Помощь студентам в учебе
Исследование процесса влагонасыщения кернов доломитов методом МРТ
|
Введение 3
1 Метод МРТ для изучения процесса насыщения 8
1.1 Метод МРТ 8
1.2 Насыщение кернов доломитов 17
1.3 Методика проведения эксперимента 21
1.4 Результаты измерений 25
2 Анализ профилей флюидосодержания в процессе насыщения 26
2.1 Метод получения радиальных профилей флюидосодержания 26
2.2 Выделение стадий процесса насыщения 29
3 Модели процесса насыщения капиллярно-пористых тел 38
3.1 Модели массопереноса на «гидродинамической» стадии насыщения 41
3.2 Модель поршневого течения 43
3.3 Модель фильтрации 46
3.4 Установление гидромеханического равновесия 48
3.5 Модели массопереноса на «диффузионной» стадии насыщения 51
3.6 Модель адсорбционного массопереноса 52
3.7 Модель усреднённой диффузии 56
Заключение 60
Библиографический список 62
1 Метод МРТ для изучения процесса насыщения 8
1.1 Метод МРТ 8
1.2 Насыщение кернов доломитов 17
1.3 Методика проведения эксперимента 21
1.4 Результаты измерений 25
2 Анализ профилей флюидосодержания в процессе насыщения 26
2.1 Метод получения радиальных профилей флюидосодержания 26
2.2 Выделение стадий процесса насыщения 29
3 Модели процесса насыщения капиллярно-пористых тел 38
3.1 Модели массопереноса на «гидродинамической» стадии насыщения 41
3.2 Модель поршневого течения 43
3.3 Модель фильтрации 46
3.4 Установление гидромеханического равновесия 48
3.5 Модели массопереноса на «диффузионной» стадии насыщения 51
3.6 Модель адсорбционного массопереноса 52
3.7 Модель усреднённой диффузии 56
Заключение 60
Библиографический список 62
Представленная работа содержит исследование процесса влагонасыщения кернов доломитов методом магнитно-резонансной томографии (МРТ). В результате работы получены экспериментальные данные о фильтрации воды в условиях малых градиентов давления в поровом пространстве кернов осадочных карбонатных пород - доломитов. Полученные результаты обсуждаются в рамках моделей молекулярного переноса.
В настоящий момент для описания движения флюидов в поровом пространстве горных пород-коллекторов используются гидродинамические модели [1-6], основанные на уравнении Дарси или его обобщениях [7]. В гидродинамических моделях описание системы поровое пространство - флюид дается в параметрической форме, не раскрывающей физическую природу состояния флюида и молекулярные механизмы его движения в поровом пространстве. Уравнение Дарси имеет верхнюю и нижнюю границу применимости [1]. Если верхняя граница применимости связана с проявлением инерционных сил при достаточно высоких скоростях фильтрации или турбулентностей потока, то нижняя граница обусловлена взаимодействием флюида с поверхностью пустотного пространства при малых скоростях фильтрации. В условиях, когда градиентами внешнего давления можно пренебречь, то есть в условиях естественной фильтрации, перенос флюида происходит за счёт внутренних градиентов давления, возникающих вследствие взаимодействия флюида с поровым пространством породы. Коэффициент фильтрации в уравнении Дарси, связывающего скорость потока с градиентом давления, определяется именно взаимодействием флюида с поверхностью отрытых пор. Отметим, что условиям естественной фильтрации отвечает процесс насыщения флюидом сухого пористого тела или, обратно, сушки насыщенного пористого тела.
В условиях небольших градиентов давления, приводящих к малым скоростям фильтрации, отмечается отклонение закона Дарси от линейности. Исследование этого явления проводилось в большом числе теоретических и экспериментальных работ. Для объяснения такого явления привлекались модельные представления о сильном взаимодействии флюида с твёрдым скелетом породы, приводящим к образованию устойчивых коллоидных растворов частично или полностью перекрывающих поры. Тем не менее, молекулярный механизм переноса флюида в поровом пространстве в условиях незначительных градиентов в настоящее время полностью не раскрыт [1].
Интерес к исследованиям взаимодействия молекул флюида с поверхностью порового пространства, влияния структуры и топологии порового пространства на коэффициенты фильтрации обусловлены тем, что результаты таких исследований:
- уточняют физическую природу фильтрационно-ёмкостных свойств горных пород-коллекторов;
- непосредственно определяют методики оценки запасов и режимы эксплуатации месторождений углеводородов;
- указывают на возможные пути внешнего воздействия на системы поровое-пространство-флюид с целью интенсификации добычи углеводородов.
Это обстоятельство делает актуальными и научно значимыми исследования молекулярных механизмов переноса флюида в поровом пространстве горных пород.
Одним из мощных методов исследования молекулярного движения является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Методы исследования ядерной магнитной релаксации чувствительны к вращательной и в меньшей степени к трансляционной подвижности молекул [8-14]. Методы ЯМР исследования самодиффузии дают информацию о трансляционной подвижности молекул [14-18]. Методы ЯМР также позволяют измерять поток флюидов в капиллярах и поровом пространстве пород [19-21]. Обзор возможностей изучения потоков флюидов методом ЯМР приведён в [22]. Быстро развивающимся методом является магнитно-резонансная томография (МРТ), позволяющая определять двухмерное (2D) распределение флюида в МРТ срезе объекта исследования (МР-томограмме) [23].
Целью работы являлось изучение процесса насыщения порового пространства флюидом в кернах доломитов методом МРТ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- получение МР-томограмм распределения флюида в процессе насыщения;
- извлечение из МР-томограмм радиальных профилей флюидосодержания;
- сравнение профилей флюидосдержания при различных временах насыщения с теоретическими моделями насыщения капиллярно¬пористых тел.
Если традиционные методы ЯМР такие как ЯМР-релаксометрия, диффузиометрия и расходометрия широко применяются для исследования свойств флюидов в поровом пространстве горных пород, то применение методов МРТ ограничивалось только определением распределения флюида в пористых образцах в стационарных условиях. Недавно проводились исследования нестационарного процесса сушки кернов с применением метода ЯМР для получения одномерного (1D) распределения вдоль оси керна с течением времени наблюдения [24,25]. Применение методов МРТ для исследования распределений флюидов в нестационарных условиях насыщения или сушки пористых тел в открытых источниках не обнаружено. Новизна представленной работы состоит в применении метода МРТ к исследованию процесса насыщения сухого порового пространства горных пород.
Используемый в работе магнитно-резонансный томограф позволяет получать 2D распределение флюида в кернах диаметром до 20 см с разрешающей способностью до 0.3 миллиметра. Минимальный период между измерениями составлял примерно 30 сек, что позволило исследовать процесс насыщения в диапазоне от 0.5 до 320 мин. Чувствительность томографа составляла 0.1% объёмной доли для воды.
В качестве объекта исследования выбран керн мелкозернистого доломита из скважины «Университетская-1», извлеченный с глубины 164,6 метров. Доломит - осадочная карбонатная горная порода, состоящая из одноимённого минерала CaCO3-MgCO3 на 95 % и более. Доломит входит в состав карбонатных осадочных отложений. Отметим, что по оценкам экспертов около 60-80% запасов нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 40-20% - к карбонатным отложениям, ~1% - к выветренным метаморфическим и изверженным породам.
Для целей исследования процесса насыщения горных пород доломит выбран, так как обладает общей объёмной пористостью в пределах от 2 до 35% и гидрофильными свойствами поверхности порового пространства.
Теоретические аспекты насыщения капиллярно-пористых тел рассмотрены в работе [26]. Процессы принудительного насыщения пористых тел в условиях преобладания капиллярных сил используются для изучения структуры порового пространства и фазовой проницаемости в методах капиллярометрии. В методах определения остаточной
флюидонасыщенности, абсолютной и относительной проницаемости посредством вытеснения флюидов используется процесс предварительного насыщения образца [28]. Самому процессу насыщения в этих методах не уделяется должного внимания.
Работа состоит из введения, содержит 3 главы, заключение, библиографический список из ?? открытых источников, ?? рисунка, ?? таблицы.
В первой главе рассматривается метод МРТ в применении к исследованию процесса насыщения пористых тел, описывается методика подготовки и проведения эксперимента, приводятся первичные результаты измерений МР-томограмм в процессе насыщения.
Во второй главе описана методика извлечения радиальных профилей флюидосодержания из МР-томограмм, проведён анализ поведения радиальных профилей флюидосодержания. Основным выводом второй главы является выделение в процессе насыщения сухого порового пространства двух стадий: «гидродинамической» и «диффузионной» (название выделенных стадий не являются общепринятыми).
В третьей главе приводятся несколько моделей массопереноса, которые могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных по профилям флюидосодержания в процессе насыщения. Проводится сравнение данных расчётов и оценок по этим моделям с экспериментальными данными.
В заключение приводится основной вывод о наличии двух стадий процесса насыщения, которые отличаются молекулярными механизмами массопереноса.
В настоящий момент для описания движения флюидов в поровом пространстве горных пород-коллекторов используются гидродинамические модели [1-6], основанные на уравнении Дарси или его обобщениях [7]. В гидродинамических моделях описание системы поровое пространство - флюид дается в параметрической форме, не раскрывающей физическую природу состояния флюида и молекулярные механизмы его движения в поровом пространстве. Уравнение Дарси имеет верхнюю и нижнюю границу применимости [1]. Если верхняя граница применимости связана с проявлением инерционных сил при достаточно высоких скоростях фильтрации или турбулентностей потока, то нижняя граница обусловлена взаимодействием флюида с поверхностью пустотного пространства при малых скоростях фильтрации. В условиях, когда градиентами внешнего давления можно пренебречь, то есть в условиях естественной фильтрации, перенос флюида происходит за счёт внутренних градиентов давления, возникающих вследствие взаимодействия флюида с поровым пространством породы. Коэффициент фильтрации в уравнении Дарси, связывающего скорость потока с градиентом давления, определяется именно взаимодействием флюида с поверхностью отрытых пор. Отметим, что условиям естественной фильтрации отвечает процесс насыщения флюидом сухого пористого тела или, обратно, сушки насыщенного пористого тела.
В условиях небольших градиентов давления, приводящих к малым скоростям фильтрации, отмечается отклонение закона Дарси от линейности. Исследование этого явления проводилось в большом числе теоретических и экспериментальных работ. Для объяснения такого явления привлекались модельные представления о сильном взаимодействии флюида с твёрдым скелетом породы, приводящим к образованию устойчивых коллоидных растворов частично или полностью перекрывающих поры. Тем не менее, молекулярный механизм переноса флюида в поровом пространстве в условиях незначительных градиентов в настоящее время полностью не раскрыт [1].
Интерес к исследованиям взаимодействия молекул флюида с поверхностью порового пространства, влияния структуры и топологии порового пространства на коэффициенты фильтрации обусловлены тем, что результаты таких исследований:
- уточняют физическую природу фильтрационно-ёмкостных свойств горных пород-коллекторов;
- непосредственно определяют методики оценки запасов и режимы эксплуатации месторождений углеводородов;
- указывают на возможные пути внешнего воздействия на системы поровое-пространство-флюид с целью интенсификации добычи углеводородов.
Это обстоятельство делает актуальными и научно значимыми исследования молекулярных механизмов переноса флюида в поровом пространстве горных пород.
Одним из мощных методов исследования молекулярного движения является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Методы исследования ядерной магнитной релаксации чувствительны к вращательной и в меньшей степени к трансляционной подвижности молекул [8-14]. Методы ЯМР исследования самодиффузии дают информацию о трансляционной подвижности молекул [14-18]. Методы ЯМР также позволяют измерять поток флюидов в капиллярах и поровом пространстве пород [19-21]. Обзор возможностей изучения потоков флюидов методом ЯМР приведён в [22]. Быстро развивающимся методом является магнитно-резонансная томография (МРТ), позволяющая определять двухмерное (2D) распределение флюида в МРТ срезе объекта исследования (МР-томограмме) [23].
Целью работы являлось изучение процесса насыщения порового пространства флюидом в кернах доломитов методом МРТ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- получение МР-томограмм распределения флюида в процессе насыщения;
- извлечение из МР-томограмм радиальных профилей флюидосодержания;
- сравнение профилей флюидосдержания при различных временах насыщения с теоретическими моделями насыщения капиллярно¬пористых тел.
Если традиционные методы ЯМР такие как ЯМР-релаксометрия, диффузиометрия и расходометрия широко применяются для исследования свойств флюидов в поровом пространстве горных пород, то применение методов МРТ ограничивалось только определением распределения флюида в пористых образцах в стационарных условиях. Недавно проводились исследования нестационарного процесса сушки кернов с применением метода ЯМР для получения одномерного (1D) распределения вдоль оси керна с течением времени наблюдения [24,25]. Применение методов МРТ для исследования распределений флюидов в нестационарных условиях насыщения или сушки пористых тел в открытых источниках не обнаружено. Новизна представленной работы состоит в применении метода МРТ к исследованию процесса насыщения сухого порового пространства горных пород.
Используемый в работе магнитно-резонансный томограф позволяет получать 2D распределение флюида в кернах диаметром до 20 см с разрешающей способностью до 0.3 миллиметра. Минимальный период между измерениями составлял примерно 30 сек, что позволило исследовать процесс насыщения в диапазоне от 0.5 до 320 мин. Чувствительность томографа составляла 0.1% объёмной доли для воды.
В качестве объекта исследования выбран керн мелкозернистого доломита из скважины «Университетская-1», извлеченный с глубины 164,6 метров. Доломит - осадочная карбонатная горная порода, состоящая из одноимённого минерала CaCO3-MgCO3 на 95 % и более. Доломит входит в состав карбонатных осадочных отложений. Отметим, что по оценкам экспертов около 60-80% запасов нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 40-20% - к карбонатным отложениям, ~1% - к выветренным метаморфическим и изверженным породам.
Для целей исследования процесса насыщения горных пород доломит выбран, так как обладает общей объёмной пористостью в пределах от 2 до 35% и гидрофильными свойствами поверхности порового пространства.
Теоретические аспекты насыщения капиллярно-пористых тел рассмотрены в работе [26]. Процессы принудительного насыщения пористых тел в условиях преобладания капиллярных сил используются для изучения структуры порового пространства и фазовой проницаемости в методах капиллярометрии. В методах определения остаточной
флюидонасыщенности, абсолютной и относительной проницаемости посредством вытеснения флюидов используется процесс предварительного насыщения образца [28]. Самому процессу насыщения в этих методах не уделяется должного внимания.
Работа состоит из введения, содержит 3 главы, заключение, библиографический список из ?? открытых источников, ?? рисунка, ?? таблицы.
В первой главе рассматривается метод МРТ в применении к исследованию процесса насыщения пористых тел, описывается методика подготовки и проведения эксперимента, приводятся первичные результаты измерений МР-томограмм в процессе насыщения.
Во второй главе описана методика извлечения радиальных профилей флюидосодержания из МР-томограмм, проведён анализ поведения радиальных профилей флюидосодержания. Основным выводом второй главы является выделение в процессе насыщения сухого порового пространства двух стадий: «гидродинамической» и «диффузионной» (название выделенных стадий не являются общепринятыми).
В третьей главе приводятся несколько моделей массопереноса, которые могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных по профилям флюидосодержания в процессе насыщения. Проводится сравнение данных расчётов и оценок по этим моделям с экспериментальными данными.
В заключение приводится основной вывод о наличии двух стадий процесса насыщения, которые отличаются молекулярными механизмами массопереноса.
В результате проведения экспериментов:
- разработана методика предварительной сушки и последующего насыщения с соблюдением условия 100% флюидосодержания на поверхности образца;
- применён метод МРТ для контроля флюидонасыщенности образцов кернов в процессе сушки и насыщения;
- получены 5 трансверсальных ЯМР томограммы кернов в процессе насыщения для каждого временного отсчёта в диапазоне от 0.5 до 320 мин.
В результате обработки экспериментальных данных
- были вычислены профили интенсивности МР- томограмм в области содержания флюида и в области шума;
- проведено численное усреднение профилей флюидосодержания по 8 направлениям и в 3 МРТ-срезах;
В результате теоретического анализа:
- построены и сопоставлены с экспериментальными данными 2 гидродинамические модели: модель поршневого течения и линейной фильтрации;
- построены и сопоставлены с экспериментальными данными 2 диффузионные модели: модель сорбции; модель усреднённой диффузии.
На защиту выносятся следующие выводы:
1) Анализ вида усредненных радиальных профилей распределения флюида в зависимости от времени насыщения порового пространства доломитов водой показывает двух-стадийный процесс насыщения, отличающиеся характером изменения влагонасыщения.
2) Для объяснения особенностей влагонасыщения кернов доломитов на первой стадии процесса может быть использована модель фильтрации флюида, показывающая быстрое (~5 мин) установление гидромеханического равновесия в приповерхностном слое между капиллярным давлением и давлением насыщенного пара в замкнутых капиллярах.
- разработана методика предварительной сушки и последующего насыщения с соблюдением условия 100% флюидосодержания на поверхности образца;
- применён метод МРТ для контроля флюидонасыщенности образцов кернов в процессе сушки и насыщения;
- получены 5 трансверсальных ЯМР томограммы кернов в процессе насыщения для каждого временного отсчёта в диапазоне от 0.5 до 320 мин.
В результате обработки экспериментальных данных
- были вычислены профили интенсивности МР- томограмм в области содержания флюида и в области шума;
- проведено численное усреднение профилей флюидосодержания по 8 направлениям и в 3 МРТ-срезах;
В результате теоретического анализа:
- построены и сопоставлены с экспериментальными данными 2 гидродинамические модели: модель поршневого течения и линейной фильтрации;
- построены и сопоставлены с экспериментальными данными 2 диффузионные модели: модель сорбции; модель усреднённой диффузии.
На защиту выносятся следующие выводы:
1) Анализ вида усредненных радиальных профилей распределения флюида в зависимости от времени насыщения порового пространства доломитов водой показывает двух-стадийный процесс насыщения, отличающиеся характером изменения влагонасыщения.
2) Для объяснения особенностей влагонасыщения кернов доломитов на первой стадии процесса может быть использована модель фильтрации флюида, показывающая быстрое (~5 мин) установление гидромеханического равновесия в приповерхностном слое между капиллярным давлением и давлением насыщенного пара в замкнутых капиллярах.