Фазовая проницаемость: определение, классификация, свойства, формула, определение и применение в промышленности

Фазовая проницаемость - важнейшая характеристика пласта, определяющая дебит скважин. От нее зависит рентабельность разработки месторождения. Давайте разберемся, что такое фазовая проницаемость и как ее определить.

1. Определение фазовой проницаемости

Фазовая проницаемость - это проницаемость пласта для конкретного флюида, например нефти, при наличии в поровом пространстве других фаз - газа и воды. Она зависит от физико-химических свойств флюидов и степени насыщенности породы каждым из них.

Проницаемость образца керна для отдельно взятого флюида (K_o, K_w) при числе присутствующих в породе фаз, большем единицы. Фазовая проницаемость зависит от степени насыщенности флюидами(флюидонасыщенностей) и их физико-химических свойств.

В отличие от абсолютной проницаемости, которая характеризует только свойства самой породы, фазовая проницаемость учитывает условия движения конкретного флюида в пласте в присутствии других.

2. Классификация видов фазовой проницаемости

Различают следующие основные виды фазовой проницаемости:

• Для воды (водная фазовая проницаемость)
• Для нефти (нефтяная фазовая проницаемость)
• Для газа (газовая фазовая проницаемость)

Также выделяют понятие относительной фазовой проницаемости - это отношение фазовой проницаемости данного флюида к абсолютной проницаемости того же образца породы.

3. Свойства фазовой проницаемости

Основные свойства фазовой проницаемости:

1. Зависит от степени насыщенности породы каждым из флюидов
2. Меньше абсолютной проницаемости той же породы
3. Зависит от физико-химических свойств флюидов и их взаимодействия между собой

Например, фазовая проницаемость по воде при наличии нефти в том же пласте может снижаться в 2-3 раза по сравнению с абсолютной, из-за образования водяной пленки на стенках пор.

Для газа характерен эффект Клинкенберга - увеличение проницаемости при низких давлениях из-за проскальзывания молекул газа по порам. При высоком давлении газовая проницаемость приближается к абсолютной.

4. Формула для расчета фазовой проницаемости

Для расчета фазовой проницаемости используется обобщенный закон Дарси:

где:

• q_ф - дебит фазы, м3/с
• k_ф - фазовая проницаемость, м2
• A - площадь поперечного сечения, м2
• η_ф - вязкость фазы, Па*с
• ΔP - перепад давления, Па
• L - длина пласта, м

Отсюда фазовая проницаемость равна:

5. Лабораторные методы определения фазовой проницаемости

В лабораторных условиях фазовую проницаемость определяют на специальных установках, включающих:

1. Кернодержатель для образцов породы
2. Устройство для приготовления многофазных смесей
3. Измеритель расхода каждой из фаз на выходе
4. Датчики контроля давления и температуры
5. Система контроля текущей насыщенности фазами

Основная сложность - определение текущей водонасыщенности в процессе эксперимента:

• Взвешиванием образца
• Использованием электропроводной жидкости

По результатам экспериментов строятся графики зависимости фазовых проницаемостей от насыщенности породы каждым флюидом.

6. Аппроксимация кривых фазовой проницаемости

Для упрощения расчетов на практике используется аппроксимация кривых фазовых проницаемостей с помощью аналитических зависимостей. Например, для воды:

где K_w - фазовая проницаемость по воде, K - абсолютная проницаемость, S_w - насыщенность водой, a₀, a₁, a₂ - эмпирические коэффициенты.

Аналогичные уравнения используются и для нефти и газа. Значения коэффициентов подбираются под конкретный тип коллектора.

7. Фазовая проницаемость в двухфазных и трехфазных потоках

При наличии в пласте двух (нефть-вода, вода-газ) или трех фаз (нефть-газ-вода) строятся специальные диаграммы фазовых проницаемостей.

На двухфазных диаграммах по оси X обычно откладывают насыщенность водой, а по оси Y - значения относительных фазовых проницаемостей для каждой из фаз.

Для трехфазной системы используют треугольные диаграммы, углы которых соответствуют 100% насыщенности каждым из флюидов. Внутри треугольника выделяют области с преобладанием той или иной фазы.

8. Зависимость фазовой проницаемости от насыщенности пласта

С увеличением водонасыщенности фазовая проницаемость по воде возрастает, а по нефти и газу - снижается. Причем для газа это снижение происходит более плавно.

Даже небольшое количество свободного газа или нефти резко уменьшает фазовую проницаемость для воды. А связанная вода в породе практически не влияет на движение газа.

9. Применение <коэффициента> фазовой проницаемости в нефтегазовой отрасли

<коэффициент> Фазовой проницаемости используется при:

• Проектировании разработки нефтяных месторождений
• Расчете ожидаемых дебитов добывающих и нагнетательных скважин
• Моделировании вытеснения нефти водой или газом
• Оценке эффективности методов увеличения нефтеотдачи пластов

Знание закономерностей изменения фазовых проницаемостей при вытеснении одних флюидов другими критически важно для оптимального управления разработкой месторождений.

10. Рекомендации по определению оптимальной фазовой проницаемости

Для получения максимальных дебитов скважин и рентабельной разработки месторождения важно знать оптимальные значения фазовых проницаемостей.

1. Исследовать образцы керна из разных интервалов пласта
2. Определить абсолютную проницаемость для каждого образца
3. Провести лабораторные тесты при различных насыщенностях
4. Построить кривые фазовых проницаемостей
5. Выбрать оптимальный режим вытеснения углеводородов

Кроме того, для повышения нефтеотдачи применяют специальные методы воздействия на пласт, меняющие фазовые проницаемости - например, закачка ПАВ.

11. Методы повышения фазовой проницаемости пласта

Существует несколько основных методов для увеличения фазовой проницаемости:

1. Гидравлический разрыв пласта - механическое воздействие для создания трещин
2. Кислотная обработка - растворение цементирующего материала в породе
3. Гидропескоструйная перфорация - создание новых каналов фильтрации
4. Закачка ПАВ - изменение смачиваемости породы

Комбинирование нескольких методов позволяет достичь существенного прироста дебита скважин по нефти или газу.

12. Влияние глинистых минералов на фазовые проницаемости

Наличие в породе глинистых частиц существенно влияет на величины и соотношение фазовых проницаемостей. Происходит частичное или полное закупоривание пор, изменение смачиваемости.

Необходимо проведение специальных экспериментальных исследований на керне, моделирующих реальный минеральный состав коллекторов.

13. Компьютерное моделирование фазовых проницаемостей

Современные программные комплексы позволяют построить цифровую гидродинамическую модель пласта с учетом особенностей фазовых проницаемостей в каждой ячейке расчетной сетки.

Компьютерное моделирование дает возможность прогнозировать дебиты при заданных режимах эксплуатации скважин и планировать геолого-технические мероприятия.

14. Методы измерения фазовых проницаемостей в скважине

Для определения фазовых проницаемостей непосредственно в скважине используют различные виды исследований:

• Гидродинамические исследования при разных расходах закачки
• Анализ кривых восстановления давления
• Исследования многофазных потоков в стволе скважин

Полученные данные интерпретируются для определения фазовых проницаемостей в разных интервалах пласта.

15. Опытно-промышленная эксплуатация участков пластов

Для уточнения фазовых проницаемостей и отработки различных технологий увеличения нефтеотдачи проводят опытно-промышленную разработку отдельных участков пласта.

Фиксируются дебиты скважин, профили приемистости, осуществляется гидродинамический контроль за вытеснением флюидов в пласте. Полученные данные используются для корректировки геолого-технологической модели месторождения.