СПОСОБ ОЦЕНКИ ПЛАСТОВОГО ФАКТОРА ПОДЗЕМНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПО ВЫБУРЕННЫМ ИЗ НЕГО ФРАГМЕНТАМ ПОРОДЫ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/02 G01N33/24 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству оценки пластового фактора подземных зон по фрагментам горной породы, поднятым на поверхность при операциях бурения скважин в местах залегания подземных месторождений.

В области петрофизических характеристик имеется очень важная величина, которая обуславливает интерпретацию данных электрокаротажа для оценки водонасыщенности месторождений, которая представляет собой так называемый пластовый фактор или пластовый коэффициент (далее - сокращенно: FF), который определяется как отношение между собственной удельной электропроводностью проводящей жидкости (σ_w) и удельной электропроводностью пористой среды, насыщенной этой жидкостью (σ₀), то есть

В качестве электропроводной жидкости предпочтительно используют рассол или другую эквивалентную электропроводную жидкость.

Знание пластового фактора позволяет добывающим компаниям получить первичную петрофизическую характеристику месторождения через малый промежуток времени после бурения скважин и, как следствие, хорошую оценку количеств залегающих углеводородов.

Уровень техники

Современными методами пластовый фактор получают с помощью лабораторных измерений отобранных из месторождения буровых кернов. Эти методы являются достаточно дорогостоящими вследствие высокой стоимости отбора буровых кернов и собственно их измерения, а их результаты становятся доступными лишь через несколько месяцев после бурения.

Проведение экспериментальных измерений удельной электропроводности на буровых кернах основывается на применении классического оборудования, используемого в большей части петрофизических лабораторий, подтверждение чему можно найти, например, в патенте FR 2781573 (US 6229312) заявителя или в следующей публикации: Sprunt E.S., Maute R.E., Rackers C.I.: "An Interpretation of the SCA Electrical Resistivity", The Log Analyst, p.76-88, March-April 1990.

Для решения проблем высокой стоимости и относительно больших сроков получения результатов измерений были разработаны методы расчета пластового фактора по фрагментам выбуренной породы. В качестве примера можно привести патент США 2583284, который описывает различные способы определения пластового фактора путем измерений удельной электропроводности, осуществляемых на фрагментах выбуренной породы. Между тем эти методы весьма сложны в экспериментальном плане, а получение их результатов требует относительно больших затрат времени.

Способ согласно изобретению

Изобретение касается лишенного недостатков существующих методик способа оценки простым и быстрым образом пластового фактора подземной зоны по фрагментам выбуренной породы, поднятым на поверхность из буровых скважин, в котором используют устройство, включающее в себя ячейку (1), способную содержать эти фрагменты выбуренной породы и снабженную электродами, соединенными с прибором измерения удельной электропроводности содержимого ячейки. Данный способ включает в себя по меньшей мере следующие этапы, на которых:

- промывают упомянутые фрагменты породы перед тем, как помещают их в ячейку;

- заполняют ячейку первым раствором (А) электролита с известной удельной электропроводностью (σ_А) таким образом, чтобы насытить фрагменты выбуренной породы этим первым раствором (А) электролита;

- измеряют общую удельную электропроводность (σ^* _А) ячейки вместе с ее содержимым;

- удаляют остающийся между фрагментами породы первый раствор (А) электролита из ячейки;

- заполняют ячейку вторым раствором (В) электролита с известной удельной электропроводностью (σ_В);

- определяют общую удельную электропроводность (σ^* _В) ячейки, содержащей второй раствор (В) электролита и фрагменты породы, насыщенные первым раствором (А) электролита;

- выводят пластовый фактор (FF) фрагментов породы исходя из проведенных измерений.

Согласно изобретению можно насыщать фрагменты породы углекислым газом путем нагнетания этого газа в ячейку перед тем, как заполнить ячейку первым раствором (А) электролита.

Растворы электролитов могут представлять собой рассолы различных концентраций, причем концентрация и удельная электропроводность первого раствора (А) электролита могут быть более высокими, чем у второго раствора (В).

Согласно изобретению можно удалить остающийся между фрагментами породы первый раствор (А) электролита из ячейки путем гравитационного опорожнения.

Можно также удалить первый раствор (А) электролита нагнетанием воздуха. В этом случае давление нагнетаемого воздуха может быть определено в зависимости от размера пор фрагментов породы.

В случае гравитационного опорожнения последнее может быть улучшено с помощью капиллярной десорбции.

Капиллярная десорбция может быть осуществлена с помощью полупроницаемой мембраны, пропускающей первый раствор электролита, но не пропускающей воздуха.

Наконец, согласно изобретению пластовый фактор может быть определен исходя из теории средних полей.

Изобретение касается также устройства для осуществления вышеописанного способа. Это устройство включает в себя:

- средства насыщения углекислым газом CO₂ фрагментов породы, содержащихся в ячейке;

- средства быстрого слива раствора электролита, находящегося между фрагментами породы.

Согласно изобретению упомянутые средства слива в устройстве могут включать в себя полупроницаемую мембрану, проницаемую для рассола и непроницаемую для воздуха.

Краткое описание чертежей

- Фиг.1 представляет собой схематический вид устройства измерения удельной электропроводности с четырьмя электродами;

- Фиг.2 иллюстрирует состояние A, получаемое на первом этапе при заполнении первой жидкостью A ячейки, содержащей фрагменты выбуренной породы;

- Фиг.3 иллюстрирует состояние B, получаемое на другом этапе после замены жидкости A на другую жидкость B;

- Фиг.4 иллюстрирует экспериментальные данные, демонстрирующие снижение сигнала удельной электропроводности через длительные промежутки времени после операции опорожнения;

- Фиг.5А показывает в виде перекрестной диаграммы результаты, полученные с помощью приближения самоподобия;

- Фиг.5В показывает в виде перекрестной диаграммы результаты, полученные с помощью дифференциального приближения;

- Фиг.6 показывает сравнительную таблицу результатов, полученных двумя представленными методами (самоподобия и дифференциальным) на фрагментах выбуренной породы и при контрольных измерениях, проведенных с помощью экспериментов на буровых кернах.

Подробное описание

Предлагаемый согласно изобретению способ быстрой оценки FF по фрагментам выбуренной породы основан на сборе экспериментальных данных, получаемых при измерении удельной электропроводности фрагментов выбуренной породы при различных условиях. Когда измеряют электропроводность ячейки, содержащей фрагменты горной породы, эта электропроводность зависит от электропроводности фрагментов горной породы, а также жидкости, находящейся между этими фрагментами. Предлагаемый способ позволяет интерпретировать экспериментальные данные в терминах FF с использованием теоретических моделей. Предложены два варианта такого использования. Они демонстрируют очень хорошее соответствие между значениями FF, полученными на буровых кернах, и значениями FF, полученными на фрагментах этих буровых кернов, в широком диапазоне FF.

Изобретение предлагает способ и устройство, позволяющие быстро и точно (строго) рассчитать пластовый фактор, применяя, среди прочего, измерения удельной электропроводности, проводимые с использованием двух электропроводных жидкостей, которые могут быть смешивающимися.

Согласно одному варианту осуществления изобретения две смешивающиеся и электропроводные жидкости представляют собой рассолы различных концентраций:

- жидкость A: рассол с концентрацией 75 г/л соли, что соответствует удельной электропроводности 9,88 (Ом·м)^-1;

- жидкость B: рассол с концентрацией 25 г/л соли, что соответствует удельной электропроводности 3,81 (Ом·м)^-1 и что дает разницу в удельной электропроводности примерно в три раза.

Под рассолом подразумевается раствор электролита, позволяющий легко получать результаты измерения удельных электропроводностей.

Основной принцип предлагаемого согласно изобретению способа заключается в измерении четырех удельных электропроводностей:

1. Удельной электропроводности первого раствора электролита (σ_А).

2. Удельной электропроводности ячейки, заполненной первым раствором электролита и фрагментами породы, насыщенными этим первым раствором (σ^* _А).

3. Удельной электропроводности второго раствора электролита (σ_В).

4. Удельной электропроводности ячейки, заполненной вторым раствором электролита и фрагментами породы, насыщенными первым раствором (σ^* _В).

Сбор экспериментальных данных

Устройство, позволяющее проводить измерения в рамках осуществления изобретения, схематично изображено на фиг.1. Оно состоит, главным образом, из закрытой ячейки (1) длиной 3 см и с площадью круглого сечения 9,48 см², что дает общий объем примерно 30 см³. Это соответствует примерно 15 см³ горной породы в заполненной ячейке. Эта ячейка выполнена из непроводящего материала. С противоположных концов она закрыта двумя наконечниками 2, 3, выполненными из электропроводного материала. Между этими двумя наконечниками 2, 3 подключен генератор 4 переменной частоты, а прилагаемый им ток измеряется амперметром 5. В двух местах, расположенных вдоль корпуса ячейки 1, расположены электроды 6, 7, соединенные с вольтметром 8. Насос (9) позволяет вводить жидкости в ячейку.

На первом этапе ячейку (1) заполняют фрагментами (частицами) выбуренной породы (или «Cuttings» по-английски), предварительно промытыми и высушенными, и углекислым газом до достижения насыщения этих фрагментов породы углекислым газом. Объем вводимого газа таков, что все поры упомянутых фрагментов породы заполнены углекислым газом. Эта операция проводится для улучшения насыщения фрагментов породы рассолом благодаря механизмам диффузии СО₂ в воздухе и растворения CO₂ в рассоле, а не путем удаления воздуха, что гораздо труднее осуществить.

На втором этапе ячейку полностью заполняют электропроводной жидкостью A (рассол, концентрация и, следовательно, удельная электропроводность которого известны) до полного насыщения ею фрагментов породы при растворении CO₂ в рассоле, и измеряют общую удельную электропроводность ячейки и ее содержимого, которую обозначают как σ^* _А. Это состояние, названное состоянием А, представлено на фиг.2, где IA обозначает жидкость А в пространстве между фрагментами породы, а DA обозначает жидкость А внутри фрагментов породы.

Затем жидкость A удаляют за счет гравитационного опорожнения (слива) и под давлением воздуха (или при снижении давления рассола). Необходимое для этого давление является функцией максимального размера пор во фрагментах породы. Действительно, слишком сильное давление могло бы «денасытить» (т.е. снизить насыщение), хотя и частично, фрагменты породы. Это давление не должно быть, таким образом, ни слишком высоким (частичное денасыщение фрагментов породы), ни слишком малым, чтобы ограничить присутствие жидкости A в пространствах между фрагментами породы. Оно легко рассчитывается по формуле Лапласа.

Чтобы облегчить слив (дренаж) рассола из пространств между фрагментами породы, сохраняя при этом сами фрагменты насыщенными, можно воспользоваться капиллярной десорбцией пространства между фрагментами, занятого жидкостью А, с помощью полупроницаемой мембраны. Слив рассола из такого межфрагментного пространства контролируется в таком случае наличием этой мембраны, которая пропускает рассол, но не пропускает воздух. К ячейке прикладывают давление воздуха таким образом, чтобы вытеснить рассол из пространства между фрагментами породы, не уменьшая при этом насыщения им самой горной породы.

Давление в 10 мбар (которое можно контролировать по высоте столба помещенной в капилляр воды, равной 10 см) позволяет гарантировать хороший дренаж пространства между фрагментами породы без снижения насыщения рассолом самой породы, и это - для широкого диапазона проницаемости (воздух не должен иметь возможность проникнуть в наиболее крупную из существующих пористой среде пор, размер которой соответствует тому, что называют давлением входа).

Затем, после такого опорожнения, быстрого (гравитационный слив, которому способствует давление воздуха) и эффективного (использование полупроницаемой мембраны и давления воздуха), ячейку заполняют другой электропроводной жидкостью B (рассол менее высокой концентрации, чем рассол A), не меняя при этом природы жидкости (рассол A), насыщающей фрагменты породы.

Необходимо провести измерения до того, как диффузия жидкости В достигнет пор фрагментов породы и начнется изменение насыщения.

На практике время, отведенное для проведения измерений, выводится из сравнения времени диффузии и времени слива. На фиг.4 приведены экспериментальные данные, показывающие отклонение сигнала удельной электропроводности (электрическое напряжение в милливольтах по оси ординат) через длительные промежутки времени (в минутах по оси абсцисс) после операции опорожнения (t=0). Ясно видно, что этот эффект (снижение напряжения) от диффузии рассола в пространстве между фрагментами представляет собой явление далеко не быстрое. Необходимо более одного часа для того, чтобы можно было бы наблюдать какое-либо заметное влияние на результаты измерений. Таким образом, фиг.4 подтверждает, что способы быстрого опорожнения являются вполне оперативными для применения методики с двумя смешивающимися жидкостями.

В конце этой фазы, таким образом, имеются фрагменты породы, насыщенные жидкостью A, погруженные в жидкость B. Теперь измеряют общую удельную электропроводность системы, которую обозначают как σ^* _В. Это состояние, названное состоянием В, представлено на фиг.3, где IB обозначает жидкость В в пространстве между фрагментами породы, а DA обозначает жидкость А внутри фрагментов породы. Кроме того, фрагменты породы не вынимались из ячейки в ходе ее опорожнения и повторного заполнения второй жидкостью В, что позволило сохранить форму пористой среды и тем самым сделать более надежными результаты измерений (измерений, эквивалентных между состоянием А и состоянием В). Так как обе используемые жидкости являются рассолами, не требуется предусматривать никаких специальных предосторожностей при проведении экспериментов.

Если используют рассолы с известной соленостью, такие как жидкости A и B, то значение их удельной электропроводности можно определить из таблиц, таких как те, что можно найти в следующей публикации:

- Worthington A.E., Hedges J.H., Pallatt N.: "SCA Guidelines for sample preparation and porosity measurement of electrical resistivity samples", The Log Analyst, p.20-28, January-February 1990.

В более общем случае возможно также непосредственно измерять значение удельной электропроводности жидкостей А и В с помощью кондуктометра. Собственные удельные электропроводности жидкостей А и В обозначают при этом как σ_А и σ_В.

В используемой процедуре необходимо отметить преимущество применения в первую очередь более соленого и более электропроводного рассола и заполнения пространства между фрагментами породы менее соленым рассолом. Это позволяет сохранить более электропроводную жидкость внутри горной породы для способствования повышению точности измерения FF.

Интерпретация экспериментальных результатов в терминах FF

Будем считать, что совокупный объем занимают две разные по типу среды 1 и 2. Объемная доля среды 1 обозначена как х, а объемная доля среды 2 - как y, равный 1-х. Далее всегда будем считать, что среда 1 представляет собой жидкость А или В в пространстве между фрагментами породы, а среда 2 - сами насыщенные фрагменты горной породы. Удельные электропроводности каждой из сред - жидкости между фрагментами и насыщенных фрагментов горной породы - обозначены как σ₁ и σ₂, а общая удельная электропроводность системы обозначена как σ^*.

Чтобы принять во внимание смешанный характер двух сред, способ согласно изобретению осуществляют с использованием методик, вытекающих из теории средних полей, например, таких, как описанные в следующих публикациях:

- Berryman J.G.: "Mixture Theories for Rock Properties", Rock Physics and Phase Relation, p.205-228, 1990; или

- Bruggeman D.A.G.: "Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen", Ann. Physik. (Leipzig), 24, 636-679, 1935.

Может быть использована любая другая методика, учитывающая этот «смешанный» характер, без выхода за рамки изобретения.

Согласно первому из приближений, называемому самоподобием, можно вывести следующее соотношение:

при: h(x)=1-f(y)

где h и f являются функциями объемных долей, учитывающими форму частиц (зерен), составляющих фрагменты породы. Например, для случая сферических частиц получаем следующее выражение: f(y)=y^L, при

то есть:

Теперь можно записать предыдущее уравнение для двух экспериментально измеренных состояний (А и В):

Состояние А: σ^*=σ^* _A

Состояние В: σ^*=σ^* _B

Уравнения (2) и(3) можно также записать по-другому:

Функции, позволяющие учесть форму частиц (h и f), неизвестны и трудно определимы. Отсюда возникает интерес к измерениям с использованием двух жидкостей между фрагментами: комбинация уравнений (4) и (5) позволяет сократить неизвестную f(y).

В результате, комбинируя уравнения (4) и (5), в результате получают

Подставляя

получают уравнение второй степени, которое можно решить аналитически:

Решение этого уравнения всегда дает два действительных корня, так как его дискриминант всегда строго положителен:

Из двух решений выбираем то единственное, которое имеет физический смысл (FF>0).

Согласно другой процедуре, используют дифференциальное приближение, и зависимость между σ₁ (удельной электропроводностью пространства между фрагментами), σ₂ (удельной электропроводностью фрагментов) и σ^* (общей удельной электропроводностью системы) можно записать следующим образом:

Предшествующее уравнение может быть применено для двух экспериментально измеренных состояний (А и В):

Состояние А: σ^*=σ^* _A

Состояние В: σ^*=σ^* _B

Комбинируя уравнения (12) и (13), в результате непосредственно получают соотношение, где единственным неизвестным является FF:

Подставляя теперь

и получают уравнение второй степени для Х:

Дискриминант этого уравнения выглядит как:

из чего следует получение двух действительных решений, из которых оставляют только одно, имеющее физический смысл (FF>0).

Достоверность предлагаемого способа по сравнению с контрольными измерениями

Чтобы сравнить результаты, полученные на фрагментах породы согласно двум подробно описанным выше процедурам, с результатами измерений, полученными с помощью классической процедуры на буровых кернах, была проведена серия экспериментов на горных породах с различными проницаемостью и пористостью.

Совокупность полученных результатов приведена на перекрестных диаграммах фиг.5А и 5 В, где ось ординат представляет величину пластового фактора FF, измеренную на буровых кернах (FFC), а ось абсцисс - величину пластового фактора, измеренную на фрагментах породы с использованием соответственно метода самоподобия (FFA) и дифференциального метода (FFD). В Таблице на фиг.6 эти результаты перегруппированы для различных образцов (Ech), имеющих различные проницаемости (К) и пористости (ϕ). Эти результаты делают очевидной очень хорошую корреляцию между контрольными измерениями и измерениями на фрагментах породы. Из двух представленных методов аппроксимации, самоподобия и дифференциального, кажется, что наилучшие результаты дает второй.

Следует уточнить, что методы расчета, названные «самоподобием» и «дифференциальным», которые были применены для оценки пластового фактора согласно настоящему изобретению, были описаны лишь в качестве не ограничительных примеров.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для петрофизической характеристики месторождений. Сущность: ячейку, содержащую фрагменты выбуренной породы, заполняют первым раствором электролита с известной удельной электропроводностью. После насыщения фрагментов выбуренной породы первым раствором определяют общую электропроводность ячейки вместе с ее содержимым. После удаления первого раствора ячейку, содержащую фрагменты выбуренной породы, заполняют вторым раствором электролита с известной удельной электропроводностью. Определяют общую удельную электропроводность ячейки, содержащей второй раствор и фрагменты породы, насыщенные первым раствором. При помощи комбинации этих измерений выводят пластовый фактор фрагментов породы. Технический результат: быстрота и точность получения пластового фактора. 11 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Способ оценки пластового фактора подземной зоны по фрагментам выбуренной породы, поднятым на поверхность из буровой скважины, в котором используют устройство, включающее в себя ячейку (1), способную содержать эти фрагменты выбуренной породы и снабженную электродами, соединенными с прибором измерения удельной электропроводности содержимого ячейки, отличающийся тем, что он включает в себя по меньшей мере следующие этапы, на которых промывают упомянутые фрагменты породы перед тем, как помещают их в ячейку; заполняют ячейку первым раствором (А) электролита с известной удельной электропроводностью (σ_А) таким образом, чтобы насытить фрагменты породы этим первым раствором (А) электролита; измеряют общую удельную электропроводность (σ*_А) ячейки вместе с ее содержимым; удаляют остающийся между фрагментами породы первый раствор (А) электролита из ячейки; заполняют ячейку вторым раствором (В) электролита с известной удельной электропроводностью (σ_В); определяют общую удельную электропроводность (σ*_В) ячейки, содержащей второй раствор (В) электролита и фрагменты породы, насыщенные первым раствором (А) электролита; выводят пластовый фактор (FF) фрагментов породы, исходя из проведенных измерений.2. Способ по п.1, в котором насыщают фрагменты породы углекислым газом путем нагнетания этого газа в ячейку перед тем, как заполняют ячейку первым раствором (А) электролита.3. Способ по п.1 или 2, в котором растворы электролитов представляют собой рассолы различных концентраций.4. Способ по п.1, в котором концентрация и удельная электропроводность первого раствора (А) электролита являются более высокими, чем у второго раствора (В).5. Способ по п.2, в котором концентрация и удельная электропроводность первого раствора (А) электролита являются более высокими, чем у второго раствора (В).6. Способ по п.3, в котором концентрация и удельная электропроводность первого раствора (А) электролита являются более высокими, чем у второго раствора (В).7. Способ по п.1, в котором остающийся между фрагментами породы первый раствор (А) электролита удаляют из ячейки путем гравитационного опорожнения.8. Способ по п.1 или 7, в котором первый раствор (А) электролита удаляют путем нагнетания воздуха.9. Способ по п.8, в котором давление нагнетаемого воздуха определяют как функцию размера пор фрагментов породы.10. Способ по п.7, в котором гравитационный слив улучшают с помощью капиллярной десорбции.11. Способ по п.10, в котором капиллярную десорбцию осуществляют при помощи полупроницаемой мембраны, пропускающей первый раствор электролита, но не пропускающей воздуха.12. Способ по п.1, в котором пластовый фактор определяют, исходя из теории средних полей.