СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПО ЖИДКОСТИ ОБРАЗЦОВ КЕРНА
METHOD FOR STUDYING THE LIQUID PERMEABILITY OF CORE SAMPLES

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано при проектировании разработки нефтяных месторождений.
Известен способ исследования пористости и проницаемости образцов керна (патент РФ № 2625536, опубл. 14.07.2017), включающий фильтрацию через образцы керна флюида при одновременном воздействии на них эффективных напряжений различной величины до стабилизации проницаемости образцов керна минимум на трех режимах воздействия.
Недостатком способа является то, что не учитывается изменение проницаемости при деформировании образцов вследствие возникновения и развития в них трещин.
Известен способ исследования проницаемости образцов керна с трещинами (патент РФ № 2620872, опубл. 30.05.2017), включающий совместное воздействие фильтрации воды и эффективных напряжений на образцы керна с единичной трещиной, проведение исследования образцов керна при циклическом увеличении и уменьшении эффективных напряжений и определение величины изменения проницаемости трещин за счет упругих деформаций образца керна.
Недостатком способа является его низкая точность, обусловленная тем, что не определяется ориентированность искусственных трещин.
Известен способ исследования влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационные характеристики (Ковхуто А. М. и др. Влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационные характеристики и дебиты скважин (на примере залежей Речицко-Вишанской зоны поднятий Припятского прогиба) // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2015. - № 3. - С. 56-62.), включающий исследование влияния изменения давления обжима на проницаемость образцов горной породы.
Недостатком способа является его низкая точность, обусловленная тем, что изменение проницаемости получают за счет изменения давления обжима, а не порового давления.
Известен способ исследования проницаемости по жидкости горных пород при их деформировании (Земисев В.Н., Карташов Ю.М., Ильинов М.Д., Карманский А.Т., Козлов В.А. Исследование проницаемости горных пород при их деформации. Горная геомеханика и маркшейдерское дело: Сборник научных трудов. - СПб.: ВНИМИ, 1999. - М-во топлива и энергетики РФ, РАН, - с. 65-69), включающий совместное воздействие на образец фильтрации жидкости и изгибающих нагрузок; проведение исследования образца на стадиях деформирования до и за пределом прочности при изменении (увеличении) давления фильтрации и осевом сжатии нагрузочным элементом (сферическим индентором или плоским пуансоном); определение зависимости изменения показателя проницаемости (коэффициента фильтрации) от деформации образца.
Недостатком способа является низкая точность, обусловленная сложностью измерения деформаций тонких плоских образцов при контактных испытаниях. Возможности способа ограничены определением проницаемости породы-коллектора при совместном действии растягивающих и сжимающих напряжений в условиях «чистого сдвига».
Известен способ исследования проницаемости составных образцов керна с трещинами (статья: Yu J. et al., Triaxial test research on mechanical properties and permeability of sandstone with a single joint filled with gypsum //KSCE Journal of Civil Engineering. - 2016. - Т. 20. - № 6. - С. 2243-2252), принятый за прототип, заключающийся в том, что на образцы керна, одетые в термоусадочную оболочку, с одиночными искусственными трещинами оказывают совместное воздействие фильтрации жидкости и эффективных напряжений; проводят исследование проницаемости образцов осевым сжатием на стадиях деформирования до и за пределом прочности при постоянных значениях бокового давления.
Недостатком способа является невысокая точность определения проницаемости породы-коллектора с трещинами на составных образцах, обусловленная неоднородностью вещественного состава и структуры, вносимыми искусственным заполнителем трещин. Другим недостатком способа является его сложность, обусловленные изготовлением и испытанием серии сборных образцов с искусственными трещинами, ориентированными под разными углами наклона.
Техническим результатом является повышение точности определения абсолютной проницаемости породы-коллектора с трещинами в образце керна.
Способ поясняется следующими фигурами:
1
пор
1
1
фиг. 1 - графики зависимости максимального эффективного напряжения (σ- Р) от относительной осевой деформации ε образца и абсолютной проницаемости K от относительной осевой деформации ε;
пор
фиг. 2 - графики зависимости абсолютной проницаемости K от величины порового давления (Р) в образце при начальных пластовых условиях, в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности;
1
пор
1
1
фиг. 3 - графики зависимости максимального эффективного напряжения (σ- Р) от относительной осевой деформации ε образца и абсолютной проницаемости K от относительной осевой деформации ε;
пор
фиг. 4 - графики зависимости абсолютной проницаемости K от величины порового давления Р в образце при начальных пластовых условиях, в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности;
1
пор
1
1
фиг. 5 - графики зависимости максимального эффективного напряжения (σ- Р) от относительной осевой деформации ε образца и абсолютной проницаемости K от относительной осевой деформации ε;
пор
фиг. 6 - графики зависимости абсолютной проницаемости K от величины порового давления (Р) в образце при начальных пластовых условиях, в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности.
Способ осуществляется следующим образом. На первом этапе отбирают минимум два образца керна из продуктивного горизонта, одинаковых по происхождению. Образцы керна, экстрагируют, например в оборудовании SOX-5000 и высушивают, например в оборудовании Binder FED 115, для удаления любых жидкостей и примесей, находящихся в поровом пространстве. Один из подготовленных образцов испытывают на прессовом оборудовании, предназначенном для одноосного сжатия, например MTS Insight, для получения зависимости относительной продольной деформации от величины осевой нагрузки. Далее, используя ПО, например Microsoft Excel, строят экспериментальную кривую деформирования, которая необходима для определения диапазона значений длительной, кратковременной и остаточной прочности образца, по полученным показаниям датчиков продольной деформации и динамометра.
Второй образец, насыщенный жидкостью, испытывают при совместном воздействии фильтрации жидкости и эффективных напряжений для проведения исследования проницаемости образца при осевом сжатии на стадиях деформирования до и за пределом прочности при постоянных значениях бокового давления, в установке камере трехосного сжатия, например GCTS RTR 1500, позволяющей определять изменение проницаемости по жидкости. Перед испытанием образец одевают в термоусадочную оболочку для предотвращения проникновения рабочей жидкости технического масла, применяемой для создания гидростатического бокового давления. Затем образец помещают в установку и приводят его к реальным условиям залегания. Для этого в камере трехосного сжатия создают заданное гидростатическое давление, величину которого выбирают из диапазона значений, соответствующих горизонтальному напряжению в реальном массиве, и начальное поровое давление, соответствующее исходному пластовому давлению. Значения осевой нагрузки, гидростатического и порового давления задаются и контролируются через ПО.
Далее на стадии, соответствующей начальным пластовым условиям, проводят фильтрационные испытания образца при постоянном значении осевой деформации до предела прочности, при постоянных значениях бокового давления и ступенчатом уменьшении и увеличение порового давления в диапазоне, соответствующем условиям разработки пласта. Фильтрация жидкости на каждой ступени продолжается до стабилизации проницаемости. Исследуют изменение проницаемости по жидкости от эффективных напряжений в различных механических состояниях за счет постепенного развития в образце систем микротрещин.
Далее, увеличив осевую деформацию, на стадии упругого деформирования проводят фильтрационные испытания образца при постоянном значении осевой деформации до предела длительной прочности при постоянных значениях бокового давления и ступенчатом уменьшении и увеличение порового давления в диапазоне, соответствующем условиям разработки пласта. Фильтрация жидкости на каждой ступени продолжается до стабилизации проницаемости. Исследуют изменение проницаемости по жидкости от эффективных напряжений в различных механических состояниях за счет постепенного развития в образце систем микротрещин.
Далее, увеличив осевую деформацию, на стадии неупругого деформирования проводят фильтрационные испытания образца при постоянном значении осевой деформации до предела кратковременной прочности при постоянных значениях бокового давления и ступенчатом уменьшении и увеличение порового давления в диапазоне, соответствующем условиям разработки пласта. Фильтрация жидкости на каждой ступени продолжается до стабилизации проницаемости. Исследуют изменение проницаемости по жидкости от эффективных напряжений в различных механических состояниях за счет постепенного развития в образце систем макротрещин.
Далее, увеличив осевую деформацию и разрушив образец, на стадии запредельного деформирования проводят фильтрационные испытания образца при постоянном значении осевой деформации после предела кратковременной прочности при постоянных значениях бокового давления и ступенчатом уменьшении и увеличение порового давления в диапазоне, соответствующем условиям разработки пласта. Фильтрация жидкости на каждой ступени продолжается до стабилизации проницаемости. Исследуют изменение проницаемости по жидкости от эффективных напряжений в различных механических состояниях за счет сквозных трещин.
Затем, по показаниям перемещения поршня порового давления, высчитывают, используя ПО, например Microsoft Excel,  количество жидкости профильтрованное через образец и поставив это значение в формулу Дарси для прямолинейно-параллельного потока, определяют абсолютную проницаемость в начальных пластовых условиях, в напряженных состояниях длительной, кратковременной и остаточной прочности, и изменение проницаемости образца за счет микротрещин, макротрещин и сквозных трещин по формулам:
,
0
где K - эффективная проницаемость образца керна, соответствующая начальным пластовым условиям;
L
K - эффективная проницаемость образца керна, соответствующая напряженному состоянию длительной прочности (полученная на стадии упругого деформирования);
F
K - эффективная проницаемость образца керна, соответствующая напряженному состоянию кратковременной прочности (полученная на стадии неупругого деформирования);
R
K - эффективная проницаемость образца керна, соответствующая остаточной прочности (полученная на стадии запредельного деформирования);
L
ΔK - изменение проницаемости образца за счет микротрещин;
F
ΔK - изменение проницаемости образца за счет макротрещин;
R
ΔK - изменение проницаемости образца за счет сквозных трещин;
Полученные значения абсолютной проницаемости образца керна, определенные при начальных пластовых условиях и в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности, допустимо рассматривать как оценочные показатели проницаемости породы-коллектора, ненарушенного, ослабленного системами микротрещин, макротрещин или сквозных трещин, соответственно. Которые используются для корректировки основных параметров разработки месторождения, например накопленная добыча нефти при его проектировании.
сж
Способ поясняется следующим примером. Для проведения экспериментальных исследований были отобраны и подготовлены 4 терригенных образца горной породы. Для данной группы образцов был определен предел прочности на одноосное сжатие σ=27,4 МПа.
1
пор
1
пор
1
пор
1
1
пор
По результатам испытаний построены графики зависимости максимального эффективного напряжения (σ- Р),  где σ- Р - максимальное эффективное напряжение, равное разности между максимальным главным нормальным напряжением σ и поровым давлением Р от относительной осевой деформации ε образца и абсолютной проницаемости K от относительной осевой деформации ε (фиг. 1), и графики зависимости абсолютной проницаемости K от величины порового давления Р в начальных пластовых условиях, в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности (фиг. 2).
Результаты испытаний на Образце № 1 представлены в Таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Значения абсолютной проницаемости песчаника в трех точках (при максимальном значении порового давления (в начале испытания), минимальном значении порового давления, при максимальном значении порового давления (в конце испытания))
°
K<sub>0</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>L</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>F</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>R</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
Образец № 1
1,800
1,352
1,111
0,902
1,251
1,117
0,895
0,790
1,673
1,119
0,943
0,755
Таблица 2. Изменение абсолютной проницаемости за счет микротрещин, макротрещин  и сквозных трещин
ΔK<sub>L</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
ΔK<sub>F</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
ΔK<sub>R</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
При снижении порового давления
Образец № 1
-0,191
-0,342
-0,445
При повышении порового давления
Образец № 1
-0,236
-0,371
-0,472
-3
2
-3
2
-3
2
Установлено, что при уменьшении/увеличении порового давления в образце на стадии упругого деформирования вызывает развитие системы микротрещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,191/0,236⋅10мкм. Аналогично уменьшение/увеличение порового давления на стадии неупругого деформирования при напряжениях, превышающих предел длительной прочности, способствует постепенному срастанию отрывных и сдвиговых микротрещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,342/0,371⋅10мкм. На запредельной стадии деформирования уменьшение порового давления способствуют развитию сквозных трещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,445/0,472⋅10мкм.
1
пор
1
1
пор
По результатам испытаний построены графики зависимости максимального эффективного напряжения (σ- Р) от относительной осевой деформации ε образца и абсолютной проницаемости K от относительной осевой деформации ε (фиг. 3), и графики зависимости абсолютной проницаемости K от величины порового давления (Р) в начальных пластовых условиях, в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности (фиг. 4).
Результаты испытаний на Образце № 2  представлены в Таблицах 3 и 4.
Таблица 3. Значения абсолютной проницаемости песчаника (при максимальном значении порового давления (в начале испытания), минимальном значении порового давления, при максимальном значении порового давления (в конце испытания))
°
K<sub>0</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>L</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>F</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>R</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
Образец №2
1,337
1,079
0,980
0,802
1,171
0,891
0,812
0,646
1,156
1,037
0,823
0,662
Таблица 4. Изменение абсолютной проницаемости за счет микротрещин, макротрещин  и сквозных трещин
ΔK<sub>L</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
ΔK<sub>F</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
ΔK<sub>R</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
При снижении порового давления
Образец № 2
-0,214
-0,285
-0,423
При повышении порового давления
Образец № 2
-0,171
-0,297
-0,438
-3
2
-3
2
-3
2
Установлено, что при уменьшении/увеличении порового давления в образце на стадии упругого деформирования вызывает развитие системы микротрещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,214/0,171⋅10мкм. Аналогично уменьшение/увеличение порового давления на стадии неупругого деформирования при напряжениях, превышающих предел длительной прочности, способствует постепенному срастанию отрывных и сдвиговых микротрещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,285/0,297⋅10мкм. На запредельной стадии деформирования уменьшение порового давления способствуют развитию сквозных трещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,423/0,438⋅10мкм.
1
пор
1
1
пор
По результатам испытаний строят графики зависимости максимального эффективного напряжения (σ- Р) от относительной осевой деформации ε образца и абсолютной проницаемости K от относительной осевой деформации ε (фиг.5), и графики зависимости абсолютной проницаемости K от величины порового давления (Р) в начальных пластовых условиях, в предельных напряженных состояниях, соответствующих длительной, кратковременной и остаточной прочности (фиг. 6).
Результаты испытаний на Образце № 3 представлены в Таблицах 5 и 6.
Таблица 5. Значения абсолютной проницаемости песчаника (при максимальном значении порового давления (в начале испытания), минимальном значении порового давления, при максимальном значении порового давления (в конце испытания))
°
K<sub>0</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>L</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>F</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
K<sub>R</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
Образец №3
1,066
0,832
0,722
0,425
0,591
0,507
0,460
0,406
0,924
0,781
0,523
0,319
Таблица 6. Изменение абсолютной проницаемости за счет микротрещин, макротрещин  и сквозных трещин
ΔK<sub>L</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
ΔK<sub>F</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
ΔK<sub>R</sub>, ⋅10<sup>-3</sup>мкм<sup>2</sup>
При снижении порового давления
Образец №3
-0,192
-0,287
-0,498
При повышении порового давления
Образец №3
-0,150
-0,351
-0,521
-3
2
-3
2
-3
2
Установлено, что при уменьшении/увеличении порового давления в образце на стадии упругого деформирования вызывает развитие системы микротрещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,192/0,150⋅10мкм. Аналогично уменьшение/увеличение порового давления на стадии неупругого деформирования при напряжениях, превышающих предел длительной прочности, способствует постепенному срастанию отрывных и сдвиговых микротрещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,287/0,351⋅10мкм. На запредельной стадии деформирования уменьшение порового давления способствуют развитию сквозных трещин и, соответственно, способствует снижению абсолютной проницаемости относительно абсолютной проницаемости при начальных пластовых условиях на 0,498/0,521⋅10мкм.
Предлагаемый способ исследования проницаемости по жидкости образцов керна позволяет определить значение абсолютной проницаемости горной породы в начальных пластовых условиях, в напряженных состояниях длительной, кратковременной и остаточной прочности. Определить изменение абсолютной проницаемости образца за счет микротрещин, макротрещин и сквозных трещин.