Способ определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород Российский патент 2023 года по МПК G01V1/30 G01N15/08 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для оценки комплекса петрофизических свойств горных пород при моделировании пластовых условий, при разработке месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых.

Коэффициент объёмной сжимаемости горных пород является важной характеристикой пласта-коллектора, необходимой при: определении запасов нефти по методу упругого материального баланса; коэффициента извлечения нефти, а также при решении многих задач, связанных с разработкой месторождений. При разработке месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых необходимо учитывать упругие изменения объема горных пород, вызванные изменениями их напряженного состояния. А так как структура порового пространства горных пород является сложной и состоит из межзерновых пор и трещин, то изменение объема каждой из этих компонент требует рассмотрения и анализа. В процессе разработки месторождений нефти и газа необходимо учитывать зависимость коэффициентов объёмной сжимаемости коллекторов порового и трещинного типа от изменений напряженного состояния. Известно, что коэффициент объёмной сжимаемости трещин может отличаться от сжимаемости минеральной матрицы (скелета) горной породы до 10-1000 раз, а от коэффициента объёмной сжимаемости межзерновых пор до 10 раз. Результаты ряда исследований показали, что наибольшие значения коэффициента сжимаемости порового пространства характерны для трещин, а наименьшие – для межзерновой пористости. Коэффициент сжимаемости объема трещин в среднем почти в восемь раз больше коэффициента сжимаемости объема межзерновой пористости и почти в 55 раз больше коэффициента сжимаемости объема исследованных горных пород.

Известен способ определения трещинной пористости горных пород, включающий предварительное формирование набора образцов исследуемой породы, экспериментальное определение общей пористости каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, экспериментальное определение скорости распространения продольной волны и общей пористости в образцах исследуемой породы в условиях, моделирующих пластовые условия, определение скорости распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы с использованием полученной экспериментальной зависимости скорости распространения продольной волны в образцах исследуемой породы от их общей пористости, определенных в условиях, моделирующих пластовые условия, расчет величины трещинной пористости (Кп тр) для каждого из образцов исследуемой породы по формуле
Кп тр=[100-1,6Кп общ - 100(Vp изм/Vp ск)]/20,4,
где Кп общ - экспериментально определенная общая пористость образца;
Vp изм - измеренная скорость распространения упругой продольной волны в образце;
Vp ск - скорость распространения продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы,
и определение поровой пористости, как разницу между общей пористостью и трещинной пористостью (патент РФ № 2516392, G01V1/28, 2012) .

Недостатком данного способа является отсутствие достоверных данных о коэффициенте объёмной сжимаемости порового пространства образца горной породы и методов его определения в пластовых условиях залегания, а также отсутствие надежных данных о зависимости коэффициента сжимаемости пласта от изменений эффективного давления на образец и возможности одновременного определения комплекса коэффициентов объемной сжимаемости порового пространства образца горной породы, и её и межзерновой и трещинной компонент при моделировании пластовых условий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения трещинной пористости горных пород, в котором предварительно формируют набор образцов исследуемой породы, экспериментально определяют общую пористость (Кп.общ.атм.) каждого из упомянутых образцов в атмосферных условиях, экспериментально определяют скорость (Vр) распространения упругой продольной волны каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, общую пористость (Кп.общ.) каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, после чего строят график зависимости (Vр) от (Кп.общ.), в результате чего графически определяют скорость (Vр.ск.) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете исследуемой породы, затем рассчитывают трещинную пористость (Ктр.п.) каждого из образцов исследуемой породы по формуле:

при этом в случае получения отрицательных величин рассчитываемой трещинной пористости полученное наибольшее отрицательное ее значение приравнивают нулю и определяют уточненное значение скорости распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (Vр.ск.ут.) по формуле:

после чего вновь рассчитывают величину трещинной пористости (Кп.тр.) каждого образца исследуемой породы по формуле (1), используя для расчета полученное по формуле (2) уточненное значение скорости (Vр.ск.ут) распространения упругой продольной волны в минеральном скелете (патент РФ № 2646956, G01V1/28, 2017).

Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения объёмного коэффициента сжимаемости пор на отдельных интервалах изменения эффективного давления и возможности одновременного определения комплекса коэффициентов объемной сжимаемости как всего порового пространства образца горной породы, так и его межзерновой и трещинной компонент при моделировании пластовых условий.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности и достоверности определения петрофизических параметров горных пород, а именно коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород, обусловленных изменениями напряженного состояния,

Технический результат достигается в способе определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород, включающем измерение геометрических размеров и объёма Vобр образцов, насыщение образца исследуемой горной породы пластовой жидкостью с последующим определением объема порового пространства образца Vпор, измерение скорости продольной волны Vр и общей пористости Кп.атм, с последующим построением графика зависимости Vр от Кп.атм., графическое определение скорости Vр.ск распространения упругой продольной волны в минеральном скелете образца горной породы, предварительное сжатие образца всесторонним давлением до величины, превышающей давление жидкости в пласте на 1-2 МПа, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, основное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₁, соответствующей пластовым условиям, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, измерение объема поровой жидкости Vпор₁, выжатой из образца, воздействие на образец упругой продольной волной, измерение скорости распространения продольной волны Vp₁ с последующим определением эффективного давления Рэф_1, равного разности между всесторонним давлением Рвс₁ и давлением жидкости внутри образца Рпор₁, дополнительное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₂, превышающей пластовые условия на 10-20% с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, измерение объема поровой жидкости Vпор₂, выжатой из образца, воздействие на образец упругой продольной волной, измерение скорости распространения продольной волны Vp₂ с последующим определением эффективного давления Рэф₂, равного разности между всесторонним давлением Рвс₂ и давлением жидкости внутри образца Рпор₂, определение коэффициентов объемной сжимаемости трещин Стр и межзерновых пор Смз из соотношений:

Стр = ((Vтр₂ - Vтр₁)/Vтр₁) / (Рэф₂ - Рэф₁),

Смз = ((Vмз₂ – Vмз₁)/Vмз₁) / (Рэф₂ – Рэф₁), где

Vтр₁ – объем трещин в образце, при его сжатии основным эффективным давлением Рэф₁, Vтр₁ = Vобр*[(1–Vp₁/Vp.ск) –1,6*((Vпор -Vпор₁)/Vобр)]/20,4,

Vтр₂ – объем трещин в образце, при его сжатии дополнительным эффективным давлением Рэф₂, Vтр₂ = Vобр*[(1–Vp₂/Vp.ск) –1,6*((Vпор -Vпор₂)/Vобр)]/20,4,

Vмз₁– объем межзерновых пор образца при его сжатии эффективным давлением Рэф₁, Vмз₁ = (Vпор - Vпор₁) - Vтр₁

- Vмз₂– объем межзерновых пор образца при эффективном давлении Рэф₂, , Vмз₂ = (Vпор - Vпор₂) - Vтр_2,

Рэф₁ – эффективное давление при предварительном сжатии,

Рэф₂ - эффективное давление при дополнительном сжатии.

Предварительное сжатие образца всесторонним давлением до величины, превышающей давление жидкости в пласте на 1-2 МПа, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор способствует переходу образца к напряженному состоянию в пласте.

Основное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₁, соответствующей пластовым условиям, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор создает барические условия в начале изменения напряженного состояния образца горных пород.

Дополнительное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₂, превышающей пластовые условия на 10-20% с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор создает изменения напряженного состояния образца горных пород.

Способ определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород осуществляется следующим образом.

Формируют представительную коллекцию, состоящую минимум из 20 образцов, имеющих различную пористость и близкий минералогический состав. Проводят измерение геометрических размеров и объёма Vобр каждого из них , насыщают образцы исследуемой горной породы пластовой жидкостью и определяют объем порового пространства образца Vпор. Измеряют скорость продольной волны Vр и общую пористость Кп.атм, строят график зависимости Vр от Кп.атм., после чего графически определяют скорость Vр.ск распространения упругой продольной волны в минеральном скелете образца горной породы. Затем проводят предварительное сжатие образца всесторонним давлением до величины, превышающей давление жидкости в пласте на 1-2 МПа и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор. После чего проводят основное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₁, соответствующей пластовым условиям и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор. Измеряют объем поровой жидкости Vпор₁, выжатой из образца, воздействуют на образец упругой продольной волной, измеряют скорости распространения продольной волны Vp₁ и определяют эффективное давления Рэф_1. Эффективное давление Рэф₁ равно разности между всесторонним давлением Рвс₁ и давлением жидкости внутри образца Рпор₁. Затем проводят дополнительное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₂, превышающей пластовые условия на 10-20% и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, измеряют объем поровой жидкости Vпор₂, выжатой из образца, воздействуют на образец упругой продольной волной, измеряют скорость распространения продольной волны Vp₂ и определяют эффективное давление Рэф₂. Эффективное давление Рэф₂ равно разности между всесторонним давлением Рвс₂ и давлением жидкости внутри образца Рпор₂. После чего определяют коэффициенты объемной сжимаемости трещин Стр и межзерновых пор Смз из соотношений:

Стр = ((Vтр₂ - Vтр₁)/Vтр₁) / (Рэф₂ - Рэф₁),

Смз = ((Vмз₂ – Vмз₁)/Vмз₁) / (Рэф₂ – Рэф₁), где

Vтр₁ – объем трещин в образце, при его сжатии основным эффективным давлением Рэф₁, Vтр₁ = Vобр*[(1–Vp₁/Vp.ск) –1,6*((Vпор -Vпор₁)/Vобр)]/20,4,

Vтр₂ – объем трещин в образце, при его сжатии дополнительным эффективным давлением Рэф₂, Vтр₂ = Vобр*[(1–Vp₂/Vp.ск) –1,6*((Vпор -Vпор₂)/Vобр)]/20,4,

Vмз₁– объем межзерновых пор образца при его сжатии эффективным давлением Рэф₁, Vмз₁ = (Vпор - Vпор₁) - Vтр₁

- Vмз₂– объем межзерновых пор образца при эффективном давлении Рэф₂, , Vмз₂ = (Vпор - Vпор₂) - Vтр_2,

Рэф₁ – эффективное давление при предварительном сжатии,

Рэф₂ - эффективное давление при дополнительном сжатии.

Пример определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород.

Измеряют геометрические размеры одного из цилиндрических образцов: длина 3,026см, высота 2,937см и определяют объём Vобр 20,51см³. Насыщают его пластовой жидкостью и определяют объем порового пространства Vпор 0,861см³. Измеряют скорость продольной волны Vр и общую пористость исследуемых образцов Кп.атм, строят график зависимости Vр от Кп.атм., после чего графически определяют скорость Vр.ск 6,287км/с распространения упругой продольной волны в минеральном скелете образца горной породы. Затем, для предварительного перехода образца к напряженному состоянию в пласте проводят предварительное сжатие образца всесторонним давлением до величины 14МПа, превышающей давление жидкости в пласте на 1-2 МПа и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор 13МПа. После чего проводят основное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₁ 18МПа, соответствующей пластовым условиям и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор 13МПа, таким образом приводят образец в условия соответствующе пластовым в начале разработки месторождения. Измеряют объем поровой жидкости Vпор₁ 0,038см³, выжатой из образца, воздействуют на образец упругой продольной волной, измеряют скорость распространения продольной волны Vp₁ 4,961км/с и определяют эффективное давление Рэф₁ 5 МПа_, которое равно разности между всесторонним давлением Рвс₁ 18МПа и давлением жидкости внутри образца Рпор₁ 13 МПа. Затем, с целью моделирования барических условий процесса изменения напряженного состояния образца, проводят его дополнительное сжатие всесторонним давлением до величины Рвс₂ 23 МПа, превышающей пластовые условия на 5 МПа и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор 13 МПа, измеряют суммарный объем поровой жидкости Vпор₂ 0,062см³, выжатой из образца при основном и дополнительном сжатии всесторонним давлением, воздействуют на образец упругой продольной волной, измеряют скорость распространения продольной волны Vp₂ 5,043 км/с и определяют эффективное давление Рэф₂ 10 МПа, которое равно разности между всесторонним давлением Рвс₂ 23 МПа и давлением жидкости внутри образца Рпор₂ 13 МПа. После чего определяют коэффициенты объемной сжимаемости трещин Стр и межзерновых пор Смз из соотношений:

Стр = ((Vтр₂ - Vтр₁)/Vтр₁) / (Рэф₂ - Рэф₁),

Смз = ((Vмз₂ – Vмз₁)/Vмз₁) / (Рэф₂ – Рэф₁), где

В таблице приведены геометрические размеры, параметры напряженного состояния образца горных пород и результаты определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор.

Предложенный способ определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород повышает точность и достоверность определения петрофизических параметров горных пород, обусловленных изменениями напряженного состояния.

Раздельное определение коэффициентов объёмной сжимаемости всего порового пространства и ее трещинной и межзерновой компонент позволяет повысить достоверность оценок изменений петрофизических параметров коллекторов нефти и газа, обусловленных изменениями напряженного состояния в процессе добычи и могут быть использованы, в частности, для уточнения величины просадок при разработке месторождений нефти.

Таблица

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для оценки комплекса петрофизических свойств горных пород при моделировании пластовых условий, при разработке месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых. Формируют представительную коллекцию, состоящую минимум из 20 образцов, имеющих различную пористость и близкий минералогический состав. Проводят измерение геометрических размеров и объёма Vобр каждого из них, насыщают образцы исследуемой горной породы пластовой жидкостью и определяют объем порового пространства образца Vпор. Измеряют скорость продольной волны Vр и общую пористость Кп.атм, строят график зависимости Vр от Кп.атм, после чего графически определяют скорость Vр.ск распространения упругой продольной волны в минеральном скелете образца горной породы. Затем проводят предварительное сжатие образца всесторонним давлением до величины, превышающей давление жидкости в пласте на 1-2 МПа, и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор. После чего проводят основное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₁, соответствующей пластовым условиям, и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор. Измеряют объем поровой жидкости Vпор₁, выжатой из образца, воздействуют на образец упругой продольной волной, измеряют скорости распространения продольной волны Vp₁ и определяют эффективное давление Рэф₁. Эффективное давление Рэф₁ равно разности между всесторонним давлением Рвс₁ и давлением жидкости внутри образца Рпор₁. Затем проводят дополнительное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₂, превышающей пластовые условия на 10-20%, и доводят давление жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, измеряют объем поровой жидкости Vпор₂, выжатой из образца, воздействуют на образец упругой продольной волной, измеряют скорость распространения продольной волны Vp₂ и определяют эффективное давление Рэф₂. Эффективное давление Рэф₂ равно разности между всесторонним давлением Рвс₂ и давлением жидкости внутри образца Рпор₂. После чего определяют коэффициенты объемной сжимаемости трещин Стр и межзерновых пор Смз. Технический результат - повышение точности и достоверности определения петрофизических параметров горных пород, а именно коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород, обусловленных изменениями напряженного состояния. 1 табл.

Способ определения коэффициентов объемной сжимаемости трещин и межзерновых пор образцов горных пород, включающий измерение геометрических размеров и объёма Vобр образцов, насыщение образца исследуемой горной породы пластовой жидкостью с последующим определением объема порового пространства образца Vпор, измерение скорости продольной волны Vр и общей пористости Кп.атм, с последующим построением графика зависимости Vр от Кп.атм, графическое определение скорости Vр.ск распространения упругой продольной волны в минеральном скелете образца горной породы, предварительное сжатие образца всесторонним давлением до величины, превышающей давление жидкости в пласте на 1-2 МПа, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, основное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₁, соответствующей пластовым условиям, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, измерение объема поровой жидкости Vпор₁, выжатой из образца, воздействие на образец упругой продольной волной, измерение скорости распространения продольной волны Vp₁ с последующим определением эффективного давления Рэф₁, равного разности между всесторонним давлением Рвс₁ и давлением жидкости внутри образца Рпор₁, дополнительное сжатие образца всесторонним давлением до величины всестороннего давления Рвс₂, превышающей пластовые условия на 10-20%, с последующим доведением давления жидкости в образце до значения давления жидкости в пласте Рпор, измерение объема поровой жидкости Vпор₂, выжатой из образца, воздействие на образец упругой продольной волной, измерение скорости распространения продольной волны Vp₂ с последующим определением эффективного давления Рэф₂, равного разности между всесторонним давлением Рвс₂ и давлением жидкости внутри образца Рпор₂, определение коэффициентов объемной сжимаемости трещин Стр и межзерновых пор Смз из соотношений:

Стр = ((Vтр₂ - Vтр₁)/Vтр₁)/(Рэф₂ - Рэф₁),

Смз = ((Vмз₂ - Vмз₁)/Vмз₁)/(Рэф₂ - Рэф₁),

где Vтр₁ - объем трещин в образце, при его сжатии основным эффективным давлением Рэф₁, Vтр₁ = Vобр*[(1-Vp₁/Vp.ск)-1,6*((Vпор-Vпор₁)/Vобр)]/20,4,

Vтр₂ - объем трещин в образце, при его сжатии дополнительным эффективным давлением Рэф₂, Vтр₂ = Vобр*[(1-Vp₂/Vp.ск)-1,6*((Vпор-Vпор₂)/Vобр)]/20,4,

Vмз₁ - объем межзерновых пор образца при его сжатии эффективным давлением Рэф₁, Vмз₁=(Vпор-Vпор₁) - Vтр₁ - Vмз₂ - объем межзерновых пор образца при эффективном давлении Рэф₂, Vмз₂ = (Vпор-Vпор₂)-Vтр₂,

Рэф₁ - эффективное давление при предварительном сжатии,

Рэф₂ - эффективное давление при дополнительном сжатии.