Оценка смачиваемости поверхности порового пространства горных пород на основе диффузионно-адсорбционной активности
DIFFUSION-ADSORPTION ACTIVITY BASED ROCKS PORE SPACE SURFACE WETTABILITY EVALUATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и исследований скважин (ГИС), эксплуатации нефтяных месторождений. Может быть использовано при разработке нефтяных и газовых залежей, при количественной интерпретации данных 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.
Наиболее известны следующие методы оценки смачиваемости.
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
1
где Q - теплота смачивания одного грамма изучаемого вещества водой;
2
Q - теплота смачивания того же вещества неполярной жидкостью, например, бензолом.
Для преимущественно гидрофильных объектов β>1, для гидрофобных
β<1.
1
Способ П.А. Ребиндера, имеющий четкую физическую основу, не получил, однако широкого применения в геофизической практике ввиду низких значений Q 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 гидрофобна. 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]
1
2
Известны методики оценки смачиваемости различных дисперсных веществ по определению методом ЯМР времени спин-решеточной релаксации T протонов при насыщении их водой и Т - при насыщении бензолом [Добрынин В.М., Венделыптейн 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 α»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
1
где m - масса образца после центрифугирования в керосине;
2
m - масса образца после 20 часов пребывания в дистиллированной воде;
3
m - 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.
1
2
3
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 m, m,m, а соответственно и М.
да
да
д
1
2
1
2
Известна методика оценки степени гидрофобности порового пространства через известный параметр диффузионно-адсорбционная активность Ада, принятая нами за прототип [Патент №2237162. Оценка степени гидрофобности порового пространства горных пород с использованием диффузионно-адсорбционной активности. /Л.М. Шишлова, С.Н. Сидорович (Россия), //Бюл. - 2004. - №27], согласно которой проводят измерения на керновом материале диффузионного потенциала Ед, диффузионно-адсорбционного Еда, диффузионно-адсорбционная активность Ада рассчитывается по формуле А=(Е-Е)/lg С/С, где С и С - концентрации контактирующих с породой растворов.
да
Оценка смачиваемости поверхности порового пространства через параметр А 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 компонент, содержанием на поверхности порового пространства породы ДЭС [Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю. и др. Петрофизика - М.: «Недра», 1991 г., стр. 52, стр. 178].
Недостатком прототипа является то, что согласно этой методике выделяются образцы керна лишь по степени гидрофобности поверхности порового пространства.
Задачей изобретения является оценка смачиваемости (фильно-фобных свойств) поверхности порового пространства пород - коллекторов с использованием диффузионно-адсорбционной активности Ада, определенной с использованием петрофизической зависимости «керн-керн» вида  и в целом расширение комплекса петрофизических исследований на керновом материале и соответственно петрофизического обеспечения количественной интерпретации данных ГИС, петрофизического обеспечения эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.
да
Техническим результатом изобретения является выделение на количественном уровне области вида смачиваемости (фильно-фобных свойств) поверхности порового пространства; упрощение технологии оценки смачиваемости поверхности порового пространства горных пород; расширение возможностей использования известных петрофизических параметров диффузионно-адсорбционная активность А и относительная глинистость 1)гл до новому назначению.
д
Указанный технический результат достигается тем, что при оценке смачиваемости поверхности порового пространства горных пород на основе диффузионно-адсорбционной активности, включающей насыщение образца аналогом пластовой воды, измерение естественного потенциала диффузионного происхождения Е и электрохимического потенциала Еда, определение диффузионно-адсорбционной активности , использование значения диффузионно-адсорбционной активности Ада для количественной оценки гидрофобности порового пространства, согласно изобретению определяют значение относительной глинистости  на основе значений Ада и  получают петрофизическую зависимость «керн-керн» вида , определяют значение диффузионно-адсорбционной активности Ада.гр, соответствующее границе коллектор -не коллектор, при этом область коллектора Ада<Ада.гр., определяют значение диффузионно-адсорбционной активности Ада,ф, соответствующее границе гидрофобная порода - порода смешанной смачиваемости и в соответствии с значением Ада.ф выделяют область гидрофобного коллектора, при котором Ада<Ада.ф и область смешанной смачиваемости (Ада.ф÷Ада.гр), при этом при большей гидрофильной поверхности порового пространства коллектора Ада ближе к значению Ада=Ада.гр.
да
Предлагается оценивать смачиваемость (фильно-фобные свойства) поверхности порового пространства также на основе диффузионно-адсорбционной активности А как и в прототипе, но определенной с использованием (по новому назначению) петрофизической зависимости «керн - керн» вида . Где  относительная глинистость - это величина, показывающая относительное (процентное) содержание глинистой фракции в объеме порового пространства породы. На количественном уровне выделяются образцы керна из коллектора, затем в объеме керна - коллектора выделяются образцы с гидрофобной, смешанной (в разной степни гидрофильной) поверхностью порового пространства.
да
Согласно литературным данным [Методические рекомендации по подсчету геологических запасов нефти и газа объемным методом. Под редакцией В.И. Петерсилье, В.И. Пороскуна, Г.Г. Яценко. - Москва-Тверь: ВНИГНИ, НПЦ «Тверьгеофизика», 2003.; Вендельштейн Б.Ю. Исследование разрезов нефтяных и газовых скважин методом собственных потенциалов. - М.: «Недра», 1966 г] относительная глинистость  используется для выделения области коллектора (фигура). На фигуре показана зависимость диффузионно-адсорбционной активности А пород от относительной глинистости  для песчаников и алевролитов Туймазинского месторождения [Вендельштейн Б.Ю. Исследование разрезов нефтяных и газовых скважин методом собственных потенциалов - М.: «Недра», 1966 г] 1 - породы - коллекторы, 2 - породы - не коллекторы, 3 - линия регрессии]. Для большей части продуктивных отложений мезозоя и верхнего палеозоя Волго-Уральской провинции, Западной Сибири, Мангышлака  (среднее ) при глубине залегания коллектора до 4000 м. для глубоко залегающих (более 4000 м.) пород палеозоя и мезозоя Днепровско-Донецкой впадины, Северного Кавказа, Прикаспия  (среднее ) [Методические рекомендации по подсчету геологических запасов нефти и газа объемным методом. Под редакцией В.И. Петерсилье, В.И. Пороскуна, Г.Г. Яценко. - Москва-Тверь: ВНИГНИ, НПЦ «Тверьгеофизика», 2003].
С другой стороны, в работах [Ханин А.А. Остаточная вода в коллекторах нефти и газа. Гостоптехиздат, 1963; Энгельгарт В. Поровое пространство осадочных пород. Изд-во «Недра», 1964; Вендельштейн Б.Ю. Исследование разрезов нефтяных и газовых скважин методом собственных потенциалов - М.: «Недра», 1966] отмечается, что при значении относительной глинистости  среднее  поровое пространство представлено в основном субкапиллярами. Согласно [Кобранова В.Н. Петрофизика. Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Недра, 1986] в основу классификации пор по размерам положены данные о характере связи поровой жидкости с твердой компонентой и ее передвижении в порах - в субкапиллярных порах природные воды почти нацело прочносвязаны с твердым компонентом породы и адсорбированными ионами.
Оценка смачиваемости поверхности порового пространства проводится в следующей последовательности.
с
1
2
Отмытый (в установке Сокслета) от углеводородов и солей образец горной породы и высушивают при температуре 103-105°С до постоянной массы М. Приготавливают рабочие растворы соли NaCl концентраций C и С, являющимися соответственно аналогами пластовой воды и промывочной жидкости. Насыщают образец раствором рабочей жидкости (аналогом пластовой воды) используя установку насыщения. Определяют  - масса насыщенного рабочей жидкостью образца в воздухе. Определяют Мнв - масса насыщенного рабочей жидкостью образца, находящегося в этой рабочей жидкости. Рассчитывают коэффициент открытой пористости по формуле
гл
Проводят гранулометрический анализ, где определяется весовая глинистость С. Относительная глинистость рассчитывается по формуле
Собирают электрохимическую цепь для измерения диффузионной эдс Ед и производят измерения Ед с использованием измерительных средств напряжения. Собирают электрохимическую цепь для измерения диффузионно-адсорбционной эдс Еда и производят измерения Еда через определенные промежутки времени до установления Eдa=const. Рассчитывают диффузионно-адсорбционную активность по формуле
да
да
д
1
2
А=(Е-Е)/lg С/С
да
да.гр
да
да.гр
да,ф
да.ф
Далее на основе значений А и , определенных согласно описанному выше, получают петрофизическую зависимость «керн - керн» вида . Подставив в полученное уравнение  значение  определяют значение диффузионно-адсорбционной активности Асоответствующее границе коллектор - не коллектор. Область коллектора А<А. Подставив в уравнение  значение  определяют значение диффузионно-адсорбционной активности А, соответствующее границе гидрофобная порода - порода смешанной смачиваемости. В соответствии с значением А выделяют:
да
да.ф
1) область А<А - область гидрофобного коллектора;
да.ф
да.гр
да
да
да.гр
2) область (А÷А) - область смешанной смачиваемости, причем, чем ближе А к значению А=А, тем в большей степени будет гидрофильной поверхность порового пространства коллектора.
Таким образом, предложенный способ оценки смачиваемости поверхности порового пространства горных пород позволяет:
- выделить область коллектора;
- выделять области вида смачиваемости поверхности порового пространства горных пород в области коллектора;
- оптимизировать процесс оценки смачиваемости за счет расширения информативности уже известных параметров Ада,  и петрофизической зависимость «керн - керн» вида , которая используется при интерпретации геофизического метода исследования скважин - ПС, по новому назначению;
- расширить комплекс петрофизических исследований в целом;
- разработать (в перспективе) оценку смачиваемости поверхности порового пространства по данным геофизического метода собственных потенциалов ПС.