Способ определения общей пористости естественно-насыщенных образцов горных пород с использованием метода ЯМР
METHOD FOR DETERMINING THE TOTAL POROSITY OF NATURALLY SATURATED ROCK SAMPLES USING THE NMR METHOD

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, в частности, к разработке способа измерения общей пористости естественно-насыщенных образцов керна, отобранных из различных типов коллекторов, в том числе нефтематеринских пород, слабо- и неконсолидированных пород, глинистых и засолоненных пород, основанного на использовании метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и газоволюметрического метода при необходимости. Метод ЯМР и газоволюметрический метод являются наиболее щадящими, неразрушающими методами изучения естественно-насыщенных образцов керна.
Первичной задачей петрофизических исследований керна является оценка пористости образцов керна. Традиционная схема изучения образцов керна заключается в очистке порового пространства путем экстракции от УВ, далее проводится определение ФЕС образцов керна различными методами [ГОСТ 26450.1-85, API RP40], дополнительно к этим исследованиям, в случае отбора изолированного керна или керна, отобранного на РНО/РУО, выполняется цикл определений сохраненной нефтеводонасыщенности.
Предложенные схемы работ условно можно разделить на два типа: определение пористости до и после экстракции. В зависимости от типа коллектора необходимо подобрать такую методику исследования образцов, с помощью которой можно учесть особенности различных типов пород с целью определения пористости. Например, для изучения пород с микротрещинами, в частности нефтематеринских пород, которые по составу и своим физическим свойствам отличаются от осадочных пород, необходимо разработать методику, учитывающую особенности изучения таких пород.
Исследование нефтематеринских пород после экстракции имеет свои сложности. Например, определение пористости различными методами (газоволюметрический, жидкостенасыщение) пород с микротрещинами после экстракции осложняется частичным или полным разрушением образца, неопределенностью со временем экстракции, а также выбором растворителя. Еще одной проблемой является выбор оптимальной температуры сушки образцов. При температуре 70°С образцы являются недосушенными, а при температуре 105°С образцы могут трескаться и разрушиться. Все эти неопределенности вносят погрешность в определение пористости.
Известен способ измерения [RU 2422809 С2, МПК G01N 24/08, опубл. 27.06.2011] открытой пористости веществ и материалов с помощью рабочего агента - инертного газа. Причем в образце формируется калибровочная полость, благодаря чему образец становится непригодным для дальнейших исследований.
В способе [RU 2471176 С1, МПК G01N 24/08, опубл. 27.12.2012] используют экстрагированные образцы керна, насыщенные углеводородами, на которых рассчитывают фильтрационные характеристики, такие как проницаемость, коэффициент вытеснения и определяют гидрофобизирующую способность углеводородов по распределению времени поперечной релаксации. При использовании экстрагированных образцов теряется естественная смачиваемость породы, и полученные ЯМР-характеристики на таких образцах не будут соответствовать параметрам релаксации флюидов в пласте.
В способе [RU 2175764 С2, МПК G01N 24/08, опубл. 10.11.2001] говорится, что для определения нефте- и водонасыщенности образцов необходимо рассчитать суммарный объем всех пор образца. Для этого образец высушивают таким образом, чтобы из образца испарилась вся вода, но не испарилась нефть. Это довольно долгий и трудоемкий процесс. Далее образец насыщают керосином, который растворяет нефть, в результате в образце находится только одна фаза и таким образом определяют объем всех пор. В работе для проведения ЯМР-измерений используют ЯМР-релаксометр с частотой 20 МГц, что не соответствует частоте большинства каротажных приборов, спектры времен релаксации Т1 и Т2 будут отличаться от спектров для 2 МГц приборов, что внесет погрешности в данные оценки граничных отсечек.
В способе определения глинистости [МПК G01N 27/00, заявка №2010118241, опубл. 27.11.2011] используют экстрагированные образцы, насыщенные водой. На основе определения вещественного/минерального состава глин в образцах вкупе с использованием метода ЯМР определяют значения времен релаксации глин в образцах керна. Минусом данного метода является то, что при использовании экстрагированных образцов теряется естественная смачиваемость породы, и полученные ЯМР-характеристики на таких образцах не будут соответствовать параметрам релаксации флюидов в пласте.
Соответственно возникает необходимость в разработке более совершенного способа определения пористости, оценка которой для разных типов коллекторов является затруднительной или проводится с высокими погрешностями (нефтематеринские породы, слабоконсолидированные/неконсолидированные породы, глинистые породы и породы с наличием водонабухающих глин, ангидритизированные и засолоненные породы и т.д.), для которых этап экстрагирования, сушки и насыщения пластовыми флюидами может привести к искажению в определении пористости.
Заявляемое решение основывается на использовании метода ЯМР и газоволюметрического метода при необходимости для определения пористости образцов керна в естественно-насыщенном состоянии. Метод ЯМР позволяет определить часть порового пространства, занятую флюидами, а с помощью газоволюметрического метода можно определить другую часть порового пространства, которая не занята флюидами. Таким образом, общая пористость образцов при естественном насыщении будет равняться сумме пористости по ЯМР и пористости, определенной газоволюметрическим методом.
Технический результат: определение коэффициента общей пористости естественно-насыщенных образцов керна, отобранных из нефтематеринских пород, слабоконсолидированных/неконсолидированных пород и др. комплексным методом, основанным на использовании метода ЯМР и газоволюметрического метода при необходимости. В случае использования метода ЯМР и газоволюметрического метода для определения коэффициента общей пористости естественно-насыщенных образцов горных пород можно получить наилучшие результаты при сопоставлении с коэффициентом общей пористости по ЯМР при естественном насыщении с донасыщением керосином.
Сущность изобретения заключается в определении коэффициента общей пористости естественно-насыщенных образцов керна, отобранных из нефтематеринских пород, слабоконсолидированных/неконсолидированных пород, глинистых пород, засолоненных пород и др. комплексным методом, основанным на использовании метода ЯМР и газоволюметрического метода при необходимости, которые являются наиболее щадящими и неразрушающими методами изучения образцов керна.
Способ поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 представлена схема исследований естественно-насыщенных образцов керна, на фиг. 2 - график зависимости коэффициента общей пористости образцов при естественном насыщении от коэффициента общей пористости по ЯМР при естественном насыщении с донасыщением керосином скв. 5521 Ем-Еговской площади, на фиг. 3 - график зависимости коэффициента общей пористости образцов при естественном насыщении от коэффициента общей пористости по ЯМР при естественном насыщении с донасыщением керосином скв. 33Р Назымского ЛУ.
Петрофизические исследования керна являются основой для создания петрофизической основы интерпретации ГИС, в том числе ЯМК. Для получения наилучших результатов сопоставления данных ЯМР и ядерно-магнитного каротажа (ЯМК) необходимо соблюдение нескольких условий:
1) Совпадение частоты прибора ядерно-магнитного каротажа и лабораторного ЯМР-релаксометра для получения адекватных времен релаксации Т2 в результатах лабораторных исследований образцов керна, возможность проведения измерений в условиях, приближенных к условиям залегания изучаемого кернового материала.
2) Моделирование в образцах керна условий флюидонасыщенности, максимально приближенных к условиям проведения ГИС, обеспечивающих сохранение структуры порового пространства и минеральной компоненты твердой фазы образцов керна.
Первое условие выполняется с помощью использования ЯМР-релаксометра GeoSpec DRX-HF или аналогичного, резонансная частота которого равна 2,3 МГц и близка к частоте большинства приборов ЯМК. Данный ЯМР-релаксометр позволяет измерять образцы различных диаметров, наиболее часто используемые: 25.4 мм, 30 мм, 38 мм, а также возможно изучение образцов увеличенного диаметра 75/105 мм, что позволяет получить данные для оценки масштабного эффекта при изучении емкостного пространства образцов керна со сложной структурой порового пространства, а также увеличить соотношение сигнал/шум путем исследования образцов керна увеличенного размера. Дополнительно ЯМР-релаксометр GeoSpec DRX-HF позволяет изучать образцы диаметром 30, 38 мм в атмосферных и термобарических условиях (в случае оснащения релаксометра пластовой ячейкой). Второе условие определяет необходимость изучения естественно-насыщенных образцов керна, отобранных из разных типов коллекторов по методикам, адаптированным к особенностям таких пород, основанным на использовании метода ЯМР и газоволюметрического метода при необходимости для определения пористости по схеме, представленной на фиг. 1.
В литературных источниках указываются различные схемы исследований естественно-насыщенных образцов керна, а также способы определения пористости таких образцов.
В книге [Сынгаевского, 2004] представлена схема стационарных ЯМР-исследований, предложенная Д.М. Маршаллом (D.M. Marshall, 2000) для «сырых», т.е. естественно-насыщенных образцов керна. Она включает в себя следующие действия:
• ЯМР на «сыром» образце;
• определение остаточной воды методом Дина-Старка;
• отмывка и сушка образца, стандартные анализы: пористость, проницаемость и плотность;
• дальнейшие исследования после экстракции образцов.
Там же сказано, что полученные результаты позволяют оптимизировать активации скважинных приборов, а также оценить влияние различных типов смачиваемости на показания ЯМР. Однако у предложенной схемы есть недостаток: для «сырых» образцов не производится оценка пористости до экстракции, что некритично для традиционных коллекторов, тогда как для коллекторов с наличием глинистых минералов, а также минералов, разрушающихся при взаимодействии с водой, оценка пористости может быть неточной по причинам сушки при пониженных температурах (глины), разбухания (монтмориллонит) или растворения минералов (ангидриты, галит).
Для оптимизации активации скважинных приборов и оценки влияния различных типов смачиваемости на показания ЯМР необходимо моделирование в образцах керна условий флюидонасыщенности, максимально приближенных к условиям проведения ГИС. При поднятии керна из скважины на поверхность происходит снижение давления флюидов в поровом пространстве керна, что способствует разгазированию нефти и вытеснению флюидов из керна. Соответственно, флюидонасыщенность керна, поднятого на поверхность, не соответствует флюидонасыщенности в пласте. Для моделирования флюидонасыщенности керна такой же, как и в пласте необходимо 100% заполнение всех пор флюидом, т.е. донасыщение образцов керна флюидом. Поэтому, чтобы уточнить петрофизическую модель интерпретации ГИС, необходимо использовать результаты, полученные на донасыщенном флюидом керне, что соответствует схеме, представленной на фиг. 1.
Дополнительно, для повышения гибкости программы исследований естественно-насыщенных образцов керна из различных типов горных пород предлагается поровый объем в образцах керна, не заполненный флюидами, определять двумя способами: методом ЯМР после донасыщения нефтью/керосином или другими технологическими жидкостями, например, фильтратом бурового раствора (ФБР) и газоволюметрическим методом, насыщением образцов газом (гелий, азот) тогда, когда необходимо сохранить насыщенность образца жидкими флюидами в исходном состоянии. Использование газоволюметрического метода, реализованного в порозиметрах-пермеаметрах типа АР-608, ПИК-ПП и их аналогах, позволяет оценить пористость образцов при барических нагрузках, что повышает точность оценки пористости с наличием микротрещиноватости, например, в нефтематеринских породах. Донасыщение образцов керна ФБР позволяет проводить изучение кавернозных образцов керна Восточной Сибири, насыщенных пластовыми водами с наличием парамагнитиков, искажающих спектр времен релаксации Т2 при насыщении образцов пластовой водой [Изучение керна методом ЯМР. Опыт ТННЦ, Гильманов Я.И., Саломатин Е.Н., Николаев М.Ю., Загидуллин М.И., Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть», №3 2014, Оценка влияния проникновения фильтрата бурового раствора в кавернозных коллекторах пласта Б5 Даниловского месторождения на результаты ЯМК. Нефтяная провинция 4/2020 (декабрь). Гильманов Я.И., Загидуллин М.И., Кузнецов Е.Г., А.Г. Потапов, Д.А. Локшин].
В заявляемом способе определяется общая пористость, которая включает в себя открытую и закрытую пористости. Объектом исследования являются естественно-насыщенные образцы горных пород. В качестве рабочего агента используют флюиды, которые насыщают поровое пространство после подъема керна на поверхность, а также жидкости (нефть, керосин, фильтрат бурового раствора и т.д.) используемые для донасыщения образцов керна с сохраненной насыщенностью, что обеспечивает максимальное подобие изучаемого объекта в лабораторных условиях и скважинных условия при проведении ЯМК. Способ не разрушает образец (нет необходимости создания калибровочного объема в образце), чего нельзя выполнить при использовании способа измерений с использованием инертного газа. В случае измерений эффективного порового объема образцов газоволюметрическим методом в предлагаемом способе используют широко распространенные петрофизические установки.
При проведении исследований пористости и остаточной водонасыщенности используют естественно-насыщенные образцы, отобранные из керна отобранного по изолированной технологии (РВО) или пробуренного на РНО/РУО. Соблюдение этих условий позволяет изучать образцы в состоянии максимального подобия к условиям их залегания как по флюидонасыщенности, смачиваемости, так и состоянию минеральной компоненты, что позволяет получить максимально точные данные, пригодные для интерпретации ядерно-магнитного каротажа для различных типов горных пород. Также в способе определяют пористость, оценка которой для многих типов коллекторов является затруднительной или проводится с высокими погрешностями (нефтематеринские породы, слабоконсолидированные/неконсолидированные породы, глинистые породы и породы с наличием водонабухающих глин, ангидритизированные и засолоненные породы и т.д.) для которых этап экстрагирования, сушки и насыщения пластовыми флюидами может привести к искажению в определении пористости.
Преимущество заявляемого способа состоит в том, что нет необходимости подвергать образец сушке и повторному насыщению и отслеживать, чтобы испарилась вся вода и не испарились легкие фракции нефти. Достаточно знать объемы всех флюидов, содержащихся в образцах и их водородные индексы, далее рассчитать эффективный водородный индекс смеси флюидов и сделать на него поправку в коэффициент общей пористости по ЯМР. Это менее энерго- и трудозатратно, а также занимает гораздо меньше времени.
Для способа используют естественно-насыщенные образцы с сохраненной смачиваемостью и структурой минеральных компонентов (в том числе и набухающих при контакте с водой), исследование которых позволяет получить максимально точные данные, пригодные для интерпретации ядерно-магнитного каротажа.
Указанный технический результат достигается тем, что определение коэффициента общей пористости естественно-насыщенных образцов керна из нефтематеринских пород, слабоконсолидированных/неконсолидированных пород и др. комплексным методом характеризуется следующей последовательностью: отбирают естественно-насыщенные образцы керна. Сразу после отбора образцы упаковывают в двойной слой пищевой пленки и помещают в отдельный бюкс. Для сохранения флюидонасыщенности естественно-насыщенных образцов оперативно проводят подготовительные операции (снятие размеров).
ямр при е.н.
После этого образцы керна поступают на исследование методом ЯМР при естественном насыщении. Производят определение объемной флюидонасыщенности КП методом ЯМР с учетом поправки за водородный индекс (ВИ) флюидов, насыщающих поровое пространство. Так как в поровом пространстве образцов нефтематеринских пород содержатся несколько флюидов, то эффективный водородный индекс одновременно всех флюидов будет отличен от единицы.
Эффективный водородный индекс (ВИ) - это соотношение количества атомов водорода в заданном объеме нескольких исследуемых жидкостей к количеству атомов водорода в этом же объеме дистиллированной воды при стандартных значениях давления и температуры.
Одним из способов определения эффективного водородного индекса, является способ, основанный на определении изменения объема флюидов, насыщающих поровое пространство исследуемых образцов дробленой пробы двумя методами до и после экстракции. С одной стороны, изменение объема порового флюида до и после экстракции определяется методом ядерно-магнитного резонанса. Ввиду отличного от единицы водородного индекса, у исследуемого флюида будет зафиксировано кажущееся изменение объема порового флюида. С другой стороны, изменение этого же объема определяется газоволюметрическим методом как разность объемов твердой фазы до и после экстракции. После очистки порового пространства от флюидов измеренный объем твердой фазы изменится на величину объема флюидов. А разность объема твердой фазы до и после экстракции будет являться истинным объемом флюидов, содержащихся в исследуемом образце. Водородный индекс будет определяться как отношение кажущегося объема к истинному [RU 2748894 С1, МПК G01N 33/24, G01N 24/08, опубл. 01.06.2021].
гелий при е.н.
Далее образцы поступают на определение пористости газоволюметрическим методом в естественно-насыщенном состоянии Кп, который позволяет определить часть порового пространства, которая связана с потерей легких углеводородов при подъеме керна на поверхность.
Соответственно, общая пористость образов при естественном насыщении, определенная комплексным методом, будет равна сумме объемной флюидонасыщенности по ЯМР с учетом поправки за водородный индекс и пористости, определенной газоволюметрическим методом.
После измерения объемной флюидонасыщенности по ЯМР образцы помещают под слой флюида в виде керосина или углеводородов и выдерживают их под вакуумом до прекращения выделения пузырьков воздуха, затем образцы помещают в сатуратор, где их выдерживают в течение минимум 2 часов с избыточным давлением в 15 МПа.
ямр при е.н. с дон.кер.
Далее производят определение коэффициента общей пористости образцов методом ЯМР, донасыщенных флюидом Кп с учетом поправки за ВИ флюидов [RU 2748894 С1, МПК G01N 33/24, G01N 24/08, опубл. 01.06.2021], насыщающих поровое пространство.
Сущность изобретения заключается в определении коэффициента общей пористости естественно-насыщенных образцов керна, отобранных из нефтематеринских пород, слабоконсолидированных/неконсолидированных пород, глинистых пород, засолоненных пород и др. комплексным методом, основанным на использовании метода ЯМР и газоволюметрического метода при необходимости, которые являются наиболее щадящими и неразрушающими методами изучения образцов керна.
Предложенный способ определения пористости характеризуется следующей последовательностью: из кернового материала, отобранного по изолирующей технологии (минимизация влияния ФБР, рекомендуется парафинирование образцов керна на буровой, добавки трассеров в буровой раствор для контроля наличия ФБР) согласно программе исследований отбирают естественно-насыщенные образцы керна. После доставки парафинированных образцов керна производят вскрытие парафина и изготовление цилиндрических образцов необходимого размера и технических возможностей ЯМР-релаксометра. Сразу после отбора образцы упаковывают в двойной слой пищевой пленки и кладут в отдельный бюкс.
ямр при е.н.
Далее образцы керна поступают на исследование методом ЯМР при естественном насыщении. Производят определение объемной флюидонасыщенности Кп методом ЯМР с учетом поправки за ВИ флюидов.
Водородный индекс флюидов при естественном насыщении рассчитывается с помощью способа, основанного на определении изменения объема флюидов, насыщающих поровое пространство исследуемых образцов дробленой пробы двумя методами до и после экстракции [RU 2748894 С1, МПК G01N 33/24, G01N 24/08, опубл. 01.06.2021].
гелий при е.н.
Далее образцы поступают на определение пористости газоволюметрическим методом в естественно-насыщенном состоянии Кп, который позволяет определить часть порового пространства, которая связана с потерей легких углеводородов при подъеме керна на поверхность.
Соответственно, общая пористость образов при естественном насыщении, определенная комплексным методом, будет равна сумме объемной флюидонасыщенности по ЯМР с учетом поправки за водородный индекс и пористости, определенной газоволюметрическим методом.
После измерения объемной флюидонасыщенности по ЯМР образцы помещают под слой флюида в виде керосина или углеводородов и выдерживают их под вакуумом до прекращения выделения пузырьков воздуха, затем образцы помещают в сатуратор, где их выдерживают в течение минимум 2 часов с избыточным давлением в 15 МПа.
ямр при е.н. с дон.кер.
Далее производят определение коэффициента общей пористости образцов методом ЯМР, донасыщенных флюидом Кп с учетом поправки за ВИ флюидов [RU 2748894 С1, МПК G01N 33/24, G01N 24/08, опубл. 01.06.2021], насыщающих поровое пространство.
Практически способ применяют следующим образом.
Заявленное изобретение опробовано на естественно-насыщенных образцах керна, отобранных из скважины 5521.
Объектом исследования в скважине 5521 являются образцы в естественно-насыщенном состоянии, отобранные из отложений баженовской (тутлеймской) свиты. В основном образцы керна представлены кероген-глинисто-кремневой породой и алевролитами глинистыми, алевролитами разнозернистыми глинистыми, алевролитами мелкозернистыми глинистыми и аргиллитами алевритовыми.
Объектом исследования в скважине являются образцы в естественно-насыщенном состоянии, отобранные из отложений баженовской свиты. В основном образцы керна представлены глинисто-кремневой породой, кремнево-глинистой породой, карбонатно-глинисто-кремневой породой, известняком апорадиоляритовым, доломитом апорадиоляритовым и аргиллитом алевритистым.
Для определения коэффициента общей пористости в скважине 5521 в лабораторных условиях методом ЯМР отобрали коллекцию из 15 образцов: 5 образцов из пласта ЮК0, 10 образцов из пласта ЮК1 из естественно-насыщенного керна, выбуренного по изолирующей технологии.
Для определения коэффициента общей пористости в скважине 33Р Назымского ЛУ в лабораторных условиях методом ЯМР отобрали коллекцию из 51 образца: 50 образцов из тутлеймской свиты, 1 образец из фроловской свиты из естественно-насыщенного керна, выбуренного по изолирующей технологии.
Для предотвращения испарения флюидов из отобранных образцов, их обернули в 2 слоя пищевой пленки и поместили в бюксы. Перед началом ЯМР измерений определили геометрические размеры образцов (Таблица 1, столбцы 6, 7). Затем на образцах определили объемную флюидонасыщенность при естественном насыщении методом ЯМР (Таблица 1, столбец 8) с учетом поправки за ВИ флюидов с помощью ЯМР-релаксометра GeoSpec DRX-HF производства компании «Magnetic Resonance» научно-промышленного объединения «Oxford Instruments».
Далее на образцах определили пористость газоволюметрическим методом с помощью порозиметра-пермеаметра типа АР-608, ПИК-ПП (Таблица 1, столбец 9).
Рассчитали общую пористость образов при естественном насыщении по формуле (2) (Таблица 1, столбец 10).
Поместили образцы под слой керосина и выдержали под вакуумом до прекращения выделения пузырьков воздуха. Затем образцы выдержали в сатураторе при избыточном давлении 15 МПа в течение 2 часов и определили коэффициент общей пористости методом ЯМР, донасыщенных флюидом с учетом поправки за ВИ флюидов (Таблица 1, столбец 11).