CC BY
159
УДК 553.98
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЛАСТА
Е.Н. Главнова, В.П. Меркулов, Н.Г. Главнов*
Томский политехнический университет *ОАО «ТомскНИПИнефть»
E-mail: [email protected]
Средствами современных методов исследования характеристик пласта изучены проявления горизонтальной анизотропии проницаемости на различных масштабах: микро, мезо и макро. Проведен сравнительный анализ методик определения количественной оценки анизотропии. Показана возможность использования параметра средней скорости движения индикатора в пласте для оценки азимута оси максимальной проницаемости и величины анизотропии. Разработанная методика опробована на данных реального месторождения Западной Сибири.
Ключевые слова:
Анизотропия горизонтальной проницаемости, ориентированный керн и шлифы, индикаторные исследования, палеомагнитный метод. Key words:
Horizontal permeability anisotropy, oriented core, tracer injection research, paleomagnetic method.
В данной работе рассматривается проблема горизонтальной анизотропии проницаемости, которая выражается в неодинаковом распределении проницаемости к в различных направлениях в горизонтальной плоскости. Существует две основные причины возникновения анизотропии горизонтальной проницаемости. Первая причина - анизотропия напряжений, обуславливающая ориентацию трещин. Вторая причина связана с процессами осадконакопления, которые определяют внутреннее строение порового пространства осадка. Анизотропия проницаемости характеризуется тремя параметрами: ориентацией или азимутом направления максимальной оси проницаемости, величиной (отношение ктах/кп11п) и масштабом проявления.
Возможность выявления и последующего учета латеральной анизотропии основаны на изучении предварительно ориентированных в пространстве образцов керна, микроструктурном анализе пород по ориентированным шлифам, индикаторных исследованиях, гидродинамических исследованиях и анализе данных разработки.
Следует заметить, что вид анализа зависит от наличия необходимых данных, т. е. от степени изученности месторождения. Поскольку анизотропия горизонтальной проницаемости играет важную роль в распределении потоков флюидов в пласте, необходимо дать оценку анизотропии уже на самых ранних стадиях разработки месторождения для того, чтобы сформировать более эффективную систему заводнения. Однако исследования, направленные на определение анизотропии, проводятся крайне редко. Обычно первым признаком наличия анизотропии является резкий рост обводненности продукции скважин, расположенных в определенном направлении к нагнетательным скважинам.
Наиболее надежным методом определения анизотропии по латерали в настоящее время является метод гидропрослушивания, однако это достаточно дорогостоящая и длительная процедура, которая применяется крайне редко [1].
Данная работа посвящена сравнительному анализу методик исследований анизотропии горизонтальной проницаемости в зависимости от степени изученности месторождения. Условимся далее под анизотропией проницаемости понимать анизотропию проницаемости в горизонтальной плоскости.
Как отмечалось ранее, одним из параметров анизотропии является масштаб, который отражает неоднородность строения пород на определенном уровне: от ориентации зерен осадка на микроуровне до наличия непроницаемых барьеров или фильтрационных каналов на макроуровне.
Каждый тип исследований характеризует определенный масштаб. Так, шлифы - это микроуровень, исследования керна - мезоуровень, седимен-тационная модель, индикаторные и гидродинамические исследования - макроуровень. Очевидно, что наилучший подход для понимания природы анизотропии - это комбинирование результатов, получаемых на каждом отдельном уровне.
В качестве примера исследования анизотропии горизонтальной проницаемости рассмотрим Кра-пивинское месторождение, расположенное на южном склоне Каймысовского свода в Западной Сибири. Месторождение неоднородно по литологической характеристике и петрофизическим свойствам.
Нефтегазоносность месторождения приурочена к отложениям верхней юры, где выделяют васюганскую, георгиевскую и баженовскую свиты. Основные промышленные запасы связаны с пластом Ю13, который формировался в прибрежно-морской обстановке.
Пласт имеет покровный характер развития, общие толщины пласта изменяются от 16 м на востоке до 26 м на северо-западе месторождения. Резервуар относится к песчаникам регрессивного типа, где отмечается закономерное увеличение зернистости обломочного материала от подошвы к кровле резервуара.
Данное месторождение для исследования анизотропии проницаемости было выбрано по нескольким причинам: во-первых, достаточная изученность территории с точки зрения седиментологии,
во-вторьа, наличие большого количества разнообразных исследований (шлифы, керн, индикаторные исследования, данные по добыче), в-третьих, именно образцы с данного месторождения ориентировались палеомагнитным методом, и, наконец, данное месторождение имеет огромный промышленный потенциал, что усиливает важность исследований.
Одним из доказательств присутствия анизотропии проницаемости на месторождении является характер обводнения скважин, что может быть проиллюстрировано на примере истории работы скважин № 368 и № 102, 124, 357, 381.
На рис. 1, а, представлено состояние разработки сектора на март 2003 г. Следует отметить, что скважины № 102 и № 124 введены в разработку раньше, чем скважины № 357 и № 381. По истечении года (рис. 1, б) обводненность в скважинах № 357 и № 381 существенно выросла, в то время как в скважинах № 102 и № 124 изменилась незначительно. Данный факт может быть объяснен преимущественным движением закачиваемой воды в северовосточном направлении.
Для того, чтобы начать анализ на микроуровне, необходимо ориентировать образцы керна согласно сторонам света.
Пространственное ориентирование керна производится палеомагнитным методом, который основан на явлениях планетарного порядка, связанных с инверсиями (обращением полярности) древнего геомагнитного поля и способностью горных пород фиксировать направление этого поля в процессе формирования в виде вектора остаточной намагниченности [2]. Следует отметить, что остаточная намагниченность представляет собой векторную сумму первичной и вязкой намагниченности. Вязкая намагниченность обусловлена современным магнитным полем Земли и совпадает с ним по
направлению, тогда как первичная намагниченность характеризует древнее геомагнитное поле на момент формирования породы.
Доказано, что вязкая и первичная намагниченности отличаются по степени устойчивости к внешним воздействиям - нагревам и переменным магнитным полям. Вязкая намагниченность пород разрушается значительно быстрее, чем более устойчивая первичная [2]. Данный факт позволяет восстановить пространственную ориентацию керна по вязкому компоненту. Погрешность измерений при ориентировании керна зависит от магнитных свойств пород и используемой аппаратуры и изменяется в пределах от ±3 до ±8°.
Использование ориентированного керна позволяет фиксировать проявления упорядоченности структуры пород, а также связанных с ними анизотропных параметров.
Объект исследования - образцы керна из скважины № 187 Крапивинского месторождения, характеризующие отложения баженовской, георгиевской и васюганской свит. Для всех образцов был произведен комплекс исследований, включающий восстановление пространственной ориентации образцов керна палеомагнитным методом, изучение литолого-структурных особенностей в ориентированных шлифах и определение комплекса фильтрационно-емкостных свойств.
Согласно литологическому анализу коллектор представлен в основном аркозовыми и мезомикто-выми песчаниками [3]. При изучении ориентированных шлифов обнаруживается значительная степень ориентации зерен кварца. На рис. 2 представлен образец ориентированного шлифа, на котором можно заметить, что большая часть частиц ориентирована в северо-восточном направлении.
Однако это только качественная информация, для того, чтобы получить количественную интер-
(^) - Дебит воды, т/сут. ф} - Дебит нефти, т/сут. (^) - Приемистость, м3/сут. а б
Рис. 1. Дебиты и обводненность отслеживаемых скважин на март: а) 2003 г.; б) 2004 г.
претацию анизотропии (азимут и величину) использовался набор из 11 ориентированных шлифов. Процедура анализа заключалась в следующем: полярная плоскость разделяется на сектора по 15° и производится подсчет зерен, имеющих ориентацию оси удлинения в рамках каждого сектора.
Рис. 2. Образец ориентированного шлифа скв. № 187 (ширина шлифа 0,96 мм)
По результатам измерений в полярной системе координат строится роза-диаграмма (круговая диаграмма) распределения направлений осей удлинения зерен кварца для каждого ориентированного шлифа. Так, полученные роза-диаграммы для образцов скв. № 187 показывают, что ориентация осей удлинения зерен не постоянна и изменяется от образца к образцу в зависимости от глубины отбора. Можно выделить основное направление - северовосточное. Более того, следует отметить, что практически для всех образов обнаруживается бимодальное распределение (рис. 3, а).
Данный факт может быть объяснен с точки зрения седиментологии: так как осадок формировался в прибрежно-морской обстановке, предполагается, что на ориентацию зерен существенное влияние оказывали вдольбереговые течения и волно-при-бойная деятельность. Известно, что вдольберего-вые течения располагают зерна кварца параллельно береговой линии, в то время как волно-прибой-ные процессы ориентируют их перпендикулярно,
что и объясняет бимодальное распределение. Береговая линия во время формирования располагалась как раз в северо-восточном направлении [4].
Для того, чтобы охарактеризовать скважину в целом, необходимо получить обобщенную роза-диаграмму на основе уже имеющихся. Для этого производилось арифметическое осреднение количества зерен, попавших в один сектор, по всем шлифам. Полученное распределение представлено на рис. 3, б. Как и ожидалось распределение - бимодальное. Обобщенная роза-диаграмма сохранила северно-восточное направление [4].
Ориентация зерен оказывает значительное влияние на проницаемость породы. Как правило, ось максимальной проницаемости совпадает с направлением преимущественной ориентации пор.
Такая закономерность позволяет оценить направление анизотропии горизонтальной проницаемости, основываясь на данных микроструктурных исследований, а именно, используя обобщенную роза-диаграмму. Для этого данные обобщенной роза-диаграммы аппроксимировались эллипсом методом наименьших квадратов. Направление главной оси эллипса указывает на предпочтительную ориентацию удлинений зерен кварца и в нашем случае составляет 38° (рис. 3, б).
Таким образом, анализ микроструктуры ориентированных шлифов позволил определить направление анизотропии горизонтальной проницаемости на микроуровне.
Перейдем к рассмотрению анизотропии проницаемости на мезоуровне. Объект исследований на данном масштабе - образцы ориентированного керна. Образцы керна распиливались в ортогональных направлениях: параллельно предпочтительной ориентации зерен и перпендикулярно, предполагая, что эти направления соответствуют направлениям максимальной и минимальной проницаемости, соответственно.
По результатам измерений проницаемость, измеренная в направлении предпочтительной ориентации зерен, выше, чем в ортогональном направле-
Рис. 3. Распределение направлений осей удлинения зерен для образцов скв. № 187 (а); обобщенная роза-диаграмма и ее аппроксимация методом наименьших квадратов (б)
нии. Величина для всех образцов больше
единицы и находиться в пределах от 1,14 до 2,0 [4].
Таким образом, исследования на мезоуровне подтвердили наличие анизотропии проницаемости в горизонтальном направлении. Согласно полученным результатам, величина анизотропии находится в пределах от 1,1 до 2,0 и ориентирована в северо-восточном направлении.
Исследование анизотропии на макроуровне производилось с помощью анализа индикаторных исследований.
В поток нагнетаемой в пласт жидкости добавляют определенное количество индикатора и затем регистрируют момент появления и концентрацию индикатора во флюиде, поступающем из добывающих скважин [5]. Метод позволяет охарактеризовать строение и степень неоднородности межскважин-ного пространства, а также определить область влияния нагнетательной скважины. Исследования могут проводиться без остановки скважин, что является бесспорным преимуществом данного метода.
Основные параметры, получаемые при индикаторных исследованиях, следующие: максимальная и средняя скорости движения индикатора в пласте, количество извлеченного индикатора, время появления индикатора в добывающей скважине, при интерпретации которого с привлечением дополнительной информации можно определить характеристику пласта по проницаемости [6].
Как упоминалось ранее, одной из причин выбора Крапивинского месторождения является достаточно большое количество индикаторных исследований, что позволяет провести их статистическую обработку и сравнительный анализ с результатами, полученными при исследовании ориентированного керна.
Итак, на 16-и нагнетательных скважин, рассредоточенных по всей площади месторождения, были проведены индикаторные исследования. Для сравнения полученных данных необходимо привести все скважины в единую координатную систему, а именно, полярную систему координат, в которой
о
зоо/ \ \ \ ’—■■ ^7\зо / /• / \б0 / г*/*. /Л ¡¡•ГУ . • \
V \ / У ф/ / 240\ / >/* °/ 210\^/ • •• 7 * \ \ \ \ \ /12°
180
а
Рис. 4. Расположение скважин в единой полярной системе рость; б) фазовая проницаемость по воде
каждая точка на плоскости характеризуется парой чисел: полярным углом и радиусом.
Таким образом, каждая нагнетательная скважина помещается в начало координат, а связанные с ней добывающие скважины располагаются относительно нее согласно их реальному положению, т. е. под теми же углами. В качестве полярного радиуса используется один из регистрируемых параметров индикаторного исследования. Рис. 4 демонстрирует данное преобразование на базе средней скорости движения индикатора Га?е1 в пласте и фазовой проницаемости по воде.
Известно, что скорость движения индикатора и проницаемость находятся в линейной зависимости, т. е., говоря об анизотропии скорости, мы подразумеваем анизотропию проницаемости.
Как видно из рис. 4, оси максимальных средних скоростей и проницаемостей направлены на северо-восток, что подтверждает выводы, полученные при анализе на микро- и мезоуровнях; более того, на рисунке просматривается бимодальность в распределений свойств.
Для того, чтобы получить количественные параметры анизотропии (азимут и ктах/кт^п отношение), аппроксимируем эти точки эллипсом методом наименьших квадратов, тогда поворот эллипса относительно оси У даст азимут, а отношение осей эллипса - величину анизотропии.
Проведем аналогичную процедуру и для осред-ненных величин, т. е. осредним скорости и проницаемости скважин, лежащих в рамках одного 15° сектора (как и в случае ориентированных шлифов).
Полученные аппроксимации представлены на рис. 5, а, параметры анизотропии занесены в табл. 1.
Надо заметить, что средняя скорость - это параметр, регистрируемый непосредственно при проведении исследований, тогда как проницаемость является расчетной величиной. Параметры анизотропии, найденные при анализе двух этих величин, достаточно близки. Поэтому для определения анизотропии горизонтальной проницаемости можно использовать средние скорости.
о
б
, где в качестве радиуса использована: а) средняя ско-
а о
Рис. 5. Обобщенная роза-диаграмма и ее аппроксимация методом наименьших квадратов для: а) средней скорости; б) фазовой проницаемости по воде
Таблица 1. Параметры эллипса и анизотропии горизонтальной проницаемости
Параметры эллипса Точечные значения Осредненные значения
Va„, м/сут k, мкм2 Vver, м/сут k, мкм2
Максимальная ось 53,2 2,5 51,3 2,5
Минимальная ось 37,4 1,3 37,5 1,3
Азимут, ° 44 46 56 48
kmax/kmin 1,42 1,92 1,37 1,98
Параметры анизотропии проницаемости, полученные различными методами, представлены в табл. 2.
Таблица 2. Сравнительная характеристика параметров анизотропии на различных масштабах
Масштаб Микроуровень Мезоуровень Макроуровень
Азимут, ° 38 - 46
kmax/kmin - 1,1...2,0 1,4...1,9
Исследования на разных масштабах показали достаточно близкие результаты. Таким образом, анизотропия проницаемости в горизонтальном направлении на месторождении имеет северо-восточную ориентацию (азимут варьируется от 38 до 46°) и ЛщцДшт находится в пределах от 1,4 до 1,9.
Такая близость результатов дает возможность использования каждого исследования в качестве самостоятельного инструмента для определения параметров анизотропии, что очень важно в виду ограниченного количества данных. Так, на ранней стадии разработки месторождения (этап разведочного бурения и отбора керна) рекомендуется проводить анализ ориентированного керна и шлифов, а по мере поступления дополнительных данных (индикаторные и гидродинамические исследования, данные добычи и др.) вносить корректировки в концептуальную модель месторождения.
Более того, не следует забывать, что обстановка осадконакопления оказывает огромное влияние на внутреннее строение осадка, и ее реконструкция -это ключевой инструмент в управлении процессами разработки.
Определение и учет анизотропии позволит правильно спланировать эффективную систему заводнения, уплотняющее бурение, зарезки боковых стволов и направление проводки горизонтальных скважин, а также сделает более корректным процесс адаптации гидродинамической модели месторождения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bandiziol D., Massonat G. Horizontal Permeability Anisotropy Characterization by Pressure Transient Testing and Geological Data // SPE paper 24667, presented at 67th Annual Technical Conference and Exhibition of the Society of petroleum Engineers. - October 4-7, 1992. - Washington, DC, USA, 1992. - P. 39-52.
2. Меркулов В.П., Краснощекова ЛА. Исследование пространственной литолого-петрофизической неоднородности продуктивных коллекторов месторождений нефти и газа // Известия Томского политехнического университета. - 2002. - Т. 305. - № 6. - С. 296-303.
3. Меркулов В.П., Александров Д.В., Краснощекова Л.А., Мартынова Т.Е., Ненахов Ю.Я. Методика и результаты изучения анизотропии верхнеюрских коллекторов // Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях: Матер. Всерос. научно-техн. конф., посвященной 100-летию со дня рождения Д.С. Микова. - Томск, 2003. - С. 114-119.
4. Быдзан А.Ю., Меркулов В.П. Определение анизотропии горизонтальной проницаемости для петрофизического моделирования коллекторов нефти и газа // Современные технологии гидродинамических и диагностических исследований скважин на всех стадиях разработки месторождений: Матер. IV научно-техн. конф. - Томск, 2005. - С. 32—37.
5. Anisimov L.A., Kilyakov V.N., Vorontsova I.V. The Use of Tracers for Reservoir Characterization // SPE paper 118862, presented at the SPE Middle East Oil and Gas Show. — March 15—18, 2009. — Bahrain, Kingdom of Bahrain, 2009. — 8 p.
6. Ипатов А.И., Кремнецкий М.И. Геофизический и гидродинамический контроль разработки месторождений углеводородов. — М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2005. — 708 с.
Поступила 05.04.2010г.
