Способ создания синтетического образца керна с использованием трехмерной печати и компьютерной рентгеновской томографии
METHOD OF CREATING SYNTHETIC CORE SAMPLE USING THREE-DIMENSIONAL PRINTING AND COMPUTER X-RAY TOMOGRAPHY

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение при исследовании процессов фильтрации и извлечения нефти различными флюидами и агентами.
Известен метод исследования фильтрации флюидов и вытесняющих агентов на реальных кернах скважин. Согласно данному методу объектом испытания является единичный или составной образец породы правильной геометрической формы, приготовленный из керна изучаемого пласта и ориентированный параллельно напластованию. Процесс испытания заключается в осуществлении совместной фильтрации 2-х фаз (нефти и воды, нефти и газа) или 3-х фаз (нефти, газа и воды) через исследуемый образец при условиях, максимально приближенных к пластовым (по давлению и температуре). Условия испытания должны обеспечивать сохранение или воспроизведение естественных физико-химических характеристик системы порода - пластовые флюиды, поддержание в процессе эксперимента значений температуры и давления, соответствующих пластовым. Скорость совместного течения флюидов во время испытания должна выбираться исходя из значений промысловых скоростей перемещения фронта вытеснения (фактических или проектируемых). При проведении испытания необходимо использовать пластовые нефть, газ и воду либо их модели, а также жидкости и газы, применяемые в качестве рабочих агентов при разработке месторождения. (ОСТ 39-235-89 «Нефть, метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной стационарной фильтрации»).
Одним из недостатков данного метода является то, что при исследовании керна не учитывается релаксация горного давления в образце керна после поднятия его на поверхность и механическое повреждение керна в процессе его выбуривания. Релаксация (ослабление) горного давления в керне приводит к нарушению его структуры из-за образования вторичных техногенных микротрещин. Структура образца горной породы нарушается, и в процессе измерения возникают погрешности, влияющие на результат вычислений фильтрационно-емкостных (ФЕС), механических и других свойств породы, в т.ч. скорости продольной и поперечной волн. Кроме того, керн подвержен повреждению в процессе транспортировки, подготовки к исследованиям и хранения. Второй важный ограничивающий фактор использования керна - его ограниченное количество (иногда не позволяющее провести полный комплекс необходимых исследований). Третий фактор - при малой прочности горной породы иногда не удается подготовить стандартные образцы правильной геометрической формы (цилиндры), что не позволяет провести исследования стандартными методиками. Четвертый фактор - воспроизводимость результатов - при сравнении технологического эффекта от различных видов воздействия требуется зафиксировать все параметры (в том числе свойства керна), кроме параметров/агента воздействия. На естественном керне для решения этой задачи требуется подобрать два достаточно близких по своим свойствам образца, что не всегда выполнимо.
Известен способ исследования фильтрации флюидов и вытесняющих агентов на насыпных моделях пласта. Объектом испытания является характер взаимодействия различных флюидов и газов при фильтрации их в условиях, соответствующих (близких) пластовым. Допускается использовать основные положения стандарта о проведении испытания при оценке коэффициента вытеснения для случаев заводнения несцементированных и насыпных пористых сред. (ОСТ 39-195-86 «Нефть. Метод определения коэффициента вытеснения нефти водой в лабораторных условиях»).
Недостатком данного метода является то, что насыпные модели не воспроизводят в полной мере структуру горной породы (так как готовятся из механически разрушенной горной породы), и, таким образом, получаемые на них результаты могут существенно отличаться от результатов, полученных на естественных образцах керна, что особенно ярко проявляется для карбонатных пород.
Известен метод моделирования коллектора, содержащего углеводороды, характеризующий такой коллектор, как минимум, по одной физической характеристике, такой как пористость или проницаемость коллектора. Первоначально определяется такая характеристика, как пористость коллектора. Затем этот показатель преобразуется в инструкцию для печати на 3D-принтере. 3D-принтер используется для печати модели в уменьшенном масштабе, характеризующей коллектор, как минимум, по одной физической характеристике, такой как пористость коллектора. Также описывается и рассматривается метод сравнительного анализа различных технологий добычи углеводородов на примере одного коллектора углеводородов (патент Канады № СА 2764539 (А1), приоритет СА 20122764539 20120116, публикация 2013.07.16, запатентован в США.
Недостатком данного метода является то, что при хорошей воспроизводимости интегральных значений пористости (т.е. отношения пустотного объема к полному), геометрические характеристики и распределение пор по форме, размерам, типу связующих каналов, как правило, не воспроизводятся. Несоответствие исходных и воспроизведенных функций распределений приводит к нарушению функциональной связи пористости с другими параметрами, такими как, в частности, проницаемость, что делает результаты исследований таких образцов непредставительными. Таким образом, для адекватного использования данной технологии требуется точное знание распределений всех параметров, что, как правило, недоступно.
Также известен способ подготовки сложных образцов породы на основе компьютерного сканирования и 3D-печати. На основе комбинированной технологии компьютерного сканирования и 3D-печати, осуществляется повторное воспроизводство характеристик внутренней структуры образцов породы и достигается визуализация распределения нефти, газа и воды в образцах породы. Компьютерное сканирование позволяет получить цифровой образец керна. Благодаря технологии 3D-печати достигается визуализация и актуализация цифрового образца породы и ячеистой модели, а структура образца породы может вновь появиться в форме реального объекта. Таким образом, производится реконструкция/воспроизведение реального естественного образца керна. Что гораздо важнее, с постоянным вводом в эксплуатацию и разработкой нетрадиционных нефтегазовых месторождений, таких как карбонатные породы, сланцевая нефть и сланцевый газ, нефть и газ низкопроницаемых коллекторов, метод подготовки образцов породы имеет преимущество благодаря использованию комбинированной технологии компьютерного сканирования и 3D-печати, новое мышление и метод используются для представления и подготовки специальных образцов пород (патент КНР № CN 104729904 (А), приоритет CN 20151149996 20150331, публикация 2016.06.02).
Имеются следующие недостатки в связи с тем, что имеются различия в структуре образца керна в зависимости от приложенного к нему давления (в связи с его деформацией), имеется различие в структуре (и соответственно эффективных свойствах) между керном, снятым в томографе при атмосферных условиях, и керном, используемым в фильтрационных экспериментах. В связи с тем, что механические свойства минералов, слагающих образцы керна и материалов, из которых проводится 3D-печать существенно отличаются необходимо делать поправку на эффективную структуру (например раскрытость трещин), которая в вышеуказанном патенте не учитывается. Кроме этого не учитывается техногенное воздействие на образец, которое воспроизводится в синтетическом образце, вместо того чтобы отфильтровать его.
Задачей изобретения является повышение достоверности исследований за счет их повторяемости/воспроизводимости и исключения влияния фактора неоднородности реального керна на результаты исследований при сохранении структуры пустотного пространства реального керна.
Решается задача сохранности физических образцов реального керна путем исследования их трехмерных копий.
Решается задача исключения изменений в структуре керна, связанных с техногенным воздействием на него в процессе его получения и работы с ним.
Решается задача получения представительных образцов для проведения физических лабораторных исследований в случаях, когда количество естественного керна существенно ограничено или изготовление стандартных образцов правильной геометрической формы недоступно, например, для неконсолидированных коллекторов. Решается задача получения статистически корректных данных с использованием как большего количества образцов, так и синтетических образцов, описывающих наиболее полно и точно средние свойства коллектора как по размеру пор и каналов, так и по минеральному составу и фильтрационно-емкостным и физическим свойствам.
Существенными признаками способа являются следующие.
1. Использование компьютерной рентгеновской томографии для получения цифровых моделей керна.
2. Предварительное проведение эксперимента на естественном образце керна для определения его механических и фильтрационных свойств, включая одновременное с этим проведение расчетов аналогичных параметров с использованием цифровой модели.
3. Последующее уточнение параметров и структуры цифровой модели посредством обеспечения совпадения результатов счета с фактическими данными.
4. Разделение установленных параметров на естественные и техногенные посредством анализа неоднородностей в цифровой модели, после чего удаление из цифровой модели неоднородностей техногенной природы.
5. Последующее осуществление трехмерной печати цифровой модели керна.
6. Использование трехмерной печати образцов кернового материала скважин на основе реальных (в т.ч. скорректированных) и синтетических моделей для проведения фильтрационных экспериментов по определению фильтрационно-емкостных параметров, а также многофазной фильтрации с использованием различных флюидов и вытесняющих агентов.
7. Использование синтетических образцов для проведения стандартных и специальных лабораторных исследований.
8. Выбор материалов и добавок для 3D-печати синтетических образцов с учетом воспроизведения смачиваемости естественного керна.
9. Использование синтетических образцов как совместно с естественными образцами, так и самостоятельно.
10. Использование неограниченного количества синтетических образцов кернов для исследований различных механизмов фильтрации, различных методов и агентов воздействия с устранением эффекта влияния неоднородности конкретного образца (на идентичных образцах).
11. Осуществление печати синтетических трехмерных образцов керна различного размера.
12. Использование образцов кернов, созданных с помощью трехмерной печати, для исследования процессов фильтрации в нефтяном пласте.
13. Использование трехмерных копий кернов скважин для исследований.
14. Использование синтетических трехмерных образцов керна произвольной структуры и размера для исследования их влияния на результаты исследований.
15. Использование трехмерной печати керна для сохранения реальных образцов.
16. Использование трехмерной печати керна для получения стандартных образцов керна в случаях, когда традиционное высверливание образцов невозможно (слабо- и неконсолидированные коллекторы, породы малой прочности, породы, прочность которых ослаблена техногенными факторами, в т.ч повреждением в процессе бурения и быстрой декомпрессией).
Признаки 1 и 5 являются общими с прототипом существенными признаками, а остальные признаки - отличительными существенными признаками изобретения.
Сущность изобретения.
В известных технических решениях по моделированию процесса фильтрации и вытеснения через искусственные модели используются либо насыпные модели, состоящие из реальной породы плата, измельченной до сыпучего состояния, либо искусственные модели, сделанные из прозрачных искусственных материалов (различного вида пластиков). В ходе эксперимента флюиды фильтруются через искусственно созданные модели, в результате чего делаются выводы об эффективности того или иного способа воздействия вытесняющим агентом на вытесняемый флюид и породу. Начиная с 60-70-х годов прошлого века, таких экспериментов было поставлено большое количество. В результате были исследованы многие процессы извлечения нефти. Однако данные выводы в большей степени являются справедливыми для высокопроницаемых терригенных пород, разработка которых являлась основной в нефтедобыче того периода.
Для решения более сложных задач, отражающих текущее состояние разрабатываемых коллекторов, представленных высокоизменчивыми и неоднородными (карбонаты), низкопроницаемыми, трещиноватыми породами переменной смачиваемости, требуется создание принципиально новых моделей пласта, учитывающих сложную геометрию пустотного пространства, наличие анизотропии, а также свойства поверхности и слагающих его минералов. Для этих целей предлагается использовать трехмерные модели керна реальных коллекторов, полученные в результате детальных неразрушающих лабораторных исследований, таких как трехмерная томография (ядерно-магнитная и рентгеновская компьютерная), ядерно-магнито-резонансные исследования, ядерно-магнитный каротаж, а также разрушающие ничтожно малый объем породы исследования - электронную микроскопию совместно с использованием ионного пучка. В результате получения трехмерных копий керна становится возможным проводить существенно большее количество исследований, при этом будет достигнут принципиально недоступный при ранее проводимых исследованиях параметр - повторяемость, т.к на одном и том же образце можно будет провести несколько исследований с разными агентами, в разных термобарических условиях. При этом возможно проводить оценку влияния изменений структуры вследствие техногенного воздействия и даже исключать эти изменения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана последовательность действий при выполнении работ,
на фиг. 2 - пример томографии, 3D-модели и синтетического образца.
Способ осуществляется следующим образом.
1. Томографические изображения естественного керна получаются с применением специализированных томографов для исследования горных пород или с использованием томографов высокого разрешения общего назначения. Исходные изображения фильтруются и переводятся в общепринятые форматы с использованием ПО, входящего в комплект поставки томографа. Цифровые модели керна строятся в специализированных коммерческих программных продуктах с применением имеющихся фильтров и настроек.
2. Как видно из схемы последовательности действий Фиг. 1, сначала проводится эксперимент по определению свойств естественного образца керна: механических, фильтрационных. Для этого используется специализированное фильтрационное оборудование. Далее с использованием специального ПО проводится расчет аналогичных определяемым в лаборатории свойств и сопоставление с фактическими данными. При наличии расхождений происходит нормировка структуры цифровой модели керна в соответствии с установленными параметрами для настройки на реальное пластовое состояние породы.
3. Используя морфологические признаки, а также состояние поверхности и другие параметры-свидетели техногенных процессов, оператор с использованием коммерческих программных продуктов фильтрует 3D-изображение (цифровую модель) для устранения объектов/неоднородностей, имеющих техногенную природу возникновения.
4. Далее с применением различных технологий печати из различных материалов в зависимости от задачи, параметров исходного образца керна, особенностей структуры проводится печать цифровой модели керна в синтетический образец керна, на котором возможно проведение фильтрационных экспериментов по определению фильтрационно-емкостных параметров, а также многофазной фильтрации с использованием различных флюидов и вытесняющих агентов.
5. Синтетические образцы используются для проведения стандартных и специальных исследований аналогично керновым образцам с учетом смачиваемости поверхности (формируется выбором материалов и добавок для печати), которая должна воспроизводить естественную.
6. Синтетические образцы используются как совместно с естественными образцами, так и самостоятельно.
7. При этом возможна печать любого необходимого количества образцов для исследований различных механизмов фильтрации, различных методов и агентов воздействия с устранением эффекта влияния неоднородности конкретного образца (на идентичных образцах).
8. Проводятся исследования на синтетических трехмерных образцах керна различного размера для исследования влияния масштаба на результаты исследований.
9. Использование трехмерной печати керна для сохранения реальных образцов позволяет сохранить уникальный и зачастую ограниченный материал для специальных исследований, не расходуя их на рутинные операции.
10. Трехмерная печать керна для получения стандартных образцов керна используется в случаях, когда традиционное высверливание образцов невозможно (слабо- и неконсолидированные коллекторы, породы малой прочности, породы, прочность которых ослаблена техногенными факторами, в том числе повреждением в процессе бурения и быстрой декомпрессией)