Способ создания остаточной водонасыщенности на слабосцементированном керне для проведения потоковых исследований Российский патент 2021 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к области лабораторных исследований совместного движения флюидов через образец горных пород, проведение которых необходимо для технико-экономической оценки подсчета запасов при разработке месторождения.

В поровом пространстве горной породы-коллектор, содержится не только нефть или (и) газ, но и остаточная «реликтовая» вода, оцениваемая коэффициентом остаточной водонасыщенности (далее Кво).

Кво=Vв/Vпор,

где Vв - объем остаточной воды в поровом пространстве, см³; Vпор - объем всех пустот, полостей межзернового пространства горной породы, см³.

Объем остаточной воды в порах создается для проведения петрофизических и иных исследований косвенными методами. Как правило, это методы отгонки воды из пор образца с помощью центрифуги или при помощи полупроницаемой мембраны.

Объем воды рассчитывается по формуле Vв=(m_в-m_сух)/ρ_в,

где m_в - масса образца с остаточной водой, г; m_сух - масса сухого образца, г; ρ_в - плотность воды, г/см³.

Объем пор рассчитывается по формуле

Vпор=(m_возд.-m_сух)/ρ_в,

где m_возд - масса образца с водой в воздухе.

Объем и структура пор слабосцементированных горных пород, под влиянием внешнего давления (веса толщи вышележащих горных пород) уменьшается, сжимается. При чем, если для крепких, консолидированных пористых сред сжимаемостью горной породы и пор можно пренебречь, то для рыхлых, слабосцементированных пород, это недопустимо. А так как, сжимаемостью воды по сравнению со сжимаемостью пор можно пренебречь, и остаточная вода при сжимаемости горной породы (пор) остается в поровом пространстве, не меняя своего объема, то ошибка определения Кво может достигать более 50% (относительных).

В существующей практике исследований, создание Кво проводится в кернодержателе предназначенной для этого установки, а далее идет демонтаж, перенос и монтаж образца в кернодержатель другой установки (по определению фазовых проницаемостей или коэффициента вытеснения).

Существующая процедура создания Кво и проведения экспериментов предназначена для образцов крепкого, хорошо консолидированного керна. Для случая слабоконсолидированного, рыхлого керна она не применима, так как эти образцы в процессе демонтажа, перемещения, повторного монтажа и имитации нагрузкой пластовым давлением частично разрушаются, осыпаются внешне, теряют массу.

Проблема исследования слабосцементированных образцов горных пород в том, что после каждого контакта/воздействия с ним он осыпается снаружи, теряет часть составляющих зерен скелета, соответственно уменьшается его масса, которая должна быть в процессе всех измерений постоянной. Поэтому такие образцы необходимо сразу же после изготовления или после взвешивания, определения пористости, проницаемости по газу, помещать в кернодержатель и до окончания всех измерений (Vп, Кв и др.) не извлекать из него.

Известны несколько способов создания остаточной водонасыщенности в образцах слабосцементированной горной породы (далее образец) непосредственно в кернодержателях стендов, которые в дальнейшем используются для проведения потоковых исследований.

Известен способ создания остаточной водонасыщенности по стандартной технологии методом центрифугирования - метод вытеснения, дренирования, частичного замещения воды несмешивающейся жидкостью (нефтью, маслом) из крепких горных пород-коллекторов (способ Г.И. Колоколова) [ЗапСибНИГНИ, труды, выпуск 6, Шишигин С.И. «Методы и результаты изучения коллекторских свойств нефтегазоносных горизонтов Западно-Сибирской провинции», издательство «Недра», Москва 1968 г.; ОСТ 39-235-89 «Нефть. Метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной фильтрации»]. Такой способ позволяет «экспрессно» получить водонасыщенность (далее Кв), значение которой будет выше, чем природное значение Кво на 10-15%. Т.е. вода, находящаяся в поровом пространстве образца, не вся будет остаточной. Частично она будет подвижной, и ее распределение по длине цилиндрического образца будет градиентное (неравномерное): на входе в образец вытесняемого флюида водонасыщенность будет ниже, чем на выходе.

Проведение потоковых исследований при таких начальных условиях, когда значение Кв не равно значению Кво, будет некорректно и результаты потоковых исследований будут заведомо содержать ошибки.

Известен полудинамический метод для изучения формирования начальной равновесной насыщенности флюидами (водой и нефтью) порового пространства изложенный в работе [Lenormand R. And Eisenzimmer А. // «А Novel Method for the Determination of Water / Oil Capillary pressures of Mixed Wetability Samples». - SCA 9322 (1993)]. В нем создание Кво происходит посредством «омывания» торца образца горной породы нефтью при прокачивании пластовой воды (или модели пластовой воды) внутри образца с противоположного торца. Этот метод относится к методу изучения капиллярных характеристик.

Недостатком данного метода является длительность формирования Кво, и дальнейшее продолжение экспериментов (без перемещения образца керна) только для системы «нефть-вода». Для тестов в системах «нефть-газ», «газ-вода» полудинамический метод создания Кво на слабосцементированном керне неприменим.

Также известно универсальное многофункциональное устройство для определения различных характеристик образцов горных пород [RU 2343281 С1 МПК Е21С 39/00, опубл. 10.01.2009], с кернодержателем, конструкция которого позволяет разместить полупроницаемую мембрану для создания Кво.

Недостатком этого устройства является то, что оно функционально не предусматривает проведения на образце горной породы, после создания Кво, последующих потоковых исследований без извлечения полупроницаемой мембраны. А это недопустимо для «рыхлых» пород, так как вместе с мембраной будет извлекаться часть слоя горной породы (песка, алеврита, глины) прилипшего к мембране.

Технической проблемой является разработка способа создания остаточной водонасыщенности образца непосредственно в кернодержателе установки, в которой в последующем, будет проводиться исследование совместного движения любых флюидов без извлечения полупроницаемой мембраны. При этом, перераспределяя поток флюидов в обход мембраны, она не создает гидравлических барьеров, не препятствует проведению потокового эксперимента.

Технический результат заявляемого решения заключается в возможности создания с последующим расчетом водонасыщенности (Кво), методом просвечивания образца рентгеновскими или гамма лучами, без извлечения его и мембраны из кернодержателя установки, с последующим проведением потоковых исследований (относительные фазовые проницаемости или коэффициент вытеснения).

Указанный технический результат достигается тем, что для создания остаточной водонасыщенности используют предлагаемое устройство, конструкция которого включает место под полупроницаемую мембрану и три сквозных гидравлических линии, в качестве нижнего торцевого поршня в составе кернодержателя установки для проведения потоковых исследований. Высушенный образец слабосцементированной горной породы помещают в кернодержатель в компоновке согласно фиг. 3: образец в манжете, с торцевыми поршнями (в нижнем вклеена полупроницаемая мембрана). Образец выкуумируется, с последующим насыщением на 100% пластовой водой (или ее моделью). Затем закрыв гидравлические каналы 2, подавая сверху газ давлением не выше 12 атм., создается поровое давление и вытесняется вода из образца через мембрану и канал 3. В течение всех этапов образец сканируется гамма/рентген источниками и по опорным значениям рассчитывают значение Кво.

В предлагаемом способе, перед проведением потокового эксперимента (по определению относительных фазовых проницаемостей или коэффициента вытеснения/замещения одного флюида другим) на образце горной породы, остаточная водонасыщенность создается методом полупроницаемой мембраны непосредственно в кернодержателе потоковой установки. Далее, в этом же кернодержателе, проводится собственно потоковый эксперимент, без какого-либо перемещения, манипуляции с образцом горной породы и мембраной.

Особенностью заявленного изобретения является способ создания и расчета значения Кво с учетом сжимаемости слабосцементированного, «рыхлого» образца горной породы при размещении его в кернодержателе установки при пластовом давлении и пластовой температуре, а также близкое к естественному, природному распределению остаточной воды внутри порового пространства коллектора за счет капиллярных сил.

Сущность изобретения заключается в том, что после полного насыщения образца водой (Кв=100%), с помощью полупроницаемой мембраны, помещенной в торцевой плунжер кернодержателя и нагнетания газа при давлении до 1,5 МПа создается остаточная водонасыщенность (Кво).

Устройство представляет собой цилиндрический поршень (нижний торцевой плунжер) кернодержателя установки с углублением (на поверхности контакта с образцом) для полупроницаемой мембраны, изготовленным эксцентрично (для возможности изготовления гидравлических выходов), и двумя отдельными гидравлическими сквозными отверстиями/выходами, проходящими сквозь предлагаемую конструкцию. Гидравлические выходы предназначены для движения флюидов (нефти, газа, воды) через образец, минуя мембрану, во время проведения потокового эксперимента.

Предложенное техническое решение иллюстрируется фигурами.

На фиг. 1 представлен вид устройства в разрезе, где цифрами обозначено: 1 - место (углубление) под полупроницаемую мембрану диаметром 30 мм (при использовании образца диаметром 38 мм (1,5'')); 2 - каналы (гидравлические линии) для движения флюидов в обход мембраны; 3 - канал (гидравлическая линия) для выхода воды при создании Кво; 4 - корпус.

На фиг. 2 представлен общий вид устройства.

На фиг. 3 представлен общий вид устройства в сборке с образцом горной породы, манжетой и торцевыми плунжерами.

На фиг. 4 показана зависимость значений Кво от проницаемости.

Способ осуществляют следующим образом.

Цилиндрический слабосцементированный образец горной породы, подготовленный в соответствии с ГОСТ 26450.0, высушенный при температуре (70±2)°С [ГОСТ 26450.1] помещают в резиновую манжету 5, и с торцов образца размещают торцевые поршни 4 и 7. Манжета 5 служит для изоляции образца от жидкости, которой создается гидравлическое давление, это достигается охватыванием краями манжеты торцевых плунжеров. В нижнем торцевом поршне находится полупроницаемая мембрана в углублении 1. Далее, сборку: образец горной породы в манжете 5 с двумя торцевыми поршнями 4 и 7 располагают в кернодержатель установки для проведения потоковых исследований. При использовании образца с сохраненной насыщенностью пластовыми флюидами (изготовленный из керна, отобранного по изолированной технологии), его сразу после изготовления (выбуривания, выдавливания) располагают в манжету, и далее в кернодержатель. И все дальнейшие исследования, включая пробоподготовку, проводят непосредственно в кернодержателе, не извлекая образец до окончания потокового исследования.

После присоединения кернодержателя к гидравлическим линиям установки, создают гидравлическое давление технологической жидкостью (масло или вода) в кернодержателе для всестороннего обжима образца. Создают термобарические условия (далее ТБУ) проведения измерения, т.е. поровое давление и температуру. Поровое давление создают с помощью газа, который в последующем будут использовать для проведения потокового исследования и кернодержатель нагревают до пластовой температуры. Проводят сканирование вдоль высоты цилиндрического образца для получения базового сигнала J_{100% ГАЗ}. Охлаждают кернодержатель и снижают поровое давление до атмосферного давления.

Образец и мембрану, не вынимая из кернодержателя, вакуумируют и насыщают на 100% пластовой водой (или ее моделью). Создают ТБУ (поровое давление с помощью воды) и получают сигнал J_{100% вода}. Затем охлаждают кернодержатель и снижают поровое давление до атмосферного давления.

Перекрывают выходы (соответствующим вентилем/клапаном) каналов 2 и на противоположном торце (верхнем) создают поровое давление (до требуемого значения, или традиционно до 1,2 МПа) с помощью газа - азота. Вода из образца через мембрану будет выходить по каналу 3. Прекращение выхода воды из канала 3 означает, что водонасыщенность образца достигла значения Кво. По значениям промежуточных сканирований образца методом гамма или рентген просвечивания также можно контролировать и судить о состоянии Кво. Далее, после достижения в образце Кво, открывают канал 2 и, нагнетая газ-азот, создают поровое давление и нагревают кернодержатель, тем самым создают ТБУ. Проводят сканирование образца для получения J_i при ТБУ.

Используя полученные значения сканирований образца, рассчитывают значение Кво при ТБУ по формуле полулогарифмического закона Бугера-Ламберта:

Полученное значение Кво, предлагаемым способом, не нуждается в поправочных коэффициентах расширения воды и сжимаемости горной породы, объема пор, при размещении образца в ТБУ (в кернодержателе) (имитации пластовых условий).

Для проверки достоверности работоспособности предлагаемого способа были проведены методические работы с хорошо консолидированным образцом кварцевого песчаника Berea. Выбор данного образца был обусловлен необходимостью его извлечения из кернодержателя, после создания остаточной водонасыщенности, для контроля значения Кво весовым методом. Указанный песчаник практически не сжимаем и не «теряет» песчинки во время каких-либо стандартных манипуляций, перемещений образца. В ходе методической работы сравнивались измерения остаточной водонасыщенности тремя методами: Кво по гамма просвечиванию образца при ТБУ (в кернодержателе), Кво измеренный весовым методом и Кво измеренный объемным методом. Результаты работы представлены в таблице.

Значение Кво объемным методом рассчитывалось по формуле:

Кво=100⋅(V_пор-V_проб)/V_пор,

где V_проб - объем воды в пробирке, вышедший из образца, при создании Кво методом полупроницаемой мембраны в предлагаемом устройстве.

Как видно из таблицы, значение Кво по результатам гамма просвечивания имеют относительную погрешность 4,1%, в сравнении с весовым методом (как наиболее точным). Значение Кво, полученное объемным методом, по отношению к весовому, имеет относительную погрешностью 9,1%.

Для проверки заявляемого метода, создание Кво в кернодержателе и измерение значения Кво при ТБУ для слабосцементированного образца горной породы, были выбраны 5 образцов слабосцементированной горной породы. Основные характеристики образцов, результаты создания и измерения Кво представлены в таблице 2.

На фиг. 4 видно, что значения, полученные и измеренные по заявленному способу (при ТБУ), находятся ближе к пластовой зависимости значений Кво от проницаемости.

Таким образом, полученное значение Кво, полученное при заявляемом способе создания остаточной водонасыщенности на слабосцементированном керне для проведения потоковых исследований не нуждается в поправочных коэффициентах для учета температурных расширений воды и сжимаемости слабосцементированной горной породы при размещении/нагружении образца в термобарические условия.

Изобретение относится к области лабораторных исследований совместного движения флюидов через образец горных пород, проведение которых необходимо для технико-экономической оценки подсчета запасов при разработке месторождения. Для создания остаточной водонасыщенности в качестве нижнего торцевого поршня в составе кернодержателя установки для проведения потоковых исследований используют устройство, включающее место под полупроницаемую мембрану и три сквозных гидравлических линии, две из которых предназначены в обход мембраны, а одна - для выхода воды при создании остаточной водонасыщенности. При этом высушенный образец слабосцементированной горной породы помещают в кернодержатель, образец вакуумируется с последующим насыщением на 100% пластовой водой или ее моделью, затем, закрыв гидравлические каналы, для движения флюидов, подавая сверху газ давлением не выше 12 атм, создают поровое давление и вода вытесняется из образца через мембрану и соответствующий гидравлический канал. В течение всех этапов образец сканируется гамма/рентген источниками, при этом значения остаточной водонасыщенности (Кво) рассчитывают по значениям коэффициентов поглощения при просвечивании образца рентген или гамма лучами. Технический результат - возможность создания с последующим расчетом остаточной водонасыщенности (Кво), методом просвечивания образца рентгеновскими или гамма лучами, без извлечения его и мембраны из кернодержателя установки, с последующим проведением потоковых исследований -относительные фазовые проницаемости или коэффициент вытеснения. 2 табл., 4 ил.

Способ создания остаточной водонасыщенности методом полупроницаемой мембраны для образцов слабосцементированных горных пород непосредственно в кернодержателе установки с последующим проведением потоковых исследований при совместном движении пластовых флюидов без извлечения образца и мембраны из кернодержателя, характеризующийся тем, что для создания остаточной водонасыщенности в качестве нижнего торцевого поршня в составе кернодержателя установки для проведения потоковых исследований используют устройство, включающее место под полупроницаемую мембрану и три сквозных гидравлических линии, две из которых предназначены в обход мембраны, а одна - для выхода воды при создании остаточной водонасыщенности, при этом высушенный образец слабосцементированной горной породы помещают в кернодержатель, образец вакуумируется с последующим насыщением на 100% пластовой водой или ее моделью, затем, закрыв гидравлические каналы для движения флюидов, подавая сверху газ давлением не выше 12 атм, создают поровое давление и вода вытесняется из образца через мембрану и соответствующий гидравлический канал, в течение всех этапов образец сканируется гамма/рентген источниками, при этом значения остаточной водонасыщенности (Кво) рассчитывают по значениям коэффициентов поглощения J при просвечивании образца рентген или гамма лучами по формуле

где J_100%ГАЗ - коэффициент поглощения при 100% газонасыщенности образца, J_{100% вода} - коэффициент поглощения при 100% водонасыщенности образца, J_i - текущее значение коэффициента поглощения при Кво.