СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ВОДОНАСЫЩЕННОСТИ И ДРУГИХ ФОРМ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В МАТЕРИАЛЕ КЕРНА
METHOD TO DETERMINE RESIDUAL WATER SATURATION AND OTHER FORMS OF COMBINED WATER IN CORE MATERIAL

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и предназначен для использования в нефтедобывающей промышленности для исследования пластов, определения их остаточной водонасыщенности, для оперативного контроля влажности на нефтепромысловых скважинах. Изобретение может быть использовано как в полевых условиях, так и в промысловых и научно-исследовательских лабораториях для разработки технологий увеличения нефтеотдачи пластов и при подсчете запасов нефти и газа, а также при оперативном контроле за разработкой нефтяных месторождений.
Известно использование для определения водонасыщенности керна метода выпаривания, который включает в себя выпаривание воды из образца в герметичной камере, соединенной с холодильником. Пары воды конденсируются в холодильнике, а сконденсированная вода собирается в мерную бюретку, вес или заполненный объем которой дают информацию о степени водонасыщенности керна [Поляков Е.А. Методика изучения физических свойств коллекторов нефти и газа. - М.: Недра, 1981. - С.116]. Данный метод не позволяет параллельно с измерением водонасыщенности керна выделять энергетически различные категории связанной воды, в частности остаточную водонасыщенность керна.
Известен термогравиметрический метод определения водонасыщенности, реализуемый с применением дериватографа. В отличие от сушки образцов в термостате эта установка позволяет получать кривые дегидратации образца керна, по которым можно оценить кинетику удаления воды и определить содержание различных типов воды при ступенчатом повышении температуры, а затем рассчитать соответствующие коэффициенты водонасыщенности керна, т.е. выделить энергетически различные категории связанной воды. Однако метод характеризуется значительной сложностью реализации, требует дорогого оборудования и не подходит для проведения измерений в полевых условиях [Уэндландт У. Термические методы анализа. Пер. с англ. под ред. В.А.Степанова и В.А.Бернштейна. - М.: Мир, 1978. - 526 с.].
Остаточную водонасыщенность керна обычно определяют методом центрифугирования [Гороян В.И., Коцеруба Л.А. Опыт определения остаточной водонасыщенности пород-коллекторов с помощью центрифуги со стробоскопом. // Тр. ВНИГНИ, 1974. - Вып.156. - С.82-85.], но это требует проведения дополнительных исследований. Центрифугирование увлажненного образца керна позволяет избавить его от излишней влаги, вплоть до границы остаточной водонасыщенности. Это связано с тем, что при небольшой водонасыщенности остаточная вода прочно удерживается в мелких и тупиковых порах, в узких местах контактов зерен, не участвующих в фильтрации жидкостей, а также в виде неподвижных местных пленок и микрокапель находится на поверхности породы. Количество остаточной воды можно определить весовым методом, путем взвешивания образца до и после его высушивания. Метод также характеризуется значительной сложностью реализации.
Известен также метод определения остаточной водонасыщенности газонефтесодержащих пород по кривым изотермической сушки образцов керна [Танкаева Л.К. Исследование метода определения остаточной водонасыщенности газонефтесодержащих пород по кривым изотермической сушки образцов керна. // Геология и разведка газовых и газоконденсатных месторождений, 1969. - №4.]. Метод заключается в снятии и использовании изотерм сорбции и десорбции для исследуемых образцов керна. На фиг.1 приведена схема классификации состояния влаги в материале с точки зрения процесса сушки (десорбции). На кривой равновесной влажности образца ОАБС можно выделить три участка, имеющих различную крутизну и проходящих через точки перегиба. В теории сушки [Гинсбург А.С. Сушка пищевых продуктов. - М.: Пищепромиздат, 1960. - С.84.] показано, что эти участки соответствуют энергетически различным категориям связанной воды. Участок OA соответствует мономолекулярной адсорбции (остаточной водонасыщенности керна), участок АБ - область полимолекулярной адсорбции, участок БС соответствует влаге микрокапилляров, W - равновесная влажность материала, φ - относительная влажность воздуха, %.
Метод весьма информативен, однако он отличается сложностью реализации и не может быть использован в полевых условиях.
Известен способ определения удельного электрического сопротивления твердых горных пород постоянному току (ГОСТ 25494-82. «ПОРОДЫ ГОРНЫЕ. Метод определения удельного электрического сопротивления».) Способ устанавливает методику определения удельного электрического сопротивления постоянному току для оценки состояния массивов горных пород и элементов горных выработок. Сущность метода заключается в определении величины электрического сопротивления образца горных пород постоянному току через 3 с после наведения в нем поля при двухэлектродной схеме измерений с охранным электродом и расчета по этим данным удельного электрического сопротивления р для образцов горных пород. Метод рекомендуется использовать также для проведения геофизических исследований, в том числе для определения водонасыщенности кернового материала. Недостатком метода является то, что гальванический контакт между электродами и пластовой жидкостью, содержащейся в керне, приводит к возникновению электродной поляризации и связанных с ней ошибок измерений. Материал электродов также оказывает сильное влияние на характер поляризации и результаты измерений. Метод распространяется на твердые горные породы, он имеет преимущества при скоростных массовых определениях удельного электрического сопротивления горных пород, однако за счет влияния поляризации обеспечивает невысокую точность (до 40% от среднего значения) и не позволяет выделять энергетически различные категории связанной воды, в частности остаточную водонасыщенность керна.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения водонасыщенности керна, включающий приготовление образца из керна, экстракцию и высушивание образца, моделирование пластовых условий в образце керна, фильтрацию минерализованной воды через образец керна и последовательное измерение в процессе фильтрации промежуточных значений тока, проходящего через образец при подаче на него переменного напряжения, построение калибровочной зависимости значения электрического сигнала от водонасыщенности образца керна [ОСТ 39-235-89. Нефть. Метод определения фазовых проницаемостей в лабораторных условиях при совместной стационарной фильтрации]. Измерения тока проводятся на частоте 0,5-2 кГц.
Основным недостатком этого способа является то, что он за счет возникновения низкочастотной электродной поляризации, имеющей место при этих частотах (0,5-2 кГц), и связанных с ней ошибок измерений не позволяет выделить энергетически различные категории связанной воды.
Недостатком способа является высокая погрешность, обусловленная необходимостью использования при его реализации контактирующих с образцом электродов, и вследствие этого влияние степени прижима электрического контакта к поверхности керна на величину полезного сигнала.
Задачей изобретения является создание достаточно простого способа определения водонасыщенности керна, позволяющего за счет повышения точности измерений выделить энергетически различные категории связанной воды, в частности остаточную водонасыщенность керна.
Еще одной задачей изобретения является расширение области применения разрабатываемого способа.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и упрощение процесса определения остаточной водонасыщенности керна с одновременным расширением области применения разрабатываемого способа, в частности и других форм связанной воды в материале керна.
Технический результат достигается тем, что в способе определения водонасыщенности керна и других форм связанной воды в материале керна, включающем приготовление образца из керна, экстракцию и высушивание образца, моделирование пластовых условий в образце керна, фильтрацию минерализованной воды через образец керна и последовательное измерение в процессе фильтрации промежуточных значений тока, проходящего через образец при подаче на него переменного напряжения, построение зависимости значения электрического сигнала от водонасыщенности образца керна, при этом дополнительно, согласно изобретению, перед измерениями керн изолируют тонкой диэлектрической оболочкой и помещают между электродами емкостной измерительной ячейки, а значения тока, проходящего через образец при различных значениях водонасыщенности (от 0 до 100%), определяют методом бесконтактной высокочастотной кондуктометрии, например методом нелинейного неуравновешенного моста, питаемого высокочастотным напряжением с частотой 2-10 МГц, на полученной зависимости значений электрического сигнала от водонасыщенности образца керна выделяют три области с различными значениями крутизны подъема графика с ростом водонасыщенности, а границы энергетически различных категорий связанной воды в керне, в том числе остаточной водонасыщенности, определяют как точки перегиба между упомянутыми областями с различными значениями крутизны сигнала.
По сравнению с прототипом заявленный способ имеет отличительную особенность в совокупности действий и параметров, обеспечивающих эти действия.
На фиг.2 и 3 представлены чертежи устройства, реализующего предлагаемый способ определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна. На фиг.2 представлена емкостная бесконтактная ячейка для определения водонасыщенности керна. На фигуре цифрами обозначены: 1, 2 - электроды емкостной ячейки; 3 - диэлектрическая оболочка; 4 - керновый материал. Исследуемый керн 4 заключен в диэлектрическую оболочку 3, поверх которой расположены полуцилиндрические электроды 1 и 2, имеющие одинаковую площадь.
В качестве устройства для реализации предлагаемого способа определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна используется высокочастотный кондуктометрический мост, электрическая схема которого изображена на фиг.3. Емкостная ячейка для измерения электрической проводимости жидкости С включается в состав моста. Мост запитывается от генератора высокой частоты Г1, регистрация тока рассогласования моста производится по постоянному току с помощью микроамперметра µА. Особенности работы схемы моста описаны в [Заринский В.А., Ермаков В.И. Высокочастотный химический анализ. - М.: Наука, 1970. - 200 с.].
Способ определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна реализуется на установке следующим образом. Исследуемый керн подвергается экстракции и последующему высушивание образца, после чего он изолируется тонкой диэлектрической оболочкой и помещается в описанную ячейку для определения водонасыщенности керна. Ячейка для измерения электрической проводимости керна включается в состав моста. Измерение влагосодержания в образце керна проводится методом неуравновешенного моста. Дозированное увлажнение керна изменяет его влагосодержание от 0 до 100%, при этом изменяется значение полного сопротивления измерительной ячейки и увеличивается сигнал рассогласования моста, который регистрируется с помощью чувствительного измерительного прибора - микроамперметра µА. По полученным результатам проводится построение зависимости значения электрического сигнала от водонасыщенности образца керна, по которой определяют остаточную водонасыщенность и другие формы связанной воды исследуемого образца керна.
Для определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна нами использован метод высокочастотной кондуктометрии. Кондуктометрия - это совокупность электрофизических методов анализа, основанных на измерении электропроводности растворов. Методы кондуктометрии делятся на контактные методы переменного тока низкой частоты и бесконтактные методы переменного тока высокой частоты. Нами использован бесконтактный кондуктометрический метод переменного тока высокой частоты.
На фиг.4 представлено семейство зависимостей выходного сигнала кондуктометрического моста по постоянному току (ток рассогласования моста) от частоты генератора питающего напряжения. В качестве параметра у каждой кривой указано влагосодержание в мл воды на 100 г кернового материала. Графики снимались при фиксированном значении выходного напряжения высокочастотного генератора.
На фиг.5 представлено семейство градуировочных зависимостей выходного сигнала кондуктометра (ток рассогласования моста) от влагосодержания (на 100 г кернового материала), снятое при четырех значениях фиксированных частот генератора высокой частоты. Графики построены по данным фиг.4, при этом «0» каждого графика определялся для каждой кривой по нулевому влагосодержанию керна (нижняя кривая фигуры 4).
Из фиг.5 следует, что на полученных графиках можно выделить три области - начальную OA (0-4 мг), среднюю АБ (4-11 мг) и верхнюю БС (11-24,5 мг). Выделенные области отличаются различной крутизной и соответствуют различным формам связи влаги с материалом керна. Различные по своей природе физические явления часто изображаются одинаковыми по виду графиками и описываются одинаковыми по виду дифференциальными уравнениями, отличающимися лишь входящими в них символами и линейными коэффициентами. Такие явления рассматриваются в теории подобия и могут быть использованы при моделировании более сложных процессов с помощью менее сложных. Нами было показано, что полученные нами зависимости выходного сигнала кондуктометрического моста I=f(W) от водонасыщенности керна по форме повторяют изотермы сорбции и десорбции кернового материала W=f(I) (См. фиг.1 и 5). Эти графики имеют характерный повторяющийся вид, на них можно выделить три участка с различной крутизной, плавно переходящих друг в друга. Ось абсцисс у этих графиков имеет одни и те же координаты - равновесную влажность или водонасыщенность кернового материала. Таким образом, при сопоставлении этих графиков на них могут быть выделены три области, соответствующие различным состояниям влаги в материале с точки зрения процессов сушки, это участки OA - область мономолекулярной адсорбции (остаточная водонасыщенность), АБ - полимолекулярная адсорбция, БС - влага микрокапилляров.
При анализе полученных данных выделены три этапа образования сквозных капиллярных каналов электропроводности сквозь толщу кернового материала, которые сопоставлены с разными формами связи влаги с материалом керна.
Положение каждой из точек перегиба между упомянутыми областями с различными значениями крутизны сигнала можно определить геометрическим путем, найдя точку пересечения касательных, проведенных к участкам с различной крутизной, и проведя из этой точки перпендикуляр к графику функции I=f(W). На фиг.6 показан пример нахождения точек перегиба А и Б для двух графиков функций I=f(W), соответствующих двум образцам кернов. Находятся точки пересечения касательных а и б, проведенных к участкам с различной крутизной этих графиков, и проводятся из этих точек перпендикуляры аА и бБ к графикам упомянутых функций. Координаты точек А и Б будут соответствовать значениям остаточной водонасыщенности для материалов каждого из двух кернов.
Точку перегиба также можно найти, если функцию I=f(W) дважды графически продифференцировать в окрестностях этой точки. В точке перегиба функции значение второй производной равно нулю.
Проведенные исследования показали, что с помощью представленного метода можно быстро и с достаточной степенью точности измерять общее влагосодержание в керновом материале, а по значению тока и виду токовой кривой определять форму связи влаги с материалом, при этом предлагаемый способ и реализующая его установка могут быть использованы для проведения оперативных измерений влагосодержания в полевых и лабораторных условиях.
Преимуществами предлагаемого способа определения водонасыщенности керна являются повышение точности и информативности измерений с одновременным расширением области применения способа.
Повышение точности измерений водонасыщенности керна достигается за счет того, что при реализации метода отсутствует гальванический контакт между электродами и исследуемым раствором, который вызывает возникновение сложных электрохимических явлений электродной поляризации и сопровождается значительными погрешностями при измерениях. Точность измерений повышается примерно с 25% до 7%. Точность измерений при реализации способа достигается еще и за счет того, перед измерениями керн изолируют тонкой диэлектрической оболочкой, исключающей испарение поровой воды. Повышение информативности способа достигается за счет того, что при реализации способа появляется возможность по результатам измерений выделять энергетически различные категории связанной воды, в частности остаточную водонасыщенность керна.
Расширение области применения достигается за счет того, что предлагаемый способ не требует сложного оборудования и вполне может быть использован не только в лабораторных, но и в полевых условиях. При этом также обеспечивается быстрота определения водонасыщенности керна за счет высокой скорости проведения измерений.
Предлагаемый способ может найти применение в нефтедобывающей промышленности для исследования пластов, определения их остаточной водонасыщенности, для оперативного контроля влажности на нефтепромысловых скважинах, в практике заводских лабораторий, а также в лабораториях научно-исследовательских организаций.