Исследование процессов создания высокопроводящих каналов фильтрации в образцах керна при моделировании кислотного воздействия на фильтрационной установке

На территории Пермского края в настоящее время в разработку включено более 50% запасов углеводородного сырья, залегающих в карбонатных коллекторах. Разработка данных месторождений представляет собой ряд нестандартных проектных работ и технологических операций в связи со сложным геологическим строением и неоднородностью пустотного пространства горных пород, литологически представленных карбонатными разностями [1][12][22]. Данные неблагоприятные свойства пластов выражены в наличии в породах каверн и трещин, образовавшихся в результате процессов выщелачивания, доломитизации, кальцитизации и влияния геостатического давления [9][27], что также оказывает влияние на фильтрационно-емкостные свойства карбонатов.

По проведенному авторами настоящего исследования анализу также установлено, что проблемы извлечения углеводородов из карбонатных типов коллекторов часто сопряжены с нарушением гидродинамической связи между горной породой и скважиной в призабойной зоне пласта (ПЗП) [14]. Это происходит вследствие закупоривания каналов фильтрации различными кольматантами при движении пластовых жидкостей к забою и большого количества технологических операций на нефтедобывающих скважинах [2][5][26], что характерно для месторождений Пермского края, так как большинство разрабатываемых объектов находятся на 3 и 4 стадиях разработки. Твердые частицы жидкостей глушения попадают в поры, тем самым еще более занижая естественную проницаемость коллекторов в околоскважинной зоне пласта.

С целью улучшения коллекторских свойств, снижения фильтрационного сопротивления в приближенной зоне пласта применяют соляно-кислотные обработки (СКО) как наиболее эффективные и менее затратные мероприятия по интенсификации добычи нефти [17][31][32][34][35]. Основа кислотного воздействия на продуктивный пласт заключается в растворении породообразующих минералов, приводящем к расширению существующих или созданию новых высокопроводящих каналов фильтрации — «червоточин», стимулируя дополнительный приток нефти к забою скважины. Однако при всех масштабах многократного использования данной технологии и с учетом простоты данного метода 40—45% мероприятий не достигают ожидаемых результатов [30][33].

На сегодняшний день множество научных исследований направлено на изучение процесса создания «червоточины» с формированием модели высокопроводящих каналов в горной породе [8][19][38] и прогнозирование эффективности СКО карбонатных коллекторов [6][13][18]. На современном этапе науки в нефтегазовой области моделирование кислотного воздействия на пласт осуществляется с помощью фильтрационных установок, позволяющих воссоздать приближенную картину процессов растворения кислотным составом (КС) породы при создании пластовых условий [15][24][37]. При имитировании кислотных обработок с целью определения результативности применения кислотной композиции используют такой оценочный параметр, как объем КС, необходимый для создания высокопроводящего канала в образце керна, т.е. для прорыва V_КС^пр. Обычно данный объем выражен в долях объема пор образца [2][4][5][38]. Также эффективность кислотного воздействия отражается по полученному коэффициенту восстановления K_вос [20][23][25][29][36], определяемому как отношение коэффициентов проницаемости после и до нагнетания КС в керн.

Материалы и методы исследований

В базе Научно-образовательного центра «Геология и разработка нефтяных и газовых месторождений» (НОЦ ГиРНГМ) в процессе выполнения различных договоров, научной деятельности центра накопилось большое количество фильтрационных исследований на стандартных образцах породы различных месторождений Пермского края. Данные эксперименты выполнены с использованием современной модульной компьютеризированной системы AFS-300, позволяющей моделировать кислотное воздействие и оценить объем КС при прорыве. С учетом большого опыта, многообразия свойств продуктивных горных пород и технологических параметров нагнетания КС авторами поставлена цель настоящего исследования, заключающаяся в изучении влияния различных параметров на процесс создания сквозных каналов в образцах горных пород, сложенных, в основном, карбонатами с различным содержанием терригенного материала, тем самым анализируя эффективность кислотного воздействия на пласт в лабораторных условиях.

Исходя из обзора научных публикаций выяснено, что литолого-минералогический состав оказывает непосредственное влияние на успешность СКО [7][10][11][21], обуславливающееся неполнотой растворения породообразующих компонентов. С целью подтверждения данного факта в нижеприведенных исследованиях для выведения закономерности включены такие параметры, как процентные содержания кальцита, доломита и нерастворимого осадка в образцах исследуемых пород. Массовое содержание каждого компонента определялось с помощью прибора — карбонатомера КМ-04М, который имеет сертификат соответствия № ССГП 01.1.1-194.

По мнению авторов предполагается, что начальная абсолютная газопроницаемость керна k_г^пр будет оказывать существенное влияние на V_КС^пр, а также на сам процесс развития канала, так как возможны два варианта: расширение существующих, в случае высокопроницаемого образца, или создание новых сквозных каналов. Эти две позиции четко различаются по K_вос и отношению коэффициентов пористости k_п^после/k_п^до. Кроме того, наглядно это можно увидеть по результатам исследований на микрофокусной системе рентгеновского контроля с функцией компьютерной томографии на базе рентгеновской установки фирмы Nikon Metrology XT H225.

Результаты определения влияния факторов на эффективность кислотного воздействия

Влияние газопроницаемости. Для определения влияния газопроницаемости образца продуктивного горизонта до моделирования кислотного воздействия на объем КС в поровом объеме для прорыва из научной базы НОЦ ГиРНГМ выделены несколько испытанных образцов, имеющих идентичный литолого-минералогический состав и тестируемых под одинаковым темпом закачки одного и того же КС. Также приведенные образцы не были подвержены выдержке, и объем закаченного КС составлял 2 поровых объема. Объем КС, необходимый для формирования сквозного канала в поровом объеме, определялся в соответствии с работой [28] в системе координат — избыточное давление нагнетания КС в образец керна P_наг и закаченный объем КС в поровом объеме V_КС. Момент создания полноценного сквозного канала в образце керна регистрировался в точке, соответствующей концу неукоснительно убывающей линии, когда избыточное давление нагнетания очень близко к нулю, а верхняя точка этой линии соответствует максимальному избыточному давлению нагнетания P_наг^max, при котором возникает формирование «червоточины». После данного спада оставшийся объем КС без какого-либо сопротивления протекает по созданному высокопроводящему каналу, расширяя его границы. Результаты исследований представлены в таблице 1.

По представленным результатам отмечается четкая зависимость объема КС в поровом объеме при прорыве от начальной газопроницаемости образцов породы, выражающаяся следующим образом: с увеличением k_г^пр образца породы требуется меньшее количество КС для создания высокопроводящего канала фильтрации (рис. 1). Это объясняется тем, что кислота проходит через уже высокопроницаемые участки керна, для которых не требуется большого количества усилий для прорыва. Рассматривая рисунок 2, на котором представлены 3D-модели пустотного пространства образцов № 1 и 9 до и после моделирования кислотного воздействия, можно четко определить, что в образце № 9 с изначально большим поровым пространством, представляющим почти высокопроводящий канал фильтрации, реагент во время его нагнетания пошел именно по этой системе пустот, расширяя их стенки. Тем самым объясняется малое увеличение коэффициентов проницаемости и пористости этого образца, в отличие от второго рассматриваемого образца. В опытном образце № 1 заметен сильный прирост коэффициента проницаемости, а следовательно, и пористости, в связи с отсутствием изначально четко выраженной системы каналов фильтрации и с эффективностью применяемой кислотной композиции, способной создать сквозной канал при заданных параметрах нагнетания.

Анализируя данные таблицы 1, можно статистически охарактеризовать силу связи между k_г^пр и K_вос с помощью линейного коэффициента парной корреляции (КПК) с целью установления корреляционной зависимости между двумя рассматриваемыми совокупностями (рис. 3) [16]. С помощью MS Excel установлено, что КПК равен -0,9564, согласно которому по шкале Чеддока [3] рассматриваемая зависимость характеризуется очень сильной теснотой связи. Вследствие приведенных статистических данных можно сказать, что с ростом проницаемости образца горной породы уменьшается эффективность кислотного воздействия, выраженная малым значением прироста проницаемости. Следовательно, повторно обращаясь к рисунку 2, установили, что k_г^пр оказывает существенное влияние на процесс СКО, заключающееся именно в процессе формирования пустотного пространства породы. В случае низкопроницаемого образца керна нагнетание КС приводит к более интенсивному повышению фильтрационно-емкостных свойств путем абсолютного изменения системы пустот, чего нельзя сказать в случае высокопроницаемого образца. Однако, если взять во внимание глубину проникновения активной кислоты, т.е. сохранившей растворяющую способность, то в пластах, имеющих хорошую проницаемость, процесс растворения скелета будет продолжаться на более дальнем расстоянии от ствола скважины по сравнению с низкопроницаемыми объектами. Это связано с тем, что в плохо проницаемых породах бóльшая часть КС прореагирует вблизи ствола скважины и в отдаленную часть пласта будет поступать нейтрализованная кислота, не обладающая растворяющей способностью. Данный факт свидетельствует о том, что в низкопроницаемых коллекторах потребуется бóльший объем КС для обеспечения развития высокопроводящих каналов фильтрации в радиальном направлении от ствола скважины.

Влияние литолого-минералогического состава. При исследовании значимости литолого-минералогического состава горных пород на эффективность СКО авторами были выбраны несколько фильтрационных исследований, отражающих их особенность. По результатам экспериментов на карбонатность выдвинуто семь образцов с различных месторождений, значительно отличающихся друг от друга по процентному содержанию в них нерастворимого осадка. Микроскопическое исследование нерастворимых компонентов позволило установить, что весь объем осадка представлен алевролитовой кварцевой примесью всех рассматриваемых объектов. Карбонатность, выраженная суммой процентных содержаний кальцита и доломита, изменяется в пределах от 65 до 98%, что позволяет охватить широкий диапазон значений и сделать более общий вывод по результатам фильтрационных исследований. Эксперименты на фильтрационной установке выполнены по той же схеме, как и в предыдущем пункте, с той лишь разницей, что начальная газопроницаемость составляла порядка 20 мД всех испытуемых образцов, а карбонатность изменялась в вышесказанном диапазоне. В таблице 2 приведены результаты фильтрационных исследований с образцами, имеющими различный литолого-минералогический состав.

По представленным результатам заметна существенная значимость количественного содержания терригенного материала в коллекторах, сложенных, в основном, карбонатами, на эффективность кислотного воздействия. Это влияние отражается по таким оценочным параметрам, как объем КС, необходимый для создания «червоточины», коэффициент восстановления и отношение коэффициентов пористости после и до обработки КС. На рисунке 4 приведены графики изменения избыточного давления нагнетания КС в образцы керна от закаченного объема КС в объеме пор при одинаковом темпе нагнетания, на которых четко выражено, что с увеличением терригенного материала в образцах горных пород требуется больший объем КС для прорыва и, следовательно, большее давление нагнетания. По приведенному параметру можно сказать о заниженной рентабельности мероприятия на объектах разработки, имеющих мощные заглинизированные участки.

Также снижение эффективности СКО на карбонатных пластах с большим содержанием глинистого материала отмечается по проведенному корреляционному анализу между значениями коэффициентов восстановления и карбонатностями образцов керна (рис. 5). Линейный КПК составил 0,9874, что характеризует очень сильную тесноту связи и подталкивает авторов настоящего исследования к следующему выводу: с увеличением терригенного материала в карбонатных пластах эффективность кислотного воздействия непосредственно уменьшается в связи с неполнотой использования растворяющей способности КС.

Заключение

В рамках настоящей работы продемонстрированы результаты фильтрационных исследований из научной базы НОЦ ГиРНГМ, отражающих влияния литолого-минералогического состава и фильтрационно-емкостных свойств нефтенасыщенных коллекторов на процесс формирования высокопроводящего канала в образцах горных пород. Все эксперименты выполнены при одинаковых условиях с целью установления четких зависимостей. По результатам лабораторных испытаний получено, что повышенное содержание терригенного материала в карбонатных породах приводит к росту объема кислотной композиции, необходимой для создания «червоточины» в образце керна, вследствие чего это выражается в малом изменении коэффициентов проницаемости и пористости, показывающем малую эффективность кислотного воздействия. По итогам фильтрационных и рентгенотомографических экспериментов с образцами, имеющими различную начальную газопроницаемость, установлена существенная разница в ходе формирования сквозного канала и, как следствие, в изменении фильтрационно-емкостных свойств. Авторами исследования представлены изображения 3D-моделей пустотного пространства двух отличающихся образцов по структуре, с помощью которых можно оценить эффективность применения КС. Проведенные исследования в настоящей работе имеют статистическое обоснование, что говорит о необходимости изучения данных параметров при проектировании соляно-кислотных обработок на карбонатных коллекторах.

Согласно представленным данным, не рекомендуется проведение кислотного воздействия в высокопроницаемых пропластках или имеющих высокое содержание терригенного материала, поскольку эффективность данного мероприятия будет сильно занижена. Если в разрезе нефтенасыщенного пласта имеются проперфорированные пропластки с различными свойствами, то необходимо детальное изучение каждого слоя с целью последующего избирательного воздействия на них. Другими словами, предполагается изолирование высокопроницаемых и заглинизированных пропластков и проведение операции по нагнетанию КС в пропластки с ухудшенным состоянием фильтрационно-емкостных свойств и высоким содержанием карбонатных минералов для получения максимальной технологической эффективности мероприятия по интенсификации добычи нефти.