Способ испытания образца горной породы для оценки эффективности тепловых методов увеличения нефтеотдачи пластов
METHOD FOR TESTING A ROCK SAMPLE FOR EVALUATING EFFICIENCY OF THERMAL METHODS FOR ENHANCING OIL RECOVERY

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное техническое решение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к средствам и методам для осуществления оценки коллекторских свойств нефтегазовых пластов.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что для испытания эффективности методов увеличения нефтеотдачи для создания модели пласта используются образцы породы коллектора (вмещающей породы), которые при подготовке насыщают нефтью, газом, газоконденсатом, керосином, маслами, соленой водой (насыщенный минеральный раствор) или водой или другими пластовыми флюидами или их моделью для моделирования пластовых условий.
При проведении испытаний при температурах ниже 200°С образцы породы обычно помещаются в пластичную манжету из резины, витона и др. подобных материалов, которая выдерживает температуру до 150-200°С. При проведении испытаний при температурах выше 200°С обычно образцы породы дробят на более мелкие части, затем измельчают. Далее подготовленная керновая модель насыщается углеводородной фазой и соленой водой (моделью пластовой воды или модельным раствором, имитирующим пластовую воду) или водой для моделирования пластовых условий. Возможно создание насыщенности пластовыми жидкостями до помещения образцов породы в манжету или металлический кернодержатель.
Манжета или металлический кернодержатель устанавливаются в испытательную фильтрационную установку или трубу горения, где создается литостатическое или обжимное давление и поровое давление, соответствующие пластовым давлениям. Далее манжету или металлический кернодержатель нагревают и оказывают воздействие на керновую модель способом, соответствующим исследуемому методу повышения нефтеотдачи. Например, при оценке метода внутрипластового горения после создания пластового давления в модели, часть кернодержателя разогревается (при необходимости), далее в керндержатель с разогретой стороны начинают закачивать воздух, обогащенный воздух или кислород. Происходит процесс горения находящихся в кернодержате УВ. Далее фронт горения медленно распространяется через смесь породы, воды и УВ флюидов от одного конца кернодержателя к другому. Распространение фронта горения непрерывно контролируют и регистрируют с помощью датчиков температуры (термопарами), давления и анализаторов состава газа (газовая хроматография).
Интерпретация этих данных (изоконверсионный метод) помогает понять, насколько восприимчивы пласты коллектора к процессу горения, и, следовательно, количественно оценить, насколько эффективным будет выбранный метод на месторождении. Хотя проведение эксперимента на дробленой горной породе оказалось эффективным с точки зрения распространения фронта горения и реакционной способности, его недостатки отражаются в изменении важнейших фильтрационных свойств скелета породы – пористости, абсолютной и относительной фазовой проницаемости.
Исследования показали, что эксперименты в трубе горения, проведенные на раздробленных и консолидированных (неизмельченном) образцах горной породы единого репрезентативного пласта, дают существенно разные результаты [1], что означает, что масштабирование и пересчет математических моделей процесса, происходящего в трубе горения на измельченной породе, до процесса в масштабе участка месторождения, не будет адекватно характеризовать фактическую динамику горения во время полевых испытаний.
Неспособность точно смоделировать фильтрационные свойства естественного коллектора может иметь негативные последствия при применении метода повышения нефтеотдачи (МУН) на месторождении, что в конечном итоге может привести к прекращению проекта.
Надежные результаты эксперимента могут быть получены при максимальном приближении ФЕС (фильтрационно-емкостных свойств) керновой модели, применяемой в эксперименте, к ФЕС горной породы исследуемого пласта. Очевидно, что для этого необходимо применение в эксперименте модели, которая будет подготовлена из неразрушенных образцов горной породы. При низких температурах до 200°С возможно применение манжеты из пластичного материала для установки модели из неразрушенных цилиндрических образцов породы, но при температурах свыше 200°С это решение неработоспособно, т.к. происходит разрушение манжеты при нагреве.
Для подготовки модели из неразрушенных образцов горной породы для эксперимента при температурах выше 200°С требуется применение манжеты из жаропрочного материала, который бы обжимал образцы настолько плотно, чтобы не происходила фильтрация газов, воды и УВ между стенкой манжеты и образцом горной породы.   В качестве жаропрочного материала предлагается нержавеющая сталь.
Из уровня техники известны методы решения указанной проблемы, связанные с заполнением кольцевого пространства между образцами породы и стальной манжетой жаропрочным цементом [2] и использованием муфт типа Хасслера, в которых кольцевое пространство заполняют термоусаживаемым FEP (фторированный этиленпропилен) и высокотемпературные силиконовые гели [3]. Применение этих методов ограничено пределами температуры и давления выбранной изоляционной среды и сопутствующего оборудования.
Следовательно, для пластов-коллекторов, где планируется применение тепловых методов разработки с высокими давлениями и температурами, чтобы эксперименты по оценке эффективности этих МУН были успешными, экспериментальное оборудование должно быть устойчивым при этих условиях.
Наконец, попытки заполнить кольцевое пространство между горной породой и реактором кварцевым песком также известны из уровня техники, но песок часто имеет более высокие значения пористости и проницаемости, чем горная порода [2]. В результате нагнетаемые жидкости и газы проходят в обход керна, делая процесс горения в скелете породы менее распространенным.
Заявленное техническое решение исключает эти недостатки. Сколковский институт науки и технологии, как обладатель заявленного технического решения по настоящему изобретению, может стать уникальным поставщиком манжет для проведения экспериментов по моделированию тепловых методов повышения нефтеотдачи, которые могут более точно воспроизвести естественные условия коллектора. Заявленное техническое решение в отличие от приведенных аналогов не требует использования цемента, геля, песка или любых других сред в пространстве между образцами и стеной кернодержателя/манжеты.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание метода испытания образца горной породы для оценки эффективности тепловых методов повышения нефтеотдачи, и их применения для увеличения добычи углеводородов на месторождении.
Техническим результатом заявленного изобретения является сохранение естественных петрофизических свойств пород-коллекторов, а именно естественной пористости и проницаемости, что ведет к надежным экспериментальным результатам по сравнению с известными методами. Кроме того, этот метод подготовки модели пласта из неразрушенных образцов керна позволяет пользователю в полной мере использовать технологические особенности установки трубы горения, такие как воспроизведение пластового давления и температуры. Экспериментальные результаты получены в стандартном формате электронной таблицы, которые обычно представляются в виде графиков температурного профиля.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что в способе испытания образца горной породы для оценки эффективности тепловых методов повышения нефтеотдачи пластов, включающий этапы, на которых:
осуществляют подготовку образцов неразрушенной горной породы в виде образцов правильной геометрической формы,
размещают по меньшей мере один образец горной породы в манжету, выполненную правильной геометрической формы, соответствующей форме образца горной породы, и поджимают образцы породы в манжете с обеих сторон заглушками,
при этом между заглушками и упомянутым по меньшей мере одним образцом горной породы устанавливают с обеих сторон пружины сжатия,
осуществляют растяжение манжеты с установленными внутри неразрушенными образцами горной породы до достижения материалом манжеты предела текучести и обжима образца горной породы внутри манжеты,
осуществляют сканирование манжеты с образцом породы после растяжения при помощи рентгеновской компьютерной томографии для выявления образования трещин в образце горной породы, а также пустот между стенкой манжеты и образцом породы,
и при отсутствии трещин и пустот устанавливают манжету с обжатым образцом горной породы в трубу горения или фильтрационную систему для последующих испытаний.
В частном случае реализации заявленного технического решения образец горной породы отбирают вдоль пласта, если целевой пласт разбуривается перпендикулярно напластованию, и пробу образца горной породы отбирают поперек пласта, если целевой пласт разбуривается вдоль напластования.
В частном случае реализации заявленного технического решения манжета выполнена из нержавеющей стали.
В частном случае реализации заявленного технического решения заглушки выполнены в виде стального цилиндра.
В частном случае реализации заявленного технического решения заглушки выполнены в виде стального колпачка с резьбой.
В частном случае реализации заявленного технического решения образцы горной породы выполняют в форме цилиндра и манжету выполняют в форме цилиндра.
В частном случае реализации заявленного технического решения обжим образца в манжете осуществляют при температуре 850°С.
В частном случае реализации заявленного технического решения прикладывают внешнее давление до 42 МПа.
Эти результаты достигаются за счет трех основных факторов:
• не требуется дробление и измельчение исследуемой породы-коллектора (керна), что позволяет сохранить естественное распределение пор и проницаемость;
• отсутствуют какие-либо дополнительные материалы между керном и стенкой манжеты (кольцевым пространством), которые могут налагать технические ограничения и искажения в результаты эксперимента с точки зрения механических, тепловых и динамических свойств;
• испытательное оборудование – трубы горения и фильтрационные установки, позволяют проводить эксперименты при высоких давлениях и высоких температурах.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
На рис.1 – конфигурация образца для проведения испытаний;
На рис.2 – вариант конфигурации образца для проведения испытаний;
На рис.3 – пример образца для подготовки керновой модели в металлической манжете. Образцы керна в центре, стальная манжета вверху в центре, стальная заглушка слева.
На рис.4 – изображено растяжение металлической манжеты с использованием промышленной системы гидравлического натяжения;
На рис.5 – дисплей для регистрации растяжения;
На рис.6 – график температурного профиля из эксперимента с камерой сгорания. Температура в зонах измеряется с помощью термопар, распределенных по стержню держателя.
На фигурах цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:
1 – манжета, выполненная из трубки из нержавеющей стали; 2 - цилиндрический образец керна породы; 3, 3a - спиральная пружина сжатия; 4, 4а - стальной цилиндр; 5, 5a - стальная заглушка с резьбой.
Раскрытие изобретения
Испытания образцов горной породы в металлической манжете проводятся для подбора и оценки эффективности тепловых методов повышения нефтеотдачи, которые применяются для увеличения добычи углеводородов.
Это изобретение может быть использовано для различных типов испытаний тепловых методов увеличения нефтеотдачи на основе внутрипластового горения, закачки горячей воды или пара, закачки высокотемпературных агентов, таких как углекислый газ, углеводородные газы, растворители и другие агенты воздействия, выполняемых с использованием труб горения (TГ), системы ступенчато-температурного окисления (RTO). 1–3. Шаги следующие:
Отбор проб - анализируется порода исследуемого пласта, извлеченная в виде керна из скважины. Производится отбор образцов керна из интервала, где предполагается применение теплового МУН.
Выбуривание цилиндрических образцов осуществляют алмазной коронкой. Диаметр и высота коронки выбирается исходя из параметров экспериментального оборудования и цели эксперимента. Следует учитывать ориентацию керновых образцов и соответственно выполнять выбуривание вдоль пласта или перпендикулярно к пласту руководствуясь предполагаемой схемой применения МУН в пласте. Возможна подготовка образцов правильной геометрической формы при помощи распиловочного круга.  Например, если целевой пласт пробуривается перпендикулярно, образцы керна следует выбуривать вдоль напластования, чтобы гарантировать, что поток нагнетаемого агента движется в том же направлении, что и направление напластования. Кроме того, поскольку длина образцов керна относительно мала, следует выбурить достаточное количество образцов, чтобы обеспечить представительный объем для проведения испытаний.
Сборка образца для испытаний выполняется в соответствии с Рис.1 или Рис. 2.
Конкретный пример реализации показан на Рис. 3. Образцы керна устанавливаются в металлическую манжету. Затем устанавливаются пружины сжатия (3, 3а) с обоих концов металлической манжеты, чтобы предотвратить вращение образцов и смещение образцов керна во растяжения с использованием системы гидравлического натяжения. Заглушки манжеты, выполненные в виде стальных цилиндров (4, 4а), устанавливаются после пружин и располагаются по обе стороны образцов керна и пружин.
Проводится растяжение металлической манжеты - с помощью оборудования для гидравлического растяжения (Рис. 4). Манжета со стальными цилиндрами, пружинами и образцами зажимается вместе (на Рис .4 обозначено красными кружками), и производится растяжение манжеты. При растяжении металлической манжеты ее диаметр начинает уменьшаться. Скорость растяжения металлической манжеты и диаметр постоянно контролируются (Рис.5). В момент, когда диаметр перестает уменьшаться, прекращается растяжение манжеты.
Металлическая манжета с образцами готовится для конкретного испытания (регулировка соединителя, фильтрационные тесты, насыщение керна нефтью и моделью пластовой воды и т.д.), устанавливаются нагреватели, термопары и датчики давления.
В заявленном техническом решении реализован следующий алгоритм:
вставляют образцы горной породы правильной геометрической формы (2) в металлическую манжету (1);
выполняют растяжение металлической манжеты, приложив силу растяжения до тех пор, пока предел текучести материала манжеты не будет превышен (пластическая деформация);
осуществляют сканирование металлической манжеты с образцами горной породы с помощью рентгеновской компьютерной томографии, и проверяют образцы горных пород на наличие трещин и всю сборку на наличие зазоров между манжетой и образцами породы,
помещают манжету с зажатыми образцами породы в трубу горения или фильтрационную установку и подготавливают установку к испытанию методов увеличения нефтеотдачи;
Заявленный способ обладает преимуществами и улучшениями по сравнению с существующими методами и устройствами.
Эта методология устраняет необходимость в какой-либо среде между манжетой и образцами горной породы и вместо этого использует силу растяжения для удлинения манжеты и прямого зажима образцов породы внутри манжеты. В процессе проведения эксперимента по оценке эффективности теплового метода увеличения нефтеотдачи закачиваемые газы и жидкости проходят через матрицу горной породы, а не в обход через материал заполнитель, используемой для заполнения кольцевого пространства между горной породой и стенкой манжеты. Следовательно, распространение потока или фронта горения может происходить только внутри породы.
Поскольку заявленная технология исключает использование цемента, гелей, песка или крошки породы, то рабочая температура, при которой работает система из манжеты с образцами породы, может достигать фактических температур горения в пласте (до 1100°С) по сравнению с высокотемпературными гелями (до 260°С) или пластичными манжетами (до 200°С).
Точно так же предел давления зависит от механических свойств породы и технических характеристик испытательной установки. Например, труба горения в лаборатории Центра по добыче углеводородов Сколковского института науки и технологии может использоваться при давлении до 42 МПа, в то время как описанная установка с применением геля [3] и цемента [2] для уплотнения образцов горной породы была ограничена давлением в 11 МПа.
В предлагаемой методике и тепловое расширение, и проницаемость зависят только от свойств породы и материала манжеты. Что касается расширения, в ранее описанных методах заполнения кольцевого пространства между образцами породы и стенкой манжеты каким-либо материалом, то он должен иметь примерно одинаковый коэффициент расширения, чтобы пространственная структура модели оставалась устойчивой. В заявленном способе испытания образца необходимо учитывать только тепловое расширение породы.  С другой стороны, теплопроводность заявленной системы высокая, а это означает, что скорость потери тепла увеличивается. Тем не менее, в заявленной установке это легко регулируется с помощью нагревателей, которые устанавливаются для нагрева манжеты с образцами и могут работать в режиме поддержания температуры, а также с теплоизоляционных материалов. Нагреватели могут нагревать до 850°C, однако нагреватели не входят в состав предлагаемого стержневого держателя. Они являются частью стандартного оборудования для труб сгорания, в которое устанавливается завяленный стержневой держатель. Нагрев используется при необходимости, при достаточной температуре пласта, разогрев зоны инициации давления не обязателен.
Испытания в трубе горения служат для проверки и оценки технических требований для успешного применения на месторождения тепловых методов повышения нефтеотдачи.
SPE J.
16
2011
(1) Fadaei, H.; Castanier, L. M.; Kamp, A. M.; Debenest, G.; Quintard, M.; Renard, G. Experimental and Numerical Analysis of In-Situ Combustion in a Fractured Core. ,  (02), 358–373. https://doi.org/10.2118/141117-PA.
J. Can. Pet. Technol.
29
1990
(2) Petit, H. Experimental Evaluation Of In Situ Combustion In Naturally Consolidated Cores. ,  (06). https://doi.org/https://doi.org/10.2118/90-06-05.
2017
(3) Kim, T. W.; Kovscek, A. SPE-185632-MS High-Temperature Imbibition for Enhanced Recovery from Diatomite. , No. April, 1–21.