METHOD FOR DETERMINING ANISOTROPY OF FORMATION PERMEABILITY IN LABORATORY CONDITIONS
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЛАСТА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Предлагаемое изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к информационному обеспечению проектов разработки залежей нефти и газа на основе 3D гидродинамического моделирования.
x
z
xz
Анизотропия проницаемости является одним из ключевых факторов при построении 3D геологической и гидродинамической моделей продуктивного пласта и обосновании технологий разработки залежи нефти или газа. Под анизотропией проницаемости здесь понимается различие коэффициентов проницаемости в плоскости XOY (k) и вдоль вертикальной координаты OZ (k). Также возможно наличие ненулевых внедиагональных элементов в матрице тензора проницаемости (k) применительно к естественной геологической системе координат. Это означает, что перепад давления вдоль вертикальной координаты может создавать потоки флюидов в плоскости XOY, и наоборот.
Измерение проницаемости на отобранном из пласта керновом материале является единственным прямым способом оценки его фильтрационных характеристик. Для исследования проницаемости на керновом материале используются лабораторные установки. В предлагаемом изобретении анизотропия проницаемости исследуется с помощью лабораторной установки на отобранной из пласта керновой колонке. Далее под термином "керновая колонка" следует понимать отпиленный от выбуренной керновой колонны отрезок длиной около 1 метра, совпадающий по диаметру с диаметром керновой колонны.
x
z
Известен способ определения анизотропии проницаемости на основе исследования малых (стандартных) образцов керна (Амикс Дж., Басс Д., Уайтинг Р. Физика нефтяного пласта. М.: Гостоптехиздат, 1962, 572 с., с.78-81). Размер таких цилиндрических образцов обычно составляет около 3 см в длину и 3 см в диаметре. Согласно данному способу из отобранной керновой колонны выпиливают вдоль и поперек напластования два образца керна. Затем осуществляют процедуры экстракции и сушки. После этого по очереди помещают их в кернодержатель и прокачивают через них газ при разных расходах с измерением перепада давления. По полученным данным определяют величины проницаемостей k и k.
Недостатками рассматриваемого способа являются следующие.
x
z
x
z
- Исследования малых образцов керна характеризуют проницаемости k и k в отдельной точке пласта. По полученным данным затруднительно определить k и k вдоль всей длины какого-либо интервала продуктивного разреза, так как невозможно осуществить непрерывное выпиливание образцов по всей длине керновой колонны.
x
z
- Измеренные k и k относятся к разным, хотя и близко расположенным в исходной керновой колонне образцам. Поэтому различие получаемых оценок проницаемостей связано не только с анизотропией, но и с неоднородностью керновой колонны по ее длине.
x
Известны лабораторные установки для измерения проницаемости на основе целых кернов вдоль горизонтальной координаты (параллельно уровню моря), принципиальная конструкция которых соответствует установке Хасслера (Амикс Дж., Басс Д., Уайтинг Р. Физика нефтяного пласта. М.: Гостоптехиздат, 1962, с.82). Под целым керном (или крупным образцом) понимается цилиндрический образец, равный или близкий по диаметру к диаметру керновой колонны (6-10 см) и примерно такой же длины. Например, такие образцы получают при поперечном распиливании керновой колонны. Подготовленный образец помещают в кернодержатель, прокачивают через него газ поперек оси цилиндра (через противоположные сечения боковой поверхности цилиндра), что обычно соответствует направлению, параллельному напластованию. Данную операцию повторяют при разных расходах и с измерением перепадов давления, что позволяет определить искомое значение k.
Существует усовершенствованная конструкция кернодержателя Хасслера (Гольф-Рахт Т.Д. Основы нефтепромысловой геологии и разработки трещиноватых коллекторов. М.: Недра, 1986, с.158-159), которая позволяет также прокачивать газ вдоль оси цилиндра. В результате удается измерять проницаемость не только в горизонтальном направлении, но также и в вертикальном.
Недостатками данного способа являются следующие.
x
z
- В традиционном способе Хасслера в результате исследования получают одно значение проницаемости, соответствующее горизонтальной проницаемости k. Величина вертикальной проницаемости k на таких установках не определяется.
x
z
- Усовершенствованный способ позволяет определять как k, так и k. Однако для него также имеет место проблема переноса получаемых значений на всю керновую колонну.
x
z
xz
- Ни один из указанных способов не позволяет определять k и k в случае, когда керновая колонна выбурена под углом к напластованию. Такая ситуация имеет место в наклоннонаправленных скважинах или в пилотных стволах горизонтальных скважин. Также не удается определить внедиагональный коэффициент k в случае отличия его от нуля.
- Традиционная процедура проведения исследований на установке Хасслера основывается на прокачке газа через сухой керн. Реальные же пласты всегда характеризуются наличием остаточной водонасыщенности.
В основу настоящего изобретения положена конструкция кернодержателя зажимного типа, позволяющего исследовать искомые параметры анизотропии проницаемости применительно к керновой колонке.
x
z
xz
Выполнение поставленной задачи достигают тем, что предлагаемый способ определения анизотропии проницаемости в лабораторных условиях, включающий нарезание керновой колонны на керновые колонки длиной около 1 метра с диаметром, равным диаметру керновой колонны, с последующей подготовкой колонок путем высушивания и/или экстрагирования или без такой подготовки, отличается тем, что для проведения экспериментов используют специально обустроенную лабораторную установку, конструкция которой включает разъемный кожух-кернодержатель, состоящий из двух, прорезиненных изнутри, металлических половин полого цилиндра с закрепленными на них двумя рядами диаметрально противоположно расположенных штуцеров, по одному ряду на верхней и нижней половинах кожуха-кернодержателя (фиг.1-5); штуцеры, расположенные на верхней половине, используют для последовательного создания разнонаправленных фильтрационных потоков путем закачки флюида (газа), который подают на штуцеры при заданном давлении по подводящим трубкам из подающей камеры (емкости); штуцеры, расположенные на нижней половине кернодержателя, используют для отбора флюида и подачи его по подсоединенным к штуцерам приемным трубкам в приемную емкость; в местах подсоединения нижних штуцеров к приемным трубкам устанавливают датчики давления и расхода для замеров изменения давления и расхода во времени; керновую колонку помещают в кожух-кернодержатель и с торцов закрывают круглыми резиновыми прокладками (торцевыми уплотняющими прокладками), совпадающими по диаметру с внутренним диаметром кернодержателя, и металлическими крышками с центрально расположенными на них штуцерами; крышки закрепляют болтами к кернодержателю посредством фланцевых креплений с тонкими кольцевыми прокладками (фиг.1, 6, 7); производят закачку флюида (газа) и снятие показаний давления и расхода, при этом для закачки используют один или несколько штуцеров на верхней половине корпуса кернодержателя, а для отбора - один или несколько штуцеров на нижней половине корпуса кернодержателя; величины проницаемостей k, k и k определяют на основе численного моделирования фильтрационных процессов в керновой колонке в процессе эксперимента и решения соответствующей обратной задачи по замеренным в процессе эксперимента значениям давления и расхода флюида, а также тем, что до или после проведения вышеописанных экспериментов для измерения проницаемости в направлении оси керновой колонки (обычно поперек напластования) колонку повторно помещают в кернодержатель без использования торцевых уплотняющих прокладок, обеспечивая герметичность прилегания крышек к внешней стороне кожуха-кернодержателя за счет фланцевого крепления крышек к корпусу кожуха-кернодержателя с применением тонких кольцевых прокладок (фиг.7); производят закачку флюида (газа) через штуцер на крышке на одном торце кернодержателя и отбора флюида через штуцер на другом конце кернодержателя и замеряют расход флюида и перепад давления между штуцерами на противоположных торцах; интерпретацию замеренных значений расхода и давления производят аналитически на основе закона Дарси или численно по указанной в п.1 методике совместно с интерпретацией замеренных значений расходов и давлений при указанных выше исследованиях на этой керновой колонке.
На фигуре 1 изображена объемная схема корпуса кернодержателя без кернового образца и крышек, на фигуре 2 представлен кернодержатель в сборе (увеличенный вид в разрезе), на фигурах 3, 4, 5 изображен внешний вид кернодержателя без крышек (вид сбоку, сверху, с торца соответственно), на фигуре 6 представлены кернодержатель в сборе, прокладки и крышка, на фигуре 7 изображены кернодержатель и крышка (случай фильтрации вдоль оси колонки, вид в разрезе). На фигурах 1-7 цифрами обозначены следующие элементы: 1 - металлический кожух, 2 - штуцер, 3 - болтовые крепления, 4 - соединительная платформа, 5 - отверстия для болтов, 6 - фланцевые крепления, 7 - внутренняя уплотнительная прокладка, 8 - керновая колонка, 9 - металлическая крышка, 10 - уплотняющая торцевая прокладка, 11 - тонкая кольцевая прокладка, 12 - фланцевые крепления, 13 - соединительная платформа.
Способ осуществляют следующим образом.
Выбуренную из пласта керновую колонну распиливают на керновые колонки длиной около 1 метра.
Керновая колонка может проходить стандартные процедуры подготовки, такие как высушивание и экстрагирование образца на приборе Сокслета, адаптированном под соответствующую длину керновой колонки, с последующей сушкой. Такая экстракция предусматривает полное извлечение флюидов из пор и стопроцентное насыщение их воздухом. Получаемые в дальнейших экспериментах значения проницаемостей, с использованием газа (воздуха) в качестве фильтрующегося флюида, соответствуют абсолютной проницаемости образца по газу (воздуху) в соответствующем направлении.
Другой подход к подготовке состоит в том, что керновые колонки не подвергают осушке и экстракции растворителями, а осуществляют продувку воздухом в продольном и поперечных направлениях до полного выноса подвижных флюидов (воды, нефти, газа), т.е. до достижения остаточных водо- и нефтенасыщенности. В таком случае результаты дальнейших экспериментов с использованием модели нефти будут соответствовать фазовой проницаемости для нефти при остаточной водонасыщенности, а при использовании в качестве фильтрующегося флюида газа (воздуха) - фазовой проницаемости по газу (воздуху) при остаточных нефте- и водонасыщенности, в соответствующем направлении.
Подготовленную одним из указанных способов керновую колонку помещают на укрепленную на подставке нижнюю половину кожуха-кернодержателя (фиг.1, 2), с торцов устанавливают круглые резиновые прокладки (торцевые уплотняющие прокладки), совпадающие по диаметру с внутренним диаметром кернодержателя, сверху накрывают верхней половиной кернодержателя. Верхнюю половину кернодержателя прикрепляют к нижней с помощью болтовых креплений. При этой операции должно обеспечиваться герметичное прилегание уплотнительных упругих прокладок на внутренней поверхности верхней и нижней половин корпуса кернодержателя (внутренних прокладок) к керновой колонке (фиг.2). После этого с торцов кернодержателя прикрепляют крышки с использованием фланцевых соединений с тонкими кольцевыми прокладками. Крышки имеют центрально расположенные штуцеры для прокачки флюида в продольном направлении (фиг.6).
При проведении дополнительных экспериментов с фильтрацией флюида вдоль оси керновой колонки сборка кернодержателя осуществляется тем же образом, с той разницей, что не используются торцевые уплотняющие прокладки. При этом герметичность кернодержателя обеспечивается плотным прилеганием торцевых крышек к внешней поверхности кернодержателя за счет применения фланцевых креплений с тонкими кольцевыми прокладками (фиг.7).
В собранном виде кернодержатель с крышками должен обеспечивать герметичное прилегание внутренних прокладок к поверхности керновой колонки без ее разрушения, торцевых уплотняющих прокладок к торцам колонки, а также герметичность фланцевых креплений крышек к корпусу кожуха-кернодержателя при рабочих давлениях эксперимента (до 3-5 ат). Поступление и выход флюида из керновой колонки должны обеспечиваться только через отверстия во внутренних прокладках, совмещенные со штуцерами на верхней и нижней половинах корпуса кернодержателя, или сквозь штуцеры в крышках на торцах колонки в случае дополнительных экспериментов с продольной фильтрацией. Отверстия в верхней и нижней внутренних прокладках, совмещенные со штуцерами на соответствующих половинах кернодержателя, изготавливают несколько большего диаметра, чем диаметр штуцеров (фиг.2). Это необходимо для того, чтобы при затягивании винтовых креплений кернодержателя диаметр отверстий в прокладках не уменьшался сильнее, чем до диаметра штуцера.
Возможны различные способы проведения экспериментов и снятия показаний с использованием описанного кернодержателя.
Для определения анизотропии проницаемости выполняют следующие эксперименты с различной комбинацией включения активных штуцеров - штуцеров, через которые производят закачку, и штуцеров, на которых снимают показания датчиков давления и расходов.
x
x
x
z
xz
1. Закачку флюида (газа, модели нефти) с заданным расходом производят через один штуцер на верхней половине корпуса кернодержателя с измерением давления и расхода в подающей линии (трубке). Отбор флюида с замером расхода и давления производят также на одном штуцере на нижней половине корпуса кернодержателя. Подающий и отбирающий штуцеры располагают как со смещением друг относительно друга в продольном направлении, так и без смещения. Остальные штуцеры при этом закрыты. Интерпретация такого эксперимента позволяет определить в основном проницаемость в направлении линии, соединяющей активные штуцеры. При исследовании керновой колонки из строго вертикальной скважины эта проницаемость совпадает с k при проведении эксперимента без продольного смещения штуцеров. При исследовании керновых колонок, полученных из наклонно пробуренных в пласте стволов скважин, направление k соответствует использованию штуцеров с определенным продольным смещением, в зависимости от угла наклона ствола скважины. В общем случае определяют комбинацию величин k, k и k.
x
z
xz
2. Для раздельного определения k, k и k задействуют один подающий и несколько или все отбирающие штуцеры. При этом на каждом активном отбирающем штуцере фиксируют расход флюида и замеряют давление. Или наоборот - задействуют несколько или все подающие и один отбирающий штуцер, с измерением расходов и давлений в подающих линиях (трубках) и давления в выходном штуцере.
3. Возможно использование нескольких подающих и нескольких отбирающих штуцеров, как с продольным смещением относительно подающих, так и без него.
z
Повышение достоверности определения проницаемости вдоль образца (для вертикальной скважины соответствует направлению k) осуществляют следующим образом. До или после описанных выше экспериментов керновую колонку повторно помещают в кернодержатель без использования уплотняющих с торцов прокладок. При этом герметичность прилегания крышек к торцам кожуха-кернодержателя обеспечивают за счет фланцевого крепления крышек к корпусу кожуха-кернодержателя с применением тонких кольцевых прокладок. Остальные операции по подготовке керновой колонки и установке повторяют описанные выше. В процессе эксперимента прокачивают флюид через керновую колонку в продольном направлении, с подачей флюида через штуцер на одной из торцевых крышек и отбором через штуцер на противоположной торцевой крышке. При этом измеряются давление датчиком на штуцере на выходе из колонки, расход, а также давление в подающей линии (трубке).
Аналогичным образом производят исследования на следующей керновой колонке.
Для интерпретации замеренных в процессе проведения экспериментов динамик изменения давлений и расходов используют алгоритмы численного моделирования процессов фильтрации с учетом внедиагональных элементов матрицы тензора проницаемости, а также методы решения обратных задач, основанные на этих численных алгоритмах, например методы теории оптимального управления (см. Закиров Э.С. Трехмерные многофазные задачи прогнозирования, анализа и регулирования разработки месторождений нефти и газа, Москва: Изд. дом "Грааль", 2001 г., 302 с.).
x
z
xz
Таким образом, предлагаемый способ измерения анизотропии проницаемости пласта в лабораторных условиях, включающий специальную конструкцию кернодержателя и соответствующие разновидности проводимых экспериментов, позволяет определять значения проницаемостей k, k и k в различных сечениях керновой колонки большой длины и поэтому обеспечивает повышение степени достоверности исходных данных для проектирования разработки месторождений нефти и газа на основе 3D компьютерного моделирования.