Цель. Показать на сквозном примере, как корректно задать пластовую систему «нефть + газ + вода» в модуле PVT на примере программного продукта SiamWellTest.

Для кого. Для инженеров по ГДИС и разработке, которые впервые настраивают PVT-модель. Документ можно использовать как пошаговую инструкцию и как образец при подготовке собственного проекта.

Что делаем. Шаг за шагом проходим работу с модулем на условном объекте:

  1. Ввод исходных данных: пластовые условия, свойства нефти, состав газа, параметры пластовой воды.
  2. Расчёт свойств флюидов по встроенным корреляциям.
  3. Адаптация корреляций под результаты лабораторных исследований.
  4. Просмотр и анализ полученных зависимостей и результатов.

Объект исследования

В качестве примера рассматривается условное нефтяное месторождение Западной Сибири, залегающее на глубине около 2 500 м. Пластовые условия и свойства флюидов приняты близкими к характерным для объектов этого региона.

Условный пласт содержит лёгкую нефть с растворённым попутным газом. Пластовое давление значительно выше давления насыщения, поэтому в начальных условиях нефть недонасыщена газом и свободного газа в пласте нет. В порах также присутствует связанная вода. Её свойства тоже нужно учитывать, поэтому пластовая система задаётся как «нефть + газ + вода».

Начальные условия

Коллектор терригенный. Связанная водонасыщенность 0,31 д.ед. типична для песчаников региона со средними фильтрационно-ёмкостными свойствами. Сжимаемость скелета породы характерна для консолидированных песчаников. Газонасыщенность равна нулю: нефть в пласте недонасыщена газом, свободной газовой фазы нет.

Нефть лёгкая (плотность около 839 кг/м³, ≈ 37 °API), с умеренным газосодержанием, что характерно для юрских отложений региона. Пластовая вода слабоминерализованная: солёность 21,7 г/л (≈ 21 400 ppm), чему соответствует относительная плотность воды 1,017.

ПараметрОбозначениеЗначение
Сжимаемость скелета породыCf5,3·10⁻⁵ 1/атм
НефтенасыщенностьSo0,69 д.ед.
Водонасыщенность (связанная)Sw0,31 д.ед.
ГазонасыщенностьSg0
Относительная плотность дегазированной нефтиγo0,839
Газовый факторRs76,4 м³/м³
Солёность пластовой водыS21 400 ppm
Рисунок 1
Рисунок 1 — Общий вид PVT-модуля: параметры системы, графики свойств и результаты расчёта

Условия приведения свойств

PVT-модуль рассчитывает свойства флюидов как зависимости от давления и температуры. Когда нужны конкретные значения вязкости, объёмного коэффициента, плотности или сжимаемости, их берут в одной точке этих зависимостей (рис. 2), которая задаётся давлением и температурой приведения.

Рисунок 2
Рисунок 2 — Точка приведения на зависимостях свойств нефти: давление насыщения от температуры (слева) и объёмный коэффициент от давления и температуры (справа)

Эта точка определяет итоговые характеристики флюида, поэтому её выбирают под решаемую задачу. Например, для интерпретации исследований и расчётов по работающей скважине берут текущее пластовое давление в зоне её дренирования. Будем считать, что для нашей работы нам нужно узнать свойства флюида для следующего состояния:

ПараметрОбозначениеЗначение
ДавлениеP176,4 атм
ТемператураT87,3 °C

Состав газа

Попутный газ жирный: доля тяжёлых компонентов C₃₊ составляет около 17 %, что типично для газов, растворённых в лёгких юрских нефтях. Содержание неуглеводородных компонентов низкое: азота менее 2 %, углекислого газа менее 1 %, сероводород отсутствует. По компонентному составу модуль рассчитывает относительную плотность газа и его псевдокритические параметры, которые затем используются для расчёта свойств газовой фазы.

КомпонентСодержание, % мол.
N₂1,87
CO₂0,64
H₂S0,00
C₁70,93
C₂9,46
C₃9,12
i-C₄1,95
n-C₄3,21
i-C₅0,94
n-C₅0,97
C₆0,58
C₇₊0,33
Рисунок 3
Рисунок 3 — Ввод компонентного состава газа

Псевдокритические свойства газа

По введённому составу модуль рассчитывает молярную массу смеси и относительную плотность газа: γg = 0,838. Псевдокритические параметры смеси вычисляются как средневзвешенные по мольным долям критических параметров компонентов. Для сравнения те же параметры рассчитаны по корреляциям Sutton и Standing, которые оценивают псевдокритику только по относительной плотности газа.

МетодPpc, атмTpc, °C
По составу газа44,33−36,5
Sutton43,7−48,3
Standing44,3−46,4

Псевдокритическое давление по всем методам практически совпадает, расхождение не превышает 1,5 %. Псевдокритическая температура по корреляциям на 10–12 °C ниже, чем по составу, что в абсолютной шкале составляет около 5 % разницы. Причина в том, что корреляции Sutton и Standing усредняют свойства множества природных газов и учитывают только относительную плотность, а не фактический состав. Поэтому их применяют, когда компонентный состав отсутствует, а при известном составе предпочтителен расчёт по нему. Точность расчёта по составу зависит от характеристики тяжёлой фракции C₇₊, но в данном случае её доля мала (0,33 %).

Расчёт свойств по корреляциям

Для каждого свойства флюидов в модуле выбирается корреляция. Использован базовый набор, установленный по умолчанию. Свойства с пометкой «internal» не имеют отдельной корреляции: модуль рассчитывает их из балансовых соотношений по уже полученным величинам.

Расчётное давление насыщения составляет 110,3 атм, что значительно ниже давления приведения 176,4 атм. Нефть находится в недонасыщенном состоянии, и весь газ остаётся растворённым, поэтому газосодержание равно газовому фактору. Свойства газовой фазы модуль рассчитывает для заданных условий, хотя свободного газа в пласте нет. Они понадобятся при снижении давления ниже давления насыщения.

ФазаСвойствоКорреляцияЗначение
НефтьДавление насыщения PbStanding110,26 атм
Газосодержание RsStanding76,4 м³/м³
Объёмный коэффициент BoStanding1,260 м³/м³
Сжимаемость CoPetrosky-Farshad1,74·10⁻⁴ 1/атм
Плотность ρointernal727,5 кг/м³
Вязкость µoBeggs-Robinson0,659 сПз
ГазОтносительная плотность γgпо составу0,838
Псевдокритическое давление Ppcпо составу44,33 атм
Псевдокритическая температура Tpcпо составу−36,5 °C
Коэффициент сверхсжимаемости ZDranchuk0,788
Объёмный коэффициент Bginternal5,57·10⁻³ м³/м³
Сжимаемость CgDranchuk5,19·10⁻³ 1/атм
Плотность ρginternal184,1 кг/м³
Вязкость µgLee et al.0,0212 сПз
ВодаОбъёмный коэффициент BwMeehan-Ramey1,030 м³/м³
Сжимаемость Cwinternal2,0·10⁻⁵ 1/атм
Плотность ρwinternal986,8 кг/м³
Вязкость µwVan Wingen-Frick0,353 сПз

Адаптация корреляций

Свойства, рассчитанные в предыдущем разделе, дают лишь первое приближение. Каждая корреляция построена на выборке нефтей и газов определённого региона и воспроизводит их свойства со своей погрешностью. Для конкретного флюида отклонение может составлять 10–20 % и более, особенно для давления насыщения и вязкости. Поэтому при наличии лабораторных исследований корреляции подбираются и адаптируются под замеры.

Выбор корреляций

Первым шагом выбирается корреляция, которая ближе всего описывает флюид ещё до адаптации. Для этого нужно, чтобы свойства флюида попадали в диапазон данных, на которых она построена. Ниже кратко описаны корреляции, доступные в модуле.

Нефть: давление насыщения, газосодержание, объёмный коэффициент

КорреляцияОсноваКогда применять
StandingНефти Калифорнии; 16–64 °API, 38–125 °CУниверсальный базовый вариант для нефтей с низким содержанием неуглеводородных газов
Vasquez-Beggs~6 000 замеров по месторождениям мира, раздельно для нефтей тяжелее и легче 30 °APIШирокий диапазон свойств; хороший выбор, когда тип нефти не ясен
Glaso (non-volatile / volatile)Нефти Северного моря; 22–48 °API, 27–138 °CЛёгкие и средние нефти; вариант volatile — для летучих нефтей с высоким газосодержанием
Petrosky-FarshadНефти Мексиканского залива; 16–45 °API, Pb от ~107 атмСредние и лёгкие нефти с высоким давлением насыщения

Нефть: сжимаемость

КорреляцияОсноваКогда применять
Vasquez-BeggsБольшая выборка по месторождениям мираБазовый вариант для недонасыщенной нефти
Petrosky-FarshadНефти Мексиканского заливаСредние и лёгкие нефти, согласуется с одноимённой корреляцией Pb/Bo

Нефть: вязкость

КорреляцияОсноваКогда применять
Beggs-Robinson~2 000 замеров, 16–58 °APIУниверсальный вариант для дегазированной и газонасыщенной нефти
BealДегазированные нефти СШАОценка вязкости дегазированной нефти по плотности и температуре
GlasoНефти Северного моряЛёгкие и средние нефти
AndradeЭмпирическая зависимость вязкости от температурыКогда есть замеры вязкости, по которым подбираются коэффициенты
PetroskyНефти Мексиканского заливаСредние и лёгкие нефти, в паре с Petrosky-Farshad

Газ

СвойствоКорреляцияКогда применять
ZDranchukАппроксимация диаграммы Standing-Katz; стандартный выбор для природных газов
Dranchuk-Abou KassemУточнённая аппроксимация Standing-Katz, работает в более широком диапазоне приведённых давлений; наиболее распространённый вариант
Hall-YarboroughТочна при приведённых температурах выше ~1,2; не рекомендуется вблизи критической точки
StandingУпрощённая явная зависимость для быстрых оценок
CgDranchukРассчитывается из той же модели, что и Z
µgLee et al.Стандарт для природных газов без заметного содержания H₂S и CO₂

Вода

СвойствоКорреляцияКогда применять
BwMeehan-RameyУчитывает давление, температуру и минерализацию
µwVan Wingen-Frick, Helmholtz-FrickЗависимости вязкости от температуры; результаты близки, выбор некритичен

Рассматриваемая нефть (≈ 37 °API, 87 °C, газосодержание 76 м³/м³) попадает в диапазоны всех корреляций, выбранных по умолчанию. Давление насыщения около 105–110 атм находится у нижней границы выборки Petrosky-Farshad, но в её пределах. Поэтому в рамках кейса базовый набор корреляций сохраняется без изменений, а их расхождение с фактическими свойствами флюида устраняется на этапе адаптации.

Лабораторные данные

Для адаптации используются результаты исследования глубинной пробы нефти при пластовой температуре 87,3 °C в нашем случае. Выше давления насыщения замерялись объёмный коэффициент и вязкость однофазной нефти, ниже — газосодержание, объёмный коэффициент и вязкость нефти по мере выделения газа. Сжимаемость нефти определена как средняя в интервале давлений от давления насыщения до 240 атм. Лабораторное давление насыщения составило 104,7 атм.

ПараметрОбозначениеЗначение
Давление насыщенияPb104,7 атм
Газосодержание при PbRs76,4 м³/м³
Объёмный коэффициент при PbBob1,2412 м³/м³
Сжимаемость нефти (104,7–240 атм)Co1,52·10⁻⁴ 1/атм
Вязкость нефти при Pbµob0,712 сПз
Вязкость дегазированной нефти при Tплµod2,141 сПз
P, атмRs, м³/м³Bo, м³/м³µo, сПз
240,076,41,21590,816
205,076,41,22240,788
170,076,41,22890,761
140,076,41,23460,738
104,776,41,24120,712
90,067,31,21970,768
75,058,01,19810,831
60,048,41,17490,912
45,038,31,15161,018
30,027,61,12591,167
15,015,91,09871,392
1,00,01,06122,141

Замеры вносятся в модуль в табличном виде: для каждой точки задаются давление, температура и значение свойства. На 3D-графике лабораторные точки отображаются вместе с поверхностями до и после адаптации, что позволяет сразу оценить расхождение корреляции с замерами (рис. 4).

Рисунок 4
Рисунок 4 — Ввод лабораторных замеров объёмного коэффициента и их сопоставление с расчётными поверхностями

Адаптируемые свойства

Адаптация проводится только для свойств нефти: давления насыщения и газосодержания, объёмного коэффициента, сжимаемости и вязкости. Нефть — единственная подвижная фаза, её свойства напрямую входят в расчёт и дают основной вклад в общую сжимаемость системы.

Свойства газа не адаптируются. При давлении приведения 176,4 атм нефть недонасыщена, свободного газа в пласте нет, и характеристики газовой фазы на результат влияют незначительно. Кроме того, модели сверхсжимаемости построены на обобщённой диаграмме Standing-Katz, и при известном составе газа их погрешность, как правило, не превышает нескольких процентов.

Свойства воды также не адаптируются. Вода в пласте связанная и неподвижна, а её вклад в общую сжимаемость не превышает нескольких процентов. Свойства пластовой воды слабо зависят от давления и надёжно описываются корреляциями по температуре и минерализации, поэтому отдельные лабораторные исследования воды для таких задач обычно не проводятся.

Результаты адаптации

После адаптации корреляции воспроизводят лабораторные данные, и свойства нефти в условиях приведения (176,4 атм, 87,3 °C) заметно меняются. Давление насыщения совпадает с замеренным, сжимаемость соответствует лабораторной. Наибольшие изменения затронули вязкость и сжимаемость нефти, где исходные корреляции ошибались более чем на 10 %.

Адаптированные зависимости свойств нефти показаны на рис. 5. На графиках при пластовой температуре хорошо видно давление насыщения: выше него газосодержание постоянно, объёмный коэффициент снижается за счёт сжатия нефти, а вязкость растёт. Ниже давления насыщения по мере выделения газа газосодержание и объёмный коэффициент уменьшаются, а вязкость нефти увеличивается.

СвойствоДо адаптацииПосле адаптацииИзменение
Давление насыщения Pb110,26 атм104,70 атм−5,0 %
Газосодержание Rs76,4 м³/м³77,8 м³/м³+1,9 %
Объёмный коэффициент Bo1,260 м³/м³1,232 м³/м³−2,3 %
Сжимаемость Co1,74·10⁻⁴ 1/атм1,52·10⁻⁴ 1/атм−12,6 %
Плотность ρo727,5 кг/м³745,8 кг/м³+2,5 %
Вязкость µo0,659 сПз0,748 сПз+13,5 %
Рисунок 5а
Рисунок 5б
Рисунок 5 — Адаптированные зависимости газосодержания, объёмного коэффициента и вязкости нефти: 3D-поверхности (вверху) и сечения при пластовой температуре (внизу)

Итоговые характеристики системы

По адаптированным свойствам нефти и насыщенностям модуль рассчитывает итоговые характеристики пластовой системы. Подвижной фазой является нефть, поэтому объёмный коэффициент и вязкость системы совпадают с нефтяными. Общая сжимаемость учитывает вклад породы и всех флюидов пропорционально их насыщенностям.

ПараметрДо адаптацииПосле адаптацииИзменение
Объёмный коэффициент B1,260 м³/м³1,232 м³/м³−2,3 %
Общая сжимаемость ct1,79·10⁻⁴ 1/атм1,64·10⁻⁴ 1/атм−8,4 %
Вязкость µ0,659 сПз0,748 сПз+13,5 %

Влияние PVT-свойств на результаты интерпретации ГДИС

Чтобы оценить практическую ценность адаптации, сравним, как меняются результаты интерпретации одного и того же исследования при разных источниках свойств флюида. На практике объёмный коэффициент, вязкость и общую сжимаемость часто берут без PVT-модели: из лабораторного отчёта при начальном пластовом давлении, из технологического режима скважины или по неадаптированным корреляциям.

ВариантИсточникB, м³/м³µ, сПзct, 1/атм
ЭталонАдаптированная PVT-модель1,2320,7481,64·10⁻⁴
1Корреляции без адаптации1,2600,6591,79·10⁻⁴
2Лабораторный отчёт1,2160,8161,64·10⁻⁴
3Технологический режим1,2740,6301,30·10⁻⁴

В варианте 2 свойства корректны, но взяты при начальном пластовом давлении, а не при текущем. В варианте 3 объёмный коэффициент и вязкость приняты средними по объекту из проектной документации, а общая сжимаемость — типовым значением.

При одних и тех же замерах давления результаты интерпретации зависят от свойств флюида следующим образом:

  • проницаемость пропорциональна произведению вязкости и объёмного коэффициента: $k \sim \mu B$;
  • коэффициент влияния ствола скважины пропорционален объёмному коэффициенту: $C \sim B$;
  • радиус исследования и расстояние до границ пропорциональны $\sqrt{B / c_t}$;
ПараметрВариант 1Вариант 2Вариант 3
Проницаемость k−9,8 %+7,7 %−12,9 %
Коэффициент влияния ствола C+2,3 %−1,3 %+3,5 %
Радиус исследования, расстояние до границ−3,2 %−0,6 %+14,2 %

Сильнее всего от PVT-свойств зависит проницаемость. Ошибки в вязкости и объёмном коэффициенте в ней не компенсируют друг друга, а накапливаются, и во всех трёх вариантах отклонение составляет 8–13 %. Даже корректные лабораторные данные, взятые не при том давлении, дают ошибку около 8 %: вязкость недонасыщенной нефти заметно растёт с давлением. Ошибка в общей сжимаемости сказывается прежде всего на геометрии: при типовой сжимаемости из варианта 3 расстояния до границ завышаются на 14 %. Скин-фактор к PVT-свойствам малочувствителен, поэтому отдельного сравнения по нему не приводим.

Рассмотренный пример относится к благоприятным: нефть лёгкая, маловязкая и недонасыщенная. Для вязких нефтей и при давлениях, близких к давлению насыщения, свойства флюида сильнее зависят от давления и состава. Там отказ от PVT-модели приводит к ошибкам в десятки и сотни процентов, которые переходят в определяемые по ГДИС параметры.

Заключение

На примере условного объекта рассмотрено, как в PVT-модуле SiamWellTest построить модель пластовой системы «нефть + газ + вода», рассчитать свойства флюидов и уточнить их по лабораторным данным.

Основные выводы:

  • PVT — основа количественной интерпретации. Параметры пласта, определяемые по ГДИС, в значительной степени зависят от свойств флюидов. Если свойства заданы приближённо, результаты интерпретации получают соответствующую погрешность.
  • Корреляции — удобный, но приближённый инструмент. Встроенные корреляции позволяют быстро оценить свойства флюидов даже при ограниченных данных, однако для конкретного флюида они остаются приближением.
  • Лабораторные исследования стоит использовать. Адаптация корреляций под замеры согласует модель с фактическим флюидом во всём диапазоне давлений. В результате вместо обобщённых корреляций или отдельных лабораторных точек используется полноценная модель флюида конкретного объекта.
  • Низкий порог входа. Учёт всех зависимостей свойств многофазного флюида требует большого объёма расчётов, но SiamWellTest берёт их на себя. От пользователя нужны только исходные данные: базовые характеристики пласта и флюидов и результаты лабораторных исследований.

В результате инженер получает согласованный набор свойств флюидов, который можно пересчитать на любые требуемые условия и использовать в дальнейшем анализе.