USD 57.413

-1.04

EUR 55.4064

-0.32

BRENT 87.54

+0.12

AИ-95

0

AИ-98

0

ДТ

0

9 мин
269
0

Остаточная водонасыщенность нефтематеринских пород баженовской свиты

Остаточная водонасыщенность нефтематеринских пород баженовской свиты

Любой вопрос, касающийся оценок насыщенности пород баженовской свиты, вызывает множество дискуссий. Неопределенность в величине насыщенности хорошо продемонстрирована в оценках геологических/извлекаемых ресурсов углеводородов (УВ) в баженовской свите, которые различаются на целые порядки: от 1,2/0,3 до 10,5/7,5 (Брехунцов и др., 2017) и до 120/3,1 млрд. т (Волков, 2018). В работе под названием «Временное методическое руководство по подсчету запасов нефти в трещинных и трещинно-поровых коллекторах в отложениях баженовской толщи Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции» (2017) коэффициент нефтенасыщенности в зависимости от литотипа рекомендуется принимать равным от 85 до 95 %, то есть водонасыщенность пород составляет от 5 до 15 %. При этом, как правило, для подтверждения значений водонасыщенности не проводятся лабораторные исследования остаточной водонасыщенности (Кво) керна. Обусловлено это не адаптированностью стандартных лабораторных методов определения Кво керна, который рассчитывается исходя из значений водосодержания и объема открытых пор керна. Большинство стандартных методов не позволяет достоверно определить ни один из этих параметров применительно к породам баженовской свиты, относящихся к нетрадиционным коллекторам. В качестве методов определения водосодержания и открытой пористости (объема открытых пор) применяются реторта и экстракционно-дистилляционный метод. Температура в реторте ограничена 170 ℃ (в зависимости от технических возможностей), но температура кипения тяжелый фракций остаточной нефти в порах гораздо выше и, учитывая преобладающих размер пор в породах баженовской свиты менее 1 мкм, часть воды остается заблокированной в порах и не выделяется в процессе нагревания. Если добавить сюда ещё негерметичность системы и неприспособленность для измерения небольших количеств воды, то получаемые значения водосодержания являются далекими от истинных. Проведенные нами исследования показывают, что при повторном исследовании в реторте (140 ℃ в течение 7 часов) из образцов керна снова выделятся вода. Экстракционно-дистилляционный метод обладает не селективным действием по отношению к органическому веществу (ОВ) со всеми вытекающими последствиями (разрушение образца, трансформация поровой структуры, искажение фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) и т.д.), очень длительный по времени, а получаемые значения полностью зависят от продолжительности экстракции. Например, средние значения Кво керна баженовской свиты, опубликованные в литературе, изменяются от 5,8 % (Ермаков, Кирсанов, 1995), 17,3 % (Дорофеева, 1983) до 20% (Кузьмин, Судат, 2011). Понятно, что опираться на полученные таким образом значения Кво при планировании разработки или подсчете запасов следует с большой осторожностью.

Нами разработан новый способ определения Кво, позволяющий адаптировать стандартные методы к особенностям пород баженовской свиты. Метод основан на синхронном термическом анализе, совмещенном с ИК-спектроскопией и масс-спектроскопией. Особенности метода изложены в работе (Глотов, 2021) и в настоящей работе мы расскажем об эффективности жидкостной экстракции органическими растворителями, влияющей на дальнейшие оценки ФЕС, приведем сравнительный анализ зависимостей открытой пористости (Кпо) и Кво, полученных стандартными методами и нового метода, а также распределение искомых значений по разрезу баженовской свиты.

Эффективность жидкостной экстракции органическими растворителями 

Жидкостная экстракция органическими растворителями является неотъемлемой частью подготовки керна к дальнейшему определению фильтрационно-емкостных свойств. Единого подхода к методике экстрагирования пород баженовской свиты не существует, как и критериев полноты извлечения флюидов из порового пространства (табл. 1). Также нет единства и относительно самих образцов – использовать стандартные цилиндрические или раздробленные образцы (рис. 1). Исследование зависимости проницаемости и открытой пористости образцов до и после экстракции показывает, что в случае цилиндрических образцов (диаметр 30 мм) зависимости не обнаруживается, а для раздробленных образцов она отчетливо прослеживается.

 Табл. 1 – Способы экстрагирование керна баженовской свиты в различных организациях

Рис. 1 – Зависимость открытой пористости и проницаемости для цилиндрических (диаметр 30 мм, слева) и раздробленных (фракция 5-10 мм, справа) образцов до и после экстракции.

Оценка эффективности экстракции или полноты очистки открытых пор и извлечения насыщающих их флюидов была проведена двумя группами сотрудников разными методами, независимо друг от друга. В первом случае эффективность экстракции определялась пиролитическим методом (Rock-Eval) по содержанию условно мобильного ОВ в пике S1 и немобильного (или маломобильного) в пике S2. Для этого из керна баженовской свиты с одной глубины отбиралось по 6 одинаковых образцов (рис. 2). Затем образцы экстрагировались в аппарате Сокслета смесью толуола и изопропилового спирта в соотношении 1:1. Длительность экстракции образцов, отобранных с одной глубины, изменялась от 1 до 14 суток. По завершению каждых суток с глубины 5 мм от поверхности экстрагируемого образца отбиралась проба для пиролитического анализа с определением содержания условно мобильного и немобильного ОВ в пике S1 и S2 соответственно. Результаты исследования показывают, что по завершению 14 суток ОВ в пике S1 полностью не исчезает, в то же время содержание немобильного ОВ в пике S2 снижается (рис. 3, табл. 2).

Рис. 2 – Схема определения эффективности жидкостной экстракции пиролитическим методом

Рис. 3 – Зависимость содержания условно мобильного (S1) и немобильного (S2) ОВ от времени экстрагирования

Табл. 2 – Минеральный состав образцов, % (РФА)

*Q – кварц, Pl – плагиоклаз, Fsp – калиевый полевой шпат, Ca – кальцит, Py – пирит/марказит, Ilt - иллит, Mu – мусковит, Mlf – смешано-слойные образования, Kl – каолинит.


Затем, используя полученные результаты пиролитической оценки содержания условно мобильного ОВ в пике S1 для образцов с разной продолжительностью экстрагирования, было рассчитано общее (по объему образца) содержание ОВ в зависимости от длительности экстрагирования (рис. 4).

Рис. 4 – Зависимость общего содержания условно мобильного ОВ (пик S1) от времени экстрагирования образца и экспоненциальное изменение содержания условно мобильного ОВ (пик S1) по глубине образца. Синий маркер – начальный S1

Оценка эффективности экстракции определялась также с использованием синхронного термического анализа, совмещенного с газовой масс-спектроскопией (СТА-МС). Для этого из цилиндрических образцов (диаметр 30 мм, высота от 30 до 45 мм), прошедших экстракцию толуолом в аппарате Сокслета в течение 7 дней, выбуривались миницилиндры (диаметр 5 мм, высота 4-5 мм) с торцевой поверхности цилиндра (глубина 0…4 мм), на глубине 4…8 мм и 15…20 мм (рис. 5, табл. 3). Затем миницилиндры исследовались методом СТА-МС, где фиксировалась интенсивность ионного тока углекислого газа (44 m/z), являющего продуктом разложения ОВ (и карбонатов).

Рис. 5 – Пример определения эффективности экстракции методом СТА-МС

Табл. 3 – Минеральный состав образца, % (РФА)

*Q – кварц, Pl – плагиоклаз, Fsp – калиевый полевой шпат, Ca – кальцит, Py – пирит/марказит, Ilt - иллит, Mu – мусковит, Mlf – смешано-слойные образования, Cl – хлорит, Kl – каолинит.

Полученные результаты свидетельствует о том, что эффективность жидкостной экстракции уменьшается по экспоненте и составляет в лучшем случае первые миллиметры от поверхности образца. В процессе самой экстракции происходит изменение структуры порового пространства за счет растворения немобильного ОВ (уменьшение пика S2). Наш опыт показывает, что после 7-дневной экстракции только 16% цилиндрических образцов (диаметр 30 мм) остаются визуально целыми (без трещин) и, как правило, эти образцы представлены крепкими окремненными и карбонатизированными породами. В остальных случаях за счет растворения немобильного ОВ образцы покрываются сетью трещин или полностью утрачивают консолидацию и становятся непригодными для дальнейших определений ФЕС (рис. 6). Использование раздробленных образцов снимает ряд проблем присущих цилиндрическим образцам (исключается образование трещин, вклад трещинной пористости, полная очистка пор от условно мобильного ОВ по прошествию 5 суток экстракции), но не исключает изменение структуры порового пространства за счет растворения немобильного ОВ.

Рис. 6 – Цилиндрические образцы керна баженовской свиты до (сверху) и после (снизу) экстракции толуолом

Метод СТА-ИК-МС для определения остаточной водонасыщенности

Методика определения остаточного водосодержания и Кво пород баженовской свиты с использованием синхронного термического анализа, совмещенного с газовой инфракрасной и масс-спектроскопией (СТА-ИК-МС) описана в работе (Глотов, 2021). Методика предусматривает исследование двух образцов, отобранных с одной глубины и с одного слоя. Образцы могут быть в виде миницилиндров (диаметр 5 мм, высота 4-5 мм) или обломков керна весом 100-150 мг. Выбуриваются или откалываются образцы из центральных частей керна, где насыщенность порового пространства наименее изменена. Образцы не экстрагируются, не сушатся, не насыщаются и исследуются «как есть». Режим нагревания образцов: предварительная очистка печи в течение 30 мин, скорость нагревания 10 ℃/мин, атмосфера инертная (аргон), скорость продувки печи 100 мл/мин.

Первый образец (№1) нагревается до 1000 ℃ для определения водосодержания, типизации и определения содержания физически связанной воды в открытых и закрытых порах, химически связанной воды и температуры завершения испарения УВ из открытых пор («критическая температура»). Второй образец (№2) нагревается до ранее определенной на первом образце «критической температуры», после чего открытое поровое пространство считается полностью очищенным от УВ (рис. 7).

Рис. 7 – Методика определения остаточного водосодержания и водонасыщенности керна баженовской свиты

Достижение полной очистки открытого порового пространства от УВ неоднократно проверялось путем повторного нагрева образцов. Например, на рис. 8 приведена реальная термограмма образца баженовской свиты, совмещенная с масс-спектром по воде (18 m/z) и ИК-спектром органического вещества (диапазон волновых чисел от 3000 до 2800 см-1). Испарение УВ из открытых пор завершается при 318 ℃ (образец №1). Для определения степени очистки открытых пор от УВ образец №2 (дубль образца №1) был нагрет до 318 ℃, затем охлажден до 50 ℃ и заново нагрет уже до 1000 ℃. При повторном нагреве выделение ОВ фиксируется только с 353 ℃, что подтверждает полное удаление УВ из открытых пор.

Рис. 8 – Эксперимент по определению полноты очистки открытых пор от УВ

После того, как открытые поры очищены от УВ, методом жидкостенасыщения измеряется объем открытых пор, объем образца, рассчитывается Кпо и Кво (используется содержание физически связанной воды в открытых порах). В качестве жидкости насыщения применяется вода. Это обусловлено изменением смачиваемости открытых пор за счет удаления пленки ОВ, покрывающей поверхность пор. Косвенно это подтверждается более высокими значениями открытой пористости при насыщении образцов водой, чем керосином (рис. 9). Об изменении смачиваемости порового пространства пород баженовской свиты при тепловом воздействии указывают и другие исследователи (Баканов и др., 1985; Кокорев и др., 2008).

Рис. 8 – Эксперимент по определению полноты очистки открытых пор от УВ

Сравнительный анализ зависимости остаточной водонасыщенности и открытой пористости

Открытая пористость и остаточная водонасыщенность была определена тремя методами:

1) Кпо определена на раздробленном и предварительно экстрагированном керне (толуол, фракция 5 мм) методом GRI, для расчета Кво использовался объем воды, выделенный из образца при экстракции в аппарате Закса;

2) Кпо и Кво определены с использованием СТА-ИК-МС на миницилидрах керна (диаметр 5 мм, высота 4-5 мм);

3) Кпо и Кво определены методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) на стандартных цилиндрических образцах (диаметр 30 мм). 

Первые два метода определения Кпо и Кво проведены на параллельной выборке образцов. Методом ЯМР определены свойства 110 образцов керна по 11-ти скважинам. На рис. 10 приведены наиболее характерные зависимости Кпо и Кво.

Рис. 10 – Зависимости значений Кпо и Кво, полученных стандартными методами с использованием жидкостной экстракции на раздробленных образцах керна (фракция 5 мм, GRI + Закс), на цилиндрических образцах (диаметр 30 мм) методом

Зависимости Кпо и Кво, построенные по данным СТА-ИК-МС и ЯМР, в подавляющем большинстве случаев имеют вид типичный для традиционных низкопроницаемых коллекторов. Средние значения Кво керна баженовской свиты (по результатам СТА-ИК-МС) по 13 скважинам изменяются от 19,39 до 55,05 %, что превышает рекомендуемые значения при подсчёте запасов, но при этом согласуются с оценками А.Э. Конторовича, согласно которому предельные значения нефтенасыщения (75-100%) характерны только для Салымского района распространения баженовской свиты, а в остальных районах значения нефтенасыщения пород не превышают 30% (в единичных случаях достигают 50%) (Конторович и др., 2018).

Если рассматривать зависимости Кпо и Кво, полученные методом GRI и Закса, то в большинстве случаев значения явно искажены, что не позволяет судить о структуре насыщенности порового пространства.

По результатам исследований керна баженовской свиты методом СТА-ИК-МС были построены планшеты с распределением свойств по глубине, по которым видна высокая изменчивость по глубине Кпо и Кво (рис. 11).

1

Рис. 11 – Планшет с распределением свойств керна в интервале баженовской свиты для двух из исследованных скважин. ХСВ – химически связанная вода, ФСВ – физически связанная вода

Заключение

Как показали проведенные исследования, стандартные лабораторные методы определения открытой пористости и остаточной водонасыщенности, основанные на использовании экстракционно-дистилляционного метода очистки порового пространства и извлечения флюидов, весьма ограничены или вовсе не применимы в отношении пород баженовской свиты. Преимущества разработанного метода с использованием СТА-ИК-МС очевидны. Метод позволяет контролируемо и избирательно очищать открытое поровое пространство, не приводя к его трансформации, а высокая точность определяемых параметров (весовой, термический и спектрометрический контроль, статистическая погрешность определений менее 10%) позволяет быть уверенным в надежности значений определяемых свойств керна.

Полученные результаты оценки Кво явно расходятся с устоявшимся мнением об отсутствии или незначительном содержании воды в породах баженовской свиты и позволяют по-другому посмотреть на модель насыщенности. Воды в породах баженовской свиты достаточно много и находится она в наиболее мелких порах. Это имеет важное значение не только для целей подсчета запасов, но и для планирования разработки пласта, поскольку вода может оказывать блокирующий эффект на фильтрацию углеводородов по пласту в скважину, учитывая преобладающий микронный размер пор в породах баженовской свиты.

 




Статья «Остаточная водонасыщенность нефтематеринских пород баженовской свиты» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№3, Март 2022)

Авторы:
Комментарии

Читайте также