Петрофизическое обеспечение лабораторных и скважинных исследований горных пород методом ядерного магнитного резонанса в сильном поле

Актуальность исследований. В соответствии с Энергетической стратегии России на период до 2030 г. планируется обеспечить добычу нефти на уровне 530−535 млн. тонн. Значительно увеличится и добыча газа. В этой связи значительно возрастает роль геолого-геофизического обеспечения нефтегазопоисковых работ. Ключевую роль при этом играют петрофизические исследования керна методом ЯМР в сильном поле, которые на основе прямых измерений характеристик пород обеспечивают получение базовых констант, зависимостей и характеристик процессов, используемых при моделировании и оценке подсчетных параметров резервуаров.

Актуальность и востребованность новых ЯМР-разработок для исследования керна в нефтегазовых технологиях определяется несколькими группами факторов.

С точки зрения физических основ механизма ЯМР релаксации наиболее значимыми являются четыре компоненты — амплитуда сигнала, соответствующая водородосодержанию, время продольной и поперечной релаксации (Ги Т2) и коэффициенты самодиффузии насыщающих флюидов. Эти параметры имеют богатое петрофизическое содержание. В частности, механизмы поверхностной, диффузионной и объемной релаксации по Т2 чувствительны к изменению структуры емкостного пространства, поверхностных свойств горных пород и типа насыщающей их жидкости. На основе этих уникальных свойств в петрофизической практике созданы инструменты для изучения распределения пористости по временам релаксации, являющимся отражением структуры порового пространства, которое контролирует комплекс ФЕС (Кп, Кв0, Кпр, Кпэф и др.), а также распределений вязкости флюидов.

Важным свойством ЯМР изучения горных пород являются также технологические факторы — этот метод относится к электромагнитным и дистанционным, т. е. не оказывающим какого-либо воздействия на объект исследования. Необходимо отметить возможности метода ЯМР как экспрессного и поэтапного, способного давать широкий спектр информации на различных стадиях изучения объектов недропользования, как в процессе ГТИ на скважине с измерением флюидов, навесок породы, шлама, так и в лабораторных прецизионных измерениях образцов керна.

Бурное развитие ядерного магнитного каротажа (ЯМК) в сильном поле обуславливает перспективность и актуальность метода ЯМР в изучении горных пород. В последние годы ЯМК проводится в более чем 100 скважинах в год как отечественными, так и зарубежными компаниями. Эффективность работы этого динамично развивающегося аппаратурно-методического комплекса опирается на целый ряд важных аспектов петрофизического обеспечения лабораторных и скважинных исследований горных пород методом ядерно-магнитного резонанса, которые остаются не достаточно исследованными, что делает актуальной данную работу.

Цель работы: Создание научно-методических основ петрофизического обеспечения интерпретации данных ядерного магнитного резонанса в сильном магнитном поле.

Основные задачи работы:

Выполнить обзор современного состояния исследований горных пород на базе метода ЯМР в поле постоянных магнитов.

1. Разработать методику оценки структуры порового пространства и компонентного состава пористости на основе комплекса петрофизических методов с различной физической природой (ЯМР, имидж-анализ шлифов, капи лляриметрия).

2. Оценить информативность метода ЯМР и разработать экспериментальную методику ЯМР-мониторинга изменения структурноемкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных комбинациях вытесняющего и вытесняемого флюидов.

3. Оценить эффективность применения «тяжелой» воды Э20 при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в порах горных пород.

Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность исследований обусловлена тем, что все результаты диссертационной работы базируются на масштабных данных реального кернового материала более чем 20-ти нефтегазовых месторождений и сопоставлении данных ЯМР-исследований с другими физическими методами, такими как рентгеноструктурный анализ, имидж-анализ петрографических шлифов, растровая электронная микроскопия и данными интерпретации материалов ГИС разрезов, вскрытых бурением скважин.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показана эффективность метода ЯМР в сильном магнитном поле для оценки петрофизических характеристик песчано-глинистых и карбонатных пород по результатам исследования свыше 22 500 образцов керна более чем с 20-ти крупных месторождений, в основном Западно-Сибирской, Волго-Уральской, Тимано-Печорской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинций России.

2. Экспериментально обоснована методика комплексной оценки порометрической характеристики пород по согласованным измерениям на керне прямыми и косвенными методами с различной физической природой и разрешающей способностью (ЯМР, имидж-анализ петрографических прозрачных шлифов, капилляриметрия).

3. Разработана экспериментальная методика ЯМР-мониторинга структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных составах вытесняющего и вытесняемого флюидов.

4. Экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды D20 при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в песчано-глинистых и карбонатных породах.

Основные защищаемые положения:

1. Комплексирование капиллярометрии, имидж-анализа шлифов и ЯМР-измерений на керне обеспечивают петрофизическую калибровку измерений ЯМР в скважинах для оценки порометрической характеристики и компонентного состава емкости.

2. ЯМР — измерения на керне в режиме мониторинга позволяют количественно оценивать изменение структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости, а также процессов по увеличению нефтеотдачи и их эффективности в результате соляно-кислотных обработок.

3. Использование воды D20 при моделировании системы «нефть-вода» в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов.

Практическая значимость работы и личное участие автора. Работа выполнялась автором в течение более чем 12 лет. Денисенко A.C. лично производил, а впоследствии руководил регистрацией релаксационных кривых ЯМР всего изучаемого в лаборатории объема керна (более 22 500 образцов керна) — провел обоснованный расчет и последующую интерпретацию всех спектров распределения времен релаксацииосуществлял своевременную диагностику, юстировку и, при необходимости, руководил ремонтом и внедрением новых узлов, разработкой, апробацией и реализацией новых методических процедур комплекса имеющейся аппаратуры ЯМР. Участвовал в многочисленных научно-технических совещаниях, конференциях, сессиях и консультациях, читал тематические лекции на слушаниях по повышению квалификации работников сферы геофизических и петрофизических исследований, готовил окончательные отчетные материалы и проводил их защиту на НТС заказчиков.

Разрабатывал и внедрял новые методико-аппаратурные решения в общем комплексе петрофизических исследований, а именно: высокоточного измерения газопроницаемости, рентгено-дифракционного анализа минералогического состава горных пород, анализа структуры пустотного пространства на базе петрографических прозрачных шлифов, капилляриметрических и фильтрационных исследований, комплексной интерпретации материалов ГИС и керна.

В процессе работы на базе петрофизических исследований материалов керна и ГИС более чем 20-ти крупных месторождений Денисенко A.C. были сформированы основные положения и тезисы диссертационной работы, поставлены цели и предложены новые методические решения и, впоследствии, доведены до непосредственного практического исполнения. С его личным участием и под его непосредственным руководством в программу возможных работ компании были внедрены: комплексы изучения динамики структуры емкостного пространства в процессе вытеснения, замещения насыщающего флюида, различных воздействий на матрицу породэксперименты с использованием водородонесодержащих жидкостей при изучении капиллярных свойств горных породсопоставление и настройка спектров распределения времен релаксации по данным прямых методов изучения морфологии порового пространства.

Предложенные методики и подходы в реализации аппаратурных комплексов на базе ЯМР позволяют существенно повысить эффективность существующих технологий петрофизических исследований песчано-глинистых и карбонатных пород коллекторов нефти и газа.

Все научные выводы, положения и результаты, защищаемые в диссертационной работе, разработаны и получены лично автором, либо под его непосредственным контролем и руководством.

Апробация и реализация результатов диссертации.

Основные положения диссертационной работы докладывались на: XVI Губкинских чтениях «Развитие нефтегазовой геологии — основа укрепления минерально-сырьевой базы» (г. Москва, 2002 г.) — научно-практической конференции «Ядерная Геофизика 2002» (г. Тверь, 2002 г.) — 5-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2003 г.) — Международном ежегодном симпозиуме 8СА (Франция, г. По, 2003 г.) — Всероссийском научно-практическом семинаре «Состояние петрофизического обеспечения ядерно-геофизических, акустических и других методов ГИС» (г.Тверь, 2005г) — Международном ежегодном симпозиуме БСА (Канада, Торонто, 2005 г.) — научно практическом семинаре «Новейшие ядерно-геофизические, петрофизические и ГИСтехнологии при определении ФЕС нефтегазонасыщенных пластов на различных стадиях изучения (при поисках, разведке и разработке)» (Доминиканская Республика, 2007 г.) — научно практическом семинаре «Ядерно-геофизические скважинные и аналитические методы в комплексе ГИС для оценки ФЕС пластов при поиске, разведке и контроле эксплуатации месторождений нефти и газа» (Вьетнам, г. Фантьет, 2009г) — научно-практическом семинаре «Петрофизическое обеспечение геофизических исследований бурящихся скважин» (Республика куба, 2010 г.) — Юбилейной международной конференции «Петрофизика: современное состояние, проблемы, перспективы», посвященная 100-летию со дня рождения профессора В. Н. Кобрановой (г. Москва, 2010 г.) — I Российском рабочем совещании, посвященном 90-летию со дня рождения Б. Б. Звягина, «Глины, глинистые минералы и слоистые минералы» (г. Москва, 2011 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития ядерно-магнитных методов исследований нефтегазовых и рудных скважин, каменного материала и флюидов» (г. Тверь, 2011 г.) — научно-техническом семинаре «Новые ядерно-геофизические скважинные и петрофизические технологии при исследовании нефтяных и газовых месторождений» (к. Канкун, Мексика, 2011 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 22 работы (3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Фактический материал. В основу диссертационной работы положены исследования проведенные автором в ОАО НПЦ «Тверьгеофизика» (2000 -2005 гг.) и в ООО «Арктик-ГЕРС» (2005 — 2012 гг.). Был обработан, проанализирован и обобщен фактический материал петрофизических исследований керна. Проведены серии комплексных экспериментов на основе аппаратуры ЯМР. Анализ многочисленных результатов и их последующая интерпретация позволили расширить существующую методическую базу и разработать принципиально новые научно-обоснованные подходы в решении задач применения метода ЯМР в изучении петрофизических свойств горных пород, как в лаборатории, так и в разрезе скважин при проведении ядерного магнитного каротажа. Использованы данные более чем по 20-ти месторождениям из всех нефтегазоносных провинций РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы — 149 страниц текста, 33 рисунка, 10 таблиц.

Список литературы

содержит 63 наименования, в том числе 32 на английском языке.

4.5. Выводы.

Экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды Б20 при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в песчано-глинистых и карбонатных породах. Показано, что замена «легкой» воды (Н20) на «тяжелую» воду (Т)20) в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и характеризовать степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов. Представленная в работе качественная характеристика степени смачиваемости рассматриваемых пород многократно подтверждена капельным методом на профиле керна и измерениями коэффициентов Аммота-Гарвея на цилиндрических образцах (аналог метода Тульбовича).

Заключение

.

По результатам выполненных работ сделаны следующие выводы:

1. Выполнен обзор современного состояния и перспектив исследований горных пород на базе метода ЯМР в поле постоянных магнитов. Подтверждена высокая информативность амплитудно-временных характеристик процессов продольной Ги поперечной Т2 релаксации в изучении свойств коллекторов нефти и газа. В сочетании с новыми аппаратурно-методическими решениями это принципиально позволяет решать широкий круг задач в области петрофизического обеспечения геологоразведочного, технологического и промыслового блоков современных нефтегазовых технологий. Эти возможности подтверждаются опытом ЯМР-исследований более 20 тысяч образцов керна из основных нефтегазоносных провинций России.

2. На основе измерений на керне методами с различной физической природой и разрешающей способностью (ЯМР, имидж-анализ шлифов, капилляриметрия) экспериментально обоснована методика оценки структуры порового пространства и компонентного состава пористости песчано-глинистых и карбонатных пород. Показано, что распределения емкости по размерам пор, получаемые из данных капилляриметрии и имидж-анализа шлифов, могут существенно отличаться и отражают меру неоднородности размеров тел пор и соединяющих их каналов. Обоснован переход от значений времен ЯМРрелаксации к геометрическим размерам пор на основе прямого метода изучения морфологии порового пространства горных породпетрографического имидж-анализа прокрашенных шлифов. Предложена методика расчета остаточной водонасыщенности по спектрам ЯМР, основанная на введении дополнительной весовой функции, определяемой экспериментально на образцах керна при достижении неснижаемой водонасыщенности. Показано, что комплексирование капилляриметрии, имидж-анализа шлифов и ЯМР-измерений на керне обеспечивает петрофизическую калибровку измерений ЯМР в скважинах для оценки порометрической характеристики и компонентного состава емкости.

3. Разработана экспериментальная методика ЯМР-мониторинга структурно-емкостных и поверхностных свойств коллекторов нефти и газа в процессах вытеснения при различных комбинациях вытесняющего и вытесняемого флюидов. Показано, что данные ЯМР позволяют количественно оценивать изменение структуры порового пространства пород при петрофизическом моделировании загрязнения прискважинной зоны пласта фильтратом бурового раствора и последующих мероприятий по восстановлению проницаемости глинистых коллекторов, а также процессов по увеличению нефтеотдачи в результате соляно-кислотных обработок карбонатных пород.

4. Экспериментально обосновано применение «тяжелой» воды Б20 при ЯМР-сопровождении петрофизического моделирования системы «нефть-вода» в песчано-глинистых и карбонатных породах. Показано, что замена «легкой» воды (Н20) на «тяжелую» воду (020) в рамках петрофизических экспериментов «впитывание-дренаж» позволяет по данным ЯМР оценивать текущее насыщение нефтяной фазой и характеризовать степень смачиваемости поверхности пор изучаемых коллекторов.