СПОСОБ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОСОДЕРЖАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК G01N25/56 

Область техники

Изобретение относится к петрофизическому анализу флюидонасыщения сложнопостроенных сланцевых нефтегазоматеринских пород-коллекторов углеводородов, а именно к определению водосодержания пород лабораторными способами испарения (СИ).

Уровень техники

Особенность нефтегазоматеринских сланцевых пород заключается в том, что залежи углеводородов в них являются прямым следствием процессов нефтегазогенерации. В результате перехода части органического вещества (керогена) из твёрдого состояния в жидкое создаётся высокое поровое давление, под действием которого нефтегазоматеринские породы претерпевают автофлюидоразрыв, и новообразованные углеводороды выделяются из очагов генерации. В процессе выхода углеводородов из очагов генерации происходит частичное вытеснение первоначально насыщающей горную породу (реликтовой) воды. Для расчёта количества углеводородов, содержащихся в продуктивном пласте, а также выбора и обоснования метода разработки месторождения необходимо определить насыщенность порового пространства не только углеводородами (нефтью, газом, газоконденсатом), но и остаточной водой, то есть определить общее водосодержание. Общее водосодержание включает в себя суммарное содержание свободной поровой воды и физически связанной воды. Заниженные значения общего водосодержания приводят к ошибочным результатам оценки ресурсов и подсчёта запасов углеводородов и других параметров, влияющих на принятие решений по разработке месторождений.

Сланцевые нефтематеринские породы являются нетрадиционными коллекторами углеводородов, так как обладают рядом петрофизических особенностей, включая низкую открытую пористость (пористость по газу до 3÷6 %), низкую абсолютную проницаемость (газопроницаемость менее 1 мД) и практически неизвестную водонасыщенность (далее по тексту данная порода будут называться «сланцевая нефтематеринская порода»).

На современном уровне развития науки и техники в петрофизических лабораториях используются два прямых метода определения содержания остаточной воды: метод Дина-Старка (или Закса) и метод реторты. Каждый метод имеет свои особенности, преимущества и ограничения при применении для сланцевых нефтематеринских породах. Данные методы основаны на непосредственном измерении количества извлекаемой поровой воды из образцов керна путём как теплового воздействия (метод реторты), так и выщелачивания органическим растворителем, например толуолом, метанолом, тетрагидрофураном (метод Дина-Старка или Закса). До сих пор не существует однозначного мнения, какой из методов предпочтителен для сланцевых нефтематеринских породах, так как оба разработаны для традиционных коллекторов.

При определении содержания остаточной воды в сланцевых нефтематеринских породах с первоначально низким её массовым содержанием (менее 5 масс. %) метод Дина-Старка (Закса) обладает существенным недостатком, заключающимся в низкой точности результатов измерений. Причиной этому является величина абсолютной погрешности измерений в диапазоне 0,1÷0,3 см³ воды, что может быть критично при низком содержании остаточной воды (менее 1 см³) в образцах. Кроме проблем с точностью результатов измерения, существенными недостатками метода являются отсутствие возможности разделения свободной и физически связанной воды в ходе определения количества воды, длительное время эксперимента, в некоторых случаях составляющее до 14 суток.

На современном этапе развития известна и применяется модифицированная дистилляционная экстракция Дина-Старка ([1] Recommended Practices for Core Analysis. Recommended Practice 40. American Petroleum Institute (API), Dallas, TX, pp. 220, 1998), в соответствии с которой образец породы проходит следующие этапы: дробление, взвешивание и испарение водной фазы кипящим растворителем (например, толуолом). Растворитель начинает испаряться, его пары проходят через образец, экстрагируют углеводороды, которые под действием силы тяжести стекают в нагреваемую колбу. Водный конденсат собирается в откалиброванной мерной трубке приёмника. В конце анализа образец сушат в печи и взвешивают.

Преимущества экстракции Дина-Старка заключаются в следующем:

• применимость для образцов горных пород с высоким содержанием органического вещества;

• образец породы может участвовать в дальнейших лабораторных экспериментах;

• образец породы подвергается воздействию относительно низких температур (100÷110°C); следовательно, из него удаляется относительно небольшое (незначительное), количество глинистой гидроксильной воды;

• относительно простая лабораторная процедура требует небольшого усилия оператора во время дистилляции.

Недостатками указанного аналога (экстракции Дина-Старка) являются:

• существенное завышение содержания свободной воды, если образцы породы содержат более 5÷10 масс.% гипса или глинистых минералов группы смектита, за счёт испарения связанной воды;

• небольшое количество породы (менее 50 г), низкое общее водосодержание (менее 1÷5 масс.%) и относительно высокая газонасыщенность приводят к низкой точности и повторяемости результатов измерений;

• эксперимент имеет большую продолжительность (до 2÷6 недель);

• экстракция может спровоцировать выпадение солей из поровых рассолов в пустое пространство образца и его последующее засорение;

• наличие большого количества соединительных элементов не обеспечивает полную герметичность процесса, что может привести к значительной потере воды в ходе экстракции;

• метод позволяет определить объёмное содержание остаточной воды, но без разделения на свободную и физически связанную воду;

• использование растворителя (толуол, метанол, тетрагидрофуран и прочих) для анализа приводит к его растворению в водной фазе и, следовательно, завышает значение водосодержания;

• испарение воды, особенно в атмосфере с низкой влажностью, требует осторожного обращения с образцом.

По совокупности признаков наиболее близким, принятым за прототип, аналогом к заявленному изобретению является модифицированная реторта ([2] Standard test method for water in petroleum products and bituminous materials by distillation. ASTM International, Baltimore, MD, U.S.A., pp. 86-91). Откалиброванная стеклянная лабораторная посуда собирает конденсат воды, содержащийся в свежеразмельченном образце породы и выделяющийся в процессе высокотемпературного ретортирования. Как правило, при интерпретации измерений массы используются следующие пороговые значения температуры: 110°C - свободная поровая вода; 350°C - физически связанная воды (слабосвязанная вода глин); 700°С - химически связанная вода минералов.

Преимущества модифицированной реторты заключаются в следующем:

• объём жидкости (воды, масла и конденсата) измеряется непосредственно с учётом объёма воды и общей потери веса образца в ходе процесса;

• возможность разделения различных типов воды, включая свободную воду, физически и химически связанную воду;

• аналитический процесс относительно прост и обеспечивает среднее время анализа 5÷10 ч.

Недостатками указанного аналога (модифицированной реторты) являются:

• существенное завышение содержания свободной воды, если образцы породы содержат более 5÷10 масс.% гипса или глинистых минералов группы смектита, за счёт испарения связанной воды;

• дистиллированные жидкости могут образовывать эмульсии после нагревания до температуры более 350°C;

• использование образца породы массой менее 50 г с общим водосодержанием менее 5 масс.% сильно снижает точность измерений;

• лабораторная установка предусматривает загрузку 100÷175 г образца породы, а также имеет относительно большую массу (более 10 кг) и габариты, и, следовательно, низкую транспортабельность;

• испарение воды, особенно в атмосфере с низкой влажностью, требует осторожного обращения с образцом;

• после анализа образец не может быть использован для дальнейших петрофизических и геохимических исследований.

Сущность изобретения

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является устранение недостатков прототипа и аналогов, и заключается в относительно быстром и надёжном определении содержания свободной и физически связанной воды (капиллярной, слабосвязанной физической воды) в образце сланцевых нефтематеринских пород с изначально низким общим водосодержанием (менее 1÷5 масс.%).

Техническим результатом заявленного изобретения является существенное повышение скорости определения (за 1÷3 ч можно получить как качественную, так и количественную оценку общего водосодержания образца породы), точности (относительная ошибка определения не более 6,8 %) определения общего водосодержания (суммарное содержание свободной и физически связанной воды) горной породы, а также мобильности лабораторной установки.

Техническая задача решается, а технический результат достигается за счёт способа лабораторного определения водосодержания включающего получение фрагментов керна, подготовку образцов пород, испарение водной фазы и измерение количества извлечённой воды, при этом:

• получение фрагментов керна выполняют путём извлечения цилиндрических фрагментов породы из скважины керноотборниками и изоляции извлечённых фрагментов керна от контакта с окружающей средой посредством образования защитно-герметичной оболочки сразу с момента извлечения керна из скважины при отборе керна керноотборником неизолирующим или сразу после вскрытия керноприёмной трубы при отборе керна керноотборником изолирующим или сразу после разрядки керноприёмного контейнера при отборе керна керноотборником боковым;

• перед началом проведения исследований в лаборатории на водосодержание выполняют подготовку образцов пород, для этого удаляют защитно-герметичную оболочку с фрагмента керна, далее в течение ближайших 5÷15 мин, с момента вскрытия защитно-герметичной оболочки, из центральной части фрагмента керна отбирают образец породы с размером фрагментов (кусочков) от 1 см до размеров кюветы и загружают полученную фракцию с массой в диапазоне 5÷200 г в кювету;

• водосодержание содержимого кюветы определяют испарением водной фазы, пары которой конденсируют и собирают в приёмную ёмкость, и непосредственно измеряют объём и/или массу извлечённой воды, с разделением общего водосодержания на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды; при этом испарение водной фазы осуществляют ступенчатым нагревом образца отобранной породы в закрытой кювете до максимальной температуры 350°С.

Технический результат также достигается за счёт того, что разделение общего водосодержания на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды выполняют за счёт ступенчатого нагрева, путём нагрева образца отобранной породы в кювете сначала до 100÷130°C и извлечением свободной воды с измерением её объёма и/или массы, и последующим нагревом образца отобранной породы до 200÷350°С и извлечением физически связанной воды с измерением её объёма и/или массы.

Технический результат также достигается за счёт того, что образование защитно-герметичной оболочки выполняют методом, предотвращающим или всемерно минимизирующим удаление и/или вынос и/или уход и/или испарение влаги из фрагмента керна.

Технический результат также достигается за счёт того, что образование защитно-герметичной оболочки выполняют путём плотного обёртывания фрагмента керна в полимерную плёнку, затем, в ламинированную фольгу, далее - в пропитанную парафином марлю или горячий парафин, или в легко снимающийся пластик.

Технический результат также достигается за счёт устройства для реализации способа, содержащего нагревательную камеру, в которой размещается кювета с образцом отобранной породы, герметично закрытая крышкой с тонкой трубкой, изготовленной из термостойкого материала, один конец которой находится в объёме кюветы, а второй конец выведен из области внутреннего пространства нагревательной камеры в приёмную ёмкость, которая расположена в сосуде, наполненном охлаждающим агентом.

Технический результат также достигается за счёт того, что приёмная ёмкость выполнена в виде мерной пробирки.

Технический результат также достигается за счёт того, что нагревательная камера выполнена в виде муфельной печи или нагревательной печи, или сушильного шкафа.

Технический результат также достигается за счёт того, что охлаждающим агентом является лёд и холодная вода.

Технический результат также достигается за счёт того, что сосуд, наполненный охлаждающим агентом, подключён к термостату жидкостному или газовому.

Технический результат также достигается за счёт того, что кювета и крышка выполнены из термостойкого материала.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 - Исходная герметизация/консервация фрагментов полноразмерного керна, распаковка и приготовление образца для анализа.

На Фиг. 2 - Схематическое изображение аппаратной реализации способа испарения.

На Фиг. 3 - Сводные результаты анализа неопределённости способа испарения.

На Фиг. 4 - Пример результатов исследования содержания воды способом испарения для сланцевых нефтематеринских пород, отобранных из разных скважин, при различных температурах нагревания.

На Фиг. 5 - Пример результатов определения общего водосодержания способом испарения в течение времени.

На Фиг. 6 - Влияние размера образца на результаты определения водосодержания способом испарения.

На Фиг. 7 - Сравнение результатов определения водосодержания методом Дина-Старка и способом испарения (при температуре 121°C и 250°C) для представительной коллекции образцов сланцевых нефтематеринских пород.

На Фиг. 8 - Поля корреляции между результатами определения водосодержания способом испарения, содержаниями глинистых минералов и дебитуминизированного органического вещества (S₂) для представительной коллекции образцов сланцевых нефтематеринских пород.

На Фиг. 9 - Примеры зависимостей результатов определения содержания физической слабосвязанной воды способом испарения от содержания глинистых минералов для представительной коллекции образцов сланцевых нефтематеринских пород.

Осуществление изобретения

Заявленный лабораторный способ испарения предлагает быстрое, эффективное и точное определение общего водосодержания, с разделением на содержание свободной и физической связанной воды. Способ предоставляет не только качественные, но также и количественные результаты определения водосодержания.

Предложенный способ испарения основан на принципе метода реторты и позволяет определять общее водосодержание, так и массовое содержание свободной и физически связанной воды в образце породы массой 5÷200 г с начальным водосодержанием менее 1÷5 масс.%.

Способ испарения включает получение фрагментов керна из сланцевых нефтематеринских пород, подготовку образцов пород, испарение водной фазы и измерение количества извлечённой воды.

Получение фрагментов керна выполняют путём извлечения цилиндрических фрагментов породы (керна) из скважины керноотборниками и изоляции извлечённых фрагментов керна от контакта с окружающей средой, посредством образования защитно-герметичной оболочки, для максимального сохранения начальной влажности отобранного керна. Для исключения или минимизации удаления/выносы/ухода/испарения влаги, изоляцию выполняют сразу (в течение первых 15 мин) с момента извлечения керна из скважины при отборе керна керноотборником неизолирующим или вскрытия керноприёмной трубы при отборе керна керноотборником изолирующим или разрядки керноприёмного контейнера при отборе керна керноотборником боковым. Образование защитно-герметичной оболочки выполняют способом, предотвращающим или всемерно минимизирующим удаление/вынос/уход/испарение влаги из фрагмента керна. Например, герметизацию образца выполняют путём плотного обёртывания фрагмента керна в полимерную плёнку, затем в ламинированную фольгу, далее - в пропитанную парафином марлю или горячий парафин, или в легко снимающийся пластик.

Перед началом определения водосодержания в лабораторных (контролируемых) условиях способом испарения, выполняют подготовку образцов породы (Фиг. 1), для этого удаляют защитно-герметичную оболочку с фрагмента керна. В течение ближайших 5÷15 мин после вскрытия защитно-герметичной оболочки:

• из центральной части фрагмента керна отбирают образец породы, для исключения влияния бурового раствора и прочих технологических жидкостей на результаты последующих измерений на водосодержание;

• дробят образец породы на фрагменты (кусочки) с размером от 1 см до размеров кюветы, загружают полученную фракцию с массой в диапазоне 5÷200 г в кювету и закрывают герметичной крышкой.

Необходимый размер фрагментов породы может достигаться любым известным способом дробления или измельчения твёрдых материалов, включая горные породы. Дробление не выполняется в случае, когда размеры образца сопоставимы с размерами внутреннего объёма кюветы.

Далее измеряют водосодержание содержимого кюветы путём извлечения водной фазы из порового объёма образца породы испарением водной фазы, пары которой конденсируют и собирают в приёмной ёмкости (например, мерной пробирке), и непосредственно измеряют объём и/или массу извлечённой воды, с разделением общего содержания воды на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды. Испарение водной фазы осуществляют ступенчатым нагревом образца отобранной породы в закрытой кювете до максимальной температуры 350°С. Разделение общего водосодержания на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды выполняют за счёт ступенчатого нагрева образца, с измерением объёма и/или массы извлечённой воды, например, до 121°C для извлечения свободной поровой воды, и далее до 240÷350°C для извлечения физически связанной воды.

Определения общего водосодержания на образцах породы могут повторяться во времени, например, выполняться с интервалом 3, 15, 20 и 25 суток. В этом случае образцы породы между определениями помещают в защитно-герметичную оболочку и/или хранят в термостате при температуре, минимизирующей испарение/унос жидкости из образца, например, при 25°С.

Массовое содержание воды в образце (масс.%) рассчитывается по формуле:

, (1)

где - масса выделившейся воды (г);

- масса породы до прогрева (г).

Остаточная водонасыщенность образца (об.%) рассчитывается по формуле:

, (2)

где - объём воды, выделившийся в ходе прогрева (см³);

- объём пор в образце (см³).

Устройство для реализации способа лабораторного определения водосодержания (Фиг. 2) включает нагревательную камеру, которая может быть выполнена в виде муфельной печи или нагревательной печи, или сушильного шкафа. Во внутреннем объёме нагревательной камеры размещают кювету с образцом отобранной породы, герметично закрытую крышкой с тонкой трубкой, изготовленной из термостойкого материала, например фторопласта. Один конец трубки находится в объёме кюветы, а второй конец выведен из области внутреннего пространства камеры в приёмную ёмкость, например, мерную пробирку, которая расположена в ёмкости, например, сосуде, наполненной охлаждающим агентом, например, льдом и холодной водой. Кювета и крышка могут быть выполнены из термостойкого материала, например тефлона или фторопласта.

Относительная ошибка определения содержания воды способом испарения составляет 0,22÷6,8 масс.% (Фиг. 3).

Корректная интерпретация данных, полученных способом испарения, требует знания минерального состава образца, включая массовые содержания породообразующих глинистых минералов и гипса. Основанием данного требования является тот факт, что на этапе нагревания определённые минералы, включая гипс, глинистые минералы группы смектита, например, монтмориллонит, активно высвобождают воду при температуре 80 °С и более (Табл. 1).

Табл. 1. Температуры дегидратации некоторых минералов Минерал Температура дегидратации физически связанной воды (°C) Температура дегидратации химически связанной воды (°C) Смектит 100 300 Иллит 110÷150 470÷600 Каолинит 550÷600 Хлорит 550÷700 Монтмориллонит 100÷200 500÷700 Цеолит 350÷900 Гипс 80÷200

Результаты ранее выполненных научно-исследовательских работ убедительно показывают, что выход свободной воды из образца породы происходит при температуре 100÷120°С; дальнейшее нагревание до температуры 350÷500°С высвобождает физически связанную воду из глин (Фиг. 4). Таким образом, используемый температурный диапазон более чем достаточен для выхода свободной и физической связанной воды, которые в сумме составляют общее водосодержание в образце породы.

Нагревание образца до температуры 121°С способствует выводу/выделению незначительного количества воды из глинистых минералов, включая иллит, хлорит, каолинит, но исключая смектит. Монтмориллонит, в связи с дегидратацией при температуре 121°C теряет крайне мало (около 5 %) физически связанной воды, а остальное количество воды теряет при нагревании до 200°С. Таким образом, если в образцах породы присутствуют гипс и/или глинистые минералы группы смектита, то способ испарения, как и метод реторты и Дина-Старка, не даёт разделения между содержаниями свободной и физически связанной водой.

В общем случае способ испарения допускает определения содержания выделившейся воды при любых произвольно и/или обоснованно заданных значениях температуры. Примером такого использования способа испарения является исследования водосодержания с высоким разрешением по температуре (Фиг. 4).

Примеры реализации предложенного способа

Оптимизация условий хранения керна

Для подтверждения условий хранения и консервации (изоляции) керна был выполнен ряд экспериментов. Чёткое понимание условий хранения и операций консервации является определяющим для качества интерпретации результатов определения насыщенности и содержания жидкости с использованием предложенного способа испарения. В рамках исследований, определения водосодержания выполнялись для 5 образцов сланцевой нефтематеринской породы Западной Сибири, полученных из 5 целевых скважин с различных месторождений нефти.

Водосодержание начальное определялось сразу после извлечения фрагмента керна из защитной оболочки в условиях петрофизической лаборатории. Далее водосодержание определялось повторно на 3, 15, 20 и 25 сутки с момента начала исследования. Все образцы исследованы способом испарения с использованием одинаковой программы (протокола): кюветы с образцами раздробленной породы нагревались до 250°С в течение 5 ч (Фиг. 5). В период между измерениями образцы породы хранились в герметизируемых пакетах с застёжкой (замком zip-lock) при температуре 25°C.

Результаты показывают, что уже на 3-й день после извлечения образцов из защитной-герметичной оболочки, определённое общее водосодержание было недооценено по сравнению с начальным водосодержанием для всех образцов за исключением одного из скв. 1, где значения были чётко в пределах погрешности измерения (Фиг. 5). Более того, водосодержание продолжает уменьшаться при дальнейшем хранении образцов. Таким образом, несмотря на аккуратное хранение, в герметично закрытых пакетах с замком zip-lock и низкую проницаемость образцов исследуемых породы, имеет место осушка образцов, то есть потеря воды в связи с испарением с поверхности дроблёного образца. Результаты, полученные способом испарения, позволили обосновать минимальное время между извлечением образца из защитно-герметичной оболочки и его анализом до 5÷15 мин после вскрытия защитных/изолирующих оболочек. В случае, когда образец породы нельзя проанализировать сразу после снятия оболочки, или, когда определения водосодержания запланированы на другой день, практичным решением является восстановление защитно-герметичной оболочки. Например, можно обернуть образец породы в полимерную плёнку затем в ламинированную фольгу, далее - в пропитанную парафином марлю или горячий парафин или в легко снимающийся пластик.

Выбор оптимальной фракции дробления

Размер фракции дробления также влияет на результаты определения водосодержания. Для характеристики эффекта были сделаны соответствующие исследования способом испарения. Все определения выполнялись в течение 12 ч после вскрытия защитных оболочек с использованием 2-х различных фракций образца: крупной и мелкой. Крупная фракция образца состояла из крупных кусков (более 1 см) с максимальным размером 5÷7 см, подходящим к размеру камеры кюветы. Мелкая фракция была подготовлена путём дробления образца породы на куски размером менее 1 см. Естественным образом измерительная кювета принимает в себя массу мелкой фракции большую, чем массу крупной фракции. В обоих случаях время подготовки образца не превышало 5÷15 мин. Размер фракции породы контролировался набором сит со стандартными размерами ячеек.

Водосодержание определялось способом испарения при температуре 250°С в течение 5 ч Результаты экспериментального исследования показывают одинаковое в пределах погрешности способа определение водосодержание в 3-х образцах, то есть отсутствие зависимости от размера фракции (Фиг. 6). Для других образцов количество воды, определённое в ходе анализа из крупной фракции, оказалось почти на порядок выше, чем для мелкой фракции. Наблюдённое поведение связано со значительными потерями воды при испарении с относительно большой площади поверхности мелкой фракции.

Методические приёмы для обеспечения качества результатов

Для качественного определения общего водосодержания способом испарения рекомендуется использовать ряд методических приёмов по надлежащему хранению образцов пород, условиям их консервации, а также размеру фракции.

1) Сразу после извлечения из скважины (при отборе керна керноотборниками неизолирующими) или вскрытия керноприёмной трубы (при отборе керна керноотборниками изолирующими) образцы породы должны быть изолированы от контакта с окружающей средой при помощи защитно-герметичной оболочки. Примером оболочки является наслоение, состоящее из полимерной плёнки, затем ламинированной фольги, далее - пропитанной парафином марли или горячего парафина или легко снимающегося пластика.

2) Определение водосодержания должно выполняться немедленно или в кратчайшие сроки после снятия с образца защитной оболочки, желательно в условиях лаборатории.

3) Время воздействия окружающей среды на образцы дроблёной породы следует всемерно минимизировать.

4) Анализировать образцы породы максимально возможного размера, который соответствует измерительной кювете; минимальная размерная характеристика фрагмента породы должна быть более 1 см.

Выбор оптимальных температур длительности и нагревания

Для наблюдения эволюции выхода/выделения жидкости при нагревании и оптимальных температур длительности и нагревания был выполнена серия лабораторных экспериментов способом испарения для единичного образца породы сланцевой нефтематеринской породы для каждой целевой скважины. Целью экспериментов было определение количества воды, выделенного при последовательном нагревании до температур 50, 100, 121, 205, 225, 250, 275 и 350°C (Фиг. 4).

Минеральный состав целевых образцов не включает минералы группы смектита. Следовательно, при интерпретации экспериментальных данных, вода, выделенная при температуре менее 121°C, рассматривалась как свободная. Вода, полученная в ходе нагревания пробы до температуры 225°C включительно, рассматривается как физически связанная. В температурном диапазоне 250÷350°C выхода воды не наблюдалось.

Результаты методических исследований позволили обосновать следующую температурную схему для целевой коллекции образцов пород: нагрев до температуры 121°C для выделения свободной воды, нагрев до температуры 250÷350°C для выделения остаточной воды (суммарного содержания свободной и физически связанной воды).

Оценка погрешности определения водосодержания

Обоснование погрешности определения водосодержания способом испарения выполнялось в три этапа.

На первом этапе были проанализированы 7 пустых кювет. Каждый анализ включал взвешивание, наполнение кюветы определённым известным объёмом дистиллированной воды (степень II) в последовательности 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 и 5,0 см³ (измерение с точностью до ±0,02 см³), повторное взвешивание, герметизацию, помещение в муфельную печь, предварительно нагретую до температуры 250±10°C. Кюветы нагревались в течение 3 ч с постепенным накоплением водного конденсата в приёмной пробирке. В конце эксперимента кювета была извлечена из печи, помещена в эксикатор; приёмная пробирка, в свою очередь, была взвешена для определения массы водного конденсата. После охлаждения кювета также была взвешена для контроля качества эксперимента. В конечном итоге был определён объём потерь воды в связи с испарением, а также погрешность определения водосодержания воды для каждой кюветы.

На втором этапе в каждую кювету было загружено 30 г искусственного кварцевого песка с диаметром частиц в диапазоне 0,5÷1,0 мм и повторялась последовательность операций первого этапа.

На третьем этапе в каждую кювету загружался объём предварительно высушенных при температуре 300°C в течение 48 ч фрагментов породы с размерами 1÷5 см и заливалась вода различного объёма, включая 0,25, 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 и 5,0 см³. Затем повторялась последовательность операций первого этапа с увеличением времени нагревания с 3 до 5 ч при температуре 350°С.

Испытания позволили получить надёжную оценку точности способа испарения в зависимости от водосодержания (Фиг. 3). Результаты показывают, что относительная погрешность определения водосодержания находится в диапазоне 1,4÷31,6 отн.% для пустых кювет; 0,8÷22,7 отн.% - для кювет, наполненных кварцевым песком и 0,2÷6,8 отн.% - для кювет, наполненных образцами целевой породы. В конечном итоге была установлена общая формула для оценки погрешности для рабочего набора кювет:

, (3)

где - относительная погрешность определения водосодержания с использованием способа испарения (отн.%);

- фактическое водосодержание образца породы (масс. %).

Сравнение с аналогами

Сравнительные испытания способа испарения со стандартным методом Дина-Старка (Закса) на целевой коллекции образцов пород показали, что способ испарения даёт значительно более точные результаты по сравнению со способом Дина-Старка. Содержание свободной воды оказалось варьирующим от 0,04 до 2,53 масс. %, в то время как содержание остаточной воды - от 0,28 до 4,27 масс.% (Фиг. 7). В то же время способ Дина-Старка имеет тенденцию недооценки содержания остаточной воды 0,12÷3,81 масс.%.

Зависимость результатов от содержания глинистых минералов

Содержание физически связанной воды, определённое предложенным способом, прямо коррелирует с общим содержанием глинистых минералов. Содержание свободной воды не зависит от содержания глинистых минералов, что подтверждает действительность способа в отношении выбранного диапазона температур нагревания (Фиг. 9).

Преимущества метода испарения

Предложенный способ испарения позволяет надёжно определить содержания как свободной и физически связанной воды, так и общее водосодержание в образцах сланцевых нефтематеринских породах. Определение выполняется в течение 1÷3 ч для образца породы массой 5÷70 г при начальном водосодержании менее 1÷5 масс.%.

Способ испарения охарактеризован в терминах рабочего диапазона температур (25÷350°С) и относительной погрешности определения (0,2÷6,8 отн.%) применительно к образцам реальных пород.

Способ испарения был практически внедрён и испытан на представительной коллекции образцов сланцевой нефтематеринской породы Западной Сибири (Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9). Результаты показали, что надёжное определение водосодержания требует наличия кусков породы с минимальным размером 1 см, максимально изолированных от воздействия окружающей среды. Время воздействия окружающей среды на дроблёный керн пород должно быть всемерно минимизировано. Все этапы подготовки образца, включая распределение, дробление, взвешивание, должны быть проведены в течение не более чем 5÷15 мин после снятия с образца породы защитно-герметичной оболочки. До и между определениями образцы должны храниться в герметичных оболочках, контейнерах или пластиковых пакетах в условиях контролируемой температуры. Наилучшее качество определения водосодержания достигается при отборе образца породы из центральной части полноразмерного керна с целью минимизации влияния бурового раствора и прочих технологических жидкостей на результаты.

Заявленное изобретение представляет собой инструмент для качественно нового уровня изучения наличие и распределения различных форм пластовой воды в сланцевых нефтематеринских породах, которые на современном этапе развития рассматриваются в качестве вероятного объекта для восполнения ресурсной базы России.

Изобретение относится к петрофизическому анализу флюидонасыщения сложнопостроенных сланцевых нефтегазоматеринских пород-коллекторов углеводородов, а именно к определению водосодержания пород лабораторными способами испарения. Способ лабораторного определения водосодержания включает получение фрагментов керна, подготовку образцов пород, испарение водной фазы и измерение количества извлечённой воды, при этом получение фрагментов керна выполняют путём извлечения цилиндрических фрагментов породы из скважины керноотборниками и изоляции извлечённых фрагментов керна от контакта с окружающей средой посредством образования защитно-герметичной оболочки, сразу с момента извлечения керна из скважины при отборе керна керноотборником неизолирующим, или сразу после вскрытия керноприёмной трубы при отборе керна керноотборником изолирующим, или сразу после разрядки керноприёмного контейнера при отборе керна керноотборником боковым; перед началом проведения исследований в лаборатории на водосодержание выполняют подготовку образцов пород, для чего удаляют защитно-герметичную оболочку с фрагмента керна, далее в течение ближайших 5÷15 мин, с момента вскрытия защитно-герметичной оболочки, из центральной части фрагмента керна отбирают образец породы с размером фрагментов (кусочков) от 1 см до размеров кюветы и загружают полученную фракцию с массой в диапазоне 5÷200 г в кювету; водосодержание содержимого кюветы определяют испарением водной фазы, пары которой конденсируют и собирают в приемную ёмкость, и непосредственно измеряют объём и/или массу извлечённой воды, с разделением общего водосодержания на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды; при этом испарение водной фазы осуществляют ступенчатым нагревом образца отобранной породы в закрытой кювете до максимальной температуры 350°С. Техническим результатом является повышение скорости, мобильности, эффективности и точность определений общего содержания свободной и физически связанной воды в горных породах. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 9 ил.

1. Способ лабораторного определения водосодержания, включающий получение фрагментов керна, подготовку образцов пород, испарение водной фазы и измерение количества извлечённой воды, отличающийся тем, что:

получение фрагментов керна выполняют путём извлечения цилиндрических фрагментов породы из скважины керноотборниками и изоляции извлечённых фрагментов керна от контакта с окружающей средой посредством образования защитно-герметичной оболочки сразу с момента извлечения керна из скважины при отборе керна керноотборником неизолирующим, или сразу после вскрытия керноприёмной трубы при отборе керна керноотборником изолирующим, или сразу после разрядки керноприёмного контейнера при отборе керна керноотборником боковым;

перед началом проведения исследований в лаборатории на водосодержание выполняют подготовку образцов пород, для чего удаляют защитно-герметичную оболочку с фрагмента керна, далее в течение ближайших 5÷15 мин с момента вскрытия защитно-герметичной оболочки из центральной части фрагмента керна отбирают образец породы с размером фрагментов (кусочков) от 1 см до размеров кюветы и загружают полученную фракцию с массой в диапазоне 5÷200 г в кювету;

водосодержание содержимого кюветы определяют испарением водной фазы, пары которой конденсируют и собирают в приемную ёмкость, и непосредственно измеряют объём и/или массу извлечённой воды, с разделением общего водосодержания на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды; при этом испарение водной фазы осуществляют ступенчатым нагревом образца отобранной породы в закрытой кювете до максимальной температуры 350°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разделение общего водосодержания на содержание свободной воды и содержание физически связанной воды выполняют за счёт ступенчатого нагрева путём нагрева образца отобранной породы в кювете сначала до 100÷130°С и извлечением свободной воды с измерением её объёма и/или массы, и последующим нагревом образца отобранной породы до 350°С и извлечением физически связанной воды с измерением её объёма и/или массы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образование защитно-герметичной оболочки выполняют методом, предотвращающим или всемерно минимизирующим удаление, и/или вынос, и/или уход, и/или испарение влаги из фрагмента керна.

4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что образование защитно-герметичной оболочки выполняют путём плотного обёртывания фрагмента керна в полимерную плёнку, затем в ламинированную фольгу, далее - в пропитанную парафином марлю или горячий парафин, или в легко снимающийся пластик.

5. Устройство лабораторного определения водосодержания для реализации способа по п. 1, содержащее нагревательную камеру, в которой размещается кювета с образцом отобранной породы, герметично закрытая крышкой с тонкой трубкой, изготовленной из термостойкого материала, один конец которой находится в объёме кюветы, а второй конец выведен из области внутреннего пространства нагревательной камеры в приёмную ёмкость, которая расположена в сосуде, наполненном охлаждающим агентом.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что приёмная ёмкость выполнена в виде мерной пробирки.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что нагревательная камера выполнена в виде муфельной печи или нагревательной печи, или сушильного шкафа.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что охлаждающим агентом является лёд и холодная вода.

9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что сосуд, наполненный охлаждающим агентом, подключён к термостату жидкостному или газовому.

10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что кювета и крышка выполнены из термостойкого материала.