Способ определения минимального давления смесимости тяжелой нефти и газа при помощи Huff-n-Puff теста Российский патент 2020 года по МПК G01N33/28 

1 Техническое описание

Изобретение относится к методу экспериментальных исследований, позволяющему определить коэффициент вытеснения нефти газом на керне и условия смесимости тяжелой нефти с газом, который может использоваться для увеличения коэффициента извлечения нефти на месторождениях. Преимуществом данного метода является возможность определения минимального давления смесимости на образцах высоковязкой нефти, когда использование стандартных методов затруднено или невозможно. Диапазон воспроизведения пластовой температуры и давления ограничивается только техническими характеристиками оборудования.

Минимальное давление смесимости является ключевым параметром, который определяет эффективность закачки газа с целью увеличения нефтеотдачи.

2 Текущее состояние исследований МДС

При использовании газовых методов для увеличения коэффициента извлечения нефти критически важно определение условий смесимости закачиваемого газа и нефти. Температура определяется пластовыми условиями, давление возможно контролировать работой компрессора. Основная проблема - это определение условий смесимости.

Минимальное давление смесимости (МДС) - это давление, при котором газ достигает смесимости с нефтью определенного состава при определенной температуре (Green и Willhite 1998) (Pedersen и др. 2014).

Стандартными методами определения МДС являются вытеснение нефти газом в трубке с насыпной моделью породы (Slim tube test) (Yellig и Metcalfe 1980), метод всплывающего пузырька (Rising Bubble Apparatus) (Christianson и Haines 1987) и метод исследования межфазного натяжения (Vanishing Interfacial Tension) (Rao 1997). Последние два метода исследуют взаимодействие нефти с газом при пластовой температуре. Slim tube тест в дополнение к оценке взаимодействия нефти с газом учитывает влияние скорости закачки газа и оценивает коэффициент вытеснения для насыпной модели. Наиболее распространенным методом определения минимального давления смесимости (МДС) является slim tube метод (Ahmed 2010). Несмотря на то, что slim tube тест является общепринятым методом для определения МДС в нефтяной индустрии, не существует стандартного оборудования, процедуры или критериев для оценки минимального давления смесимости. В дополнение к недостаткам этого метода можно отнести продолжительность теста (4-6 недель); необходимость большого количества флюида (нефти и газа); продолжительная и дорогостоящая очистка системы после каждого теста; кольматация насыпной модели при выпадении АСПО в процессе теста.

Патент США №4,445,860 описывает установку и метод для определения МДС CO2 и пластовой нефти. Схема установки основана на использовании капиллярной трубки, которая заполняется сырой нефтью при давлении ниже МДС и температуре ниже пластовой. Метод заключается в закачке CO2 при постоянном расходе и перепаде давления на входе и выходе из трубки. Эксперимент повторяется при разных давлениях. МДС рассчитывается из экспериментальных данных по перепаду давлений и рассчитанных значениях при помощи уравнения при таких же значениях температуры и давления, как в эксперименте.

Патент США №4,627,273 описывает установку и метод «Rising Bubble Technique)) для измерения МДС газа и жидкости. Схема установки представлена стальным цилиндром с обзорным окном, внутри которого находится прозрачная трубка высокого давления, внутри которой находится игла, через которую пропускают газ. Сам эксперимент по определению условий смесимости состоит из процедуры заполнения нижней части трубки водой при определенном давлении, затем вода вытесняется нефтью, через иглу создается пузырь с газом в нижней части трубки. Выталкивающая сила приводит пузырь с газом в движение, и МДС определяется исходя из формы всплывающих пузырьков газа. Эксперимент проводят при различных давлениях до определения МДС, когда пузырьки с газом начинают растворяться в нефти при многоконтактной смесимости.

Патент США №4,621,522 также относится к методу определения МДС, основан на изменении пузырьков газа в процессе их всплытия в трубке с нефтью. Является частичным дополнением патента США №4,627,273.

Другой метод определения МДС - «Vanishing the Interfacial Tension» (VIT), метод исчезновения межфазного натяжения (Rao 1997). Установка представлена стальной емкостью высокого давления, снабженной двумя обзорными окнами, расположенными на противоположных сторонах, благодаря которым можно снимать профили падающих или всплывающих пузырьков, используя источник света с одной стороны и камеру с другой. Программное обеспечение позволяет вести автоматический анализ происходящих процессов, автоматически рассчитывает межфазное натяжение исходя из плотности газа и нефти. Отсутствие межфазного натяжения означает достижение смесимости нефти и газа.

Несмотря на существование вышеперечисленных методов определения МДС, каждый из них обладает определенными недостатками и ограничениями: чрезмерные затраты времени и труда, высокая стоимость, большой расход материала, неоднозначность интерпретации экспериментальных данных, отсутствие стандартизированной процедуры. Для метода VIT необходимо предварительно определять физические параметры флюидов. Поэтому существует необходимость разработки альтернативных методов оценки смесимости флюидов. В связи с вышеперечисленным, предложен альтернативный метод измерения смесимости двух флюидов.

3 Преимущество изобретения

Изобретение представляет новый метод определения условий смесимости или минимального давления смесимости флюидов в широком диапазоне температуры и давления. Диапазон воспроизведения пластовой температуры и давления ограничивается только техническими характеристиками оборудования. Huff-n-Puff метод закачки газа позволяет оценивать коэффициент вытеснения на керне при разных давлениях и условия смесимости нефти с газом. Сущность изобретения представлена процедурой циклической закачки газа в емкость с образцами, насыщенными дегазированной нефтью. Этот метод позволяет работать с высоковязкой нефтью (1000 и больше мПа*с), которая не поддается тестированию при помощи общепринятых методов. Так как этот метод основан на экспериментальном Huff-n-Puff тесте (Li и Sheng 2016), он позволяет, одновременно с главной задачей определения смесимости флюидов, определить коэффициент вытеснения нефти при разных давлениях на керновых образцах. Последний параметр и МДС важны для моделирования закачки газа, в том числе для создания и проверки PVT-модели и настройки относительных фазовых проницаемостей (ОФП) нефть-вода и газ-жидкость, а также настройки в промысловых условиях и оценки эффективности опытных работ.

4 Пример исполнения

Экспериментальная процедура проведения Huff-n-Puff теста для определения МДС (Li и др. 2017), была адаптирована и модифицирована для работы с тяжелыми нефтями. Для выполнения операций по закачке газа рекомендуется брать не менее 2-х образцов с одинаковыми фильтрационно-емкостными свойствами на каждую из 5-ти точек давления.

Сам метод состоит из двух операций: (1) насыщение керна и (2) Huff-n-Puff тест:

4.1 Операция насыщения керна:

1) Экстрагированные и высушенные при 120°С в течение 1 дня образцы взвешиваются (W_d)

2) В соответствии со схемой вакуумирования (Фиг. 1) образцы помещаются в емкость 1 (Фиг. 1) и вакуумируются в течение 6 часов в климатической камере 2 (Фиг. 1).

3) Вакуумный насос 3 (Фиг. 1) выключается, а нефть при помощи насоса 4 (Фиг. 1) перекачивается в емкость 5 (Фиг. 1) с образцами. Температура насыщения образцов выбирается выше температуры кристаллизации парафинов. Образцы выдерживаются при пластовом давлении в течение 24 часов.

Объем закаченной нефти рассчитывается по разнице массы сухого керна (W_d) и насыщенного (W_s). После насыщения образцы до проведения основного эксперимента хранятся в эксикаторе, заполненном нефтью, для того, чтобы исключить испарения легких фракций нефти из образцов.

4.2 Процедура Huff-n-Puff закачки

1) Система закачки газа в Huff-n-Puff для теста (Фиг. 2) проверяется на утечки.

2) Температура климатической камеры 2 (Фиг. 2) устанавливается в соответствии с температурой резервуара.

3) Образцы помещаются в емкость 1 (Фиг. 2) при комнатной температуре и атмосферном давлении.

4) Колонка с образцами устанавливается в климатическую камеру 2 (Фиг. 2).

5) Происходит перекачка и дожим газа из емкости 1 (Фиг. 2) в емкость 5 (Фиг. 2) насосом 4 (Фиг. 2) до необходимого давления и дальнейшая стабилизация температуры и давления.

6) После стабилизации давления и температуры образцы выдерживаются под давлением в течение 6 часов.

7) После периода выдержки происходит остужение колонки и стравливание давления из колонки с образцами, а затем снижение давления в камере 2 (Фиг. 2) до атмосферного. По прошествии 6 часов образцы вынимаются из камеры и взвешиваются.

8) Производится второй цикл закачивания газа сразу после взвешивания образцов, далее по аналогии происходят следующие циклы до прекращения существенного изменения коэффициента нефтеотдачи исследуемых образцов.

Эта операция повторяется при разных давлениях. После каждого цикла закачки газа выполняется взвешивание образца и расчет коэффициента вытеснения.

4.3 Обработка результатов

Коэффициент вытеснения нефти рассчитывается по следующей формуле:

где W_s - масса насыщенного образца, г

W_i - масса образца после цикла закачивания газа, г

W_d - масса сухового образца, г

Квыт при Huff-n-Puff закачке зависит от отношения площади поверхности образца к объему образца. Поэтому используется нормализованный коэффициент вытеснения.

где b - максимальное значение начального диапазона, а - минимальное значение начального диапазона,

х - значение в диапазоне от x_min до x_max

x_max - максимальное значение в измененном диапазоне значений,

x_min - минимальное значение в измененном диапазоне значений.

4.4 Пример эксперимента

Определение условий смесимости дегазированной нефти и CO2 при 28°С и 5-ти давлениях (6, 10, 14, 19, 24 МПа).

Для исследований МДС при помощи Huff-n-Puff теста для нефти и CO2 согласно описанной выше методике было принято решение проводить тест на пяти давлениях и выделить по два образца на каждое из давлений (Таблица 1).

После закачки СО2 в насыщенные нефтью образцы происходит изменение массы образцов. Для определения МДС при помощи Huff-n-Puff метода каждая пара образцов проходила 6 циклов насыщения газом при разных давлениях. Масса сухого и насыщенного образца представлена в Таблица 2. Изменение массы образцов представлено в Таблица 3.

Таблица 4 - Таблица 9 и на Фиг. 3 - Фиг. 8 представлены результаты измерения К_выт для всех шести циклов Huff-n-Puff закачки.

Как видно из значений среднего К_выт для пяти давлений и соответствующим им циклам Huff-n-Puff закачки CO2 (Фиг. 9) основной объем нефти, извлекаемый из керна, приходится на первые два цикла. С последующими циклами прирост коэффициента вытеснения составляет не более 1-2%. Соответственно можно сделать вывод что давление смесимости CO2 с нефтью находится в интервале между 9 и 10 МПа.

Изобретение относится к методу экспериментальных исследований и позволяет определить коэффициент вытеснения нефти газом на керне и условия смесимости тяжелой нефти с газом. Способ определения минимального давления смесимости (МДС) тяжелой нефти с углекислым газом определяет одновременно МДС и коэффициент вытеснения нефти путем последовательных действий: закачка CO₂ под определенным давлением в образцы, насыщенные нефтью, выдержка в течение 6 часов, снижение давления до атмосферного и выделение нефти в течение 6 часов, определение коэффициента вытеснения нефти с помощью взвешивания образцов, проведение не менее 5-6 таких циклов, повторение данной процедуры при разных давлениях до изменения конечных коэффициентов вытеснения, соответствующих каждому давлению, не более чем на 1-2%, определение МДС по графику изменения коэффициента вытеснения от давления. Техническим результатом является возможность определения минимального давления смесимости флюидов в широком диапазоне температуры и давления. 9 ил., 9 табл.

Способ определения минимального давления смесимости (МДС) тяжелой нефти с углекислым газом, отличающийся тем, что он работает в широких диапазонах давлений и температур и с высокими вязкостями нефти (1000 и больше мПа⋅с) и определяет вместе с МДС коэффициент вытеснения нефти путем последовательных действий: закачка СO₂ под определенным давлением в образцы, насыщенные нефтью, выдержка в течение 6 часов, снижение давления до атмосферного и выделение нефти в течение 6 часов, определение коэффициента вытеснения нефти с помощью взвешивания образцов, проведение не менее 5-6 таких циклов, повторение данной процедуры при разных давлениях до изменения конечных коэффициентов вытеснения, соответствующих каждому давлению, не более чем на 1-2%, определение МДС по графику изменения коэффициента вытеснения от давления.