Устройство и способ для измерения проницаемости обломков горной породы и дискообразный держатель образцов породы, используемый в устройстве

 

Изобретение относится к добыче нефти. Техническим результатом изобретения является проведение прямого, непосредственно на месте, измерения проницаемости обломков горной породы по всей длине нефтяной скважины с высокой надежностью. Для этого устройство содержит полый цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие для жидкости, резьбу для его закрывания и гидравлическое уплотнение. В корпус помещают дискообразный держатель образцов (ДДО), который укладывается на уплотнение и перекрывается пористой перегородкой, выполненной из спеченной стали, на которой расположена заглушка, имеющая выходное отверстие для жидкости и резьбу, посредством которой она закрепляется в корпусе. Способ измерения проницаемости вышеуказанных обломков включает заключение бурового шлама (БШ) в ДДО, который помещают в вышеописанное устройство. Выполнен ДДО из смолы, в которую погружен БШ, и имеет плоские параллельные боковые стороны с двумя поверхностями каждого погруженного кусочка БШ, открытыми с каждой из этих сторон. С помощью насоса создают разность давлений с двух сторон ДДО, измеряемую манометром. С помощью расходомера измеряют скорость потока жидкости, полученное значение скорости подставляют в уравнение Дарси для определения гидравлической проницаемости. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

Изобретение относится к области добычи нефти и, в частности, к устройству и способу для прямого измерения проницаемости обломков горной породы, взятых непосредственно при бурении нефтяной скважины и обычно называемых буровым шламом.

Определение проницаемости горных пород, предусмотренное при бурении и добыче нефти, является существенно важным при оценке пластов и проводится всеми нефтяными компаниями.

Среди измерений, осуществляемых в лаборатории на образцах горной породы, взятых из кернов для петрофизического исследования, определение проницаемости является основным. Действительно, эта характеристика определяет способность материала, например горной породы, пропускать через себя одну или более текучих сред, например воду, газ или нефть.

В настоящее время прямое измерение проницаемости возможно только на образцах горной породы, взятых из контрольного (пробного) керна (см., например, "Porous media fluid transport end pore structure Dullien FAL - Academic Press", с. 78 - 83, Нью-Йорк, 1979 год). Основные недостатки этого метода, такие как значительное время, поскольку при бурении должен быть взят керн и образцы должны быть направлены в лабораторию для анализа, а также значительные расходы, связанные прежде всего с отбором контрольного керна, который может быть взят только из так называемых "продуктивных зон" и, конечно, не для оценки нефтяной скважины по всей ее длине, означают, что проницаемость становится известной только для тех частей скважины, из которых были взяты контрольные керны, и только по истечении продолжительного времени после проведения бурильных работ.

Для устранения этих существенных ограничений и для определения проницаемости пластов горных пород было выведено несколько полуэмпирических корреляционных зависимостей между проницаемостью и другими петрофизическими свойствами, такими как пористость, содержание глины (глинистость), скорость звуковых волн, электрические измерения и т.д., определяемыми с помощью зондов, вводимых в нефтяную скважину для геофизических исследований в ней. Этот непрямой метод определения проницаемости, даже если требуются трудные операции калибровки каротажной диаграммы, зависящей от данной (конкретной) литологии, в настоящее время является единственным методом, пригодным для тех частей нефтяной скважины, из которых не были взяты керны, однако не имея иногда ясного физического смысла, он во всех случаях менее надежен, чем метод прямого измерения.

Техническим результатом настоящего изобретения является проведение непосредственно на месте измерения проницаемости обломков горной породы по всей длине нефтяной скважины.

Этот технический результат достигается тем, что устройство для измерения проницаемости обломков горной породы, отобранных непосредственно при бурении нефтяной скважины и обычно называемых буровым шламом, согласно изобретению содержит полый цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие для жидкости, резьбу для его закрывания и гидравлическое уплотнение, на котором размещен дискообразный держатель образцов породы, перекрываемый пористой перегородкой, выполнненной из спеченной стали, на которой расположена заглушка, имеющая выходное отверстие для жидкости и резьбу, посредством которой она закрепляется в корпусе.

Это устройство посредством прямого измерения проницаемости бурового шлама дает основную информацию о типе (характере) пластов горной породы, пересекаемых во время бурения скважины, так что могут быть осуществлены быстрые действия, если это необходимо.

Целесообразно, чтобы корпус и заглушка были выполнены из стали или плексигласа.

Предпочтительно, чтобы в качестве уплотнений использовались О-образные кольца.

Вышеуказанный технический результат достигается и тем, что дискообразный держатель образцов согласно изобретению выполнен из смолы, в которую погружен буровой шлам, и имеет плоские параллельные боковые стороны с двумя поверхностями каждого погруженного кусочка бурового шлама, открытыми с каждой из этих сторон.

Особое внимание должно быть уделено выбору указанной смолы, которая должна иметь следующие свойства: - неагрессивность даже для сильно проницаемого бурового шлама; - нетоксичность для возможности использования дискообразного держателя на месте; - легкое приготовление с высокой степенью гомогенности; - быстрое отверждение при атмосферном давлении без создания чрезмерного тепла, которое может изменять свойства бурового шлама; - высокую жесткость после отверждения; - легкое разрезание и шлифование; - оптическую непрозрачность для возможности определения открытых поверхностей кусочков образцов горной породы.

Предпочтительно, смола выбирается из группы, содержащей эпоксидную, полиуретановую и акриловую смолы.

Вышеуказанный технический результат достигается также и тем, что в способе измерения проницаемости обломков горной породы, взятых непосредственно при бурении нефтяной скважины, согласно изобретению заключают буровой шлам в дискообразный держатель, держатель помещают в устройство, содержащее полый цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие для жидкости, резьбу для его закрывания и гидравлическое уплотнение, на котором размещен дискообразный держатель образцов породы, перекрываемый пористой перегородкой, выполненной из спеченной стали, на которой расположена заглушка, имеющая выходное отверстие для жидкости и резьбу, посредством которой она закрепляется в корпусе, с помощью насоса создают разность давлений с двух сторон дискообразного держателя, измеряемую манометром, с помощью расходомера измеряют скорость потока жидкости, полученное значение скоростей подставляют в уравнение Дарси для определения гидравлической проницаемости.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых: фиг. 1 изображает поперечное сечение устройства для измерения проницаемости обломков горной породы согласно изобретению; фиг. 2 - дискообразный держатель образцов согласно изобретению;
фиг. 3 - фотоснимок дискообразного держателя, полученный с помощью электронного микроскопа;
фиг. 4 - гидравлическую систему, используемую при измерении проницаемости обломков горной породы совместно с устройством, согласно настоящему изобретению;
фиг. 5, 6, 7 - графики зависимости разности давлений с двух сторон дискообразного держателя соответственно с образцами песчаника Доддингтона, песчаника Спринтвелла и глины от времени;
фиг. 8 - график зависимости давления и расхода жидкости для стационарного потока через дискообразный держатель, содержащий кусочки глины.

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит полый цилиндрический корпус c, имеющий входное отверстие i для жидкости, резьбу h для его закрывания и гидравлическое уплотнение g. В корпус помещают дискообразный держатель d образцов, который укладывается на уплотнение g в виде О-образного кольца и перекрывается пористой перегородкой e, выполненной из спеченной стали, на которой располагается заглушка f, имеющая выходное отверстие i' для жидкости и резьбу h', посредством которой она закрепляется в корпусе с. Корпус c и заглушка f могут быть выполнены из стали или плексигласа.

Пористая перегородка e используется для предотвращения изгиба и разламывания дискообразного держателя d образцов.

Дискообразный держатель d образцов, показанный на фиг. 2, выполнен из смолы b, в которую погружен буровой шлам а и имеет плоские параллельные боковые стороны с двумя поверхностями каждого погруженного кусочка бурового шлама, открытыми с каждой из этих сторон. Смола b выбирается из группы, содержащей эпоксидную, полиуретановую и акриловую смолы.

Эта смола в жидком состоянии сначала заливается в круглую форму и в нее погружается буровой шлам. После отверждения смолы полученный таким образом дискообразный держатель шлифуется, чтобы придать его боковым сторонам ровность и параллельность и чтобы "открыть" ("обнажить") две поверхности каждого кусочка шлама с каждой стороны диска.

На фиг. 3 показан фотоснимок дискообразного держателя d образцов, полученный с помощью электронного микроскопа (SEM), на котором видно, что смола b не проходит внутрь пористой матрицы бурового шлама а даже с сильно проницаемыми образцами (на данном фотоснимке изображен песчаник, имеющий проницаемость 530 миллидарси - мД).

Для измерения проницаемости обломков горной породы совместно с вышеописанным устройством используется гидравлическая система, показанная на фиг. 4.

Эта гидросистема содержит насос α для создания с двух боковых сторон дискообразного держателя d разности давлений, измеряемой с помощью манометра β, и расходомер γ для определения скорости потока жидкости, используемой для измерения.

Измерение проницаемости бурового шлама проводится следующим образом. Изготовляют дискообразный держатель d образцов так, как это было описано выше, и после его шлифовки вычисляют площадь поверхности "открытых" кусочков бурового шлама с двух боковых сторон дискообразного держателя. Для вычисления используют прозрачную миллиметровую бумагу. Для полуавтоматического вычисления используют видеокамеру и программное обеспечение для распознавания изображения.

Затем дискообразный держатель d образцов помещают в вышеописанное устройство для измерения проницаемости, чтобы обеспечить прохождение испытываемой жидкости через заключенный в дискообразном держателе буровой шлам. После этого с помощью насоса α создают разность давлений с двух сторон дискообразного держателя d и с помощью расходомера γ измеряют соответствующие скорости потока жидкости. Полученные значения подставляют в уравнение Дарси, чтобы определить гидравлическую проницаемость (стационарный метод).

Таким же образом можно проводить нестационарное измерение проницаемости посредством использования насоса α для создания разности давлений с двух сторон дискообразного держателя d и измерения времени, требуемого для уравнивания давлений.

Поэтому устройство по настоящему изобретению, использующее дискообразные держатели, выполненные из смолы, обеспечивает прямое измерение проницаемости бурового шлама, как это осуществляется на образцах, взятых из контрольного (пробного) керна.

Заявителем было создано устройство с корпусом, выполненным как из стали, так и из плексигласа (органического стекла), и было проведено множество измерений для демонстрации осуществимости этого метода.

Предварительные испытания проводились с дискообразными держателями, содержащими песчаник и кусочки глины, которые помещались в вышеописанное устройство для измерения проницаемости, и через них пропускался газообразный азот. На фиг. 5, 6, 7 представлены результаты, полученные соответственно для песчаника Доддингтона, песчаника Спринтвелла и глины. Кривые на этих графиках показывают время (в часах, минутах и секундах по оси абсцисс), необходимое для "исчезновения" (выравнивания) разности давлений в 3,5 бар (по оси ординат), созданной с двух боковых сторон каждого дискообразного держателя.

На фиг. 8 показан график зависимости давления (ось ординат, в барах) и расхода жидкости (ось абсцисс, в см³/мин) для стационарного потока через дискообразный держатель, содержащий кусочки глины.

Следующий этап испытаний заключался в проверке того, соответствуют ли значения проницаемости, полученные с использованием устройства по настоящему изобретению, значениям, измеренными посредством традиционного способа на контрольном керне.

Для этой цели были использованы три керамических образца известной и проверенной проницаемости (1 мД, 5 мД и 50 мД). С использованием традиционного способа измерялась проницаемость этих образцов, взятых из контрольных кернов. После этого образцы подвергались дроблению, чтобы получить "синтетический" буровой шлам, проницаемость которого измерялась с помощью устройства по настоящему изобретению. Полученные результаты были в пределах экспериментальной ошибки.

Другие испытания проводились на контрольных кернах песчаника, взятых из пласта нефтяной скважины. Проницаемость измерялась посредством стационарного способа на образцах, взятых из контрольных кернов. Степень проницаемости измерялась в очень широком диапазоне значений (от десятков миллидарси до более чем 500 миллидарси).

После этого посредством дробления получали "синтетический" буровой шлам, проницаемость которого измерялась с помощью устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

Значения проницаемости, полученные на этом буровом шламе, по существу были такими же, что и значения, полученные на керне (см. таблицу).

Описанный способ измерения проницаемости дополняет и улучшает существующие известные способы совершенно неожиданным образом и может быть использован как промышленное средство для проведения измерений на месте.

Расходы на измерение проницаемости являются довольно низкими ввиду наличия бурового шлама во время бурения, а также ввиду того, что способ может составлять часть комплекса измерений бурового шлама на месте: акустическое, механическое и петрофизическое измерения.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения проницаемости обломков горной породы, взятых непосредственно при бурении нефтяной скважины и обычно называемых буровым шламом, отличающееся тем, что содержит полый цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие для жидкости, резьбу для его закрывания и гидравлическое уплотнение, на котором размещен дискообразный держатель образцов породы, перекрываемый пористой перегородкой, выполненной из спеченной стали, на которой расположена заглушка, имеющая выходное отверстие для жидкости и резьбу, посредством которой она закрепляется в корпусе.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материалом, из которого выполняются корпус и заглушка, является сталь или плексиглас.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что используемыми уплотнениями являются О-образные кольца.

4. Дискообразный держатель образцов, отличающийся тем, что он выполнен из смолы, в которую погружен буровой шлам, и имеет плоские, параллельные боковые стороны с двумя поверхностями каждого погруженного кусочка бурового шлама, открытыми с каждой из этих сторон.

5. Дискообразный держатель образцов по п.4, отличающийся тем, что смола выбирается из группы, содержащей эпоксидную, полиуретановую и акриловую смолы.

6. Способ измерения проницаемости обломков горной породы, взятых непосредственно при бурении нефтяной скважины, отличающийся тем, что заключают буровой шлам в дискообразный держатель, держатель помещают в устройство, содержащее полый цилиндрический корпус, имеющий входное отверстие для жидкости, резьбу для его закрывания и гидравлическое уплотнение, на котором размещен дискообразный держатель образцов породы, перекрываемый пористой перегородкой, выполненной из спеченной стали, на которой расположена заглушка, имеющая выходное отверстие для жидкости и резьбу, посредством которой она закрепляется в корпусе, с помощью насоса создают разность давлений с двух сторон дискообразного держателя, измеряемую манометром, с помощью расходомера измеряют скорость потока жидкости, полученное значение скоростей подставляют в уравнение Дарси для определения гидравлической проницаемости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9