Заметное истощение запасов нефти низкой и средней вязкости, добываемой в настоящее время, уже сегодня становится не очень отдаленной перспективой. В связи с этим современная разведка и добыча углеводородного сырья характеризуется увеличением доли трудноизвлекаемых запасов высоковязких нефтей. Месторождения высоковязких нефтей рассматриваются в качестве перспективной базы для развития нефтедобывающей отрасли в ближайшие годы. Россия обладает значительными запасами трудноизвлекаемых нефтей, которые составляют около 55% от общих запасов.
Исследование свойств коллекторов высоковязкой нефти является сложной задачей. Коллекторы высоковязкой нефти сильно отличаются друг от друга. Даже в пределах одного напластования свойства коллектора могут существенно меняться по площади и глубине. При исследовании залежей высоковязких нефтей необходимо детально изучать условия залегания коллекторов: их непрерывность по площади и разрезу, слоистость, наличие или отсутствие непроницаемой покрышки, а также содержание и распределение воды.
При вовлечении в активную разведку и разработку трудноизвлекаемых запасов нефти повышается роль оперативной информации о количестве и качестве пластовых флюидов. При проведении геофизических исследований скважин мы получаем информацию о пористости, проницаемости и нефтенасыщенности, но при этом практически отсутствуют данные о процессах фильтрации в пласте и свойствах насыщающих его флюидов таких, как состав и вязкость. Поэтому для повышения достоверности изучения месторождений высоковязких нефтей необходима принципиально новая информация о подвижности пластовых флюидов, структуре порового пространства и физико-химических характеристиках поверхности пор.
Эти обстоятельства делают необходимым применение инновационных технологий оперативных исследований залежей высоковязкой нефти при их разведке и разработке, созданных на базе фундаментальных физико-технических достижений, к которым относится техника и методика ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Физико-технологические особенности
Физическими предпосылками эффективного применения ядерно-магнитных исследований нефтегазовых месторождений являются прямая связь измеряемых эффектов с количеством водородосодержащей жидкости и уникальная чувствительность на молекулярном уровне к ее подвижности. Эти особенности метода позволяют оценивать структуру и свойства продуктивных пластов, в том числе распределение пор по размерам, характер смачиваемости (гидрофильность, гидрофобность), фильтрационную неоднородность, текущую и остаточную нефтенасыщенность, состав и состояние насыщающих их флюидов. Данные ЯМР исследований позволяют установить принадлежность залежи углеводородов к категории высоковязкой нефти уже на ранней стадии разведки, что необходимо для определения стратегии дальнейшего разбуривания площади.
При проведении геологоразведочных работ ЯМР исследования каменного (шлам, образцы СКО, грунты, керн) и флюидного (нефть, вода) материала, поступающего на устье бурящихся скважин, выполняются в процессе их проводки. В результате анализа отбираемых образцов углеводородов определяются следующие характеристики: состав углеводородов и их структурная неоднородность; вязкость углеводородов; плотность нефтей; содержание воды. Причем реологические свойства нефтей могут быть определены и без извлечения их из образцов пород. Непосредственно в скважинных условиях геологический разрез нефтега-зовой залежи изучают с помощью ядерно-магнитного каротажа (ЯМК) /3/. Основной параметр ЯМК – индекс свободного флюида (ИСФ), прямо пропорционален количеству свободной водородосодержащей жидкости и не зависит ни от минерализации пластовой воды, ни от минерального состава горных пород. Поэтому величина ИСФ непосредственно связана с коэффициентом эффективной пористости породы..
Принципиальной новизной технологии ЯМР исследований месторождений высоковязких нефтей является определение компонентного состава нефтей и вязкости отдельных их компонентов. Наличие информации о процентном содержании в пластовых нефтях компонентов с большей и меньшей подвижностью позволяет оптимизировать режимы разработки, включая выбор метода физико-химического воздействия с целью повышения нефтеотдачи
В процессе разработки нефтегазовой залежи происходит изменение пространственного распределения ее физико-химических свойств из-за взаимодействия различных фаз фильтрационного потока со скелетом породы. Мониторинг этих изменений может проводиться по данным контроля физико-химических параметров нефти и воды с помощью ядерно-магнитных исследований отбираемых проб жидкости. При этом извлеченный продукт используется в качестве источника и носителя объектовой информации о составе и свойствах продуктивного пласта и пластовых углеводородов и вод. Как известно, нефть в пластовых условиях не является однородной жидкостью. Поэтому различные фракции нефти фильтруются в породе с различной скоростью, в первую очередь, в зависимости от их взаимодействия со скелетом породы. Системный анализ закономерностей распределения реологических свойств нефтей эксплуатационных объектов позволяет оптимизировать их разработку с целью повышения нефтедобычи.
Примеры применения
Эффективность применения ЯМР исследований при разведке и разработке залежей с высоковязкими нефтями показана на ряде месторождений.
Так по данным ЯМР-анализа образцов пород (в виде керна и шлама) было выявлено, что отложения Баженовской свиты на Салымской площади (Западная Сибирь) в основном представлены сильно битуминозными глинами (содержание органического вещества более 20%). Остаточная нефтебитумонасыщенность Конб пород Баженовской свиты составляет значительную часть их порового пространства (до 26%) при небольшом объеме остаточной воды (2-8 %), причем величина Конб повышается от кровли к средней части. По данным ядерно-магнитного каротажа (ЯМК) была получена прогнозная оценка среднего значения коэффициента нефтеотдачи, подтвержденная результатами испытаний.
Пример выделения пластов с вязкой нефтью на основе данных ЯМК на Ромашкинском месторождении (Татария) представлен на рис.1. В условиях низкой минерализации пластовых вод каротаж по удельному сопротивлению не может различить воду и нефть. Кроме того, по данным комплекса ГИС нельзя отличить подвижную нефть от вязкой. При проведении ЯМК измеряемые эффекты от высоковязкой нефти уменьшаются намного быстрее, чем для подвижной нефти. Поэтому данные ЯМК позволяют отличить воду от высоковязкой нефти там, где минерализация воды слишком мала для уверенной интерпретации электрического каротажа. При этом данные ЯМК могут использоваться для определения зон, которые дадут избыточную воду в ответ на закачку пара.
Обычно вязкость пластовых нефтей оценивают по очень ограниченному числу отбираемых образцов. При этом используют простые схемы распределения значений вязкости по залежи. В реальной практике значения вязкости нефтей изменяются по глубине и площади залежи сложным образом. Проведенные систематические ядерно-магнитные исследования свойств добываемых нефтей Ван-Еганского месторождения (Западная Сибирь) показали, что их плотностная характеристика меняется в широких пределах (0,843-0,935 г/см3), а вязкость – почти в 50 раз. При площадном мониторинге продукции добывающих скважин выявлена определенная приуроченность легких и подвижных нефтей (с плотностью 0,843 – 0,856 г/куб. см и с вязкостью 4,4 – 8,3 мПа.с) к южной части месторождения, тогда как из скважин, расположенных в центральной его части, извлекаются высоковязкие (до 215 мПа.с) нефти повышенной плотности (до 0,935 г/см. куб). Получаемая в результате площадного и временного мониторинга информация об изменении свойств пластовых флюидов позволила контролировать состояние разрабатываемой залежи и принимать оптимальные управленческие решения с целью повышения текущей и накопленной добычи.
Рис. 1. Выделение пластов с высоковязкой нефтью комплексом ЯМК и ГИС.
Основной целью использования ЯМР исследований вязких и высоковязких нефтей пермокарбоновой залежи (ПКЗ) Севера Европейской части было повышение нефтеотдачи посредством рационального регулирования геолого-технических мероприятий на базе данных систематического изучения добываемой продукции – мониторинга текущей информации о состоянии объектов. Для увеличения нефтеотдачи на месторождениях высоковязких нефтей используют тепловые методы, в том числе паротепловое воздействие. При этом обычно 75% затрат приходится на генерацию пара. Минимизация суммарного отношения использованного пара к объему добытой нефти является одной из первоочередных задач усовершенствования технологии добычи высоковязких углеводородов. Оценка соотношения содержания подвижных и высоковязких компонентов в пластовой нефти, получаемая с помощью ЯМР исследований, позволяет оптимизировать систему термических воздействий на коллектор с целью повышения нефтеотдачи.
Системный анализ результатов мониторинга состава и свойств извлеченных нефтей эксплуатационных объектов ПКЗ показал, что они характеризуются повышенными реологическими величинами. Из скважин, пробуренных по направлению Юг – Север (рис. 2), извлекаются нефти с широким диапазоном вязкостей (50–195 мПа.с), в том числе высоковязкие нефти извлекаются преимущественно в северной части профиля. Поэтому рациональная разработка залежи по этому профилю обусловливает дифференцированный подход к технико-промысловым мероприятиям на различных его участках. Для повышения объектовой добычи нефти очевидна предпочтительность целенаправленной тепловой обработки забоев добывающих скважин на южном и центральном участках этого профиля. Аналогичные ЯМР исследования реологических свойств отбираемых образцов нефтей были проведены и по другим профилям. В результате площадного оконтуривания (рис. 3) главных эксплуатационных блоков залежи по реологическим показателям в ее центральной части был выделен перспективный участок добычи относительно подвижной нефти, которая может быть извлечена при оптимальном управлении его разработкой путем паротеплового воздействия.
На основе данных систематических ЯМР исследований отбираемого продукта из эксплуатационных скважин получают информацию не только для оптимизации разработки залежи, включая выбор способа воздействия, но и для контроля эффективности этого воздействия. При тепловом воздействии за счет вводимого в пласт тепла происходит изменение внутренней энергии пластовой системы. Это приводит к термическому расширению нефти и улучшению ее реологических свойств. При этом в составе нефти происходит существенное увеличение доли компонент, обладающих большей подвижностью и уменьшение доли компонент, обладающих меньшей подвижностью.
На рис. 4 представлены изменения во времени спектральных характеристик нефтей, отобранных в одной из эксплуатационных скважин, после паротеплового воздействия (ПТВ). Полученные спектры показывают существенное увеличение доли компонент нефти большей подвижности (площадь, окрашенная оранжевым цветом) после воздействия (спектр 1) и постепенное уменьшение их со временем (спектры 2-4).
Рис. 3. Площадное оконтуривание подвижности объектовых нефтей.
Технология изучения месторождений высоковязких нефтей базируется на программно-управляемом аппаратурно-методическом комплексе (АМК) ядерно-магнитных исследований каменного и флюидного материала. В созданном АМК автоматизированы процессы проведения измерений, обработки получаемых данных и определения петрофизических параметров. Достоверность определений обеспечивают методики выполнения измерений пористости на образцах керна и шлама, аттестованные на основе Государственных образцов водородосодержания (влажности). В состав АМК входит современный ЯМР релаксометр 4-го поколения, включенный в Госреестр средств измерений.
Опыт применения технологии ЯМР исследований при разведке и разработке месторождений высоковязких нефтей показывает:
1. На основе данных ЯМР исследований определяется принадлежность залежи углеводородов к категории высоковязкой нефти уже на ранней стадии разведки, что позволяет оптимизировать дальнейшие геологоразведочные работы..
2. Результаты петрофизических ЯМР исследований позволяют провести моделирование разрабатываемых пластов, включая оценку остаточной нефтенасыщенности
3. Получаемая информация о реологических характеристиках пластовых углеводородов, о характере и интенсивности взаимного влияния нефтей и вмещающих их пород-коллекторов позволяет выбирать наиболее эффективные технологии воздействия и оптимальные режимы разработки.
4. Мониторинг эксплуатации нефтяной залежи на основе перманентных ЯМР исследований отбираемого продукта позволяет оценивать эффективность применяемой технологии воздействия с целью повышения нефтеотдачи.
5. Результаты моделирования и систематических ЯМР исследований отбираемого продукта позволяют провести классификацию нефтяных пластов по их потенциальной продуктивности.
