УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МНОГОФАЗНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Полезная модель относится к области физико-химических и гидродинамических исследований и может быть использована при изучении процессов вытеснения в пористых средах, в частности для определения коэффициента относительных фазовых проницаемостей.
Коэффициенты относительных фазовых проницаемостей широко используются в теории и практике разработки месторождений при добыче углеводородов, в частности, при определении дебитов скважин, прогнозировании поведения пласта и режима работы скважин по мере эксплуатации залежи, при проектировании процесса разработки
месторождений и решении многих технологических задач эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений.
Известно устройство для определения проницаемости жидкости через пористые среды, включающие держатель образца, блок подачи фильтрующейся жидкости, датчик расхода жидкости, датчик температуры, датчик перепада давлений, сливную емкость и блок управления, выполненный на базе микропроцессора (RU 2092811, G 01 N 15/08, 1997). Однако данное устройство не пригодно для измерения коэффициента относительной проницаемости при фильтрации нескольких флюидов одновременно. Кроме того, устройство обеспечивает определение проницаемости только электропроводящих пористых сред (изделий из металла) и поэтому не позволяет учесть влияние электрокинетических явлений, сопровождающих процесс фильтрации жидкости в пористой среде с низкой электропроводностью..
Также известны устройства для определения абсолютных и относительных фазовых проницаемостей в лабораторных условиях, включающие кернодержатель, блоки контроля и регулирования процесса фильтрации, блок измерения насыщенности различными фазами пористой среды (Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И., Физика нефтяного и газового пласта. М: «Альянс», 2005, с.32).
Недостатком известного устройства является невозможность разделения физико-химических механизмов, влияющих на значения относительных фазовых проницаемостей, что отражается на точности определения последних. Кроме того, этот метод не позволяет определить зависимость относительных фазовых проницаемостей от состояния дисперсности многофазного фильтрационного потока.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является устройство для исследования процессов фильтрации, в частности для определения фазовых проницаемостей по уравнению Дарси, включающее модель пористой среды, систему фильтрации флюида,, блоки
измерения вязкости, проницаемости породы, перепада давления на концах исследуемого образца и расхода (Ковалев А.Г., Кузнецов А.М., Юрчак В.П., Иванова Л.Б. Метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной стационарной фильтрации. М: Отраслевой стандарт, 1989. - 35 с.)
Указанное устройство позволяет использовать единичные или составные образцы породы правильной геометрической формы, приготовленные из керна изучаемого пласта, ориентированного параллельно напластованию, а также использовать пластовые нефть, газ и воду, либо их модели, применяемые в качестве рабочих агентов при разработке месторождения.
Однако известное устройство обеспечивает получение информации только об абсолютной проницаемости горных пород, не учитывает влияния дисперсности фильтрующихся флюидов и возникающих электрокинетических эффектов на процесс фильтрации флюида, и таким образом не позволяет получить полную картину о фильтрационном процессе.
Задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения получения информации о структуре фильтрационного потока, оценки влияния электрокинетических эффектов на исследуемый фильтрационный поток, а также установления корреляционных связей между получаемой информацией и одновременно определяемым коэффициентом относительных фазовых проницаемостей.
Поставленная задача решается тем, что устройство для исследования процессов многофазной фильтрации в пористых средах, включающее модель пористой среды, блок нагнетания фильтрующегося флюида, системы ввода и вывода фильтрующегося флюида с датчиками давления, блок измерения расхода, установленный на выходе системы вывода фильтрующегося флюида, и блок обработки данных, к входу которого подключены выходы датчиков давления и блока измерения расхода,
согласно полезной модели, снабжено блоком измерения амплитудных и временных характеристик потенциала протекания с подсоединенными к нему измерительными электродами, и оптико-электронной системой, включающей установленные над моделью пористой среды источники светового излучения с оптическими фильтрами и приемный оптический блок, а модель пористой среды выполнена в виде прозрачного щелевого гидродинамического канала, причем измерительные электроды установлены на концах гидродинамического канала, а выходы приемного оптического блока и блока измерения амплитудных и временных характеристик потенциала протекания, подключены к входам блока обработки.
А также тем, что:
- гидродинамический канал образован параллельными пластинами прямоугольной формы с обеспечением организации прямолинейно-параллельного фильтрационного потока;
- гидродинамический канал образован параллельными пластинами круглой формы с обеспечением организации плоскорадиального фильтрационного потока.
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная блок-схема устройства, на фиг.2 показан вариант конструктивной организации плоскорадиального фильтрационного потока.
Устройство для исследования процессов многофазной фильтрации в пористых средах содержит модель пористой среды 1, выполненную в виде щелевого прозрачного гидродинамического канала, систему ввода 2 и вывода 3 фильтрующегося флюида, емкость с фильтрующейся смесью 4, блок нагнетания фильтрующегося флюида 5, блок измерения расхода флюида 6, измерительные электроды 7, блок измерения амплитудных и временных характеристик потенциала протекания 8, датчики давления 9 для определения перепада давления, приемный оптический блок 10 для
приема изображения процесса фильтрации, блок обработки данных 11 в виде микропроцессора для обработки изображения и регистрации данных, систему освещения в виде источников светового излучения 12, включающую набор оптических фильтров для обеспечения контрастности изображения (на фиг.1 не показаны) с отражающим матовым экраном 13, и сборную емкость 14.
В основу работы устройства положен принцип формирования многофазного потока в прозрачном щелевом гидродинамическом канале с известным постоянным абсолютным коэффициентом проницаемости. Для более точного определения коэффициента относительных фазовых проницаемостей осуществляют визуализацию процесса вытеснения для определения степени дисперсности фильтрационного многофазного потока при одновременном измерении насыщенности. Кроме того, производят наблюдение за электрокинетическими эффектами путем измерения величины разности потенциалов, возникающих на границах фильтрационного поля и их временных зависимостей.
Причем для организации прямолинейно-параллельного фильтрационного потока гидродинамический канал 1 образован параллельными пластинами прямоугольной формы (фиг.1), а для организации плоскорадиального фильтрационного потока параллельными пластинами круглой формы (фиг.2).
Устройство работает следующим образом.
Модель пористой среды представляет собой щелевой прозрачный плоский канал, например, длиной 300мм, шириной 100 мм и шириной щели 50 мкм (фиг.1), или плоскорадиальный щелевой канал (фиг.2). Противоположные стороны канала, состоящего из параллельных пластин прямоугольной (фиг.1) или круглой (фиг.2) формы, через которые осуществляется ввод и вывод фильтрующейся смеси, имеют соответствующие системы ввода 2 и вывода 3 флюида. Эти системы снабжены измерителями давления 9, измерительными электродами 7,
соединенными с блоком измерения амплитудных и временных характеристик потенциала протекания 8. Дисперсная смесь подается из емкости 4 с помощью блока нагнетания 5 в систему ввода 2 по трубопроводу. Расход многофазной смеси измеряется расходомером 6. Для удобства визуализации канал освещается источниками света 13, свет которого проходит через светофильтры. Свет, отражаясь от фильтрационного потока, принимается приемным оптическим блоком 10 оптико-электронной системы, сигнал с которого поступает в блок обработки данных, выполненный в виде микропроцессора 11 для обработки и получения данных о степени насыщенности и дисперсности, т.е. о структуре фильтрационного потока.
Сущность исследования процессов многофазной фильтрации в пористых средах заключается в следующем.
Пусть фильтрационная смесь движется под действием разности давления в плоском прямолинейном канале. Известно, что на относительную проницаемость влияют градиент давления, поверхностное натяжение на границе фаз, насыщенности фаз, элементный состав стекла, из которого выполнен гидродинамический канал, состав фильтрующихся жидкостей и т.д. Поэтому в соответствии с планом исследования выбирается необходимая проницаемость модели пористой среды, т.е. величина раскрытия щели плоского канала. Так в рассматриваемом случае абсолютная проницаемость модели является константой и определяется величиной раскрытия щели плоского гидродинамического канала и равна
где h - величина раскрытия щели.
Исследование процесса многофазной фильтрации осуществляется на флюидах конкретных месторождений с использованием соответствующих химических реагентов. Измеряются вязкость, минеральный состав флюидов и учитывается элементный состав стекла (марка стекла) канала,
что дает возможность оценить электрокинетические эффекты (электроосмос, электрофорез). После организации фильтрационного многофазного потока производят съемку и обработку картины фильтрации на предмет определения насыщенности канала фильтрующимися фазами и степени дисперсности многофазного потока и измеряют расход фаз. В процессор поступает информация об объемном расходе фаз, вязкости, перепаде давления в канале. По этим данным определяют коэффициенты относительной проницаемости из соотношения
i
3
Q - объемный расход i-ой фазы, м/с,
2
k - коэффициент проницаемости модели пористой среды (гидродинамического канала), м,
i
η - коэффициент динамической вязкости i-фазы, Па·с,
ΔР - перепад давления на длине канала ΔL, Па,
2
S - площадь фильтрации, м,
ΔL - длина канала, м.
Насыщенность и дисперсность, соответствующие определенному по формуле (2) коэффициенту относительной проницаемости, определяются микропроцессором из анализа изображений процесса многофазной фильтрации с использованием существующих алгоритмов обработки изображений, например, алгоритма оптической томографии.
Результаты исследований (коэффициент относительной фазовой проницаемости, дисперсность, насыщенность, потенциал протекания, скорость электроосмотических течений), полученные с использованием заявленного устройства позволяют выбрать оптимальный физический или физико-химический способ воздействия на процесс фильтрации, подобрать параметры (например, напряжение, перепад давления) данного воздействия.
Измеренные значения относительных фазовых проницаемостей, насыщенности, дисперсности движущихся фаз, определенные зависимости этих параметров от электрокинетических явлений позволяют оценить эффективность различных технологий воздействия на продуктивный пласт.
Аналогично осуществляют комплекс исследований процессов фильтрации в плоскорадиальном гидродинамическом канале.