Методы определения количества остаточной (связанной) воды в пластах

Наиболее достоверные результаты определения количества остаточной воды в породе получены при анализе кернового ма­териала, выбуренного с применением растворов, приготовленных на нефтяной основе. Предполагается, что при подъеме керна на поверхность и в процессе транспортирования его в лаборато­рию существенных изменений количества остаточной воды не происходит. Во избежание испарения воды образцы поднятого керна обычно парафинируют или перевозят в закрытых сосудах под слоем нефти. Содержание остаточной воды определяется путем экстрагирования образцов в приборе Дина и Старка или в приборах С.Л. Закса (ЛП-4).

Взвешенный образец породы помещают в колбу прибора Дина и Старка (рис. V.2) или в воронку Шотта прибора С. Л. Закса (рис. V.3). При кипении растворителя вода испаря­ется из образца, вместе с растворителем охлаждается в холо­дильнике и стекает в ловушку. Так как вода тяжелее углево­дородных растворителей, она накапливается в нижней части ловушки, избыток же растворителя стекает обратно в колбу. При этом в приборе С. Л. Закса чистый растворитель вначале попа­дает в цилиндр с керном, растворяет нефть и стекает через по­ристую перегородку в колбу. В качестве растворителя обычно используют толуол, закипающий выше точки кипения воды (110 °С). Водо-, нефте- и газонасыщенность породы определяют по массе образца до и после экстрагирования и по объему воды, выделившейся из керна [4].

Рис. V.2. Прибор Дина и Старка для определения содержания воды 1— холодильник; 2 – калиброванная ловушка; 3 - колба

Рис. V.3. Прибор ЛП-4 (С. Л. Закса) для определения нефте-, водо- и газонасыщенности пород 1- холодильник; 2- ловушка; 3 - воронка Шотта; 4 — колба с растворителем

Так как в большинстве случаев пласт вскрывается обыч­ными водными глинистыми растворами, предложены косвенные методы оценки количества остаточной воды. Один из них — хлоридный метод, основанный на предполагаемом относительном постоянстве солености связанной воды в пределах коллек­тора, которая обусловлена главным образом содержанием хло­ридов. Во время анализа образцы керна измельчают и обраба­тывают при температуре кипения дистиллированной водой. Содержание связанной воды в навеске керна находят по количе­ству ионов хлора, содержащихся в фильтрате. Для этого по­следний титруют азотнокислым серебром в присутствии инди­каторов. Если известна соленость остаточной воды, по содер­жанию ионов хлора в образце удается приблизительно опре­делить количество остаточной воды.

Поскольку хлоридным методом можно определить содержа­ние лишь одного иона, то содержание других ионов устанавлива­ется методом электропроводности — по солености воды, полученной после экстрагирования измельченного керна, путем измерения ее электропроводности. Но при этом не устра­няются причины, уменьшающие точность определений количества остаточной воды хлоридным методом. Например, загрязнение керна фильтратом разбавленного бурового раствора, который ча­стично может вытеснять остаточную воду из образца. Для опреде­ления количества фильтрата бурового раствора, проникающего в керн, в глинистый раствор добавляют различные индикаторы: аце­тон, мышьяк, пропанол, декстрозу и т. д. Однако с помощью инди­каторов можно определить степень загрязнения керна, но нельзя оценить количество вымываемой остаточной воды фильтратом бурового раствора.

В лабораториях физики пласта для приближенной оценки объ­ема остаточной воды широко применяется метод полупроницаемых мембран (перегородок). Для этого исполь­зуется прибор, схема которого приведена на рис. 1.9. Методика проведения опыта аналогична методике работы при построении порометричеcкой кривой по данным, полученным в процессе вы­теснения воды из керна воздухом через полупроницаемую пере­городку (см. гл. I). При этом также строится кривая зависимо­сти капиллярное давление — водонасыщенность. Средние части таких кривых (рис. V.4) характеризуют степень однородности пор: чем положе этот участок кривой, тем более однороден керн по составу пор. Верхние отрезки кривых представляют собой вертикальные или почти вертикальные линии, так как остав­шаяся вода прочно удерживается молекулярными и капилляр­ными силами и не вытесняется из керна с увеличением давления. Расстояние их от оси ординат (в единицах водонасыщенности) и принимается за содержание остаточной воды в породе. При этом предполагают, что в процессе формирования залежи из породы нефтью и газом вытесняется только та вода, которую удалось извлечь из керна в процессе опыта.

Рис. V.4. Кривые зависимости ка­пиллярное давление — водонасыщенность

В естественных условиях проницаемость пород в залежи из­меняется в широких пределах. Для определения средней остаточ­ной водонасыщенности пород по разрезу пласта или по отдель­ному его участку кривые зависимости остаточная водонасыщенность — капиллярные давления, приведенные на рис. V.4, строят по большому числу кернов (иногда изучаются сотни образцов). По этим данным находят зависимость водонасыщенности кернов различной проницаемости от капиллярного давления. На рис. V.5 приведены такие зависимости для давлений 0,5—0,33—0,17—0,068—0,03 МПа, построенные на основе рис. V.4. По таким зависимостям далее получают осредненную кривую капиллярное давление — остаточная водонасыщенность для пласта. Для этого вначале устанавливают среднюю проницаемость пород. В рас­сматриваемом примере она равна 0,150 мкм².

Рис. V.5. Изменение водонасыщенно­сти образцов в зависимости от про­ницаемости пород при различных значениях капиллярного давления

Проведя горизонтальную линию от найденного среднего зна­чения проницаемости (см. пунктирную линию на рис. V.5), по точкам ее пересечения с линиями различных давлений строят осредненную зависимость капиллярное давление — водонасы­щенность (рис. V.6), которая позволяет оценить среднюю оста­точную водонасыщенность пород исследуемого пласта. Из рис. V.6 - следует, что средняя остаточная водонасыщенность ис­следованных пород составляет 26 %. Считается, что описанный метод определения остаточной водонасы­щенности пригоден только для пород, со­держащих значительное количество погре­бенной воды (более 8—10% от объема пор), так как причины небольшого содер­жания остаточной воды или полного отсут­ствия ее в породах некоторых залежей пока недостаточно ясны. Иногда это можно объ­яснить растворением и частичным ее испа­рением в процессе формирования -залежи в последующие геоло­гические эпохи. Следовательно, условия формирования залежей в коллекторах, содержащих небольшое количество воды, в опи­санном методе определения остаточной водонасыщенности не моделируются даже приближенно. Метод полупроницаемых пе­регородок трудоемок. Для определения остаточной водонасы­щенности малопроницаемых пород требуются особо прочные мелкопористые перегородки, так как вытеснение воды воздухом или нефтью необходимо осуществлять под высоким давлением. При нагнетании в поры ртути эти затруднения устраняются (см. гл. I).

Рис. V.6. Осредненная кривая капиллярное давле­ние – водонасыщенность для образцов со средней проницаемостью 0,15 мкм²

Быстро и просто остаточная водонасыщенность определяется методом центрифугирования. Образец, насыщенный водой, помещается в центрифугу и подвергается действию цент­робежных сил, под влиянием которых вода выбрасывается в градуированную ловушку. Вытеснению воды из породы пре­пятствуют капиллярные силы. Вначале с увеличением частоты вращения ротора центрифуги жидкость вытесняется из крупных пор, когда перепад давления Dр на торцах образца превысит ка­пиллярное давление в менисках. При дальнейшем увеличе­нии частоты вращения ротора жидкость вытесняется и из пор меньшего размера. С некото­рого момента повышение час­тоты вращения ротора центри­фуги перестает влиять на ко­личество остающихся в порах воды. Измеряя количество вы­делившейся жидкости как функцию частоты вращения ротора, можно построить за­висимость капиллярное давле­ние— водонасыщенность.

Рис. V.7, К построению зависимости капиллярное давление — водонасы­щенность

Расчетная формула получается, исходя из следующего. Опыт на центрифуге проводится, как и в случае полупроницаемых пе­регородок, путем вытеснения одной фазы другой (воды нефтью или газом). Вычислим вначале давление р, действующее на торец закрытого единичного капилляра, заполненного жидкостью с плотностью р, под действием центробежных сил при его вра­щении в центрифуге (рис. V.7). Очевидно, что это давление (V.1)

где F — центробежная сила; r — радиус капилляра; R— рассто­яние середины капилляра от центра вращения; m — масса жид­кости в капилляре; w — угловая скорость вращения ротора; r — плотность жидкости; х₁ и x₂ —расстояния от центра вращения до торцов капилляра.

Если выходной торец капилляра открыть, то часть жидкости из него вытечет под влиянием центробежных сил. Истечение будет происходить до тех пор, пока центробежные силы, умень­шающиеся вследствие сокращения массы остающейся жидкости, не уравновесятся капиллярными, которые возникают под влия­нием возникшего мениска на границе раздела фаз (см. рис. V.7).

Капиллярное давление, уравновещиваемое мениском, в за­висимости от положения x мениска (V.2)

где s — поверхностное натяжение жидкости на границе с вытес­няющей фазой;q — угол смачивания.

При данной частоте вращения n центрифуги жидкость из ка­пилляра будет вытесняться в том случае, если радиус капилляра (V.3)

В случае пористой среды при данной частоте вращения n установится профиль водонасыщенности S_B(x) вдоль образца, схе­матически изображенный на рис. V.7, б. Если в каком-либо сече­нии образца х определить водонасыщенность S_B(x) (например, по электросопротивлению породы), то давление, развиваемое в капиллярах центробежными силами в плоскости этого сечения при угловой скорости, например, w₁ составит

При этом жидкость вытиснится из всех пор образца, радиус которых больше радиуса r₁ определяемого из соотношения (V 4)

Следовательно, доля a пор, радиус которых r>r₁ в сечении х составит

a=1—S_B(x). (V.5)

При практическом использовании метода центрифугирования для изучения распределения в кернах пор по размерам и оп­ределения остаточной водонасыщенности обычно регистрируют среднюю установившуюся водонасыщенность образца, соответ­ствующую каждой ступени частоты вращения ротора центри­фуги, и полагают, что масса остающейся жидкости сосредото­чена в середине R образца,

.

Тогда размер пор, из которых при данной угловой скорости вытиснилась вода, определяется из соотношения (V.6)

Если вместо воздуха вода из образца вытесняется нефтью, т.е. если водонасыщенный образец помещен в нефть, вместо плотности жидкости r в формулах будет учитываться разность плотностей Dr = r_в—r_н воды и нефти.

Следует отметить, что для получения достоверных данных о распределении пор по размерам и остаточной водоносности методом центрифугирования образцов необходимо принимать ряд мер, позволяющих избежать недостатки этого метода. Как уже упоминалось, в расчетах используется значение средней объем­ной насыщенности образцов при различных частотах вращения ротора центрифуги при предположении о линейной зависимости насыщенности от координаты х. Фактически же распределение водонасыщенности при каждом значении частоты вращения ро­тора характеризуется более сложным законом, соответствующим кривой капиллярное давление—насыщенность (см. рис.V.4).

Кроме того, при использовании кернов цилиндрической или призматической формы оказывается, что в каждом сечении на пористую среду действует неравномерное поле центробежных сил, так как частицы жидкости, находящиеся на центральной осевой линии керна в каждом сечении, перпендикулярном к этой линии, ближе к центру вращения, чем все другие частицы, ле­жащие в той же плоскости. При этом затрудняется достаточно точное определение капиллярного давления (или центробежной силы), необходимого для расчетов.

Венгерским исследователем Бауэром Кароем установлено, что этот недостаток можно избежать, если вместо кернов ци­линдрической или призматической формы использовать керны, геометрия которых приводит к возникновению в пористой среде равномерных полей центробежных сил. По данным Бауэра Кароя, хорошее совпадение кривых капиллярного давления, по­строенных методом центрифугирования и полупроницаемых мем­бран, получают при использовании кернов, представляющих сек­тор или цилиндры тора, центральная ось которых совпадает с осью вращения центрифуги.

Дата добавления: 2014-11-07