Анализ методов определения сжимаемости

Ключевые слова: коэффициент сжимаемости динамическая сжимаемость скелет породы статическая сжимаемость образец породы.

Существуют два основных метода определения коэффициента сжимаемости: динамический (косвенный), по которому определяются скорости прохождения упругих волн через образец горной породы, а коэффициент сжимаемости рассчитывается по известному соотношению для однородно-анизотропного образца и статический (компенсационный), по которому непосредственно определяется объем вытесненной из образца жидкости при изменении эффективного давления. Однако существенные различия между величинами коэффициентов статической и динамической сжимаемостей осложняет выбор значений, необходимых для технологических расчетов.

Был проведен сравнительный анализ полученных значений коэффициентов статической и динамической сжимаемостей на примере месторождения N и определены области их применения; построены зависимости коэффициентов статической и динамической сжимаемости от фильтрационно-емкостных свойств образцов.

Определение коэффициентов сжимаемости проводились на двух лабораторных установках: установке по определению сжимаемости и пористости компенсационным методом (PBC-925) и установке определения деформационных характеристик породы ультразвуковым методом (AutoLab 1500).

На установке PBC-925 исследования проводились на образцах цилиндрической формы, в поршневых кернодержателях высокого давления. Для исключения концевых эффектов на контакте торцов образца и поршней используются мягкие пористые прокладки. Для устранения залипания резиновой манжеты в породе используют термо-усадочную трубку. Насыщенный на 100 % раствором образец правильной цилиндрической формы помещается в кернодержатель, в котором создаются условия, моделирующие пластовые. Давление обжима, торцевое и боковое, создаётся двумя поршневыми прессами. Измерение изменения объёма пор проводится также с помощью поршневого пресса Quizix. Управление насосами, так же, как и пневматическими клапанами, осуществляется компьютером, оснащённым контролерами. Через них же передаются параметры, измеряемые приборами (давление, температура, объём). Перед проведением исследований проводится эталонирование установки. Для этого в кернодержатель помещается эталон с известной пористостью, сжимаемость которого гораздо меньше, чем у породы в целом. Как правило, эталоны изготавливаются из нержавеющей стали. В системе создаются такие же условия (давления и температура), при которых предполагается исследовать образцы породы. Полученные данные используются для учёта изменения объёма измерительной системы: трубок, уплотнений, манжеты и. т.д. При изучении влияния давления на изменение коэффициентов пористости образцы породы ступенчато нагружают или разгружают всесторонним или разносным давлением обычно при постоянных значениях пластового давления и температуры с интервалами 5–20 МПа и равной выдержкой от 30 мин. до 12 ч. на каждой ступени.

На установке AutoLab1500 ультразвуковой преобразователь PS2 позволяет создавать и регистрировать скорости продольной (P) и двух поперечных волн (S1 и S2) в образце породы. Колебания двух поляризованных поперечных волн ориентированы друг к другу под углом 90⁰. Преобразователь состоит из набора пьезоэлектрических кристаллов, способных возбуждать продольные и поперечные волны в образце породы диаметром 20–40 мм и 15–50 мм длиной. Средняя частота преобразователя 700 kHz. Горное и поровое давления создаются гидроусилителями, управляемыми сервоклапанами при давлении до 100 МПа.

После измерения интервалов времени задержки акустического импульса через образцы заданной длины определяются скорости упругих волн.

Основные причины, которые могут повлиять на точность экспериментально получаемых значений скоростей упругих волн, обусловлены методикой эксперимента и связаны с особенностями исследуемых пород. Наиболее значительная погрешность в значениях измеряемых скоростей при данном методе определяется сложностью совмещения импульсов на экране осциллографа при выполнении измерений. На установке AutoLab1500 эта погрешность сведена к минимуму за счет применения цифрового осциллографа и программного обеспечения, позволяющего записывать и воспроизводить на мониторе фиксированную волновую картину процесса. Снижение погрешности в определении размеров образцов, при измерении которых является достаточной точность  0.01мм, достигается применением цифрового штангенциркуля. Погрешность, вносимая слоем специального состава, обеспечивающего акустический контакт в измерительной системе, компенсируется программным обеспечением.

Для проведения исследований по определению коэффициента статической и динамической сжимаемостей была отобрана коллекция образцов из интервала 2502–2516м. пласта n месторождения N. Образцы подготавливались к экспериментам согласно ГОСТу 26450.0–85, а затем по каждому из них определялись фильтрационно-ёмкостные свойства (плотность насыщенного образца, коэффициент пористости и проницаемости по газу). На рисунке 1 представлены результаты определения плотности насыщенных образцов и коэффициента пористости от глубины залегания. Как видно из рисунка, исследуемый интервал можно разбить на три части. При этом в центральной части этого интервала наблюдается зона увеличения фильтрационно-емкостных свойств. Эта картина наблюдается и по данным исследования полноразмерного керна.

Далее, по всем образцам выбранной коллекции определялся коэффициент динамической сжимаемости акустическим методом на установке AutoLab1500, а затем на тех же образцах измерялся коэффициент статической сжимаемости на установке РВС-925.

Анализируя полученные данные, коэффициенты сжимаемости, определяемые различными способами, отличаются друг от друга более чем на порядок. Если значения коэффициента статической сжимаемости варьируются в пределах (0,13–0,379) *10–⁹ 1/Па, то пределы изменения коэффициента динамической сжимаемости — (0,18–0,57)*10–¹⁰ 1/Па. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что в случае определения коэффициента статической сжимаемости определяется коэффициент сжимаемости породы β_с, а в случае определения коэффициента динамической сжимаемости — коэффициент сжимаемости твердой фазы β_Т или скелета породы. Последнее предположение также основывается и на том, что распространение упругих волн в образце происходит в основном по скелету породы. Эти выводы подтверждаются результатами исследования отечественных и зарубежных ученых. Например, пределы изменения β_с пород зернистых коллекторов изменяется в широких пределах — (0,03–0,3) *10–⁹ 1/Па, и β_Т = (0,25–0,27)*10–¹⁰ 1/Па для известняков. Еще одним фактом, подтверждающим это предположение, можно считать практически линейную взаимосвязь между коэффициентами сжимаемости определенными двумя способами, которая отображена на рисунке. Анализируя корреляционную зависимость, представленную на этом рисунке, можно сделать вывод о том, что коэффициент статической сжимаемости в 6–8 раз больше коэффициента динамической сжимаемости. Это не противоречит физическим представлениям, так как объем пор обладает более высокими упругими свойствами, нежели породообразующие минералы.

Рис. 2. Зависимость коэффициента статической от коэффициента динамической сжимаемости

Литература:

1. Гиматудинов Ш. К. Физика нефтяного и газового пласта. — М.: Недра, 1971. — 310 с.
2. Добрынин В. М. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. — М.: Недра, 1970–239 с.
3. Котяхов Ф. И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. — М.: Недра, 1977–288 с.
4. Дортман Н. Б. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. — М.: Недра, 1976. — 455 с.
5. Иванкин Б. Н., Карус Е. В., Кузнецов О. Л. Акустические методы исследования скважин. — М.: Недра, 1973. — 320 с.