Устройство для измерения относительных фазовых проницаемостей в пористой среде при ее трехфазной насыщенности Российский патент 2024 года по МПК G01N15/08 E21C39/00 

Изобретение относится к петрофизическим исследованиям и может быть использовано при определении относительных фазовых проницаемостей, в которых участвуют пористые среды и жидкости с различными физическими свойствами.

Известно устройство для определения фазовой проницаемости и соответствующих насыщенностей образцов горных пород (патент RU 2660772, Е21С 39/00 от 01.08.2017, опубликован 10.07.2018), выбранное за прототип. Выбор прототипа обусловлен подобием состава оборудования, подобием метода измерения и расчета искомых параметров, инструментальными решениями по созданию условий пластовых давлений и температур, а также разделением флюидов за счет разности плотностей в сепараторе. Данный принцип разделения флюидов и их подачи в керн применен и в предлагаемом техническом решении.

Недостатком прототипа является невозможность контроля насыщенности одной из фаз, что делает невозможным измерения фазовых проницаемостей, соответствующих конкретной технологии разработки залежи в присутствии трех насыщающих породу подвижных фаз, в связи с гистерезисом проницаемости.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность осуществления контроля насыщения пористой среды для получения корректных исходных данных для моделирования разработки месторождений, за счет получения последовательных измерений проницаемости при фиксированной насыщенности одним из флюидов.

Технический результат обеспечивается тем, что устройство для определения фазовых проницаемостей в пористой среде при ее трехфазной насыщенности содержит кернодержатель с установленным в нем исследуемым образцом пористой среды, трехфазный измерительный сепаратор, снабженный ультразвуковыми датчиками, контролирующими границы разделения сред в нем, суховоздушный термостат, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в кернодержателе и измерительном трехфазном сепараторе, а также систему автоматического управления, при этом внутренний объем трехфазного измерительного сепаратора, разделен на верхнюю, среднюю и нижнюю сообщающиеся между собой секции, верхняя секция заполнена первым флюидом, средняя секция заполнена вторым флюидом, имеющим плотность выше, чем первый флюид, а нижняя секция заполнена третьим флюидом, имеющим плотность, выше чем второй флюид, кроме того кернодержатель снабжен системой для создания и контроля горного давления, дифференциальным манометром с датчиками давления, системой измерения насыщенности образца пористой среды первым или вторым флюидом, получающей информацию от ультразвуковых датчиков, контролирующих уровень границы сред в измерительном сепараторе и системой измерения насыщенности образца пористой среды третьим флюидом, причем система автоматического управления включает систему автоматического регулирования и контроллер, который регистрирует данные поступающие из системы измерения насыщенности образца пористой среды первым флюидом и из системы измерения насыщенности образца пористой среды вторым или третьим флюидом, а также данные о перепаде давления на дифференциальном манометре, кроме того, выход из кернодержателя соединен посредством отводного трубопровода с входом трехфазного измерительного сепаратора, выход из нижней секции трехфазного измерительного сепаратора соединен с первым входом кернодержателя посредством трубопровода, в котором установлен первый рециркуляционный насос, который связан посредством обратной связи с системой измерения насыщенности образца пористой среды третьим флюидом, выход из средней секции трехфазного измерительного сепаратора соединен со вторым входом кернодержателя посредством трубопровода, в котором установлен второй рециркуляционный насос, выход из верхней секции трехфазного измерительного сепаратора соединен с третьим входом кернодержателя посредством трубопровода, в котором установлен третий рециркуляционный насос.

Целью изобретения является определение относительных фазовых проницаемостей в области трехфазной насыщенности пористой среды, что достигается фиксацией насыщенности пористой среды одним из флюидов, что позволяет определять фазовые проницаемости при ее трехфазной насыщенности широко известными методами двухфазной фильтрации. В этом случае, формально, происходит трехфазная фильтрация, но система построена таким образом, чтобы к измерениям можно было применять тот же подход, что используется при двухфазной фильтрации.

Например, при разработке газоконденсатного месторождения в присутствии подстилающей воды, в процессе добычи жирного газа, при разработке залежи в режиме естественного истощения, растет конденсатонасыщенность пласта и повышается газо-водяной контакт, что приводит к увеличению водонасыщенности, вследствие снижения капиллярного давления. Таким образом, для моделирования разработки газоконденсатной залежи с подстилающей водой, необходимо исследовать проницаемость образцов пористой среды при растущей водонасыщенности и конденсатонасыщенности. Фиксирование насыщенности одним из флюидов позволяет ступенчато повышать насыщенность исследуемого образца керна, контролируя таким образом направление изменения насыщенности для этого флюида. Направление изменения насыщенности другим флюидом контролируется увеличением его доли в потоке при исследовании проницаемости методом стационарной фильтрации, или начальным насыщением при нестационарной фильтрации. В связи с гистерезисом проницаемостей несоблюдение направления изменения насыщенности приводит к получению ошибочных значений фазовых проницаемостей. Таким образом, техническое решение позволяет правильнее исследовать проницаемости образцов керна, учитывая гистерезис фазовой проницаемости при различных направлениях изменения насыщенности.

Заявленное изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 чертежа представлена схема устройства для определения фазовой проницаемости при трехфазной насыщенности пористой среды с регулированием ее насыщенности одним из флюидов.

На фиг. 2 чертежа показано семейство относительных фазовых проницаемостей (ОФП).

На фиг. 1 позициями обозначены следующие элементы: первый рециркуляционный насос 1, обратная связь 2, второй рециркуляционный насос 3, третий рециркуляционный насос 4, кернодержатель 5 с образцом пористой среды, суховоздушный термостат 6, трехфазный измерительный сепаратор 7, система 8 для создания и контроля горного давления, снабженная датчиком давления (на чертеже не показан), подводящие трубопроводы 9, снабженные вентилями (на чертеже не показаны), отводящие трубопроводы 10, снабженные вентилями (на чертеже не показаны), система измерения насыщенности 11 образца пористой среды третьим флюидом, система измерения насыщенности 12 образца пористой среды первым или вторым флюидом, дифференциальный манометр 13, верхняя секция 14 трехфазного измерительного сепаратора 7, средняя секция 15 трехфазного измерительного сепаратора 7 и нижняя 16 секция трехфазного измерительного сепаратора 7.

Устройство снабжено устройством для подъема давления в кернодержателе 5 и устройством вытеснения газа из трехфазного измерительного сепаратора 7 (устройства для подъема давления и вытеснения на чертеже не показаны).

Трехфазный измерительный сепаратор 7 предназначен для разделения рабочих флюидов друг от друга. Внутренний объем сепаратора 7 разделен на три сообщающиеся между собой секции: на верхнюю секцию 14, среднюю секцию 15 и нижнюю секцию 16. Входной патрубок сепаратора 7 размещен в средней секции 15.

Верхняя секция 14 предназначена для легкого первого флюида, имеющего плотность ниже, чем флюиды в средней 15 и нижней 16 секции.

Средняя секция 15 предназначена для второго (среднего) флюида, имеющего плотность выше, чем плотность флюида в верхней секции 14, но ниже чем плотность флюида в нижней секции 16.

Нижняя секция 16 предназначена для тяжелого третьего флюида, имеющего плотность выше, чем плотность первого и второго флюидов в секциях 14 и 15.

Сепаратор 7 снабжен ультразвуковыми датчиками (на чертеже не показаны), которые контролируют границы разделения сред в нем и связаны с системой измерения насыщенности 12 образца пористой среды первым (легким) флюидом или вторым (средним) флюидом.

Кернодержатель 5 снабжен системой 8 для создания и контроля горного давления, снабженной датчиком давления, первой системой измерения насыщенности 11 образца пористой среды, второй системой измерения насыщенности 12 образца пористой среды и дифференциальным манометром 13, связанным с датчиками давления (на чертеже не показаны) и предназначенным для определения перепада давления на исследуемом образце пористой среды. Система измерения насыщенности 11 образца пористой среды третьим флюидом представляет собой систему измерения электрического сопротивления, которая определяет насыщенность керна моделью воды (тяжелым третьим флюидом).

Суховоздушный термостат 6 обеспечивает поддержание постоянной температуры флюидов в сепараторе 7, во всех трубопроводах и в образце пористой среды, находящемся в кернодержателе 5.

Выход из нижней секции 16 трехфазного измерительного сепаратора 7 соединен с первым входом кернодержателя 5 посредством первого подающего трубопровода, в котором установлен первый рециркуляционный насос 1.

Выход из средней секции 15 трехфазного измерительного сепаратора 7 соединен со вторым входом кернодержателя 5 посредством второго подающего трубопровода, в котором установлен второй рециркуляционный насос 3.

Выход из верхней секции 14 трехфазного измерительного сепаратора 7 соединен с третьим входом кернодержателя 5 посредством третьего подающего трубопровода, в котором установлен третий рециркуляционный насос 4.

Первый рециркуляционный насос 1, второй рециркуляционный насос 3 и третий рециркуляционный насос 4 могут прокачивать флюиды с заданным расходом в прямом и обратном направлениях (далее режим прокачки), имеют режим, при котором сквозь них возможно беспрепятственное течение флюида (далее открытый режим), а также режим, при котором течение флюидов через рециркуляционные насосы полностью прекращается (далее запорный режим).

Устройство содержит систему автоматического управления (на чертеже не показана) включающую систему автоматического регулирования и контроллер, который регистрирует данные поступающие из системы измерения насыщенности 11, системы измерения насыщенности 12 и данные о перепаде давления на дифференциальном манометре 13, визуализирует их и принимает от оператора команды управления процессом. Применяемые системы измерения насыщенности могут быть различными по устройству и методу. Для определения содержания в керне воды, газа, нефти или конденсата могут применяться электрометрический, резистивиметрический методы или методы поглощения рентгеновского или микроволнового излучения, метод прозвучивания (ОСТ 39-235-89. Нефть. Метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной стационарной фильтрации) и метод материального баланса (Иванов М.К., Калмыков Г.А. и др. Петрофизические методы исследования кернового материала. Учебное пособие в 2-х книгах. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2008). Для определения насыщенности тремя флюидами комбинируют перечисленные выше методы в зависимости от физических свойств, используемых при определении проницаемости флюидов. Источником данных для системы обратной связи может стать устройство, реализующее любой из перечисленных выше методов измерения насыщенности. В качестве примера, ниже, этим устройством является система измерения насыщенности 11, реализующая метод резистивиметрии. Также в примере ниже, для определения насыщенности другими флюидами, реализуется метод материального баланса.

Система измерения насыщенности 11 третьим флюидом определяет насыщенность образца пористой среды (керна) моделью воды (тяжелым третьим флюидом) 11 и связана посредством обратной связи с рециркуляционным насосом 1, что обеспечивает возможность регулирования расхода рециркуляционного насоса 1 путем применения пропорционально-интегрально-дифференцирующего алгоритма регулирования с целью поддержания заданного значения насыщенности тяжелым третьим флюидом.

Устройство для измерения относительных фазовых проницаемостей в пористой среде при ее трехфазной насыщенности работает следующим образом.

Для измерения относительной фазовой проницаемости методом стационарной фильтрации осуществляют следующее.

Перед проведением измерений в измерительный трехфазный сепаратор 7 загружают три рабочих флюида, различающихся по плотности, например, вода, нефть и газ. В верхнюю секцию 14 трехфазного измерительно сепаратора 7 загружают первый (легкий) флюид, имеющий самую низкую плотность из всех флюидов, загруженных в сепаратор 7. В среднюю секцию 15 загружают второй флюид, имеющий плотность выше, чем плотность флюида в верхней секции 14, но ниже чем плотность флюида в нижней секции 16. В нижнюю секцию 16 загружают третий (тяжелый флюид), имеющий плотность выше, чем плотность флюидов в секциях 14 и 15.

Определяют длину L измерительного участка составного пористого образца и площадь F поперечного сечения измерительного участка составного пористого образца.

Затем в кернодержатель 5 помещают исследуемый образец пористой среды (керна). Посредством системы 8 для создания и контроля горного давления устанавливают в кернодержателе 5 пластовые давления (давление обжима и поровое давление) и посредством суховоздушного термостата 6 обеспечивают постоянную температуру.

При помощи рециркуляционного насоса 1, который связан с системой определения насыщенности 11, задают насыщенность образца пористой среды одним из загруженных флюидов (далее - флюид обратной связи). Проводят фильтрацию двух других флюидов (фильтрующиеся флюиды) при их нескольких соотношениях, заданных планом эксперимента для текущей насыщенности флюидом обратной связи. Те же действия проводят для нескольких заданных насыщенностей флюидом обратной связи. Для каждого соотношения фильтрующихся флюидов дожидаются стабилизации перепада давления на дифференциальном манометре 13 и стабилизации показателей системы измерения насыщенности 11 и системы измерения насыщенности 12 (показатели электрического сопротивления и датчиков контролирующих уровень границы сред в сепараторе).

После чего посредством дифференциального манометра 13 проводят измерения перепада давления ΔР на измерительном участке при установившемся течении.

Система измерения насыщенности керна 12 получает информацию от ультразвуковых датчиков (на чертеже не показаны), контролирующих уровень границы сред в сепараторе 7. С применением показаний датчиков, контролирующих уровень границы сред производят расчет насыщенности методом материального баланса.

Система автоматического управления получает данные от системы измерения насыщенности 11 первым флюидом программа на контроллере системы автоматического управления, определяет насыщенность керна сравнивает их с заданным оператором значением насыщенности и выдает управляющий сигнал на рециркуляционный насос 1 для изменения расхода флюида и поддержания заданной насыщенности исследуемого образца.

Таким образом в процессе исследования проницаемости образца пористой среды поддерживают заданную насыщенность образца пористой среды одним из флюидов. Это позволяет разделить задачу исследования проницаемости горных пород при трехфазной фильтрации флюидов на несколько аналогичных исследований при двухфазной фильтрации.

Возможность осуществления контроля насыщения пористой среды для получения корректных исходных данных для моделирования разработки месторождений организацией обеспечивается за обеспечения управления расходом тяжелого флюида с целью поддержания насыщенности образца упомянутым флюидом.

Относительную фазовую проницаемость в пористой среде определяют по заданным расходам флюидов и определенным значениям перепада давления по следующей формуле:

где k - фазовая проницаемость для флюида, мкм²;

Q - расход флюида на соответствующем режиме, см³/с;

μ - вязкость флюида, мПа⋅с;

L - длина измерительного участка составного образца, см;

F - площадь поперечного сечения измерительного участка составного образца, см²;

ΔР - перепад давления на измерительном участке при установившемся течении, МПа.

Предлагаемое устройство может быть применено также для измерения относительной фазовой проницаемости методами нестационарной и псевдостационарной фильтрации.

В качестве практического применения заявляемого устройства приведен пример измерения фазовой проницаемости и соответствующей насыщенности на образце керна длиной 90,2 мм, ∅ 29,7 мм, пористостью 16,3% и проницаемостью 82,7⋅10^-3 мкм².

Реализация заявленного устройства заключается в следующем.

В качестве измерительного сепаратора 7 используется сепаратор марки NER SFS032, к которому подключенных последовательно второй измерительный сепаратор.

Система создания горного давления 8 представляет собой прибор обжима CoreTest systems СРС-110.

Устройство снабжено дифференциальным манометром 13 марки Aplisens APR-2000 и системой измерения насыщенности 11.

В качестве измерителя насыщенности применяют систему измерения насыщенности 12, которая получает информацию от ультразвуковых датчиков (на чертеже не показаны), контролирующих уровень границы сред в сепараторе 7, обрабатывает ее и передает в систему автоматического управления, которая производит расчет насыщенности методом материального баланса с применением показаний датчиков, контролирующих уровень границы сред.

Уровень разделения сред контролируется штатными ультразвуковыми датчиками (на чертеже не показаны) в составе измерительных сепараторов 7.

Система флюидов представляет собой равновесную систему флюидов из нефти (средний флюид), газа метана (легкий флюид) и модели пластовой воды (тяжелый флюид). В качестве рециркуляционных насосов 1, 3, 4 используются насосы марки Тех-интенсив DI-50CV.

Вся измерительная система, включая измерительный сепаратор 7, трубопроводы 9 и 10, кернодержатель 5, рециркуляционные насосы 1,3, 4 помещаются в суховоздушный термостат 6 марки Binder ED 400 с рабочим объемом 400 литров.

Параметры фильтрации (насыщенность образца пористой среды, перепад давления на образце пористой среды, расход флюидов, температура и давление флюидов и технологических жидкостей) регистрируются с помощью контроллера ICP DAS ХРАС ХР-8741 и обрабатываются на ПК.

Также с помощью системы автоматического управления реализуется обратная связь 2 от системы измерения насыщенности 11 до рециркуляционного насоса 1, путем реализации пропорционально-интегрально-дифференцирующего алгоритма регулирования, на вход которого подаются показания системы измерения электрического сопротивления образца пористой среды (керна), а на выходе получают сигнал, регулирующий расход рециркуляционного насоса 1, при этом алгоритм настроен на поддержание заданного электрического сопротивления образца пористой среды, что означает поддержание заданной (соответствующей этому сопротивлению) водонасыщенности (насыщенности тяжелым флюидом).

Программа исследований по измерению относительных фазовых проницаемостей образцов пористой среды (керна) проводилась в следующем порядке:

1. Нагрев термостата 6 до пластовой температуры эксперимента, равной 99°С.

2. Загрузка в сепаратор 7 газированного метаном конденсата плотностью 0,477 г/см³ и вязкостью 0,402 мПа⋅с при температуре 99°С объемом 200 см³ и метана до давления максимальной конденсации 290 бар (устройство для загрузки не показано).

3. Загрузка в кернодержатель 5 исследуемого образца пористой среды (керна), насыщенного газом. Для загрузки образцов запорную аппаратуру устанавливают в следующую конфигурацию: вентиль на отводящем трубопроводе 10 закрыт, а рециркуляционные насосы 1, 3 и 4 находятся в запорном режиме. После загрузки образца в кернодержатель 5 плавно поднимается давление сухим метаном, который затем вытесняется равновесным газом из сепаратора 7 (устройства для подъема давления и вытеснения на чертеже не показаны).

4. Производится запуск регистрации данных с помощью контроллера. Регистрируются показания датчиков, контролирующих температуру и давление в различных частях устройства, текущее время, а также насыщенности определенные системой измерения насыщенности 11 и системой измерения насыщенности 12 и перепад давления на дифманометре 13.

5. Для прокачивания конденсата открывается вентиль на трубопроводе 10, рециркуляционный насос 4 устанавливают в режим прокачки, а рециркуляционный насос 3 устанавливают в запорный режим. Производится однофазная фильтрация газа со скоростями для ΔР=1, 2, 5 атм/м (скорость подбирается по показаниям дифференциального манометра 13 для заданных градиентов давления) до стабилизации перепада давления на манометре 13 и границы уровня сред в сепараторе 7. Расход газа для ΔР=1 атм/м будет базовым и обозначен далее символом «Q».

6. Система автоматического управления настраивается на поддержание текущей водонасыщенности (1 ступень - 0,131 д.ед.), путем установки значения текущего электрического сопротивления.

7. Производится режимы стационарной фильтрации газа и конденсата (доли конденсата 3%, 7%, 10%, 20%, 50%) через образец пористой среды (керн) с суммарным расходом Q. Каждый режим продолжается до стабилизации перепада давления на дифференциальном манометре 13 и границы раздела в сепараторе 7. После стабилизации определяют фазовую проницаемость по фильтрующимся флюидам на каждом из режимов.

8. Производится прокачка сухого газа со скоростью Q до стабилизации перепада давления на дифференциальном манометре 13. В процессе прокачки вытесняется и испаряется внедренный в образец пористой среды на п. 7 конденсат. Насыщенность конденсатом определяется по фазовой проницаемости, полученной в п. 7

9. Система автоматического управления настраивается на следующую ступень поддержания водонасыщенности (2 ступень - 0,230 д.ед., 3 ступень - 0,340 д.ед., 4 ступень - 0,410 д.ед., 5 ступень - 0,480 д.ед.) путем установки значения текущего электрического сопротивления.

10. Производится прокачка сухого газа со скоростью Q до стабилизации перепада давления на дифференциальном манометре 13. В процессе прокачки по длине образца пористой среды устанавливается заданная водонасыщенность.

11. Пункты 7-10 повторяются для каждой ступени водонасыщенности.

12. Остановка регистрации данных эксперимента. Вывод по результатам эксперимента следующий.

В процессе опыта было получено семейство относительных фазовых проницаемостей, приведенных на фиг. 2.

Таким образом устройство позволяет получить фазовые проницаемости при трехфазной насыщенности при воспроизводстве направления изменения насыщенности таим, как это происходит при реализации технологии разработки газоконденсатного месторождения.

Изобретение относится к устройствам для определения фазовых проницаемостей в пористой среде. Сущность: устройство содержит первый циркуляционный насос (1), обратную связь (2), второй и третий циркуляционные насосы (3, 4), кернодержатель (5) для размещения исследуемого образца пористой среды, суховоздушный термостат (6), трехфазный измерительный сепаратор (7), снабженный ультразвуковыми датчиками, систему (8) для создания и контроля горного давления, подводящие (9) и отводящие (10) трубопроводы, систему (11) измерения насыщенности образца пористой среды третьим флюидом, систему (12) измерения насыщенности образца пористой среды первым или вторым флюидом, дифференциальный манометр (13). Трехфазный измерительный сепаратор (7) разделен на сообщающиеся между собой верхнюю (14), среднюю (15) и нижнюю (16) секции. Причем верхняя секция (14) предназначена для первого (легкого) флюида, средняя секция (15) - для второго (среднего) флюида, а нижняя секция (16) - для третьего (тяжелого) флюида. Технический результат: возможность достоверного определения фазовых проницаемостей в пористой среде при ее трехфазной насыщенности. 2 ил.

Устройство для определения фазовых проницаемостей в пористой среде при ее трехфазной насыщенности, содержащее кернодержатель с установленным в нем исследуемым образцом пористой среды, трехфазный измерительный сепаратор, снабженный ультразвуковыми датчиками, контролирующими границы разделения сред в нем, суховоздушный термостат, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в кернодержателе и измерительном трехфазном сепараторе, а также систему автоматического управления, при этом внутренний объем трехфазного измерительного сепаратора разделен на верхнюю, среднюю и нижнюю сообщающиеся между собой секции, верхняя секция заполнена первым флюидом, средняя секция заполнена вторым флюидом, имеющим плотность выше, чем первый флюид, а нижняя секция заполнена третьим флюидом, имеющим плотность выше, чем второй флюид, кроме того, кернодержатель снабжен системой для создания и контроля горного давления, дифференциальным манометром с датчиками давления, системой измерения насыщенности образца пористой среды первым или вторым флюидом, получающей информацию от ультразвуковых датчиков, контролирующих уровень границы сред в измерительном сепараторе, и системой измерения насыщенности образца пористой среды третьим флюидом, причем система автоматического управления включает систему автоматического регулирования и контроллер, который регистрирует данные, поступающие из системы измерения насыщенности образца пористой среды третьим флюидом и из системы измерения насыщенности образца пористой среды первым или вторым флюидом, а также данные о перепаде давления на дифференциальном манометре, кроме того, выход кернодержателя соединен посредством отводного трубопровода с входом трехфазного измерительного сепаратора, выход из нижней секции трехфазного измерительного сепаратора соединен с первым входом кернодержателя посредством трубопровода, в котором установлен первый рециркуляционный насос, который связан посредством обратной связи с системой измерения насыщенности образца пористой среды третьим флюидом, выход из средней секции трехфазного измерительного сепаратора соединен со вторым входом кернодержателя посредством трубопровода, в котором установлен второй рециркуляционный насос, выход из верхней секции трехфазного измерительного сепаратора соединен с третьим входом кернодержателя посредством трубопровода, в котором установлен третий рециркуляционный насос.