Двухоболочковая обжимная слим-модель пласта для исследования процессов взаимодействия флюидов в воспроизводимой пористой среде

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и может быть использована для исследования процессов взаимодействия в пористой среде нефти и других флюидов с газами: определение коэффициента вытеснения нефти газом того или иного состава (углеводородные газы, неуглеводородные газы, их смеси в любых составах и пропорциях), установления параметров и характеристик режима вытеснения нефти газом (смешивающийся, несмешивающийся и т.д.) при различных давлениях и температурах, в том числе выше и ниже пластовых.
Процессы взаимодействия нефти с газом в пористой среде могут исследоваться на моделях различных типов: составных керновых колонках, насыпных моделях пласта. (Физическое моделирование фильтрационных процессов на керне на современном этапе / К.М. Мусин // Нефть. Газ. Новации. - 2010. - №1. - С. 40-43); (Исследования процесса вытеснения нефти водой из карбонатных коллекторов на керне и насыпных моделях / А.И. Бакиров, С.Г. Уваров // Геология, геофизика и разработка нефт. и газ. месторождений: НТЖ / ВНИИОЭНГ. - 2017. - №10. - С. 32-33.)
Недостатки керновых моделей заключаются в том, что создание моделей длиной в несколько метров практически невозможно, так как сложно обеспечить воспроизводимость или выдержанность коллекторских свойств по длине составных керновых моделей.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является слим-модель пласта (по международной классификации - Slim Tube), которая представляет собой стальную трубку, длина которой многократно превышает ее диаметр, набитую гранулярным наполнителем (песком или другим аналогичным материалом), снабженную фильтрами для удержания в ней наполнителя и фитингами для подключения к фильтрационной установке. Ее длина составляет, как правило, от 6 до 25 метров, диаметр - от 4 до 10 мм. Для удобства размещения в лаборатории и монтажа трубка обычно свивается в спираль. Уменьшение диаметра модели позволяет сгладить концевые эффекты и считать движение флюидов в ней плоскопараллельным. Поэтому для качественного исследования процессов вытеснения нефти газом оказываются наиболее применимыми слим-модели пласта (Использование слим-моделей пласта (Slim Tube) для физического моделирования процессов вытеснения нефти смешивающимися агентами. Часть 1. Методология эксперимента / А.М. Полищук, В.Н. Хлебников, В.Б. Губанов // Нефтепромысл. дело: НТЖ / ВНИИОЭНГ. - 2014. - №5. - С. 19-24).
Однако развитие техники и технологии добычи нефти, переход к разработке месторождений со сложными условиями разработки при сохранении необходимости в предварительных исследованиях эффективности вытеснения нефти газовыми агентами требуют усовершенствования конструкции слим-модели пласта. Повышаются пластовые давления и, как следствие, давления закачки газа; к такому же эффекту приводит переход к разработке залежей с тяжелыми и вязкими нефтями, низкопроницаемыми коллекторами. В то же время повышение давления эксперимента приводит к деформациям стальных трубок, из которых изготавливаются слим-модели пласта - в первую очередь увеличивается их диаметр, что приводит к переупаковке частиц пористого наполнителя, образованию пустот в пристеночных областях модели и преимущественному течению флюидов именно в этой части полезного сечения модели. При этом основной объем пористой среды может оказаться мало затронутым процессом вытеснения, что может существенно исказить результаты исследований. По мере роста давления этот эффект будет нарастать, внося все большую ошибку в результаты исследований.
Увеличение толщины стенки трубки нежелательно, так как оно не способно принципиально решить проблему, но при этом существенно затруднит ее набивку пористым наполнителем, а также из-за увеличения толщины стенки ослабит трубку при свивке в спираль. К таким же сложностям приведет замена материала трубки на более прочный.
Поставлена задача: усовершенствовать конструкцию слим-модели пласта (Slim Tube) для работы при повышенных давлениях путем ликвидации недостатков существующих конструкций моделей, а именно их деформации с ростом давления эксперимента.
Предлагается использовать двухоболочковую обжимную слим-модель пласта (Slim Tube Double Casing), представляющую собой две соосные трубки необходимой длины, из которых внутренняя представляет собой обычную слим-модель пласта (Slim Tube), имеющую необходимые длину и диаметр. Внешняя трубка предназначена для создания давления гидравлического обжима на внутреннюю трубку, чтобы предотвратить ее расширение и увеличение диаметра, сопровождающиеся описанной выше переупаковкой частиц наполнителя и образованием пустот в пристенных зонах. Для этого внешняя трубка прикреплена к внутренней с образованием герметичной полости между ними, рассчитанной на создание давления обжима, превышающего рабочее давление эксперимента. Герметичные крепления внешней трубки к внутренней размещаются по краям двухслойной слим-модели, при необходимости они могут дополняться центрующими элементами, расположенными по ее длине с некоторым заданным шагом. Кроме того, внешняя трубка снабжена фитингами для подачи в нее жидкости обжима или выпуска воздуха из межтрубного пространства.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом (Фиг.)
Модель включает следующие конструктивные элементы: 1 - фитинг для подачи/отвода фильтрующихся флюидов; 2 - внешняя трубка; 3 - жидкость гидрообжима; 4 - внутренняя трубка; 5 - пористая среда (песок или другой наполнитель, имитирующий пористую среду); 6 - фитинг для подвода/отвода жидкости гидрообжима и выпуска воздуха; 7 - центрирующие элементы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Внутренняя трубка представляет собой обычную слим-модель пласта: металлическую трубку 4 длина которой значительно превышает ее диаметр, набитую песком 5 (либо другим пористым наполнителем) при его постоянном уплотнении, которая насыщается нефтью, через которую прокачивается исследуемый газ. Для удержания песка в трубке на ее концах устанавливаются фильтры. К трубке подключаются фитингами 1 подводящие и отводящие линии для обеспечения фильтрации жидкостей и газов при требуемых давлениях.
На внутреннюю трубку устанавливается внешняя трубка 2 и герметично к ней прикрепляется (сварка, пайка, резьбовые фитинги или какой-либо другой способ, обеспечивающий герметичное соединение). При необходимости внутрь образовавшейся камеры могут устанавливаться какие-либо центрующие элементы 7, удерживающие трубки на некотором расстоянии друг от друга. В образовавшееся между трубками пространство закачивается вода либо другая среда 3 для создания давления на внутреннюю трубку, не допускающего ее расширения при подаче давления в пористую среду - давления обжима. Давление обжима должно быть не меньше давления в пористой среде, заполняющей внутреннюю трубку. Давление обжима подключается фитингами, либо иными присоединительными элементами 6.
Требуемый эффект уменьшения деформации внутренней трубки двухоболочечной слим-модели пласта достигается за счет создания на нее внешнего давления, направленного внутрь трубки и сжимающего ее снаружи. Таким образом, давление, распирающее внутреннюю трубку, будет скомпенсировано внешним обжимом, что позволит избежать деформации и увеличения диаметра трубки. Центрующие элементы 7 способствуют соосному расположению двух трубок и препятствуют касанию их между собой, обеспечивая свободное проходное сечение межтрубного пространства по всей его длине.
В качестве дальнейшего расширения возможностей указанной модели предлагается разделить внешнюю трубку (2) на отдельные сегменты с возможностью поддержания индивидуального давления в каждом из них. Сегментирование позволит сгладить перепад давления по длине модели для случая низкой проницаемости пористой среды (поз. 5). Для контроля распределения давления и температуры внутри модели может быть проложен чувствительный оптоволоконный элемент (на Фиг. не показан).
Для случая моделирования всестороннего обжима может быть использована схема с организацией обжима по длине, превышающей длину трубки с гранулярным наполнителем (4), что компенсирует торцевое давление внутри модели пласта (на Фиг. не показано).
При необходимости моделирования термических градиентов в пласте, например, при переходе фронта нагрева пласта, возможно оборудование модели проточными сегментами обжима пласта и поддержание с их помощью заданных перепадов температуры на различных участках модели, что совместно с оптоволоконным контролем давления и температуры по длине модели позволит существенно увеличить информативность экспериментов (на Фиг. не показаны).
Для случая исследования сложных процессов, связанных с физико-химическими превращениями флюидов, возможно добавление отдельных портов доступа или элементов выхода из модели пористой среды для контроля давления и/или отбора проб флюидов по длине двухоболочковой обжимной слим-модели в местах сегментирования контура обжима, причем контур обжима может как объединяться, так и сегментироваться на независимые элементы (на Фиг. не показаны).