Способ создания микромодели порового пространства на основе компьютерной томографии керна Российский патент 2024 года по МПК G01N23/46 

Область техники

Изобретение относится к области нефте- и газодобычи и может быть использовано для создания искусственных моделей порового пространства, обладающими характеристиками реальной породы, как высокоэффективных инструментов для экспресс-тестирования новых типов ПАВ, ПАВ-полимер и ПАВ-наночастицы композиций для методов увеличения нефтеотдачи (МУН), а также анализа микротечений в поровом пространстве и тестирования численных моделей фильтрации, разрабатываемых в рамках создания цифрового керна.

Уровень техники

Традиционно разработка методов повышения нефтеотдачи сводится к проведению лабораторных экспериментов по вытеснению остаточной нефти из стандартных образцов пластовой породы (кернов) и определению ряда их физико-химических характеристик, фильтрационно-емкостных свойств и относительных фазовых проницаемостей. Однако, образцы породы представляют собой «черный ящик» и не позволяют получить глубокое понимание физических процессов фильтрации, происходящих на уровне микро- и нано-масштаба пор породы.

В этой связи, начиная с 50-х годов прошлого века был разработан альтернативный подход, основанный на создании моделей пористых сред – систем сообщающихся микропор, изготовленных, например, с использованием стеклянных микрошариков, упакованных в тонкую прозрачную ячейку. Применение такой модели позволяет визуализировать процесс движения фаз и изучить механизм многофазного переноса в поровом пространстве.

Развитие инструментов и методов микрофабрикации, в том числе фотолитографии, лазерной гравировки, механической фрезеровки, штамповки и фотополимерной 3D печати позволяет в настоящее время создавать микромодели пластовых пород с самыми разнообразными геометрическими и топологическими характеристиками порового пространства. Основные преимущества таких микромоделей — это визуализация процессов многофазного переноса, возможность всестороннего и малозатратного исследования влияния многообразия структуры пространства на перенос, и многократное использование для проверки достоверности результатов.

Известен способ создания синтетического образца керна с использованием трехмерной печати и компьютерной рентгеновской томографии [Патент РФ № 2651679, заявлено 28.12.2016, патентообладатель АО «Всероссийский нефтегазовый научно-исследовательский институт имени академика А.П. Крылова»]. По способу проводят эксперимент на естественном образце керна, определяют его механические и фильтрационные свойства. Параллельно с этим проводят расчеты аналогичных параметров с использованием цифровой модели. Затем уточняют параметры и структуру цифровой модели посредством обеспечения совпадения результатов счета и фактических данных. Затем посредством анализа неоднородностей в цифровой модели их разделяют на естественные и техногенные, после чего из цифровой модели удаляют неоднородности техногенной природы. Затем осуществляют трехмерную печать цифровой модели керна.

Известна микромодель [Источник: Wegner J., Ganzer L. Rock-on-a-chip devices for high p, T conditions and wettability control for the screening of EOR chemicals. SPE Europec, 2017.] порового пространства, представляющая собой стохастическое распределение дисков (столбиков) разного радиуса изготовленных в пластине кремния методами фотолитографии. Полученная пластина помещалась между двумя стеклянными пластинами герметичным соединением, давая в результате модель поровой среды.

Существенный недостаток такой модели связан с тем, что ее внутренняя микроструктура порового пространства не связана с реальным керном и не учитывает фильтрационно-емкостные свойства исследуемой породы.

Известен метод [Источник: Nilsson M.A., Kulkarni R., Gerberich L., Hammond R., Singh R., Baumhoff E., Rothstein J.P. (2013) Effect of fluid rheology on enhanced oil recovery in a microfluidic sandstone device. J Nonnewton Fluid Mech 202:112–119.] создания структуры порового пространства путем проецирования изображения поперечного сечения образца песчаника на кремниевую пластину, покрытую фоторезистом. После процедуры травления получали 2D шаблон, который заполняли фотополимером, служащим основой для микромодели порового пространства песчаника.

Известен метод [Источник: Buchgraber M., Clemens T., Castanier L. M., Kovsce A. R. A Microvisual Study of the Displacement of Viscous Oil by Polymer Solutions. SPE Reservoir Eval. Eng., 2011, 14, 269–280] проецирования электронных изображений песчаника на стекло, покрытое фоторезистом, его последующего травления и получения в результате 2D микромодели песчаника в стеклянной пластине.

Недостатком данных методов, является ограниченность модели использованием одного изображения, одного сечения образца, что не позволяет учесть объемную микроструктуру образца и его основные характеристики.

Известен метод [Источник: Gunda N.S.K., Bera B., Karadimitriou N.K., Mitra S.K., Hassanizadeh S. M. Reservoir-on-a-Chip (ROC): A new paradigm in reservoir engineering. Lab Chip, 2011, 11, 3785.] создания двумерной реалистичной микромодели порового пространства, основанный на преобразовании трехмерных реконструированных изображений керна с помощью набора алгоритмов, включая алгоритм триангуляции Делоне и стохастические случайные сетевые генераторы. Полученный сетевой образ микромодели представляет собой распределение пор разных размеров, соединенных между собой каналами, таким образом, чтобы отражать реальную пористость образца, связанность пор и их распределение в объеме. В свою очередь, информация о трехмерной структуре керна, а именно пористость, размеры пор, их связанность и распределение в объеме керна, извлекается путем анализа трехмерных изображений керна с помощью стандартных цифровых алгоритмов обработки изображений, анализа формы и распознавания образов для исследования морфологии и геометрии пространства. Затем этот двумерный сетевой образ может быть изготовлен в кремнии или стекле методами фотолитографии.

Недостатком этого метода является необходимость всестороннего и масштабного исследования массива трехмерных изображений керна с применением комплекса программ обработки и анализа изображений, что сопряжено с повышением временных и энергетических затрат. Еще одним недостатком данного метода является то, что извлекаются только геометрические параметры поровой структуры безотносительно ее реальных фильтрационных свойств.

Сущность изобретения

Технический результат заявляемого способа заключается создании микромодели порового пространства (реального (физического) объекта), для проведения исследований многофазного переноса в данной микромодели и тестирования реагентов для повышения нефтеотдачи.

Технический результат достигается тем, что в способе создания микромодели порового пространства на основе компьютерной томографии керна, формируют 3D модель порового пространства, в реконструированной 3D модели порового пространства, с помощью прямого гидродинамического моделирования однофазного течения линейно вязкой жидкости, рассчитывают функцию плотности распределения извилистости линий тока и проницаемость, создают упаковки извилистых каналов заданной формы и сечения, между упаковками извилистых каналов формируют систему буферных зон для гидродинамической связи, формируют систему подводящих каналов в виде двоичного дерева, предназначенную для равномерного подведения вытесняющего флюида, формируют дренажную зону, предназначенную для отведения вытесняемого и вытесняющего флюидов.

Изобретение поясняется графическими материалами:

Фиг. 1 – показаны линии тока, рассчитанные в процессе прямого численного моделирования стационарного однофазного течения Ньютоновской жидкости через поровый объем части образца;

На фиг. 2 для примера показан образ микромодели порового пространства, созданного по заявляемому способу, где цифрами обозначено:

1 – упаковка каналов, 2 – буферные зоны, 3 – система подводящих каналов, 4 – дренажная зона.

Осуществление изобретения

По способу создания микромодели порового пространства на основе компьютерной томографии томографируют образец керна и формируют 3D модель порового пространства. В реконструированном поровом пространстве керна с помощью прямого гидродинамического моделирования однофазного течения линейно вязкой жидкости рассчитывают функцию плотности распределения извилистости линий тока и проницаемость (используя электрическую аналогию поток – сила тока). По результатам гидродинамического моделирования строят множество линий тока (фиг. 1), для этого рассчитывают функцию плотности распределения извилистости линий тока. После определения функции плотности распределения извилистости генерируют некоторое множество псевдослучайных чисел, которые закладывают для построения каналов. Таким образом, получают набор извилистости для выборки каналов микромодели порового пространства. Упаковку извилистых каналов 1 производят на основе аналитического решения уравнений Навье-Стокса для каналов прямоугольного сечения и уравнения Дарси, что позволяет варьировать абсолютную проницаемость в широких пределах. Копируют несколько упаковок извилистых каналов 1, а упаковки соединяют посредством буферных зон 2, которые обеспечивают гидродинамическую связь между упаковками 1 и выравнивание профиля давления. Для равномерного подведения вытесняющего флюида формируют систему подводящих каналов в виде двоичного дерева 3, а для отведения вытесняемого и вытесняющего флюидов формируют дренажную зону 4. Упаковки каналов 1 образуют синтетическую поровую структуру, учитывающую реальные характеристики керна, такие как извилистость и абсолютная проницаемость. Двумерную микромодель на основе разработанного компьютерного образа порового пространства изготавливают любым из доступных методов, например, с помощью аддитивных технологий. Полученная в результате реализации заявляемого способа микромодель порового пространства обладает фильтрационно-емкостными характеристиками реального образца поровой породы и может быть использована для исследований многофазного переноса в данной микромодели и тестирования реагентов для повышения нефтеотдачи.

Предложенный способ создания компьютерного образа микромодели порового пространства, кроме повышения достоверности исследований также позволяет сократить материальные и временные расходы на проведение лабораторных исследований физико-химических параметров кернов (образцов пластовой породы) и тестирования новых реагентов для методов увеличения нефтеотдачи, путем использования микромоделей керна легко изготавливаемых любым из существующих на сегодня методов микрофабрикации.

Использование: для создания микромодели порового пространства на основе компьютерной томографии керна. Сущность изобретения заключается в том, что на основе результатов прямого гидродинамического моделирования однофазного течения линейно вязкой жидкости в реконструированном поровом пространстве керна, полученном при помощи компьютерной томографии, рассчитывают функцию плотности распределения извилистости линий тока и проницаемость, создают некоторое количество упаковок извилистых каналов заданной формы и сечения на основе аналитического решения уравнений Навье-Стокса для каналов прямоугольного сечения и закона Дарси, для гидродинамической связи между упаковками извилистых каналов формируют систему буферных зон, для равномерного подведения вытесняющего флюида формируют систему подводящих каналов в виде двоичного дерева, а для отведения вытесняемого и вытесняющего флюидов формируют дренажную зону. Технический результат: обеспечение возможности создания микромодели порового пространства, обладающего фильтрационно-емкостными характеристиками реального образца поровой породы. 2 ил.

Способ создания микромодели порового пространства на основе компьютерной томографии керна, характеризующийся тем, что формируют 3D модель порового пространства, в реконструированной 3D модели порового пространства, с помощью прямого гидродинамического моделирования однофазного течения линейно вязкой жидкости, рассчитывают функцию плотности распределения извилистости линий тока и проницаемость, создают упаковки извилистых каналов заданной формы и сечения, между упаковками извилистых каналов формируют систему буферных зон для гидродинамической связи, формируют систему подводящих каналов в виде двоичного дерева, предназначенную для равномерного подведения вытесняющего флюида, формируют дренажную зону, предназначенную для отведения вытесняемого и вытесняющего флюидов.