Новое в оценке фильтрационных свойств матрицы горных пород в разрезах нефтяных скважин

Ю.А. ЛИМБЕРГЕР, Б.И. ВИЛЬГЕ (ЦГЭ)

Проницаемость или непроницаемость матрицы горных пород устанавливается по признакам, обусловленным ее способностью фильтровать жидкую фазу из промывочной жидкости (ПЖ). Следствием процесса фильтрации являются образование корочки из твердых частиц на стенках ствола и изменение свойств флюидов в поровом пространстве матрицы на некотором расстоянии от стенок ствола (образование зоны проникновения). Результаты измерений, получаемые геофизическими методами, позволяют непосредственно по диаграммам либо после количественной обработки выявлять пласты с проницаемой матрицей.

Однако такой подход неэффективен при бурении на технической воде с применением ПЖ на УВ-основе при неустойчивости пород разреза. В этих условиях для оценки фильтрационных свойств матрицы приходится увеличивать отбор керна, чаще проводить испытания объектов на приток пластового флюида и в открытом стволе, и после спуска эксплуатационной колонны, что приводит к дополнительным затратам времени и удорожанию поисково-разведочных работ. Тем не менее даже принимаемые меры далеко не во всех случаях позволяют отделить пласты с проницаемой матрицей от пластов с непроницаемой.

Для решения задачи о разделении пластов с различными фильтрационными свойствами матрицы дополнительно к известным разработан и опробован новый подход, основанный на выявлении открытой трещиноватости пород в цилиндрическом слое малого размера, прилегающем к стенкам скважины. Образование трещин в нем является конечным этапом деформаций, происходящих вследствие нарушения сложившегося напряженного состояния пород, их механического разрушения внедряющимся бурильным инструментом, проникновения ПЖ в зарождающиеся микротрещины и ее расклинивающего воздействия.

Бурение скважины приводит к образованию нового напряженного состояния вблизи ствола. Когда забойное давление превышает удвоенное боковое горное давление, деформации пород приствольной зоны будут сопровождаться образованием трещин разрыва. Теоретическое рассмотрение возникающего вблизи ствола поля напряжений, результаты расчетов и экспериментов показывают, что: а) образуется система трещин, незначительно отклоняющихся от вертикального направления; б) простирание трещин в радиальном направлении от стенок скважины невелико; в) сечение трещины горизонтальной плоскостью близко к форме клина с максимальным раскрытием на стенках ствола и вблизи него с последующим сужением по мере удаления в глубь массива.

ПЖ, заполняющая ствол скважины, под давлением проникает в зарождающиеся трещины и способствует их закреплению в раскрытом состоянии. Раскрытость трещин приствольной зоны предопределяет гидравлическую связь их со стволом и возможность свободной циркуляции ПЖ по трещинам при работе грязевых насосов.

При наличии в разрезе скважины пластов с проницаемой матрицей образование трещин облегчается, так как давление флюида внутри пустот матрицы снижает механическую прочность породы. В этих условиях одновременно могут развиваться два процесса: образование трещин в приствольной зоне с ростом их в глубь массива и проникновение фильтрата по ним и по пустотам матрицы. Такие условия благоприятны для образования глубокой зоны проникновения (Dd_c >> 2, где D – диаметр зоны проникновения, d_c – диаметр скважины). Однако отделить влияние трещиноватости от собственно зоны проникновения фильтрата ПЖ в рассматриваемом случае не представляется возможным.

Когда матрица пластов непроницаема, образующиеся трещины разрыва в радиальном направлении простираются незначительно. Это обусловлено тем, что тангенциальное напряжение по мере удаления от стенок ствола в глубь массива меняется по знаку и вместо растягивающего становится сжимающим. Вблизи ствола образуется зона трещиноватости малого размера, снижающая прочность матрицы. Наличие такой зоны говорит о непроницаемости матрицы, а ее обнаружение в разрезе позволяет судить о фильтрационных свойствах последней.

С учетом изложенного (при наличии приствольной зоны трещиноватости) следует ожидать изменения свойств матрицы в радиальном направлении. Следовательно, изучение трещиноватости приствольной зоны необходимо проводить либо методами, обладающими малой и большой распространенностью по радиусу и дающими интегральную характеристику пород, либо по специальным методикам. Для практических целей, как показал анализ, информативными являются: электрический каротаж, испытания трубным испытателем пластов, закачка меченой жидкости, измерения при различных скоростных свойствах ПЖ.

Влияние трещин приствольной зоны на результаты электрического каротажа частично рассмотрено в работе [1], где показано, что наличие трещин обусловливает образование зоны понижающего проникновения глубиной преимущественно Dd_c < 2. В рассматриваемой работе по специальной программе на ЭВМ выполнено численное исследование влияния на результаты электрического каротажа (зонды БКЗ и БК-3) вертикальных и наклонных трещин приствольной зоны, заполненных ПЖ, при отсутствии фильтрации в матрицу. Оно эквивалентно наличию цилиндрической зоны понижающего проникновения глубиной Dd_c<=2 - 3 м.

По материалам электрического каротажа приствольная зона трещиноватости фиксируется не только в породах-коллекторах (известняки, песчаники, доломиты), но и в аргиллитах. В этой связи отметим, что образование вертикальных трещин в аргиллитах для условий неравномерного трехосного сжатия подтверждено экспериментально (опыты проводились в ИГиРГИ на установке УИМК Ю.И. Островским, М.И. Белашом, А.Г. Шетлером и А.А. Фоминым). Наличие зоны приствольной трещиноватости независимо от литологии пород разреза свидетельствует о единой природе их возникновения. Установлено также, что суммарная мощность интервалов с трещиноватостью приствольной зоны может достигать нескольких сотен метров в одной скважине при непрерывном их протяжении. Наличие зоны понижающего проникновения свидетельствует о существовании градиента сопротивления в радиальном направлении.

Для выделения коллекторов порового типа в отдельных скважинах применяют радоновый индикаторный метод (ИМР), основанный на сравнении показаний гамма-каротажа, зарегистрированных до и после внедрения в проницаемые участки разреза радиоактивного газа ²²²Ra [2]. Растворенный радон не адсорбируется на глинистой корке и скелете породы.

В приствольной зоне радон вместе с ПЖ проникает в трещины, заполняя пустотное пространство, что обусловливает изменение фона естественной гаммаактивности пород. Это происходит на фоне многочисленных гидроударов, специально создаваемых расхаживанием бурильного инструмента. Изменение фона гаммаактивности аналогично изменениям, наблюдаемым при фильтрации радона в коллектор порового типа. Поэтому интерпретатор в подобных случаях может сделать вывод о проникновении радона в матрицу, которое практически отсутствует.

Отличить одну ситуацию от другой можно по следующим признакам: а) коллекторы порового типа обычно приурочены к отдельным пластам, разделенным непроницаемыми породами, против которых аномалии проникновения радона отсутствуют; б) изменение фона естественной гаммаактивности наблюдается обычно на протяжении всей вскрытой мощности разреза независимо от литологии пород.

При испытании в процессе бурения трубным испытателем пластов интервалов с трещиноватостью приствольной зоны наиболее характерно: а) получение слабых притоков ПЖ или отсутствие притока вообще; б) коэффициент аномальности пластового давления, рассчитанный после обработки кривой восстановления давления (КВД), может изменяться в диапазоне от значения плотности ПЖ в стволе до значения средней плотности жидкости, залитой в бурильные трубы при вызове притока; в) скин-эффект отрицательный.

Когда приток флюида глубинным манометром не отмечен, его дебит можно оценить по КВД [5], которая даже при отсутствии притока отражает реальное физическое явление: повышенное давление жидкости в открытых трещинах приствольной зоны, гидравлически связанных со стволом скважины. Этому и обязано существование самой КВД. Поэтому во всех случаях, где зарегистрирована полная КВД (даже при отсутствии притока по записи манометром), необходимо проводить ее обработку. В таблице в качестве примера приведены результаты испытаний разрезов отдельных скважин с трещиноватостью приствольной зоны, откуда видно, что во всех случаях, где произведен расчет скин-эффекта, полученное значение отрицательное. Это свидетельствует об улучшенной проницаемости приствольной зоны относительно удаленной от скважины части пласта, т. е. о градиенте проницаемости в радиальном направлении.

Зона приствольной трещиноватости влияет и на скоростные свойства изучаемой среды (рис. 1). Для такой модели (матрица с трещинами в приствольной зоне, заполненными ПЖ) проходящая ультразвуковая волна, распространяющаяся вдоль стенки скважины, на границе порода – трещина преломляется и некоторую часть пути распространяется по среде, заполняющей трещину (т. е. по ПЖ). Скорость распространения волны по ПЖ в несколько раз ниже скорости ее распространения по породе, что в конечном итоге увеличивает время прихода волны к приемнику.

Теоретическая оценка влияния зоны приствольной трещиноватости на интервальное время пробега (DT), регистрируемое при АК, показывает следующее. Для данного случая (см. рис. 1) согласно закону Снеллиуса sin a/V_п=sin b/V_Ж. При раскрытости трещины h длина пути волны внутри трещины l=h/sin b=h·V_п/V_ж·sin a, где V_п – скорость по породе, V_ж – скорость по промывочной жидкости, h – раскрытость трещины, l – путь волны внутри трещины, a – угол падения волны, b – угол преломления. Примем V_п=6000 м/с, V_ж=1600 м/с, h= 1 мм, a=2°. Тогда l= 107 мм. Этот путь волна пройдет за 67 мкс. Общее время прохождения 1 м по породе с трещиной указанной раскрытости составит DT= (1–0,107)/V_п+67=215 мкс, что на 48 мкс превышает время прохождения аналогичного пути по этой же породе без трещины. При a=5° различие в величинах DT= 20 мкс/м. Таким образом, задержка прихода волны может достичь нескольких десятков микросекунд по сравнению со временем прихода для модели без трещин.

Стенки трещин, образовавшихся при разрыве пород в приствольной зоне, вероятно, не являются плоскими, а сами трещины не обладают постоянной раскрытостью

Поэтому в реальных условиях задержка времени прихода волны к приемнику будет меньше расчетной, но все-таки значимой величиной. Очевидно, теоретический расчет дает верхний предел возможной задержки времени прихода. Однако при неизменных свойствах ПЖ современные технические средства не позволяют оценить влияние приствольной трещиноватости на изменение скоростной характеристики пород разреза.

Можно предположить, что изменение скоростных свойств среды, заполняющей трещины, будет способствовать обнаружению зоны приствольной трещиноватости вследствие изменения скоростных свойств исследуемых горных пород. Причем замена первоначальной ПЖ со скоростью распространения волны в ней VК_ж1 на ПЖ со скоростью распространения волны V_ж2 должна привести к изменению величин DT против пластов с зоной приствольной трещиноватости: если V_ж1>V_ж2, то DТ₁<DT₂; если V_ж1<V_ж2, то DТ₁>DТ₂.

Рис. 2 иллюстрирует геофизические характеристики разреза скважины, исследованной при заполнении ствола вначале известково-битумным раствором (ИБР), а затем глинистым той же плотности.

Бурение скважины проводилось на ПЖ плотностью 2,03 г/см³, при которой забойное давление заметно превышает величину удвоенного бокового горного давления, а тангенциальное напряжение, действующее на стенках ствола и вблизи него, является растягивающим. Так как предел прочности горных пород на растяжение очень мал по абсолютному значению и значительно ниже предела их прочности на сжатие [3] (обычно не менее, чем на порядок), породы оказались разорванными с образованием трещин, близких по направлению к вертикали.

Результаты обработки БКЗ по рассматриваемой скважине (рис. 3) показали, что практически по всему разрезу для каждого пласта с увеличением длины зонда кажущиеся сопротивления ложатся в область возрастающего отношения r_п/r_c теоретических кривых для двухслойной среды. Причем на сводной палетке наилучшее совмещение КС больших зондов с теоретическими кривыми двухслойной среды достигается при фиктивном диаметре скважины, несколько превышающем ее фактический, что соответствует случаю трехслойной среды с понижающим проникновением. Для разреза данной скважины это интерпретируется как наличие приствольной зоны трещиноватости.

Как видно на рис. 2, смена раствора привела к изменению показаний НГК и АК. Изменение свойств ПЖ предопределяет необходимость учета при обработке данных НГК прежде всего минерализации жидкости в стволе и породах. Введение соответствующих поправок показало, что расхождение в коэффициентах пористости для одних и тех же пластов, определенных при различных свойствах ПЖ в стволе, находится в пределах допустимого.

Различие показаний АК, достигающее 25 мкс/м, существенно превышает допустимую погрешность измерений. Для реальных условий ее нельзя объяснить с помощью модели, ограниченной проницаемой матрицей с межзерновой пористостью. Как показывают опубликованные результаты, замена раствора на УВ-основе раствором на водной не приводит к изменению показаний метода, а если таковые и наблюдаются, то величина расхождения не выходит за пределы допустимой ошибки измерений [4].

Приняв во внимание заметное изменение скоростных свойств ПЖ (в данном случае V_ж1< V_ж2), можно отметить что уменьшение зарегистрированных значений DТ после замены ИБР на глинистый раствор – логическое следствие проявления зоны приствольной трещиноватости изучаемых пород разреза.

Материалы исследований показывают следующее. Во всех скважинах, где условия способствовали образованию зоны приствольной трещиноватоcти и где замеры проводили при различных скоростных свойствах ПЖ, имело место существенное расхождение интервальных времен, регистрируемых при АК. Так как во всех этих случаях первоначальную ПЖ заменяли на ПЖ, скорость распространения продольной волны, в которой была выше, чем в начальной, то наблюдалось уменьшение интервального времени при втором замере (см. рис. 2).

Наблюдаемые в реальных скважинных условиях изменения величин DT свидетельствуют о правильности изложенных выше теоретических представлений.

Таким образом, в процессе бурения глубокой скважины вблизи ствола может образоваться зона трещиноватости малого размера, существование которой в конкретных условиях бурения выявляется по следующим признакам: наличию понижающего проникновения небольшого диаметра на кривых зондирования; аномалии изменения фона гаммаактивности пород при закачке радона вне зависимости от литологии; изменению показаний АК при изменении скоростных свойств ПЖ; получению слабых ее притоков (или отсутствие притока вообще) одновременно с нормальной КВД при испытании объектов в процессе бурения трубным испытателем пластов; отрицательному скин-эффекту при количественной обработке данных испытания. Наличие зоны приствольной трещиноватости является показателем непроницаемости матрицы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильинский В.М., Лимбергер Ю.А. Геофизические исследования глубоких скважин.– М.: Недра.– 1977.
2. Методическое руководство по применению радонового индикаторного метода для определения технического состояния и выделения проницаемых пластов.– Волгоград.– ВолгоградНИПИнефть.– 1984.
3. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, Г.В. Михеев и др.– М.: Недра.– 1979.
4. Ручкин А.В., Фоменко В.Г. Особенности геофизических исследований скважин, бурящихся на электронепроводящих растворах // Геология нефти и газа.– 1978.– № 2.– С. 65–71.
5. Сухоносов Г.Д. Испытание необсаженных скважин.– М.: Недра.– 1978.

Abstract

Deep well drilling is accompanied by the chande near the wellbore in stressed state formed earlier in block mass. Under certain conditions, a new stressed state produces a discontinuity of rocks on the hole walls. Fractures of vertical (or close to it) direction whose radial trend from the walls is minor are formed. However, this fractured zone have an appreciable effect on the interpretation of the results of geophysical methods used for the investigation of well sections, as well as the results of production tests of the object. Analysed are indications according to which formations containing the above zone of fractures can be identified within the section. A fractured zone of a small size is formed in rocks with impermeable matrix and by its availability, one can judge about the filtration properties of the rock matrix and a possible type of reservoir.

Результаты испытаний объектов с приствольной зоной трещиноватости

Рис. 1. Схема распространения продольной волны в породе с зоной приствольной трещиноватости: И – излучатель, П – приемник

Рис. 2. Геофизические характеристики разреза скважины, вскрытого и исследованного на ИБР и после его замены на глинистом растворе.

Заполнение ствола скважины: 1 – ИБР, 2 – глинистым раствором, 3 – расхождения показаний АК

Рис. 3. Сопоставление КС градиент-зондов различного размера с теоретическими кривыми для двухслойной среды.

Шифр кривых – отношение