Статья опубликована в журнале «Marine and Petroleum Geology». Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект № ФСНМ-2023-0005).

Карбонатные породы содержат около 50% мировых полезных углеводородных ресурсов. Их сложная структура состоит из пустот разных размеров, отдельных трещин и их сетей. Это приводит к неоднородному распределению газа, нефти и пластовой жидкости в коллекторе. Точная оценка характеристик такой структуры и их влияния на свойства пласта необходима для успешной разработки нефтяных месторождений.

На сегодняшний день применяют передовые методы анализа пустотного пространства породы, например, сканирующую электронную микроскопию и компьютерную томографию. Они позволяют максимально подробно описать структуру пор, включая распределение по размеру, типу и их гидродинамическую связь друг с другом. Но выявление некоторых параметров этими способами неэффективно из-за малых размеров образцов. В этом случае обращаются к другому методу – испытанию скважин, который включает в себя комплекс работ по отбору проб и определению его основных гидродинамических параметров (продуктивности, пластового давления, гидропроводности и т.п.).

Ученые Пермского Политеха провели комплексный всесторонний анализ результатов исследований керна и промысловых данных, используя современные подходы и сопоставление с динамикой добычи углеводородов.

– Лабораторные исследования керна решают основную проблему – изучение структурных особенностей карбонатных коллекторов на микроуровне, а испытания скважин – на макроуровне. Интеграция нескольких методов в разных масштабах позволила нам получить последовательные результаты и достичь более глубокого понимания, чем при едином подходе, – рассказывает Дмитрий Мартюшев, профессор кафедры нефтегазовых технологий ПНИПУ, доктор технических наук.

Политехники отобрали 30 образцов керна, взятых из разведочных скважин трех разных месторождений. Всесторонний анализ выявил существенные различия в строении образцов, в частности, по наличию наиболее крупных пустот. По полученным результатам определяли, как структурные особенности пласта влияют на производительность скважин.

– Оказалось, чем сложнее структура коллектора и больше размер пор, тем существеннее снижается количество добытой нефти, так как проницаемость пласта из-за этого значительно меняется. И чем больше деформировано пустотное пространство, тем сильнее падает дебит. Уникальность исследования в том, что нам удалось определить связи между характеристиками коллектора и параметрами, выявленными с помощью испытания скважин, – объясняет Дмитрий Мартюшев.

Применение комплексного подхода ученых Пермского Политеха помогает объяснить и спрогнозировать динамику дебитов скважин, работающих в карбонатных коллекторах с различной структурой пустотного пространства. Исследование важно не только для понимания геологических особенностей месторождений углеводородов, но и для выбора эффективных мероприятий по освоению этих ресурсов.

Статья с результатами опубликована в научном журнале «Записки горного института», 2024 год. Исследования образцов керна проводились в Центре коллективного пользования уникальным научным оборудованием ПНИПУ. Работа выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Терригенные коллекторы состоят в основном из обломков горных пород и минералов силикатного состава, включающие в себя пески, алевриты, песчаники и некоторые глинистые породы. Степень их трещиноватости невысокая. Карбонатные же коллекторы обычно содержат в составе только два основных породообразующих минерала — кальцит и доломит. И фильтрация нефти и газа в них происходит благодаря развитой системе трещин и каверн.

Состав и свойства жидкости для глушения должны быть такими, чтобы предотвратить выброс нефти и обеспечить безопасность персонала, который осуществляет ремонт или иные работы в стволе скважины. В качестве таких реагентов чаще всего выбирают водные растворы с добавками в виде минеральных соединений. Но, попадая в призабойную зону пласта, такой раствор способен негативно повлиять на его фильтрационно-емкостные характеристики – пористость и проницаемость горной породы. Это осложняет ввод скважины в эксплуатацию и снижает ее производительность.

В отличие от терригенных коллекторов, где это явление уже изучено и берется в расчет при проведении глушения, карбонатные горные породы в этом плане практически не исследовались научным сообществом. Так как считается, что в них отсутствуют глинистые минералы, способные при контакте с низкоминерализованной водой менять смачиваемость и, как следствие, проницаемость.

Однако растворение карбонатов – это одно из основных минеральных реакций, которые могут вызвать отрыв мелких частиц, заполняющих пустоты пласта, и тем самым изменять проницаемость породы. Это и доказали ученые Пермского Политеха, проведя ряд экспериментальных исследований и изучив, каким образом фильтрат жидкости глушения воздействует на свойства карбонатных коллекторов.

Политехники подготовили по 10 образцов из продуктивной части двух месторождений, которые отличаются строением пустотного пространства и минеральным составом включений. Рассматривали основные факторы, влияющие на их фильтрационно-емкостные свойства: химический состав фильтрата жидкостей, минералогический состав карбоната, пластовые давление и температуру, продолжительность контакта фильтрат с горной породой.

С образцами керна ученые провели испытания, во время которых сначала имитировалось поступление нефти из пласта в скважину посредством ее фильтрации через образец, а потом глушение этой скважины с проникновением технической воды в пласт. Для этого она прокачивалась через образец и выдерживалась при заданных термодинамических условиях в течение семи суток (средняя продолжительность ремонта).

– Эксперименты позволили нам определить пористость и проницаемость по нефти образцов керна до и после моделирования на них процесса глушения. Мы установили, что в результате воздействия технической воды на горную породу произошло снижение общего числа пустот на 32,4%. Это происходит из-за того, что минеральные соединения растворяют поверхность, высвобождая зерна породы. Мелкие частицы заполняют собой пустотное пространство, что приводит к снижению проницаемости пласта, – поделился доктор технических наук, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ Дмитрий Мартюшев.

Комплексные результаты исследования показали, что проникновение фильтрата в горную породу нарушает геохимическое равновесие между пластовыми флюидами и минералами породы, тем самым вызывая растворение карбонатных минералов, набухание и миграцию глинистых компонентов.

– Наше исследование представляет новый взгляд на процессы взаимодействия жидкостей глушения на водной основе с карбонатными коллекторами. В существующих работах говорится, что только в песчаных горных породах возможна миграция мелких частиц. Мы же доказали, что этот эффект проявляется и в карбонатах, что приводит к существенному снижению их фильтрационно-емкостных свойств. Поэтому этот фактор необходимо учитывать при использовании водной фазы в качестве различного рода технологических жидкостей, – рассказывает доктор технических наук, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ Инна Пономарева.

Ученые Пермского Политеха определили, что использование низкоминерализованной воды в качестве основы для жидкостей глушения для некоторых карбонатных коллекторов нефтяных месторождений сопровождается высоким риском заполнения пустотного пространства, что приводит к снижению нефтедобычи. Перспективным решением в данном случае будет изменение минерализации воды или использование наночастиц для сохранения геохимического равновесия и снижения минерального растворения горных пород.