В настоящее время и в обозримом будущем геофизические исследования (ГИС) будут оставаться основным инструментом геологической документации разрезов нефтяных и газовых скважин. При этом одной из главных задач ГИС остается разделение горных пород на коллекторы и неколлекторы и оценка характера их насыщения.
Основным отличием коллекторов от неколлекторов является то, что при бурении подавляющего большинства нефтяных и газовых скважин в коллекторы внедряется промывочная жидкость или ее фильтрат, что приводит к изменению их свойств в прискважинной части и изменению физических полей, регистрируемых при ГИС. Проникновение промывочной жидкости или фильтрата в коллекторы (образование зоны проникновения) является, с одной стороны, положительным фактором, поскольку наличие или отсутствие зоны проникновения позволяет судить о наличии или отсутствии коллекторов. С другой стороны, образование зоны проникновения приводит к изменению свойств коллекторов и искажению физических полей, которое необходимо учитывать при интерпретации результатов ГИС или применять методы, на которые влияние зоны проникновения было бы минимальным.
Объективное знание процессов образования и эволюции зоны проникновения, искажение физических полей, изменения физических и реологических свойств коллекторов нефти и газа имеют основополагающее значение при разработке концепции применения ГИС, приемов интерпретации результатов ГИС, в направлении аппаратурных разработок, технологии освоения скважин и т. д. Именно поэтому с самого начала массового применения ГИС проявляется постоянный интерес к изучению процессов образования и эволюции зоны проникновения.
Первые представления об образовании зоны проникновения сводились к тому, что объем внедрившейся из скважины в коллектор жидкости должен быть тем больше, чем выше проницаемость коллектора и перепад давлений между скважиной (Рс) и пластом (Рпл). Из этого следовало, что глубина проникновения (при прочих равных условиях) пропорциональна проницаемости коллекторов. 1 ].
Практика ГИС не подтвердила эту гипотезу, и на смену ей была выдвинута новая. Ее принципиальные положения впоследствии были изложены в работе [2]. Последующие исследования касались только уточнений некоторых деталей и попыток математического описания процесса.
Согласно новой гипотезе, внедрение фильтрата промывочной жидкости коллектора контролируется исключительно проницаемостью глинистой корки и зоны кольматации. В коллекторы с разной пористостью внедряется одинаковый удельный объем фильтрата, а глубина проникновения тем больше, чем меньше величина пористости коллектора. Образование зоны кольматации и глинистой корки приводит к значительному снижению скорости фильтрации, а частичное или полное разрушение глинистой корки приводит к возобновлению интенсивной фильтрации, которая затухает по мере роста толщины глинистой корки.
В реальных условиях бурения скважин это означало, что в коллекторы постоянно или эпизодически должен внедряться фильтрат промывочной жидкости и глубина проникновения должна возрастать.
Необходимость возрастания глубины проникновения во времени и фактические результаты ГИС входили в противоречие, и для их разрешения было введено понятие о процессе «расформирования зоны проникновения», который протекает с процессом формирования зоны проникновения. Процессу «расформирования» зоны проникновения отводилась роль нейтрализатора изменений, которые возникают в коллекторах в результате внедрения в них все новых и новых порций фильтрата.
Показателен тот факт, что за многие годы экспериментов никому не удалось наблюдать на моделях, близких к реальным, процесс «расформирования зоны проникновения».
Несмотря на прямую противоположность выводов, обе гипотезы базируются на одной и той же предпосылке, а именно:
Поскольку бурение скважин осуществляется всегда при условии, что РС>РПЛ, то и фильтрация может происходить исключительно из скважины в коллекторы, а не наоборот — из коллекторов в скважину.
Практика геофизических, геохимических и других исследований скважин засвидетельствовала, что некоторые явления не укладываются в рамки последней гипотезы. Так, например:
1. Изучая методами ГИС коллекторы сложного строения исследователи [3, 4 и др.] замечали некоторые отклонения в «поведении» коллекторов. В первые 10 суток после вскрытия скважиной нефтегазоносных трещинно-кавернозных коллекторов их электрическое сопротивление убывает, а после этого срока начинает возрастать. Это явление попытались объяснить опреснением блоков породы за счет диффузии из них солей в трещины и каверны.
2. Ю. М. Юровский [5] отмечает, что количество углеводородных газов, поступающих в промывочную жидкость во время разбуривания нефтегазоносных коллекторов, во много раз превышает возможное предельное содержание их в выбуриваемой породе. Он попытался объяснить это поступление пластовых флюидов в скважину следствием образования в области вращающегося долота вакуума аналогичного явлению кавитации.
3. Необъяснимым остался факт точного соответствия компонентного состава углеводородных газов, поступающих в скважины в периоды отсутствия циркуляции, пластовым газам, чего не должно быть в случае процесса их диффузии из пластов в скважины.
В 70-х годах публикуются работы [6 и др.], в которых физические свойства коллекторов нефти и газа рассматриваются не только в зависимости от их емкостных и вещественных, но и от их упругих свойств. Появляются сведения о том, что в реальных условиях бурения скважин коллекторы поглощают промывочную жидкость при увеличении давления в скважине, а затем отдают ее после прекращения действия дополнительного давления [7,8 и др.].
Внедрение станций геолого-технологического контроля за процессом бурения позволило инструментально наблюдать за процессом знакопеременной фильтрации промывочной жидкости из скважины в коллекторы и из коллекторов в скважину [8,9 и др.].
При включении насосов (увеличение давления в кольцевом пространстве), объем промывочной жидкости в замкнутой циркуляционной системе буровой убывает, а при прекращении циркуляции (восстановление статического давления) — возрастает.
Анализ противоречий существующей гипотезы и новых фактических данных вызвал появление теории образования зоны проникновения в коллекторах нефти и газа [10]. Существенным отличием ее является то, что она стала теоретическим осмыслением накопленного опыта с позиций теории нестационарной фильтрации жидкости и газа в пористых упругих средах, с учетом термобарических, реологических и других свойств сред и насыщающих их флюидов [11,12].
Экспериментальными исследованиями предстояло подтвердить или опровергнуть основополагающие принципы теории образования зоны проникновения в коллекторах нефти и газа. Для этого предстояло решить массу проблем, которые до этого не ставились перед экспериментаторами.
В ходе исследований предстояло решить следующие задачи:
1. Теоретически обосновать возможность создания модели упругого напорного пласта-коллектора, удобного для проведения экспериментов.
2. Построить модели изотропного и анизотропного по пористости и проницаемости сложного упругого напорного коллекторов, вскрытых «бурящейся скважиной».
3. Разработать методику наблюдений за процессом образования зоны проникновения.
4. Обобщить результаты экспериментов.
5. Показать возможность практического использования результатов экспериментов для повышения эффективности ГНС при изучении коллекторов сложного строения на примере Тимано-Печор-ской нефтегазоносной провинции.
Для решения этих задач были использованы обобщенные литературные и фондовые материалы и результаты экспериментальных модельных и скважинных исследований, выполненных в рамках опытно-методических работ в Ухтинской геофизической экспедиции ПРО «Ухтанефтегазгеология» в 1980;90 гг. под научным руководством и при непосредственном участии автора.
Автор выражает глубокую благодарность ученым, геофизикам, геологам и технологам (Басину Якову Наумовичу, Кравченко Валерию Ивановичу, Зубареву Алексею Павловичу и другим), которые оказали ему большую помощь в осуществлении и высказали критические замечания по существу настоящей работы.
Выводы.
1. Разработаны принципиально новые направления применения ГИС для изучения коллекторов нефти и газа: обнаружение коллекторов в процессе бурения скважин и оценка их коэффициента продуктивности и комплекса параметров ае/Як2- оценка коэффициента продуктивности и комплекса параметров ае/Як2 коллекторов по данным электрометрии по технологии каротаж-каротаж под давлением;
122 оценка комплекса параметров зе/гс2 по данным дебитом етр и и фонтанных скважин. 2. Показана хорошая сходимость первого и третьего направлений с результатами гидродинамических и геофизических исследований.
Заключение
(выводы и рекомендации).
Выполненные по теме диссертации исследования позволяют сформулировать следующие выводы и рекомендации дальнейших исследований.
1. Анализ исследований прошлых лет показал, что:
1.1. Процесс образования зоны проникновения изучался на моделях ненапорных пластов без проявления упругих и реологических свойств коллекторов, пластового флюида и промывочной жидкости, без имитации реальных условий бурения скважин.
1.2. Предполагалось, что процесс образования зоны проникновения в анизотропных коллекторах не отличается от такового в изотропных коллекторах, и на моделях не изучался.
2. На основе теорий упругого режима и нестационарной фильтрации жидкости и газа выполнены расчеты и обоснована линейная модель упругого напорного коллектора.
3. Изготовлена принципиально новая лабораторная установка для изучения процесса образования зоны проникновения в изотропных и анизотропных упругих напорных коллекторах в условиях, максимально приближенных к реальному бурению скважин.
4. Произведены эксперименты по изучению процесса образования зоны проникновения на моделях изотропных и анизотропных напорных, упругих нефтеи газонасыщенных коллекторов с имитацией вскрытия их и бурения скважинами на воде и на глинистом растворе, и установлено, что:
4.1. Фронтальное вытеснение нефти и газа происходит только в момент вскрытия коллектора скважиной и быстро прекращается. Последующие изменения давления в скважине приводят к замещению пластового флюида фильтратом, в силу различия их реологических свойств.
4.2. При бурении скважины на глинистом растворе стабилизация распределения насыщенностей и глубины зоны проникновения происходит быстрее, чем при бурении на воде.
4.3. Механизм образования зоны проникновения и распределения насыщенностей в анизотропных коллекторах и изотропных коллекторах существенно различен.
4.4. Процесс образования зоны проникновения и распределения насыщенностей не зависит от величины изменения давления в скважине.
5. Анализ результатов моделирования показал, что:
5.1. Результаты экспериментальных исследований полностью согласуются с основными положениями теории образования зоны проникновения.
5.2. В изотропных коллекторах в реальных условиях бурения на стенке скважины располагается глинистая корка, затем зона кольма-тации, промытая зона, зона проникновения с переменной насыщенностью от остаточной до первоначальной.
5.3. Стабилизация перераспределения насыщенностей при бурении, происходит не за счет «расформирования зоны проникновения», а за счет изменения фазовой проницаемости для пластового флюида (нефти и газа) и фильтрата промывочной жидкости в прискважинной части коллектора. При одинаковых реологических свойствах флюидов «стабилизация» зоны проникновения происходит за счет медленного процесса разбавления флюидов.
5.4. В анизотропных коллекторах не образуются четко выраженные: зона кольматации, промытая зона и зона проникновения. Даже длительное бурение скважины не приводит к стабилизации электрического сопротивления зоны проникновения.
6. Анализ результатов применения технологий временных замеров электрического сопротивления, метода двух растворов, каротаж — испытание — каротаж и каротаж — давлениекаротаж в Тимано-Печор-ской провинции показал, что:
6.1. Выделение коллекторов сложного строения, оценка характера их насыщения, а так же их пропуск и ошибочные суждения о характере их насыщения являются равновероятными.
6.2. Совпадение результатов исследований и теоретических основ этих технологий носит не закономерный, а случайный характер.
7. Аналитическое и экспериментальное моделирование технологий: временных замеров, метода двух растворов, каротаж — испытание — каротаж и каротаж — давлениекаротаж показало, что в традиционных вариантах применения этих технологий, вероятность выделения коллекторов чрезвычайно мала.
8. На основании экспериментального моделирования для изучения коллекторов сложного строения рекомендуются принципиально новые технологии:
— каротаж — каротаж под давлением;
— каротаж — циклические изменения давления — каротаж.
9. На примере исследования разведочных скважин № 1 Чедтыйская и № 203 Верхний Возей и литературных источников [34] показана высокая эффективность рекомендованных технологий для выделения коллекторов сложного строения:
9.1. По технологии каротаж-циклические изменения давлениякаротаж выделены интервалы коллекторов, которые по стандартным ГИС не выделяются. В пяти из них получены промышленные притоки нефти.
9.2. Разработана технологическая схема производства ГИС под давлением без герметизации устья скважины.
10. Разработаны принципиально новые направления применения ГИС для изучения коллекторов нефти и газа:
— обнаружение коллекторов в процессе бурения скважин и оценка их коэффициента продуктивности и комплекса параметров аг/Як .
— оценка коэффициента продуктивности и комплекса параметров коллекторов ае/^2 по данным электрометрии по технологии каротаж-каротаж под давлением;
— оценка комплекса параметров ае/гс2 по данным дебитометрии фонтанных скважин.
Показана хорошая сходимость испытаний первого и третьего направлений с результатами гидродинамических и геофизических исследований.
Направления дальнейших исследований.
Новые знания о процессах образования зоны проникновения и гидродинамическом взаимодействии коллекторов и скважины, безусловно станут основой дальнейшего совершенствования традиционных и разработки новых технологий ГИС, направленных на повышение их эффективности.
Сегодня еще нет возможности детализировать эти направления. Можно только определить возможные тенденции дальнейших исследований.
Таковыми могут стать:
1. Углубленные изучения образования зоны проникновения в анизотропных сложно построенных коллекторах.
2. Применения традиционных ГИС для наблюдения за переходными гидродинамическими процессами в коллекторах нефти и газа.
3. Применение акустических методов для «самопрослушивиния» коллекторов.
4. Разработка способов восстановления фазовой проницаемости коллекторов для нефти и газа. И другие .
