Патент на изобретение №2301993

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОРИСТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

(57) Реферат:

Использование: для определения эффективной пористости горных пород. Сущность: заключается в том, что определяют коэффициент открытой пористости К_по керна, затем автоматически измеряют полную кривую спин-решеточной релаксации (СРР) от поровой жидкости в этом образце, проводят компонентно-аналитическую матобработку измеренной кривой СРР и рассчитывают с помощью релаксационно-объемной палетки (РОП) по компонентным значениям времен релаксации соответствующие групповые/фазовые содержания остаточной воды в породе-коллекторе, а коэффициент общего остаточного водосодержания К_во кернового образца определяют суммированием произведений компонентных/долевых насыщенностей W_i на фазовые/групповые содержания K_воi остаточной воды в нем из соотношения К_во=ni·W_i·К_воi, где n_i – количество компонент/групп/фаз в коллекторе, после чего в автоматическом режиме определяют коэффициент эффективной пористости К_пэф породы-коллектора посредством определенных значений коэффициентов открытой пористости К_по и остаточной водонасыщенности К_во по образцу керна из уравнения К_пэф=К_по(1-К_во). Технический результат: сокращение времени, а также повышение точности и объективности при определении эффективной пористости горных пород. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области геофизических, преимущественно петрофизических исследований горных пород по образцам стандартного и бокового керна, основанных на использовании методики и техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР), при поиске, разведке и разработке месторождений нефти и газа.

Известны различные петрофизические способы оценки/определения общей/открытой пористости консолидированных пород весовым и объемным методами, в том числе Мельчера и Преображенского [1]. Например, для определения коэффициента общей пористости по способу Мельчера предварительно оценивают удельный и объемный веса исследуемой породы, причем ее удельный вес определяют пикнометрически, а объемный вес – гидростатическим взвешиванием парафинированного образца в воде; коэффициент общей пористости рассчитывают из соотношения дефицита указанных весов к удельному весу образца. При определении пористости способом Преображенского объем открытых пор оценивают по объему керосина, вошедшего в них при насыщении определяемого образца, а объем последнего – гидростатическим взвешиванием в керосине, причем коэффициент открытой пористости образца рассчитывают по результатам его взвешивания до и после насыщения.

Надежных петрофизических способов прямой оценки коэффициента эффективной пористости (К_пэф) горных пород, который характеризует полезную емкость для углеводородных (УВ) флюидов и представляет собой объем открытых пор за исключением объема, заполненного физически-, капиллярно- и иным образом связанной водой, в основном остаточной, нет. Известны прямые и косвенные способы оценки содержания остаточной воды в керне [1, 3], в том числе капилляриметрии, центрифугирования, высушивания, характеризующиеся продолжительностью, деструктивностью и трудозатратностью. Технологический характер остаточной водонасыщенности пород-коллекторов, в зависимости от применяемого градиента давления вытесняющего флюида в пласте, значительно затрудняет ее точную оценку, а следовательно, непосредственное определение величины К_пэф.

Наиболее близким к предложенному способу аналогом (прототипом) по методической сущности является способ определения открытой пористости коллекторов на базе ЯМР [2], который включает последовательные операции экстракции, сушки, насыщения водородосодержащей жидкостью, измерения амплитудной характеристики сигналов свободной индукции (ССИ) от нее и оценки коэффициента открытой пористости по определенным величинам объемов пор и образца породы-коллектора.

Известны устройства для петрофизического определения пористости и остаточной водонасыщенности горных пород по керну [1, 3], в том числе порозиметры, объемомеры, капилляриметры, приборы Закса и АДЖ, к основным недостаткам которых относятся низкая точность и производительность, небольшая достоверность и представительность.

Наиболее близким к предложенному устройству аналогом (прототипом) по технической сущности является устройство для определения пористости горных пород [3], содержащее блоки отбора и подготовки проб, ЯМР измерения и эталонирования, обработки и регистрации, применение которого ограничивается сложностью и трудоемкостью при недостаточном уровне автоматизации операционных процессов.

Цель изобретения – сокращение временных и трудовых затрат при повышении точности и объективности определения коэффициента эффективной пористости пород-коллекторов по керновому материалу.

Поставленная цель достигается посредством системного определения коэффициентов открытой пористости К_по и остаточной водонасыщенности К_во пород-коллекторов на основе ЯМР и следующих положений:

1. Определение коэффициента открытой пористости К_по горных пород опирается на:

1.1. Прямую связь между количеством/объемом водородо-(-Н-)содержащей жидкости и амплитудной характеристикой сигнала СИ от нее.

1.2. Применение калибровочной зависимости амплитуды ССИ от объема Н-содержащей жидкости в образце породы.

1.3. Предварительное получение/построение специальной зависимости (амплитудно-объемной палетки – АОП) по парным значениям количества/объема водородосодержащей жидкости и соответствующих амплитуд ССИ от эталонных/стандартных образцов (СО) при оптимальных условиях их измерения с последующей фиксацией.

1.4. Измерение амплитудной характеристики ССИ от Н-содержащей жидкости в образце породы-коллектора.

1.5. Установленное соответствие измеренного значения максимальной амплитуды ССИ от поровой жидкости в полностью насыщенном керне объему его порового пространства.

1.6. Использование для определения К_по коллекторов образцов керна стандартного объема V_o и аппаратно-калибровочной зависимости (КАЗ).

1.7. Оценку объема пор/капилляров коллектора V_п по измеренному значению амплитуды ССИ от жидкости в этом объеме с помощью АОП и/или КАЗ.

1.8. Определение коэффициента открытой пористости коллектора из соотношения объема его пор/капилляров к стандартному объему образца, то есть К_по=V_п/V_o.

2. Определение коэффициента остаточной водонасыщенности К_во базируется на:

2.1. Различном количестве и качестве остаточной воды в порах/капиллярах пород-коллекторов разного размера и литосостава.

2.2. Технологическом характере остаточной водонасыщенности коллекторов в зависимости от применяемого давления вытеснения.

2.3. Измерении полной кривой спин-решеточной релаксации (СРР) от поровой жидкости образца водонасыщенного коллектора.

2.4. Подразделении измеренной кривой на отдельные компоненты, соответствующие группам пор разного размера и остаточного водосодержания, с оценкой компонентных значений времен СРР и водонасыщения определяемого образца.

2.5. Предварительном построении/получении зависимости релаксационного отношения R_s от содержания остаточной воды К_во в коллекторе, релаксационно-объемной палетки (РОП), где величина R_s=1/T₁-1/T_1o, a T₁ и T_1o – времена СРР поровой и насыщающей жидкостей.

2.6. Оценке по рассчитанным компонентным величинам R_si с помощью РОП и п.2.5 соответствующих компонентных содержаний К_воi в коллекторе.

2.7. Определении коэффициента остаточной водонасыщенности коллектора посредством суммирования произведений компонентных значений K_вoi на долевые содержания водонасыщения W_i по уравнению, которое при 3-хкомпонентности кривой СРР имеет вид

К_во=W₁×К_во1+W₂×К_во2+W₃×К_во3.

3. Определение коэффициента эффективной пористости К_пэф породы-коллектора по образцу керна основано на использовании результатов ЯМР определения корэффициентов открытой пористости К_по и остаточной водонасыщенности К_во этого образца посредством соотношения

К_пэф=К_по(1-К_во),

где значения всех указанных коэффициентов определяют в долях 1.

4. Основные операции технологического процесса определения коэффициента, эффективной пористости насыщенного коллектора на базе аппаратуры ЯМР проводят в системной последовательности единого автоматического цикла настройки, измерения, обработки, регистрации и оценки результатов, в том числе:

4.1. Автоматическая настройка основных установочно-измерительных параметров аппаратуры ЯМР, в т.ч. коэффициента усиления приемного тракта, величины магнитного поля, длительности высокочастотных импульсов и периода запуска импульсных последовательностей.

4.2. Автоизмерение амплитудных и релаксационных характеристик ССИ определяемого образца в одиночном и накопительном режимах автонастроенной аппаратуры ЯМР.

4.3. Автоматическая обработка измеренных кривых СРР от образца породы, которую выполняют посредством 2–3-компонентного анализа с учетом заданной среднеквадратичной погрешности (СКО).

4.4. Определение К_пэф на основе оцененных значений К_по и К_во проводят в авторежиме с использованием измеренных/обработанных амплитудно-релаксационных характеристик ЯМР от поровой жидкости определяемого керна.

4.5. Результаты определения коэффициента эффективной пористости керна регистрируют автоматически в цифровом коде посредством совмещенного с аппаратурой ЯМР принтера.

5. Поставленная цель технической реализации предложенного способа определения коэффициента эффективной пористости породы-коллектора по пп.1, 2, 3 и 4 посредством устройства на базе аппаратуры ЯМР достигается тем, что в ее функциональный состав дополнительно вводят автоматические блоки/узлы, в т.ч. блок 1 автоматической настройки установочно-измерительных параметров этой аппаратуры, блок 2 автоизмерения амплитудных и релаксационных характеристик сигналов ЯМР (ССИ/ССР), блок 3 обработки этих характеристик и блок 4 определения коэффициентов открытой пористости, остаточной водонасыщенности и К_пэф в авторежиме on-line (см. чертеж). При этом выход блока автонастройки соединен со входом блока 2 автоизмерения, а его выход – со входом блока 3 автообработки, выход которого соединен со входом блока 4 автоопределения пористости и насыщенности исследуемого коллектора; выход последнего блока подсоединен ко входу принтера, фиксирующего результаты определений в автоматическом режиме.

5.1. Блок 1 автонастройки предназначен для автоматического выбора и установки оптимальных параметров измерения ЯМР характеристик определяемого образца керна, в т.ч. усиления/ослабления приемного тракта, тока подмагничивания магнитной системы, длительности 90- и 180-градусных высокочастотных (ВЧ) импульсов и периода запуска импульсных последовательностей.

5.1.1. Выбор усиления/ослабления приемного тракта (узел 1.1) выполняют посредством формирования одноимпульсной последовательности и измерения амплитуды ССИ в контрольной точке после окончания 90-градусного импульса при постепенном дискретном уменьшении/повышении коэффициента усиления в заданном диапазоне амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП).

5.1.2. Настройку магнитного поля в авторежиме на резонансные условия (узел 1.2) производят последовательным изменением величины тока подмагничивания с помощью АЦП и анализа максимальной амплитуды основной гармоники Фурье-преобразования измеренного сигнала СИ по заданным значениям в сканируемом диапазоне.

5.1.3. Выбор длительности ВЧ-ных импульсов (узел 1.3) проводят посредством сформированной одноимпульсной последовательности по “умолчанию” при дискретном измерении амплитуды ССИ в контрольной точке с шагом 0,1 мкс в диапазоне 0,5-7 мкс.

5.1.4. Настройку оптимального периода запуска выполняют посредством узла 1.4 и последовательности из двух 90-градусных импульсов при максимальном начальном периоде запуска, например, 3000 мс для СРР, с кратным изменением этого периода до минимального значения, например, 10 мс, на основе сравнения измеренных амплитуд ССИ после 1-го и 2-го 90-градусных импульсов, вычисления времен СРР по методу наименьших квадратов, оценки максимального значения Т_1макс и определения настроенной величины периода запуска Т_{пер.зап.}=(4-5)Т_1макс. для исследуемого керна.

5.2. Блок 2 автоматического измерения амплитудных (узел 2.1) и релаксационных (узел 2.2) характеристик сигналов ЯМР предназначен для оптимального измерения максимальных амплитуд ССИ и кривых СРР/ССР с помощью дополнительного фазочувствительного квадратурного детектирования в одиночном/накопительном режиме.

5.3. Блок 3 автообработки результатов измерений предназначен для повышения точности посредством суммирования измеренных значений максимальных значений амплитуд ССИ в накопительном режиме и компонентного анализа релаксационных кривых по методу наименьших квадратов с учетом заданного критерия СКО.

5.4. Блок 4 автоматического определения устройства выполняет последовательные операции оценки коэффициентов открытой пористости (узел 4.1) и остаточной водонасыщенности (узел 4.2) определяемого образца породы по измеренным и обработанным значениям его амплитудно-релаксационных характеристик на базе АОП/КАЗ и РОП, а на их основе – корректное определение коэффициента эффективной пористости (узел 4.3) коллектора по керну.

В соответствии с вышеуказанным предложенные способ и устройство для определения эффективной пористости горных пород-коллекторов по керну реализуют следующим образом.

Образец керна, полностью насыщенный водородосодержащей жидкостью, помещают в измерительный контейнер, который устанавливают в датчик аппаратуры ЯМР, проводят последовательно в авторежиме (блок 1) настройку и установку параметров оптимального измерения характеристик сигналов ЯМР от поровой жидкости в керне, строят калибровочную зависимость амплитуды ССИ от количества/объема Н-содержащей жидкости по стандартным/эталонным образцам при оптимальных условиях (АОП/КАЗ), измеряют (блок 2) амплитудную характеристику ССИ от поровой жидкости и оценивают по этой характеристике и зависимости АОП/КАЗ объем V_п порового пространства определяемого керна, который сравнивают со стандартным объемом V_o последнего, на основе чего в автоматическом режиме определяют коэффициент открытой пористости породы-коллектора из соотношения К_по=V_п/V_o, где К_по – в долях 1, затем измеряют полную кривую срин-решеточной релаксации от поровой жидкости в коллекторе, подразделяют эту кривую (блок 3) компонентным анализом и оценивают компонентные значения времен СРР и водонасыщения этого коллектора, рассчитывают по временным значениям выделенных компонент с помощью зависимости РОП соответствующие компонентные величины остаточной водонасыщенности в разноразмерных порах/капиллярах определяемой породы, а коэффициент остаточной водонасыщенности коллектора определяют в автоматическом режиме (блок 4) посредством суммирования компонентных (групповых/ долевых) произведений остаточной K_вoi и общей водонасыщенности W_i в группах пор различного размера в керне из соотношения К_во=n_iК_воiW_i, где n_i – количество компонент/групп, после чего проводят автоматическое определение коэффициента эффективной пористости К_пэф породы-коллектора по образцу керна посредством определенных значений коэффициентов открытой пористости К_по и остаточной водонасыщенности К_во из уравнения К_пэф=К_по(1-Кво), где значения К_по, К_во и К_пэф – в долях 1.

На основе использования настоящего изобретения проведены оперативные петрофизические исследования нефтегазоносных пород-коллекторов в разрезах поисковых и разведочных скважин на перспективных площадях и продуктивных месторождениях Западной Сибири, Саратовского Поволжья и Пермского Приуралья, Тимано-Печорской и Прикаспийской НГП. Таким образом, например, по емкостным характеристикам, в т.ч. по К_пэф, глубокозалегающих пород бобриковского горизонта Вуктыльского газоконденсатного месторождения выделены 3 группы коллекторов, а в толще карбонатных пород турнейского яруса того же месторождения – 2 их группы с доминирующими величинами эффективной пористости. Аналогично с использованием систематичесих исследований эффективной пористости терригенных и карбонатных пород-коллекторов по керну проведен успешный пересчет извлекаемых запасов нефти отдельных участков Ромашкинского месторождения (Волго-Уральская НГП).

Промышленно-экономическая эффективность использования данного изобретения обеспечивается повышением точности и объективности, оперативности и информативности, экономичности и производительности петрофизических исследований в процессе строительства нефтяных/газовых скважин на материке/шельфе и геолого-разведочных работ в целом.

Источники информации

1. Орлов Л.И., Карпов Е.Н. Петрофизические исследования коллекторов нефти и газа. М.: Недра, 1987 г.

2. Авторское свидетельство СССР №721736 от 15.03.80 г. МКл. G01N 27/78.

3. Авт. свид. СССР №1073654 от 15.02.1984 г. МКл. G01N 24/08.

Формула изобретения

1. Способ определения эффективной пористости горных пород-коллекторов по водонасыщенным образцам стандартного/бокового керна, основанный на прямой зависимости амплитуды сигнала свободной индукции (ССИ) от объема поровой воды в керне, помещенном в установленный в датчик аппаратуры ЯМР измерительный контейнер, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, проводят автоматическую настройку основных измерительно-методических параметров для оптимизации условий измерения ЯМР характеристик поровой жидкости, в авторежиме измеряют амплитудную характеристику ССИ этой жидкости, по которой с помощью амплитудно-объемной палетки (АОП) и/или аппаратно-калибровочной зависимости (КАЗ) оценивают ее объем, соответствующий объему перового пространства V_п образца керна, и стандартный его объем V_o, а коэффициент открытой пористости К_по этого керна определяют из соотношения K_по=V_п/V_o, где К_по – в долях 1, затем автоматически измеряют полную кривую спин-решеточной релаксации (СРР) от поровой жидкости в этом образце, проводят компонентно-аналитическую матобработку измеренной кривой СРР и рассчитывают с помощью релаксационно-объемной палетки (РОП) по компонентным значениям времен релаксации соответствующие групповые/фазовые содержания остаточной воды в породе-коллекторе, а коэффициент общего остаточного водосодержания К_во кернового образца определяют суммированием произведений компонентных/долевых насыщенностей W_i на фазовые/групповые содержания К_воi остаточной воды в нем из соотношения K_во=niW_iК_воi, где n_i – количество компонент/групп/фаз в коллекторе, после чего в автоматическом режиме определяют коэффициент эффективной пористости К_пэф породы-коллектора посредством определенных значений коэффициентов открытой пористости К_по и остаточной водонасыщенности К_во по образцу керна из уравнения

К_пэф=К_по(1-К_во),

где значения К_пэф, К_по и К_во – в долях 1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью объективной оптимизации, операции настройки, измерения, обработки и определения ЯМР характеристик (ССИ/ССР) насыщенной Н-содержащей жидкостью породы-коллектора по определяемому образцу керна проводят автоматически в едином технологическом цикле.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения коэффициента открытой пористости по керну в оптимальных условиях предварительно строят специальную зависимость значений максимальной амплитуды ССИ от количества/объема водородосодержащей жидкости в стандартных/эталонных образцах (СО) с известным Н-содержанием в рабочем диапазоне К_по в виде амплитудно-объемной палетки (АОП) или/и аппаратно-калибровочной зависимости (КАЗ).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении открытой/эффективной пористости коллекторов по керну используют образцы стандартного объема V_o.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при полном насыщении образца породы-коллектора Н-содержащей жидкостью ее объем, оцененный по значению максимальной амплитуды ССИ с помощью АОП/КАЗ, соответствует объему порового пространства V_п этого образца.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение коэффициента открытой пористости К_по коллектора проводят в авторежиме по соотношению оцененных значений объема порового пространства V_п к стандартному объему V_o определяемого образца керна.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения представительности, определение коэффициента остаточной водонасыщенности К_во породы-коллектора проводят посредством суммирования содержания остаточной воды во всех порах/капиллярах разного размера и состава, в которых остаточная вода находится в различном количестве и качестве (фазовом состоянии), кернового образца.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения К_во водонасыщенной породы используют установленную зависимость между ее порометрической и релаксационной характеристиками с учетом технологического характера остаточной водонасыщенности коллектора.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно строят палеточную зависимость (РОП) релаксационного отношения R_s от содержания остаточной воды К_во в породе, причем R_s=1/T₁-1/T_o, где Т_о и Т₁ – времена СРР насыщающей/поровой воды соответственно.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что автоматически проводят измерение полной кривой СРР от определяемого образца водонасыщенного коллектора с последующей математической обработкой этой кривой компонентным анализом по методу наименьших квадратов и оценкой компонентных значений времен релаксации и водосодержания.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в авторежиме по компонентным временам СРР рассчитывают компонентные значения R_si и с помощью палеточной зависимости РОП (по п.9) оценивают содержание остаточной воды К_воi для отдельных компонент, соответствующих различным фазам (состояниям) поровой воды в группах пор/капилляров разного размера.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что для корректного определения коэффициента остаточной водонасыщенности К_во коллектора по образцу керна автоматически суммируют фазовые/групповые содержания остаточной воды K_воi с учетом долевого насыщения жидкостью W_i его порового пространства из соотношения, например, при 2-фазном состоянии:

К_во=К_во1W₁+K_вo2W₂.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение коэффициента эффективной пористости К_пэф породы-коллектора по образцу керна проводят в автоматическом режиме по определенным значениям коэффициентов открытой пористости К_по и остаточной водонасыщенности К_во этого образца посредством уравнения К_пэф=К_по(1-К_во).

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для повышения точности и производительности дополнительно включает блоки автоматической настройки, измерения, обработки и определения коэффициента эффективной пористости горной породы-коллектора по образцу керна.

15. Устройство по п.1 или 14, отличающееся тем, что посредством блока автонастройки выбирают и устанавливают оптимальные условия и параметры измерения аппаратуры ЯМР, в том числе коэффициента усиления приемного тракта, длительности высокочастотных импульсов, периода запуска импульсных последовательностей и тока подмагничивания ее магнитной системы.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что блоком автоизмерения проводят в едином цикле последовательные замеры амплитуд ССИ и кривой СРР от поровой жидкости определяемого образца керна в одиночном/накопительном режиме.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что блоком автообработки проводят расчетно-вычислительные операции с данными измерений амплитудно-релаксационных ЯМР характеристик керна на базе АОП/КАЗ и РОП, в т.ч. посредством суммирования измеренных значений максимальных амплитуд ССИ и компонентного анализа кривой СРР с учетом заданного критерия среднеквадратичной погрешности.

18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что блоком автопределения по данным измерений ЯМР характеристик последовательно выполняют операции оценки коэффициентов открытой пористости и остаточной водонасыщенности породы-коллектора по образцу определяемого керна, а на их основе – определение его коэффициента эффективной пористости в едином технико-методическом цикле.

РИСУНКИ