СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
METHOD TO ASSESS THERMODYNAMIC BALANCE OF GAS LIQUID MIXTURE WHEN PERFORMING FILTRATION EXPERIMENTS

Изобретение относится к способам экспериментального исследования фильтрации газо-жидкостной смеси и может быть использовано, например, в лабораториях, специализирующихся на специальном анализе керна, в частности, измерении фазовых проницаемостей при многофазной фильтрации смешивающихся флюидов (например, газоконденсатная смесь) через керн горных пород.
В процессе проведения лабораторных экспериментов по многофазной фильтрации флюидов через керны горных пород критическим фактором является качество подготовки самих флюидов. В отличие от случая однофазной фильтрации для измерения фазовой проницаемости (ФП) по каждому флюиду крайне необходимо, чтобы все флюиды находились в термодинамическом равновесии, которое определяется стабилизацией давления и температуры. Ситуация осложняется при использовании таких пар флюидов как газ-конденсат, где газовая и жидкая фазы характеризуются схожими физическими свойствами. Если фазы не находятся в термодинамическом равновесии, то между ними происходят фазовые переходы, то есть уменьшение объема одной из фаз с увеличением объема остальных фаз. Последнее обстоятельство делает практически невозможным контролируемую закачку каждой из фаз с фиксированной объемной скоростью.
Обычно, флюидная пара газ-конденсат готовится либо в термодинамической ячейке (PVT-ячейке, PVT-бомбе) или в специальном контейнере (баллоне) при некоторых заданных давлении и температуре. Термодинамическое равновесие для фиксированных давления и температуры считается достигнутым после стабилизации давления фаз. По различным причинам для экспериментальных исследований бывает удобно разделять (сепарировать) фазы (жидкую и газовую) в разные контейнеры.
Часто возникает необходимость в транспортировке и хранении контейнеров с разделенными фазами, например, перемещение из лаборатории термодинамических исследований флюидов в лабораторию потоковых (фильтрационных) исследований керна. В этом случае очень вероятно нарушение термодинамического равновесия фаз вследствие изменчивости внешних условий (температуры, давления, механического воздействия). Даже спустя продолжительное время после температурной стабилизации в контейнерах, фазы после их смешения, вероятнее всего, выйдут из состояния термодинамического равновесия, и не достигнут исходного состояния (после приготовления равновесной газоконденсатной смеси). В результате, пара флюидов, закачиваемая в керн, может быть термодинамически неравновесной.
В случае пары газ-конденсат этот эффект выражается в возникновении фазовых переходов: из газа в жидкость и наоборот. Как следствие, объемное соотношение фаз, заданное на закачивающих насосах, может значительно отличаться от объемного соотношения фаз для флюида перед входом в керн. На практике в большинстве случаев предполагается, что флюиды, поступающие в керн, уже находятся в термодинамическом равновесии, что, как правило, никак не проверяется.
Все существующие эксперименты по фильтрации газоконденсатной смеси через керн горных пород можно условно разделить на две группы: закачка смеси в однофазном (газообразном) состоянии с последующим разделением на газовую и жидкую фазы и накоплением жидкой фазы (газового конденсата) в керне вследствие падения давления, вызванного фильтрацией, и раздельная закачка одновременно обеих газовой и жидкой фаз с различными объемными долями в потоке в кернодержатель (керн). Если целью фильтрационного эксперимента является определение фазовых проницаемостей, то наиболее приемлемым вариантом является одновременная закачка обеих газовой и жидкой фаз, находящихся в термодинамическом равновесии.
Некоторые исследователи (см. например, Н. Calisgan and S. Akin, Near Critical Gas Condensate Relative Permeability of Carbonates, The Open Petroleum Engineering Journal, 1, 30-41 1874-8341/08, 2008, Bentham) поступают следующим образом: перед каждым тестом поровое пространство керна полностью насыщается обогащенной метанолом жидкой фазой, которая растворяет любое остаточное количество н-гексана. Температура фильтрационной системы устанавливается согласно требованиям эксперимента. Обогащенная метанолом жидкая фаза входит в термодинамическое равновесие с фазой н-гексана. В итоге, обогащенная н-гексаном фаза закачивается в керн с требуемым объемным расходом. Однако в этом случае исследователи никак не проверяют наличие термодинамического равновесия между фазами.
Известен способ проверки термодинамического равновесия газа и конденсата, который состоит в использовании прозрачной термодинамической (PVT) ячейки и визуальном наблюденим границы раздела между газовой и жидкой фазами. Пример такой системы описан в Н.L. Chen, S.D. Wilson, and Т.G. Monger-McClure. 1999, Determination of Relative Permeability and Recovery for North Sea Gas-Condensate Reservoirs. SPE Reservoir Eval. & Eng. 2 (4), August 1999.
Многие исследователи готовят раздельно газ и конденсат перед экспериментом и помещают контейнеры с фазами в фильтрационную установку, всего лишь предполагая наличие термодинамического равновесия между фазами (см., например, М. Jamiolahmady, M. Sohraby, S. Ireland. 2008, Gas condensate relative permeabilities in propped porous media: coupling versus inertia. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, SPE 115726).
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении возможности проверки равновесности газожидкостной смеси и оценки качества пары газ-жидкость (газ-конденсат) не только перед, но и в процессе, а также после фильтрационного эксперимента. Предложенную последовательность действий можно выполнять для оперативного контроля качества флюидов независимо от самого фильтрационного эксперимента.
В соответствии с предлагаемым способом оценки термодинамического равновесия газожидкостной смеси газовую и жидкую фазу с заданными объемным соотношением в потоке и расходами по меньшей мере один раз закачивают с большой скоростью в многофазный сепаратор, регистрируют в процессе закачки объемы газовой и жидкой фаз в сепараторе, рассчитывают скорость накопления каждой фазы в сепараторе и вычисляют расхождение между скоростями закачки фаз и скоростями их накопления в сепараторе, по которому судят о степени термодинамического равновесия фаз.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана гидравлическая схема установки для двухфазной фильтрации через керн, на фиг.2 - результаты фильтрационного эксперимента.
Предлагаемый способ может быть использован при работе на стандартном оборудовании для фильтрационных экспериментов на керне (например: Coretest Systems RPS-850, Гло-Бел УИК-5(3)), которое включает в свой состав следующие элементы (фиг.1): 1, 2 - поршневые насосы; 3 - контейнер флюидов высоких давления и температуры; 4 - нагревательная лента с теплоизоляцией; 5, 6 - поршневые контейнеры; 7 - кернодержатель; 8 - дифференциальный манометр; 9 - термостатированная камера; 10 - система поддержания обжимного (горного) давления; 11 - датчик температуры; 12, 13  -терморегуляторы; 14-22 - датчики давления; 23 - двухфазный сепаратор высокого давления с ультразвуковым уровнемером; 24 - обратный клапан (регулятор обратного давления); 25 - керн.
Основным аппаратным узлом для предлагаемого способа является сепаратор 23 флюидов, рассчитанный на высокую температуру и давление, и оснащенный уровнемером. Сепаратор может иметь различную конструкцию и принцип работы. При опробовании и тестировании предложенного способа был использован сепаратор SFS-032 производства компании Coretest Systems. Примерный принцип работы сепаратора следующий: смесь жидкостей снизу поступает в сепаратор, где под действием силы тяжести более плотная фаза остается в нижней части сепаратора, а более легкая накапливается в верхней части, при этом отбор ведется либо из верхней, либо из нижней части, т.е. отбирается либо только более легкая, либо только более плотная фаза. Далее, определяется положение границы раздела фаз и, с учетом геометрических размеров сепаратора, определяется объем фаз, находящихся в сепараторе.
Предлагаемый способ оценки термодинамического равновесия газожидкостной смеси основана на следующем принципе: если две или более фазы, которые закачиваются в сепаратор по обводной линии (минуя кернодержатель), находятся в термодинамическом равновесии, то их объемное отношение в сепараторе должно быть равно объемному отношению при закачке (задается параметрами насосов) при целевых давлении и температуре.
Способ может быть реализован следующим образом.
Перед началом, во время или после фильтрационного (потокового) эксперимента для оценки степени термодинамического равновесия между газовой и жидкой (конденсатной) фазами, выполняют следующую последовательность действий.
Подготовливают сепаратор 23 к работе: заполняют сепаратор обеими фазами при экспериментальных давлении и температуре путем одновременной закачки насосом 2 газа и насосом 1 конденсата по обводной линии, минуя кернодержатель 7.
Посредством насосов 2 и 1 осуществляют закачку газовой и жидкой фаз с заданными фиксированными отношением объемов газа и конденсата в потоке и расходами газа и конденсата по обводной линии, минуя кернодержатель 7, и одновременно регистрируют объемы газовой и жидкой фаз, вышедших из насосов, а также объемы фаз внутри сепаратора. В промышленном оборудовании нефтегазовой отрасли для измерения объемов в сепараторе, среди прочих, широко применяется ультразвуковой акустический уровнемер. В последнем случае, объемы фаз внутри сепаратора определяются исходя из положения границы раздела фаз, определенной по времени прохождения до нее акустической волны, а также с учетом геометрических размеров сепаратора.
Вычисляют скорость накопления фаз в сепараторе, используя данные о суммарном объеме закачанных фаз, геометрических размерах сепаратора, положении границы раздела фаз, а также, учитывая отводимую фазу, т.е. учитывая, что из сепаратора отводится либо только легкая (газовая), либо только тяжелая (конденсат) фаза, при этом, предполагая, что суммарный объем обеих фаз закачиваемый насосами (суммарная скорость закачки) равен объему отводимой из сепаратора фазы (скорости отбора отводимой фазы).
Для повышения точности повторяют предыдущие действия с различными суммарными скоростями закачки. Также, для повышения достоверности полученных данных, можно проводить закачку при различных соотношениях расходов фаз, т.е. при различных долях фаз в потоке.
Вычисляют расхождение между скоростями закачки фаз и скоростями их накопления в сепараторе.
В случае если расхождение между объемной скоростью закачки и скоростью накопления фаз в сепараторе пренебрежимо мало или сравнимо с погрешностью определения объема с помощью сепаратора, то считается, что фазы флюида находятся в термодинамическом равновесии, и могут быть использованы в фильтрационном эксперименте на керне. Однако, если расхождение превышает некоторое допустимое (желаемое) граничное значение, то считается, что испытуемая пара флюидов не находится в термодинамическом равновесии и не должна быть использована в фильтрационном эксперименте на керне.
3
Способ был успешно протестирован и применен в процессе проведения реального газоконденсатного фильтрационного эксперимента с результатами, показанными на фиг.2. Перед началом эксперимента все элементы фильтрационной установки, показанной на фиг.1, были заполнены газом и конденсатом (проба 2) при экспериментальных давлении и температуре.. На фиг.2 хорошо видно, что разность между закачанным объемом конденсата и объемом конденсата, рассчитанным по показаниям сепаратора на выходе из кернодержателя, примерно равна ошибке определения объема по показаниям сепаратора, то есть ±0.02 см. В процессе фильтрационного эксперимента проба 2 была израсходована, и в термодинамической лаборатории была приготовлена новая проба 3, которая была заряжена в фильтрационную установку. В результате применения предложенного способа для проверки степени термодинамического уравновешенности фаз обнаружилась большая потеря (убыль) конденсата из сепаратора (проба 3 на фиг.2). Проба 3 была признана термодинамически неравновесной и непригодной для участия в фильтрационном эксперименте даже после нескольких дней стабилизации при целевых давлении и температуре (проба 3 от 29 и 30.12.10 на фиг.2). После подробного исследования процедуры подготовки пробы 3 (приготовление в термодинамической лаборатории, транспортировка, загрузки в фильтрационную установку) был исправлен ряд недостатков и нарушений. Последняя пара флюидов (проба 5 на фиг.2) была проверена на равновесность с помощью предложенной методики, признана удовлетворительной и, далее, использована в фильтрационном эксперименте.