ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ГИДРОФОБНОСТИ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ГОРНЫХ ПОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФФУЗИОННО-АДСОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ Российский патент 2004 года по МПК E21B49/00 G01N13/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных и газовых залежей и при интерпретации ГИС (геофизических исследований скважин).

Известно [Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика - М.: Недра, 1991 г., стр. 66], что горные породы по смачиваемости поверхности порового пространства бывают гидрофобными и гидрофильными, горная порода является гидрофильной или смачиваемой водой, когда пленка воды равномерно покрывает поверхность порового пространства породы, когда все активные центры поверхности заняты молекулами воды или гидратированными катионами - двойным электрическим слоем ДЭС, в противном случае - порода гидрофобная.

Оценка смачиваемости горных пород очень значима при интерпретации геофизических исследований скважин ГИС, если учесть, что двойной электрический слой (ДЭС), отличающийся по своим физическим свойствам от свободного раствора и оказывающий существенное влияние как на коллекторские, так и на физические свойства горных пород, составляет значительную часть гидратной пленки на поверхности порового пространства. Смачиваемость пород имеет особое значение и для эксплуатации нефтяных месторождений, т.к. оказывает существенное влияние на процесс вытеснения нефти водой.

Известен способ П.А.Ребиндера [Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика - М.: Недра, 1991 г., стр. 68] количественной оценки смачиваемости изучаемого образца водой, определением коэффициента

где Q₁ - теплота смачивания одного грамма изучаемого вещества водой;

Q₂ - теплота смачивания того же вещества неполярной жидкостью, например бензолом.

Для преимущественно гидрофильных объектов β>1, для гидрофобных β<1.

Способ П.А.Ребиндера, имеющий четкую физическую основу, не получил, однако, широкого применения в геофизической практике ввиду низких значений Q₁ в породах-коллекторах, имеющих небольшую поверхность адсорбции, и вследствие этого - недостаточной надежности оценки степени гидрофобности объекта.

Известен также способ оценки фильно-фобных свойств, основанный на определении величины краевого угла смачивания θ [Тульбович Б.И. Методы изучения пород-коллекторов нефти и газа - М.: Недра, 1979 г., стр. 138].

Как известно, избирательная смачиваемость поверхности твердой фазы водой определяется величиной угла смачивания θ на границе воды и другой подвижной фазы в капилляре (воздух, газ, нефть). При θ=0 поверхность считается полностью гидрофильной; при θ=180° полностью гидрофобной; при 0°<θ<90° преимущественно гидрофобной. Используя данный метод, необходимо выполнять следующие условия: соблюдать гладкость исследуемой поверхности, исключать инверсию смачивания и т.д. Но гладкость поверхности на неоднородных поверхностях горных пород трудно обеспечить, другой недостаток - определяется смачиваемость участка поверхности, а не интегральная характеристика пород-коллекторов.

Для качественной оценки смачиваемости можно также использовать результаты измерений удельного электрического сопротивления. Высокие удельные сопротивления указывают либо на низкую водонасыщенность пористой среды, либо на отсутствие непрерывности водной фазы, что может наблюдаться в гидрофобных системах [Тульбович Б.И. Методы изучения пород-коллекторов нефти и газа - М.: Недра, 1979 г., стр. 146].

Известны методики оценки смачиваемости различных дисперсных веществ по определению методом ЯМР времени спин-решеточной релаксации T₁ протонов при насыщении их водой и Т₂ при насыщении бензолом [Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика - М.: Недра, 1991 г., стр. 68].

Для оценки поверхностно-адсорбционной активности предлагается отношение

Известно, что для молекул объемной жидкости α≈1, тогда как для адсорбированных молекул а>>1.

Недостатком упомянутой методики следует считать то, что авторы характеризуют протоны жидкости, находящейся в порах породы, одним усредненным временем спин-решеточной релаксации, тогда, как известно, вода в порах состоит из нескольких фаз, которые характеризуются своим временем спин-решеточной релаксации.

Наибольший интерес для оценки смачиваемости порового пространства пород-коллекторов представляют динамические методы. Широко известен метод Аммота и Тульбовича [Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика - М.: Недра, 1991 г., стр. 150-151].

Сущность метода заключается в капиллярном вытеснении воды из полностью водонасыщенного образца углеводородной жидкостью (керосином) с последующим вытеснением из образца углеводородной жидкости водой.

В ходе эксперимента выполняют ряд взвешиваний, на основе результатов которых рассчитывают параметры, характеризующие избирательную смачиваемость породы водой и неполярной жидкостью. Капиллярное вытеснение производится центрифугированием. Показатель смачиваемости М определяют по формуле

где m₁ - масса образца после центрифугирования в керосине;

m₂ - масса образца после 20 часов пребывания в дистиллированной воде;

m₃ - масса образца после центрифугирования в воде.

Параметр М характеризует отношение объема керосина, вытесненного при капиллярной пропитке образца водой до центрифугирования, ко всему объему вытесненного керосина после центрифугирования. Для полностью гидрофобной породы М=1, для полностью гидрофильной М=0.

Метод очень трудоемкий, в процессе исследований приходится в образцах керна имитировать остаточную воду, донасыщать образцы керосином, центрифугировать в керосине, затем выдерживать образцы в воде, затем опять центрифугировать и т.д. А в процессе имитации остаточной воды, центрифугирования и т.д. возможна частичная деформация образца (откололся кусочек, появилась трещина, осыпался песок в слабосцементированных образцах и т.д.). В результате возможны неинформативные оценки m₁, m₂, m₃, а соответственно и М.

Известна методика оценки диффузионно-адсорбционной активности, обусловленной двойным электрическим слоем (ДЭС) на границе твердой и жидкой фаз, для создания петрофизической основы интерпретации геофизического метода собственных потенциалов ПС, согласно которой проводят измерение Ед, Еда и Ада, принятая за прототип.

Задачей изобретения является упрощение технологии, повышение точности оценки смачиваемости поверхности порового пространства керна, а также расширение комплекса петрофизических исследований. При этом предлагается использовать известный параметр Ада, применяемый при создании петрофизичеекой основы интерпретации геофизического метода исследования скважин ПС по новому назначению.

Поставленная задача решается следующим образом.

Оценка степени гидрофобности порового пространства горных пород с использованием диффузионно-адсорбционной активности, включающая насыщение образца аналогом пластовой воды, измерение естественного потенциала диффузионного происхождения Ед и электрохимического потенциала Еда, определение диффузионно-адсорбционной активности:

где С₁ и С₂ - концентрации контактирующих с породой растворов; значение диффузионно-адсорбционной активности Ада используется для количественной оценки гидрофобности порового пространства, при этом при полной гидрофобности порового пространства Еда=Ед, Ада=0. Таким образом предлагается качественно новая оценка смачиваемости порового пространства с использованием параметра диффузионно-адсорбционной активности Ада. Поэтому можно сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критериям изобретения “Новизна” и “Изобретательский уровень”

Понятие о диффузионно-адсорбционной активности Ада, как количественной мере отличия величины диффузионно-адсорбционного потенциала Еда от величины диффузионного потенциала Ед, ввел В.Н. Дахнов. Предложенная В.Н. Дахновым [Дахнов В.Н., Кобранова В.Н. Новые данные о природе естественных электрических полей в скважинах, Труды МНИ, вып.5 М.: Гостоптехиздат, 1952 г.] расчетная формула для оценки Ада

где С₁ и С₂ - концентрации контактирующих с породой растворов;

Ед - потенциал, возникающий на контакте растворов концентрациями С₁ и С₂;

Еда - потенциал, наблюдаемый при контакте растворов с концентрациями С₁ и С₂ в присутствии горной породы.

В.Н.Дахновым предложена гипотеза, согласно которой изменение величины (возможно и знака) диффузионных эдс в горных породах обусловлено преимущественной адсорбцией поверхностью твердой фазы ионов одного знака (например, катионов) из порового раствора, соответственно возникновению на поверхности порового пространства двойного электрического слоя - ДЭС.

Оценка смачиваемости согласно известной методике измерения Ада для создания петрофизической основы интерпретации геофизического метода собственных потенциалов - (ПС) [Виноградов В.Г., Дахнов А.В. и др. Практикум по петрофизике М.: Недра, 1990 г., стр. 114] проводится в следующей последовательности:

1. Приготавливают рабочие растворы соли NaCl концентраций С₁ и С₂, являющимися соответственно аналогами пластовой воды и промывочной жидкости.

2. Насыщают образец аналогом пластовой воды.

3. Собирают электрохимическую цепь для измерения Ед и производят измерения Ед с использованием измерительных средств напряжения.

4. Собирают электрохимическую цепь для измерения Еда и производят измерения Еда через определенные промежутки времени до установления Eдa=const.

5. Рассчитывают значения Ада

Для полностью гидрофобного образца Ада=0.

Оценка смачиваемости поверхности порового пространства через параметр Ада основана на том, что оба эти параметра определяются:

- ионосорбционными способностями породы и способностью породы адсорбировать воду [Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород - М.: Гостоптехиздат, 1962 г., стр. 69, стр. 237];

- способностями породы поляризоваться на контакте с электролитом и образовывать двойные электрические слои - ДЭС [Кобранова В.Н. Петрофизика - М.: Недра, 1986 г., стр. 25, стр. 129];

- адсорбционно-обменными способностями породы [Виноградов В.Г., Дахнов А.В. и др. Практикум по петрофизике - М.: Недра, 1990 г., стр. 46, стр. 114];

- содержанием в породе любых высокодисперсных активных минеральных компонентов, содержанием на поверхности порового пространства породы ДЭС [Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю. и др. Петрофизика - М.: Недра, 1991 г., стр. 52, стр. 178].

Если порода гидрофобна (т.е. нет пленки воды на поверхности порового пространства), то нет ДЭС. И в этом случае порода не оказывает никакого влияния на процесс диффузии ионов из контактирующего с породой раствора большей минерализации в контактирующий раствор с меньшей минерализацией, тогда Еда≈Ед и Ада=0.

Согласно [Вендельштейн Б.Ю. Исследование разрезов нефтяных и газовых скважин методом собственных потенциалов М.: Недра, 1966 г., стр. 61] Еда, измеренные при установившемся процессе диффузии солей при прочих постоянных условиях, не зависят от концентрации раствора в порах образца. Поэтому для оценки степени гидрофобности поверхности порового пространства пород, насыщенных однородными по химическому составу электролитами, в частности растворами соли NaCl, предлагается все та же предложенная В.Н. Дахновым формула для оценки Ада пород при установившемся процессе диффузии.

Исследования, проведенные на керновом материале бобриковских и тульских отложений Илишевского месторождения Башкортостана, песчаников Ромашкинского месторождения Татарстана, подтвердили идентичность оценок степени смачиваемости по известной методике Тульбовича и по значениям Ада.

На фиг.1, 2 приводятся гистограммы распределения коэффициента смачиваемости по Тульбовичу (Ксм) и значений диффузионно-адсорбционной активности Ада по песчаникам Ромашкинского месторождения. Анализ гистограммы 1.1 показывает, что на долю гидрофобных по степени смачиваемости приходится до 70%, на долю в большей степени гидрофильных 14-15%. Согласно анализу гистограммы 1.2 также следует, что на долю гидрофобных образцов приходится 68-70%, гидрофильных 14-15%.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что:

предложенная оценка степени гидрофобности позволяет значительно упростить технологию оценки смачиваемости поверхности порового пространства образцов горной породы;

повышается экспрессность оценки степени гидрофобности и петрофизических исследований в целом;

одновременно с оценкой гидрофобности пород осуществляется петрофизическое обеспечение геофизического метода собственных потенциалов (ПС).

Таким образом, предложенный способ оценки гидрофобности поверхности порового пространства горных пород позволяет:

- количественно оценить степень гидрофобности пород;

- оптимизировать процесс оценки смачиваемости за счет расширения информативности уже известного параметра Ада;

- утверждать, что состояние образца не влияет на точность и воспроизводимость оценки степени гидрофобности пород;

- расширить комплекс петрофизических исследований в целом.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при разработке нефтяных и газовых залежей и при интерпретации геофизических исследований скважин. Техническим результатом является повышение точности оценки смачиваемости поверхности порового пространства. Для этого оценка включает насыщение образца аналогом пластовой воды, измерение естественного потенциала диффузионного происхождения Ед и электрохимического потенциала Еда, определение диффузионно-адсорбционной активности Ада по математическому выражению и использование значения диффузионно-адсорбционной активности Ада для количественной оценки гидрофобности порового пространства. При полной гидрофобности порового пространства Еда=Ед, а Ада=0. 2 ил.

Оценка степени гидрофобности порового пространства горных пород с использованием диффузионно-адсорбционной активности, включающая насыщение образца аналогом пластовой воды, измерение естественного потенциала диффузионного происхождения Ед и электрохимического потенциала Еда, определение диффузионно-адсорбционной активности

где С₁ и С₂ - концентрации контактирующих с породой растворов,

и использование значения диффузионно-адсорбционной активности Ада для количественной оценки гидрофобности порового пространства, при этом при полной гидрофобности порового пространства Еда=Ед, а Ада=0.