Петрофизические исследования керна

Проведению общих и специальных петрофизических исследований предшествует очистка и сушка образцов керна для удаления из пустотного пространства остатков пластовых флюидов. Классическим методом очистки является горячая сливная экстракция, осуществляемая обычно смесью органических растворителей (бензола и этанола и др.). Длительность такой очистки, достигающая недель и даже первых месяцев, вызвала возникновение конкурирующих технологий, в числе которых – низкотемпературная центрифужная экстракция, а также циклическая экстракция органическим растворителем с углекислым газом. Применение растворенного углекислого газа, при снижении давления выделяющегося из растворителя и выталкивающего его (вместе с растворенной нефтью) из порового пространства полноразмерного керна и образцов керна разного размера, является на сегодняшний момент самым технологичным и оперативным методом очистки керна при его подготовке к лабораторным исследованиям.

Автоматизированная система очистки керна ПИК-СОК/СО2/Толуол Геологика

Определение открытой пористости и абсолютной проницаемости по газу начинает цикл общих петрофизических исследований. Получаемые при этом базовые параметры являются основанием для отбора образцов, предназначенных для выполнения специальных исследований. Довольно часто программой работ предусматривается определение пористости и проницаемости при различных давлениях обжима, что позволяет оценить динамику коллекторских свойств при изменении при разработке резервуара. Оборудование позволяет использовать в качестве агента азот, углекислый газ или подготовленный воздух; тем не менее, для повышения надежности результатов предлагается гелий, обладающий самым малым размером молекулы и обеспечивающим наибольшую достоверность оценки параметров порового пространства.

Автоматизированный пермеметр-порозиметр ПИК-ПП Геологика обеспечивает возможность измерения открытой пористости по газу и абсолютной (эффективной) проницаемости по газу с необходимыми коррекциями при давлениях обжима до 70 МПа

Для получения достоверных результатов исследований высоконеоднородных трещиновато-кавернозных и кавернозных коллекторов используются образцы увеличенного размера (диаметром от 70-80 мм до фрагментов полноразмерного керна). Для изучения таких образцов применяются кернодержатели увеличенного размера, которыми при необходимости комплектуется вся линейка оборудования АО «Геологика».

Кернодержатель полноразмерного керна для ПИК-ПП Геологика

Полностью насыщенные моделью пластовой воды или керосином образцы подвергаются последовательному взвешиванию (сперва в воздухе, затем – будучи погруженными в насыщающую их жидкость) для определения открытой пористости по жидкости, значений объемной и минералогической плотностей образцов.

Сатуратор керна ПИК-СК Геологика

На полностью насыщенных моделью пластовой воды образцах производится измерение электрического сопротивления; получаемые значения УЭС (удельного электрического сопротивления) образцов используются для определения параметра пористости, входящего в формулу Дахнова-Арчи, применяемой при определения водонасыщенности коллекторов по каротажам ГИС. Получаемые значения электрического сопротивления образца приводятся к единицам УЭС (Ом*м) и стандартным (20 ^оС) или пластовым температурным условиям.

Автоматизированный прибор для измерения электрического сопротивления образцов керна в атмосферных условиях ПИК-УЭС Геологика

Оценка скоростей прохождения акустических волн, выполняемая в атмосферных условиях на насыщенных образцах, позволяет (при внесении необходимых поправок) корректировать результаты интерпретации акустических каротажей ГИС, а также вычислять динамические модуль Юнга и коэффициент Пуассона – упругие показатели, определяющие способность горных пород сопротивляться сжатию и расширяться под воздействием осевого сжатия.

Установка для изучения упругих свойств керна в атмосферных условиях ПИК-УЗ Геологика

По результатам выполнения вышеперечисленных экспериментов отбираются частные коллекции образцов (как правило, не более 25-30 % общего количества по скважине), направляемые далее для выполнения специальных видов исследований. Начинает этот цикл специальных исследований определение капиллярных свойств образцов в атмосферных условиях с использованием полупроницаемой мембраны на групповом капилляриметре. Последовательное повышение давления вытеснения позволяет снижать текущую водонасыщенность образцов вплоть до достижения неснижаемой (остаточной) водонасыщенности. Как правило, на каждой ступени капиллярного давления производится измерение электрического сопротивления в атмосферных условиях – это позволяет определить параметр насыщения, являющимся вторым основным компонентом формулы Дахнова-Арчи.

Кривые капиллярного давления для гидрофильных образцов с абсолютной проницаемостью по газу 523 мД (синяя кривая) и 1 мД.

Графическая оценка показателей параметра насыщения по результатам измерения УЭС образцов с переменной водонасыщенностью.

Классический метод полупроницаемой мембраны является весьма времяемким: в зависимости от проницаемости испытуемых образцов, длительность теста может достигать четырех-шести недель и даже более. Кроме того, условия получения кривых капиллярного давления («вода-газ», нормальная температура, отсутствие давления обжима) существенным образом отличаются от пластовых и для пересчета профиля насыщенности, уровня свободной воды и высоты переходной зоны в резервуаре необходимы дополнительные измерения угла смачивания и силы межфазного натяжения в системе пластовых флюидов (обычно — «вода-нефть») в пластовых условиях давлений и температур. По этим причинам для определения капиллярных свойств образцов используются конкурирующие методы, среди которых наиболее распространены ультрацентрифугирование и индивидуальная пластовая капилляриметрия.

Групповой гравиметрический капилляриметр ПИК-ГГК Геологика позволяет подключать до 24 десатурационных камер (ячеек) вместимостью каждая около 30 стандартных образцов керна

Применение ультрацентрифуг для изучения капиллярных свойств образцов керна в настоящее время ограничивается, главным образом, формированием заданных значений насыщенности образцов (в том числе и остаточной), а также исследований образцов керна, содержащих водорастворимые соли и поэтому не переносящие длительных тестов. Технически современные ультрацентрифуги, развивающие скорости вращения ротора до 20 тыс. об./мин. и выше, предназначены для построения кривой капиллярного давления, но существенные неопределенности, связанные с оценкой давления вытеснения, значительно сужают эту практику. Кроме того, определение электрического сопротивления образцов, необходимое для оценки параметра насыщения, при ультрацентрифугирование становится весьма трудоемким процессом, требующим остановки центрифуги и извлечения образцов; такие сложности сводят на нет оперативность исследований, являющейся основным достоинством ультрацентрифуг. Следует также учесть, что при центрифугировании не воссоздаются пластовые условия в полном объеме: некоторые ультрацентрифуги позволяют проводить эксперименты при повышенной температуре, но не воссоздают давление обжима и поровое давление.

Сказанным во многом объясняется нарастающая популярность пластовой капилляриметрии, при которой изучение капиллярных и электрических свойств индивидуальных образцов производится в пластовых РТ условиях при контролируемом изменении насыщенности образца. Важно отметить, что современные пластовые капилляриметры позволяют выполнять вытеснение как жидкостью, так и газом, с воссозданием порового и обжимного (горного) давлений, а также пластовой температуры. Длительность экспериментов по определению капиллярных свойств в пластовых условиях определяется проницаемостью испытуемых образцов, а также количеством шагов давления вытеснения, и обычно составляет первые месяцы. Несмотря на это, такие исследования все более востребованы нефтяными и газовыми компаниями, так как получаемые параметры (давление начала фильтрации (entry pressure), форма кривых капиллярного давления, параметр насыщения) обладают высокой достоверностью, недостижимой при применении более простых методик.

Пластовый капилляриметр ПИК-ИГП-ПЛ Геологика позволяет контролировать однородность насыщенности образцов керна непрерывным измерением их электрического сопротивлений

Результаты определения капиллярных (сверху) и электрических свойств образца керна карбонатного коллектора (пористость 22 % @ 3 мД) в пластовых условиях (температура 80 ^оС, поровое давление 20 МПа)

Настройка алгоритмов интерпретации каротажей ГИС и результатов сейсмических исследований требуют оценок акустических и электрических свойств образцов керна не только в атмосферных, но и пластовых РТ условиях. Для этого полностью водонасыщенные образцы керна подвергаются испытаниям в условиях пластовых температур, пластовых поровых и горных (обжимных) давлений. Результатом исследований являются электрические параметры и динамические упругие модули (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) в пластовых РТ условиях. Полученные результаты обычно сравниваются с таковыми для этих же образцов в атмосферных условиях с построением корреляционных зависимостей – это позволяет при необходимости получить (вычислить) электрические и акустические свойства для всех изучаемых образцов в пластовых условиях.

Установка для изучения электрических и упругих свойств образцов керна в пластовых условиях ПИК-УЗ-УЭС-ПЛ Геологика

Коэффициент извлечения нефти (КИН) является важнейшим параметром оценки величины извлекаемых запасов углеводородов и рассчитывается как произведение коэффициента вытеснения нефти на коэффициент охвата пласта вытесняющим агентом (водой или газом). Если коэффициент охвата можно оценить аналитически или воспользоваться результатами анализа динамической модели пласта, то оценка коэффициента вытеснения нефти производится только лабораторным путем, при выполнении эксперимента вытеснения на нефти водой (газом, водогазовой смесью или иным агентом) из физической модели пласта, сформированной из образцов керна с близкими значениями пористости и проницаемости. Как правило, для этого вида фильтрационных исследований подбирают образцы керна, соответствующие принятым зависимостям «пористость-проницаемость» и др. для данного пласта или литотипа. Для каждого из этих образцов, обычно объединяемых в так называемые «модели пласта» по 5-6 штук, задаются необходимые значения насыщенности, соответствующие моделируемым зонам месторождения (зона предельного насыщения нефтью или переходная зона) и производится фильтрация вытесняющего флюида со скоростью, соответствующей средней скорости движения флюидов в пласте. После того, как из колонки образцов перестает вытесняться нефть и выходит только вода (газ), эксперимент прекращают и определяют значение остаточной нефтенасыщенности в каждом образце. Отношение разницы между начальной нефтенасыщенностью и остаточной нефтенасыщенностью к начальной нефтенасыщенности и является коэффициентом вытеснения нефти.

Установка для исследования фильтрационно-емкостных и электрических свойств керна в пластовых условиях ПИК-ОФП/ЭП Геологика

Еще более сложные тесты, необходимые для настройки динамических моделей месторождения и проектирования разработки, выполняются при совместной фильтрации двух или трех несмешивающихся флюидов – например, нефти, воды или газа. Результатами таких экспериментов являются кривые относительных фазовых проницаемостей – зависимостей изменения проницаемостей фильтрующихся флюидов от насыщенности образцов керна. Обычно дизайн таких тестов подразумевает вытеснение нефти водой или газом с последовательным замером проницаемости флюидов при разных значениях насыщенности порового пространства образца. Определение насыщенности порового пространства при вытеснении водой производится в большинстве случаев резистивиметрическим методом: так как нефть и газ не проводят электрический ток, то единственной проводящей фазой в поровом пространстве образца является модель пластовой воды; зависимости же электрического сопротивления от насыщенности образцов (параметр насыщенности) для изучаемых образцов керна получаются на предшествующих стадиях исследований (см. выше капилляриметрические исследования).

Кривые относительной фазовой проницаемости для нефти и воды образцов гидрофильного (слева) и гидрофобного коллекторов.

При одновременной фильтрации флюидов, не являющихся проводниками электрического тока (например, углекислого газа и нефти) резистивиметрический контроль насыщенности становится невозможным. Наиболее точным и передовым решением этой задачи является рентгеновский контроль текущей насыщенности образцов, позволяющий также определять характер фронта вытеснения, визуализируя его в режиме реального времени.

Программно-измерительный комплекс для исследований фильтрационно-емкостных свойств керна рентгенографическим методом ПИК-АЭИ Геологика, позволяющий изучать двух- и трехфазную фильтрацию. Комплектуется кернодержателями для стандартных (D 30 мм) образцов керна, образцов керна увеличенного диаметра (38.1 мм, 60 мм, 70 мм, 80 мм) и фрагментов полноразмерного керна (100 мм, 110 мм). 

Еще более широкие возможности для исследований особенности фильтрации флюидов в высоконеоднородных коллекторах (трещиноватых, кавернозных) предоставляет рентгеновская томография образцов керна при выполнении двух- и трехфазной фильтрации, позволяющая определять текущую насыщенность и форму фронта вытеснения флюидов в режиме реального времени. Для этих целей используется рентгеновский томограф РКТ-225 ПЛ, снабженный рентгенопрозрачным кернодержателем, позволяющим моделировать многофазную фильтрацию в пластовых условиях.

Программно-измерительный комплекс для исследований (рентгеновский томограф) ПИК-РКТ-225 ПЛ, совмещенный с фильтрационной установкой ПИК-ОФП, позволяет выполнять фильтрационные эксперименты при многофазной фильтрации с томографическим контролем фронта вытеснения и текущей насыщенности модели пласта.

Отдельное направление исследований, выполняемых в НЛЦ АО «Геологика» — определение петрофизических свойств нанопроницаемых горных пород — отложений баженовской свиты и ее литологических аналогов, плотных карбонатов и карбонатизированных песчаников и других литологий актуальной тематики нетрадиционных коллекторов (shale oil/tight gas). Наиболее распространенным методом определения коллекторских свойств таких отложений является нестационарная фильтрация газа при использовании дезинтегрированной навески (метод GRI). Лаборатория петрофизики НЛЦ АО «Геологика» располагает парком приборов ПИК-НАНО-НСФ, позволяющих оценивать проницаемость горных пород в диапазоне от 1 фемтодарси до 1 микродарси (10^-15…10^-6 Д). Достоинством этой технологии исследований является то, что при подготовке пробы удаляются микротрещины, неизбежно возникающие при отборе и хранении керна сланцеватых горных пород; определяемым параметром является истинная проницаемость матрицы горной породы.

Программно-измерительный комплекс для исследований нанопроницаемых горных пород в режиме нестационарной фильтрации газа ПИК-НАНО-НСФ применяется для изучения отложений баженовской свиты и доманикоидных отложений.

Для моделирования резервуаров нетрадиционных коллекторов и прогнозирования дебитов добывающих скважин необходимы также оценки проницаемости цилиндрических образцов, замеренные в пластовых барических условиях (с приложением давления обжима). Долгое время не существовало надежного и практического способа определения проницаемости нанопроницаемых коллекторов (имеющиеся методы обеспечивали неудовлетворительную точность и/или включали беспрецедентные по длительности эксперименты). В 2018 г. АО «Геологика» аннонсировала создание прибора ПИК-НАНО-СФ, использующего модернизированный метод стационарной фильтрации газа для определения проницаемости в диапазоне от 1 аттодарси до 1 микродарси (10^-18…10^-6 Д). В НЛЦ АО «Геологика» проведен цикл сравнительных испытаний коллекции нанопроницаемых образцов, результаты которого в начале 2019 г. опубликованы в журнале «Нефтяное хозяйство».

Программно-измерительный комплекс для исследований нанопроницаемых горных пород в режиме стационарной фильтрации газа ПИК-НАНО-СФ применяется для изучения отложений баженовской свиты и доманикоидных отложений цилиндрических образцах с приложением давления обжима.

С 2017 г. в Лаборатории петрофизики НЛЦ АО «Геологика» на регулярной основе проводятся определения открытой пористости, насыщенности пустотного пространства и абсолютной проницаемости нанопроницаемых горных пород (отложений баженовской свиты и доманикитов).