Петрофизика

Изучение физико-химических свойств горных пород

Петрофизика (от греч. πέτρα, petra , «камень» и φύσις, physis , «природа») — это наука, изучающая физические и химические свойства горных пород и их взаимодействие с жидкостями . ^[1]

Основное применение петрофизики заключается в изучении резервуаров для углеводородной промышленности . Петрофизики работают вместе с инженерами-разработчиками и геологами, чтобы понять свойства пористой среды резервуара. В частности, как поры взаимосвязаны в недрах, контролируя накопление и миграцию углеводородов. ^[1] Некоторые фундаментальные петрофизические свойства определяются как литология , пористость , водонасыщенность , проницаемость и капиллярное давление . ^[1]

Рабочий процесс петрофизиков измеряет и оценивает эти петрофизические свойства посредством интерпретации каротажных данных скважин (т. е. условий пласта на месте) и анализа керна в лаборатории. Во время перфорации скважин используются различные инструменты каротажа скважин для измерения петрофизических и минералогических свойств посредством радиоактивности и сейсмических технологий в скважине. ^[2] Кроме того, из скважины берутся образцы керна в виде керна боковой стенки или цельных образцов керна. Эти исследования сочетаются с геологическими, геофизическими и инженерными исследованиями резервуара для моделирования резервуара и определения его экономической целесообразности.

В то время как большинство петрофизиков работают в углеводородной промышленности, некоторые также работают в горнодобывающей промышленности , водных ресурсах , геотермальной энергетике и в отраслях улавливания и хранения углерода . Петрофизика является частью наук о Земле , и ее исследования используются в нефтяной инженерии , геологии , геохимии , разведочной геофизике и других. ^[3]

Основные петрофизические свойства

Ниже приведены основные петрофизические свойства, используемые для характеристики резервуара:

• Литология : Описание физических характеристик породы, таких как размер зерна , состав и текстура . ^[4] Изучая литологию местных геологических обнажений и образцов керна , геологи могут использовать комбинацию измерений каротажа, таких как естественная гамма-каротажа , нейтронного каротажа , плотности и удельного сопротивления , ^[2] для определения литологии скважины.
• Пористость : доля объема порового пространства, связанная с общим объемом породы, обозначенная как. ^[5] Обычно она рассчитывается с использованием данных прибора, который измеряет реакцию породы на бомбардировку нейтронами или гамма -лучами , но также может быть получена с помощью акустического и ЯМР- каротажа. ^[2] Гелиевый порозиметр является основным методом измерения объема зерна и пористости в лабораторных условиях. ^[6] ${\displaystyle \phi }$
• Водонасыщенность : доля порового пространства, занимаемая водой. ^[7] Обычно рассчитывается с использованием данных прибора, измеряющего удельное сопротивление породы, и применения эмпирических или теоретических моделей водонасыщенности; наиболее широко используемой в мире является модель Арчи (1942). ^[8] Она известна под символом. ${\displaystyle S_{w}}$
• Проницаемость : количество жидкости (воды или углеводорода), которое может протекать через породу в зависимости от времени и давления, связанное с тем, насколько взаимосвязаны поры, и известное под символом. ^[1] Тестирование пласта является единственным инструментом, который может напрямую измерить проницаемость горной породы в скважине. ^[9] В случае его отсутствия, что является обычным явлением в большинстве случаев, оценка проницаемости может быть получена из эмпирических соотношений с другими измерениями, такими как пористость , ЯМР и акустический каротаж. Закон Дарси ^[10] применяется в лаборатории для измерения проницаемости керна с инертным газом или жидкостью (т. е. не вступающей в реакцию с породой). ^[6] ${\displaystyle k}$
• Толщина пласта (h) породы с достаточной проницаемостью для доставки флюидов в ствол скважины, это свойство часто называют « чистой коллекторской породой ». В нефтегазовой промышленности вычисляется еще одна величина « чистая производительность », которая представляет собой толщину породы, которая может доставлять углеводороды в ствол скважины с прибыльной скоростью. ^[11]

Механические свойства горных пород

Механические или геомеханические свойства горных пород также используются в петрофизике для определения прочности резервуара , упругих свойств , твердости , ультразвуковых свойств , индексных характеристик и напряжений на месте . ^[6]

Петрофизики используют акустические и плотностные измерения горных пород для вычисления их механических свойств и прочности . Они измеряют скорость звука при сжатии (P) через горную породу и скорость сдвига (S) и используют их с плотностью горной породы для вычисления прочности горной породы на сжатие , которая является сжимающим напряжением, вызывающим разрушение горной породы, и гибкости горных пород , которая является соотношением между напряжением и деформацией для горной породы. ^[12] Анализ обменных волн также определяет подповерхностную литологию и пористость. ^[13]

Геомеханические измерения полезны для оценки буримости, проектирования устойчивости ствола скважины и открытого ствола, корреляции прочности и напряжения, а также характеристики формации и прочности. ^[6] Эти измерения также используются для проектирования плотин, дорог, фундаментов зданий и многих других крупных строительных проектов. ^[14] Они также могут помочь интерпретировать сейсмические сигналы от Земли, как искусственные сейсмические сигналы, так и сигналы от землетрясений. ^[15]

Методы петрофизического анализа

Анализ ядра

Поскольку образцы керна являются единственным доказательством структуры пластовой породы резервуара, анализ керна представляет собой данные «наземной истины», измеренные в лаборатории для понимания ключевых петрофизических характеристик пластового резервуара. В нефтяной промышленности образцы горных пород извлекаются из недр и измеряются в лабораториях нефтяных или сервисных компаний. Этот процесс занимает много времени и дорог; поэтому его можно применять только к некоторым скважинам, пробуренным на месторождении. Кроме того, правильное проектирование, планирование и надзор уменьшают избыточность данных и неопределенность. Команды клиентов и лабораторий должны работать согласованно, чтобы оптимизировать процесс анализа керна. ^[6]

Геофизические исследования скважин

Рисунок 1

Каротаж скважин является относительно недорогим методом получения петрофизических свойств в скважине. Измерительные приборы спускаются в скважину с помощью либо кабеля , либометода LWD . ^[2]

Пример диаграмм кабельного каротажа показан на рисунке 1. Первая «дорожка» показывает естественный уровень гамма-излучения породы. «Лог» уровня гамма-излучения показывает увеличивающееся излучение справа и уменьшающееся излучение слева. Породы, испускающие меньше излучения, имеют более желтую штриховку. Детектор очень чувствителен, а количество излучения очень мало. В обломочных породах породы с меньшим количеством излучения, скорее всего, будут более крупнозернистыми и будут иметь больше порового пространства, в то время как породы с большим количеством излучения, скорее всего, будут иметь более мелкие зерна и меньше порового пространства. ^[16]

Вторая дорожка на графике регистрирует глубину под контрольной точкой, обычно это куст Келли или роторный стол в футах, поэтому эти скальные образования находятся на глубине 11 900 футов ниже поверхности Земли.

В третьем треке представлено электрическое сопротивление породы. Вода в этой породе соленая. Электролиты, текущие внутри порового пространства в воде, проводят электричество, что приводит к снижению сопротивления породы. Это также указывает на повышенную водонасыщенность и пониженную углеводородную насыщенность. ^[17]

Четвертая дорожка показывает вычисленную водонасыщенность, как «общая» вода (включая воду, связанную с породой) в пурпурном цвете, так и «эффективная вода» или вода, которая свободно течет, в черном цвете. Обе величины даны как доля от общего порового пространства.

Пятая дорожка показывает долю порового пространства, заполненного флюидами (т. е. пористость) от общей массы породы. Отображение порового пространства разделено на зеленое для нефти и синее для подвижной воды. Черная линия показывает долю порового пространства, которая содержит либо воду, либо нефть, которые могут перемещаться или «добываться» (т. е. эффективную пористость). В то время как пурпурная линия показывает торическую пористость, то есть она включает воду, которая постоянно связана с породой.

Последняя дорожка представляет собой литологию породы, разделенную на песчаник и сланец. Желтый рисунок представляет собой фракцию породы (исключая флюиды), состоящую из более крупнозернистого песчаника. Серый рисунок представляет собой фракцию породы, состоящую из более мелкозернистого, т. е. «сланца». Песчаник — это часть породы, которая содержит добываемые углеводороды и воду.

Моделирование

Модели резервуаров строятся инженерами-разработчиками резервуаров в специализированном программном обеспечении с использованием набора петрофизических данных, разработанного петрофизиком для оценки количества углеводородов, присутствующих в резервуаре, скорости, с которой эти углеводороды могут быть добыты на поверхности Земли через стволы скважин, и потока жидкости в горных породах. ^[3] Аналогичные модели в отрасли водных ресурсов вычисляют, сколько воды может быть добыто на поверхности в течение длительных периодов времени без истощения водоносного слоя . ^[18]

Объемная модель горных пород для сланцево-песчаной формации

Сланцевый песок — это термин, обозначающий смесь сланца или глины и песчаника. Следовательно, значительная часть глинистых минералов и частиц размером с ил приводит к мелкозернистому песчанику с более высокой плотностью и сложностью породы. ^[19]

Объем сланца/глины является важным петрофизическим параметром для оценки, поскольку он вносит вклад в общий объем породы, и для правильной пористости и водонасыщенности оценка должна быть правильно определена. Как показано на рисунке 2, для моделирования формирования обломочных пород есть четыре компонента, определения которых типичны для сланцевых или глинистых песков, которые предполагают: матрицу породы (зерна), глинистую часть, которая окружает зерна, воду и углеводороды. Эти две жидкости хранятся только в поровом пространстве в матрице породы.

Компоненты петрофизической модели водонасыщенной породы-коллектора

В связи со сложной микроструктурой для водонасыщенных пород следующие термины включают в себя формирование обломочного коллектора:

V _ma = объем зерен матрицы.

V _dcl = объем сухой глины.

V _cbw = объем связанной глины воды.

V _cl = объем влажной глины ( V _dcl + V _cbw ).

Vcap = объем капиллярно-связанной воды _.

V _fw = объем свободной воды.

V _гидр = объем углеводорода.

Φ _T = Общая пористость (PHIT), которая включает связанные и несвязанные поровые каналы.

Φ _e = Эффективная пористость, которая включает только взаимосвязанные поровые каналы.

V _b = общий объем породы.

Ключевые уравнения:

V _ma + V _cl + V _fw + V _hyd = 1

Объем скелета породы + объем влажной глины + объем свободной воды + объем углеводородов = объем основной породы ^[20]

Научные общества

Общество петрофизиков и аналитиков каротажа скважин (SPWLA) — это организация, миссия которой заключается в повышении осведомленности о передовых методах петрофизики, оценки пластов и каротажа скважин в нефтегазовой отрасли и научном сообществе в целом. ^[21]

Смотрите также

• Закон Арчи
• Оценка формирования
• Отношение Гарднера
• Петрология

Ссылки

1. Тиабб, Д. и Дональдсон, ЕС (2004). Петрофизика. Оксфорд: Эльзевир. п. 1. ISBN 0-7506-7711-2.
2. Серра, Оберто; Серра, Лоренцо (2004). Геофизические исследования скважин: получение данных и их применение . Мери Корбон, Франция. ISBN 978-1-62198-787-1. OCLC  860900113.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
3. Чен, Эндрю; Паган, Рональд (1 июня 2013 г.). «Откройте для себя карьеру: Петрофизика». Путь вперед . 09 (2): 19–21. doi :10.2118/0213-019-twa . Получено 14.04.2023 .
4. "Литология". Словарь терминов землетрясений . Геологическая служба США . Получено 29 октября 2010 г.
5. "Porosity". Schlumberger Oilfield Glossary . Получено 12 октября 2018 г.
6. Колин Макфи; Жюль Рид; Изаскун Зубисаррета, ред. (2015). Анализ сердечника: руководство по передовой практике . Амстердам, Нидерланды. ISBN 978-0-444-63657-7. OCLC  932016705.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
7. "Водонасыщенность". Schlumberger Oilfield Glossary . Получено 12 октября 2018 г.
8. Арчи, GR (декабрь 1942 г.). «Электрический каротаж сопротивления как средство определения некоторых характеристик резервуара». Труды AIME . 01 : 54–62. doi : 10.2118/942054-G .
9. Эрдл, Джеймс С. (сентябрь 1984 г.). Текущие методы испытания скважин: проектирование, проведение и интерпретация . Ежегодная техническая конференция и выставка SPE, 16–18 сентября 1984 г., Хьюстон, Техас. doi :10.2118/13182-MS.
10. Дарси, Х. (1856). Публичные фонтаны города Дижон . Пэрис: Далтон.
11. Уортингтон, Пол Ф. (октябрь 2010 г.). «Чистая продуктивность — что это? Что она делает? Как мы ее количественно оцениваем? Как мы ее используем?». SPE Reservoir Evaluation & Engineering . 13 (5): 812–822. doi :10.2118/123561-pa. ISSN  1094-6470.
12. Jaeger, JC; Cook, Neville GW; Zimmerman, Robert Wayne (2007). Основы механики горных пород (4-е изд.). Malden, MA: Blackwell Pub. ISBN 978-1-4443-0891-4. OCLC  430954955.
13. Чопра, Сатиндер; Кастанья, Джон П. (2014). AVO . Общество геофизиков-разведчиков. doi : 10.1190/1.9781560803201. ISBN 978-1-56080-319-5.
14. Чен, В. Ф.; Лью, Дж. Й. Ричард, ред. (2002). Справочник по гражданскому строительству (2-е изд.). Boca: CRC Press. doi : 10.1201/9781420041217. hdl : 10216/134011. ISBN 9781420041217.
15. Аткинсон, Джон (2007). Механика грунтов и фундаментов (2-е изд.). Лондон: CRC Press. doi :10.1201/9781315273549. ISBN 9781315273549.
16. Пупон, А.; Клавьер, К.; Дюмануар, Ж.; Гаймар, Р.; Миск, А. (июль 1970 г.). «Каротажный анализ песчано-сланцевых толщ - систематический подход». Журнал нефтяных технологий . 22 (7): 867–881. дои : 10.2118/2897-PA .
17. Браун, GA (июнь 1986 г.). Математическое сравнение общих уравнений насыщения. SPWLA двадцать седьмой ежегодный симпозиум по каротажу. 1986-T.
18. Перес-Мартин, Мигель А.; Эстрела, Теодоро; Андреу, Хоакин; Феррер, Хавьер (1 сентября 2014 г.). «Моделирование водных ресурсов и взаимодействия реки и водоносного горизонта в бассейне реки Хукар, Испания». Управление водными ресурсами . 28 (12): 4337–4358. дои : 10.1007/s11269-014-0755-3. ISSN  1573-1650. S2CID  154772994.
19. "shaly". glossary.slb.com . Получено 2023-05-24 .
20. Хук, Дж. Р. «Введение в пористость». Петрофизика . 44 (3): 205–212 – через OnePetro.
21. "SPWLA". www.spwla.org . Получено 29.07.2023 .

Дальнейшее чтение

• Геген, Ив; Палчаускас, Виктор (1994), Введение в физику горных пород , Princeton University Press, ISBN 978-0-691-03452-2
• Мавко, Гэри ; Мукерджи, Тапан; Дворкин, Джек (2003), Справочник по физике горных пород , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-54344-6
• Сантамарина, Дж. Карлос; Кляйн, Кэтрин А.; Фам, Мохеб А. (2001), Почвы и волны: поведение твердых частиц, характеристика и мониторинг процесса , John Wiley & Sons, Ltd., ISBN 978-0-471-49058-6
• Тиаб, Джеббар; Дональдсон, Эрл К. (2012). Петрофизическая теория и практика измерения свойств пластовых пород и переноса флюидов (3-е изд.). Оксфорд: Gulf Professional Pub. ISBN 978-0-12-383848-3.
• Ракель, С.; Бенитес, Г.; Молина, Л.; Педроса, К. (2016). «Нейронные сети для определения пространственных изменений свойств горных пород в средах с редким оборудованием» (PDF) . Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana . Том. 553 . Проверено 12 октября 2018 г.

Внешние ссылки

• Петрофизический форум
• Петрофизический справочник Крэйнса
• РокФизики
• Общество петрофизиков и аналитиков каротажа скважин (SPWLA)