных исследованиях, посвященных сравнению значений остаточной водонасыщенности в атмосферных и термобарических условиях, объем экспериментальных данных, как правило, ограничен десятками керновых образцов. Такой объем обусловлен высокой трудоемкостью, длительностью и стоимостью лабораторных исследований. Однако он является недостаточным для выявления устойчивых закономерностей изменения Кво, особенно с учетом значительной литологической и структурной неоднородности низкопроницаемых коллекторов. Варьирование условий насыщения, смачиваемости, температуры и напряженного состояния может приводить к существенному разбросу результатов, что делает обобщение данных по малой выборке методологически некорректным. Полагаться на такие результаты при построении общих зависимостей нецелесообразно, поскольку это повышает риск формирования недостоверных представлений о поведении остаточной водонасыщенности при изменении термобарических условий.

В реальных геологических условиях Кво варьируется разнонаправленно в связи с комплексным влиянием пластовых параметров (температура, давление) на свойства порового пространства, флюидов и характер их взаимодействия.

Указанное несоответствие принятого (ожидаемого) и фактически наблюдаемого характера изменения Кво при переходе к пластовым условиям приводит к необходимости дополнительного изучения связи изменения Кво с условиями эксперимента и свойствами образцов.

Материалы и методы

Объем выполненных работ по определению кривых капиллярного давления в условиях, моделирующих пластовые, на образцах керна, отобранных из терригенных отложений месторождений Западной Сибири, преимущественно с гидрофильным и промежуточным характером смачиваемости, составляет 63 проекта (скважины), 1666 исследований, из которых 716 также охарактеризованы результатами определения кривых капиллярного давления (здесь и далее — ККД) методом полупроницаемой мембраны в групповом капилляриметре. Исследования керна проводились в различных лабораториях, далее в тексте обозначенных как лаборатории группы ЛАБ1 и лаборатории группы ЛАБ2.

Детальная информация по количеству исследований приведена в таблице 1. На рисунке 1 приведены сопоставления коэффициента абсолютной проницаемости, коэффициента пористости и коэффициента остаточной водонасыщенности указанных образцов. 

При проведении типовых (рутинных) исследований условия эксперимента (эффективное давление и температура) определяются условиями залегания пластов и, как правило, меняются совместно, что затрудняет выделение вклада каждого из параметров в изменение результатов.

Для уточнения характера влияния каждого из указанных параметров на результаты эксперимента (остаточную водонасыщенность, кривые капиллярного давления, зависимость Рн—Кв) авторами проводятся работы, заключающиеся в последовательном определении коэффициентов водонасыщенности при нескольких значениях капиллярного давления и соответствующих УЭС коллекций образцов при различных сочетаниях параметров эксперимента: в групповом капилляриметре; в индивидуальном капилляриметре для набора давлений 3 и 30 МПа и температур 30 и 80(90) °С.

Указанные работы проводятся на образцах керна из типовых проектов по исследованиям керна терригенных отложений, отобранного на месторождениях северной части Западной Сибири. Партии образцов (по 10 образцов) последовательно проходят этапы исследований, приведенные в таблице 2.

Результаты (как типовых исследований, так и опытных работ) были проанализированы с целью выделения наиболее общих закономерностей при переходе от атмосферных условий к пластовым. Несмотря на наличие большого количества ККД, анализ результатов проводился только для величины остаточной водонасыщенности (под ней мы понимаем значение Кво, соответствующее капиллярному давлению Рс = 12 атм в лабораторных условиях, т.е. без приведения Рс к пластовым условиям). Рассмотрение вопросов, связанных с трансформацией формы ККД и внесением поправок за изменение давления и температуры, представляет собой гораздо более сложную и комплексную проблематику, не рассматривается в настоящей работе и является темой дальнейших исследований.

Результаты и обсуждение

Сопоставление значений остаточной водонасыщенности, полученных в индивидуальном капилляриметре в условиях, моделирующих пластовые, с аналогичными значениями в атмосферных условиях, показывает существенное снижение наблюдаемых значений Кво для примерно 80% образцов (рис. 2).

Среднее снижение Кво при переходе в термобарические условия составляет от 5,6% для работ, выполненных в лабораториях группы ЛАБ1, до 8,3% для работ, выполненных в лабораториях группы ЛАБ2. На рисунке 2Б зависимости выбраны таким образом, чтобы подчеркнуть среднее снижение Кво, и проходят параллельно линии равных значений Кво; при этом можно заметить, что для высоких Кво снижение более выражено.

Для оценки характера изменения Кво при переходе в пластовые условия можно ввести коэффициент Ksw_PT, характеризующий отношение значений остаточной водонасыщенности в пластовых и атмосферных условиях:

Ksw_PT = Кво_PT / Кво_АУ,

где Кво_PT — остаточная водонасыщенность в термобарических условиях в индивидуальном капилляриметре, Кво_АУ — остаточная водонасыщенность в атмосферных условиях в групповом капилляриметре.

На рисунке 3 приведены сопоставления Ksw_PT с эффективным давлением и температурой эксперимента. Наблюдается определенная зависимость c эффективным давлением (рис. 3А, Б). К сожалению, все работы в группе лабораторий ЛАБ2 выполнены при практически неизменных значениях эффективного давления, что не позволяет сделать вывод, связана такая зависимость с особенностями измерений, проведенных в группе лабораторий ЛАБ1, или же имеет более общий характер.

Связь с температурой эксперимента (рис. 3В, Г), на наш взгляд, недостаточно выражена.  

Проведенные опытные работы позволяют более детально оценить вклад условий эксперимента в изменение Кво. Сопоставления Кво, определенного в индивидуальном капилляриметре при различных сочетаниях эффективного давления и температуры, и Кво, определенного в групповом капилляриметре, приведены на рисунке 4. На рисунках 4А, Б, иллюстрирующих влияние эффективного давления на Кво, видно снижение Кво с ростом эффективного давления.

Наблюдается уменьшение значений Кво с ростом эффективного давления, что противоречит первоначально принятым предположениям о характере таких изменений.

Необходимо отметить, что основное снижение Кво происходит при создании минимального технологически обусловленного давления Рэфф = 3 МПа, что не соответствует исходному предположению о незначительном влиянии минимальных технологических значений температуры и давления в индивидуальном капилляриметре (этап 3, Р = 3МПа, Т = 30 °С) на сопоставимость с результатами, полученными в групповом капилляриметре. Вопрос причины такого снижения Кво остается открытым.

Характер влияния температуры (рис. 4В, Г) на наблюдаемые значения Кво установить однозначно не удалось.

Заключение

Проанализирован массив результатов определения кривых капиллярного давления в условиях, моделирующих пластовые.

На рассматриваемом массиве данных наблюдается доминирующий эффект снижения Кво при переходе от атмосферных условий к пластовым (80 % выборки), что не соответствует исходным предположениям о влиянии условий эксперимента на значение Кво.

С ростом эффективного давления усиливается снижение Кво в индивидуальном капилляриметре, что следует как из анализа рутинных (типовых) исследований, так и по данным проведенных опытных работ.

Остается открытым вопрос существенного снижения Кво при переходе из группового в индивидуальный капилляриметр при минимальных технологических значениях температуры и давления, также не удалось установить связь изменения Кво с температурой.

Выявлено существенное расхождение между теоретическими представлениями и фактическими результатами лабораторных исследований, что указывает на вероятность пересмотра как базовых теоретических положений, так и применяемых подходов к определению остаточной водонасыщенности. Актуальность данной проблемы обусловлена ее влиянием на оценку геологических запасов и прогнозирование продуктивного потенциала месторождений. Планируется продолжение исследований с целью уточнения измеряемых параметров и возможной корректировки существующих подходов.

Авторы заинтересованы в научном диалоге и готовы к обсуждению полученных результатов в формате профессионального сообщества.