Способ получения представительных образцов сверхвязкой нефти из нефтенасыщенного керна и устройство для его осуществления

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности для исследования пластов, а именно к способу получения пробы сверхвысоковязкой нефти или битума из образца нефтенасыщенного керна пластового резервуара, и может быть использовано в научном и проектном обеспечении, научно-исследовательских работах в области геологии и разработки нефтегазовых месторождений, в том числе нетрадиционных месторождений углеводородов сверхвязкой нефти. Обеспечивает возможность измерения физических или химических свойств сверхвязкой нефти, не содержащих механических, минеральных либо водоэмульсионных примесей. Результаты анализа образцов могут быть использованы при геологическом, гидродинамическом моделировании, для выбора метода и способа разработки и эксплуатации залежи сверхвязкой нефти.

Уровень техники

В настоящее время идет активное промышленное освоение и подготовка к введению в эксплуатацию наиболее крупных месторождений сверхвязкой нефти (СВН). Для эффективного применения и усовершенствования существующих технологий добычи СВН и природных битумов необходимо детальное изучение геолого-геохимических условий залегания месторождений высоковязкой нефти, а также свойств находящихся в них УВ флюидов.

В пластовых резервуарах с высокими показателями коллекторских свойств стратегия разработки в большей степени обусловлена подвижность флюида в пласте. Например, данные измерений вязкости нефти могут предоставить полезную информацию как основание для вывода, пригодна ли данная секция пластового резервуара для добычи. Таким образом, в настоящее время наиболее актуальной задачей в изучении месторождений СВН является получение информации о вязкости нефти, ее анизотропии в условиях пласта по глубине и простиранию залежи. Учитывая особенности месторождений СВН, первой по порядку и основной по значению проблемой является отбор представительных проб нефти с аномально высокой вязкостью из-за низкой подвижности флюида. При вязкости нефти выше 2000 мПа⋅с ее подвижность и текучесть крайне мала, а низкая энергетика пласта делает вызов притока нефти в скважину и отбор глубинных проб практически невыполнимой задачей.

Известны способы извлечения пробы сверхвязкой нефти из породы методом экстракции растворителями и методом вытеснения водой. Метод экстракции растворителями приводит к необратимому изменению физико-химических свойств флюида - это обусловлено тем, что растворители нельзя полностью удалить без утраты легких компонентов и разрушения структуры флюида. Как следствие, измерения вязкости образца сверхвязкой нефти, который был экстрагирован из породы с использованием растворителя, считаются ненадежными.

Метод вытеснения флюида из линейной модели нефтенасыщенного керна пресной водой и нагреве до температуры 80°C более оперативен и менее трудоемкий, не требует сложной пробоподготовки. Однако значительным недостатком метода является извлечение из керна лишь наиболее подвижной части нефти - до 40% углеводородов, наименее подвижная ее часть, остается в породе.

Известен способ и оборудование отбора проб в пласте (см. [1] патент РФ №2564303, МПК Е21В 49/10, опубл. 27.09.2015). Система для отбора проб подземного пласта содержит систему отбора и извлечения проб, расположенную внутри цилиндрического элемента и выполненную с возможностью проникновения через закрытый удаленный конец цилиндрического элемента в подземный пласт и извлечения пробы материала пласта или пластовых флюидов из пласта, а также устройство для ввода растворителя, выполненное с возможностью проходить от пробозаборной трубки и вводить спектроскопически чистый полярный растворитель в пласт, при этом растворитель извлекает пробу флюида из пласта; и насос, выполненный с возможностью выводить флюид из пласта в устройство для ввода растворителя, при этом флюид содержит растворитель и пробу флюида.

Измерение вязкости нефти на поверхности включает получение более или менее чистой нефтяной или битумной фазы из извлеченных пластовых проб горной породы посредством высокоскоростного центрифугирования.

К недостаткам аналога относятся:

1) Способ и оборудование предназначены для отбора проб пластового флюида, а значит, предполагает текучесть и относительно невысокую вязкость нефти в пластовых условиях.

2) Необходимость использования растворителя для снижения вязкости сверхвязкой нефти с целью ее притока в пробоотборник, соответственно имеет место химическое воздействие, разрушающее структуру углеводорода.

3) Использование центрифугирования предполагается для разделения нефти и воды, а значит, подразумевается существенная разница в плотности, что делает ее непригодной для сверхвязких нефтей, плотность которых сопоставима с плотностью воды.

Известен способ и устройство для получения образцов тяжелой нефти из образца пластового резервуара (см. [2] патент РФ №2447947, МПК В03В 9/02, опубл. 20.04.2012), включающий: введение образца в цилиндропоршневой узел, включающий фильтровый узел, расположенный на конце цилиндра; приложение определенного усилия к поршню, сдавливание образца к фильтровому узлу и механическое извлечение тяжелой нефти или битума из образца, где твердые частицы остаются в цилиндре и флюиды имеют возможность проходить наружу; в котором усилие определяется так, что тяжелая нефть или битум, извлеченные из образца, сохраняют компоненты с низкой температурой кипения.

К недостаткам аналога относятся:

1) Способ реализуется достаточно медленно вследствие длительного времени, требуемого для вытеснения образца нефти из керна.

2) Способ не реализует разрушение водонефтяной эмульсии и удаление воды, которая в значительной мере влияет на измеряемые параметры.

3) Способ и устройство обладает более низким коэффициентом извлечения нефти из породы, в особенности ее тяжелых компонент, что соответственно приводит к получению образца нефти с меньшим значением вязкости.

4) Способ включает в себя использование растворителя для снижения вязкости пробы сверхвысоковязкой нефти с целью ее вытеснения, соответственно имеет место химическое воздействие, разрушающая структуру углеводорода.

Наиболее близким аналогом является способ, описанный в статье (см. [3] Bryan J, Moon D., Kantzas A. «ln sity viscosity of oil-sands using low field NMR" в журнале JCPT в 2005 году), в которой описывается получение образцов нефти из нефтяного песка методом центрифугирования на центрифуге Beckman при температуре 40°C и скорости вращения 10000 мин^-1.

К недостаткам прототипа относятся:

1) Способ-прототип предназначен только для неконсолидированных битуминозных песков, т.к. не предусмотрена возможность дезинтеграции.

2) Способ-прототип не предусматривает возможность увеличения объема перерабатываемой породы в случае малого выхода пробы флюида.

3) Способ-прототип не предусматривает выделение и удаление воды.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является получение представительного образца пластового флюида (сверхвязкой нефти, битума), не содержащего минеральные частицы, для получения информации о свойствах (вязкость, плотность, микроэлементный, фракционный, компонентный состав и пр.) полученного образца флюида путем его извлечения из породы-коллектора.

Техническим результатом является увеличение извлечения флюида без химического воздействия с целью последующего анализа фракционного состава потенциально извлекаемого флюида, повышение качества информации о физико-химических и геологических свойствах извлекаемого флюида (вязкости, плотности, микроэлементный, фракционный, компонентный состав и пр.); повышения достоверности прогнозирования параметров эксплуатации месторождения, сокращения времени получения представительного образца флюида.

Технический результат достигается за счет способа извлечения представительного образца вязкой нефти из нефтенасыщенного керна, включающего бурение скважины с отбором керна в потенциально продуктивном интервале, изоляцию отобранного керна в процессе отбора и/или непосредственно после него; формирование образца из скважинного керна выделением необходимого количества кернового материала с последующей дезинтеграцией; заполнение керновым материалом пластмассовых стаканов с последующим прогревом и дальнейшим помещением в подвесы центрифуги; вытеснение содержащегося в породе флюида под действием центробежной силы, при котором используется центрифуга с термостатируемой рабочей камерой; очищение извлеченного из керна образца флюида от мелкодисперсных частиц осадочных пород в нагретом состоянии методом гравитационного разделения; разделение водонефтяной эмульсии и удаление из образца флюида воды термодинамическим воздействием.

Технический результат также достигается за счет устройства для получения образца вязкой нефти, содержащего блок дезинтеграции, центрифугу с горизонтальным ротором и подвесами с возможностью термостабилизации рабочей области, термостатирующий шкаф, морозильную камеру, при этом подвесы центрифуги выполнены с возможностью установки в них пластмассовых стаканов с плоским дном, перфорированных по боковой стенки у дна стаканов.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Принципиальная схема центрифугирования нефтенасыщенного

керна.

Фиг. 2 - Пластмассовый стакан с измельченным нефтенасыщенным керном.

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 - горизонтальный ротор центрифуги; 2 - пластмассовый стакан; 3 - измельченный нефтенасыщенный керн; 4 - интенсивно-нефтенасыщенный слой; 5 - зона перфорации пластмассового стакана; 6 - подвес центрифуги.

Осуществление изобретения

Для получения представительного образца сверхвязкой нефти или битума при бурении скважины на залежь сверхвысоковязкой или битуминозной нефти, отбирают нефтенасыщенный керн в потенциально продуктивном интервале, который изолируют в процессе отбора или непосредственно после отбора керна. Далее из образца керна извлекают образец насыщающего его флюида. В процессе извлечения проба флюида получается только за счет механического воздействия на образец - центробежной силы, без применения химических реагентов. В результате чего получается качественно подготовленная представительная проба сверхвязкой нефти, отвечающая предъявляемым требованиям.

Для получения пробы предлагаемым методом использовалась центрифуга с термостатированием при температуре 40°C с горизонтальным ротором R=17,54 см и четырьмя подвесами объемом 450 мл (оптимальный объем подвеса для получения образца сверхвязкой нефти необходимого объема за одноступенчатую экстракцию, однако объем может быть изменен в зависимости от поставленных задач).

Первоначально отбирается образец нефтенасыщенного керна - не менее 1500 грамм на одиночную операцию экстракции образца. Для приготовления образца керн измельчался до получения несцементированной однородной массы. Затем полученная измельченная порода равномерно по массе набивалась в четыре пластмассовых стакана, объемом 300 мл (объем зависит от количества используемого образца пластового резервуара и количества нефти необходимого для анализа). После набивки стаканы взвешивались, с целью сбалансированной работы центрифуги, их массы выравнивались. Для повышения текучести флюида образцы помещались в сушильный шкаф при температуре 50°C для предварительного равномерного прогрева всего объема в течение 2 часов. Прогретые образцы подвергались центрифугированию при скорости вращения 4500 об/мин и температуре 40°C в течение 30 минут.

В результате центрифугирования на дне пластикового стакана образуется интенсивно-нефтенасыщенный слой. Стаканы с образцами набитого керна перфорировались по уровню скопления флюида для минимизации выхода механических примесей, и производилось повторное центрифугирование на горизонтальном роторе при скорости вращения 4500 об/мин и температуре 40°C в течение 60 минут. Полученная на дне подвеса ротора нефть собиралась в отдельный сосуд.

Количество нефти, получаемой при центрифугировании, зависит от насыщенности керна. При недостаточности объема извлеченной нефти производится замена центрифугированного керна с верхней части стакана на «свежий» (новый). Для получения большего объема нефти процедуру центрифугирования необходимо повторить неоднократно. Полученную пробу битума выдерживают в закрытом сосуде в течение 30 минут при температуре 50°C для осаждения мелких фракций осадочных пород (гравитационное разделение), после чего отбирают верхний слой жидкости. Для разделения водонефтяной эмульсии и удаления воды прогретый образец сверхвязкой или битуминозной нефти резко охлаждается путем помещения его в морозильную камеру и выдержке в течение 2 часов при температуре -10°C. Для нефти и воды динамика изменения плотности при изменении температуры существенно различаются и молекулы воды будут формировать крупные кусочки льда, которые впоследствии можно без труда удалить. После проведения полной очистки образца сверхвязкой нефти от примесей и воды проба считается подготовленной к исследованию свойств.

Для оценки качества полученной пробы сверхвязкой нефти проведен контроль и оценка нефтеизвлечения битума из породы коллектора. Сделаны снимки высокого разрешения на микроскопе с 1000-кратным увеличением, которые в нашем случае отчетливо показали, что после центрифугирования в породе остается только часть флюида, которая крепко связана с поверхностью самих частиц породы. Получены пространственно-разрешенные спектры ЯМР «до» и «после» центрифугирования, а также спектры интенсивности ЯМР-сигнала. Коэффициент нефтеизвлечения битума из породы составляет более 95% и подтверждается двумя независимыми «контрольными» замерами.

Способ и устройство оказались наиболее удачными из известных ранее и наименее трудоемкими. Полученные пробы наиболее точно отражают истинный состав потенциально извлекаемого флюида. За счет вышеприведенной методики увеличивается извлечения флюида без химического воздействия с целью последующего анализа фракционного состава потенциально извлекаемого флюида; повышается качество информации о физико-химических и геологических свойствах извлекаемого флюида (вязкости, плотности, микроэлементный, фракционный, компонентный состав и пр.); повышается достоверности прогнозирования параметров эксплуатации месторождения; сокращается время получения представительного образца флюида.

Пример приготовления образцов и методика получения представительных образцов сверхвязкой нефти из нефтенасыщенного керна.

Породы-коллекторы битума или сверхвязкой нефти, содержащие от 3 до 15 весовых процентов флюида, могут быть подвергнуты механической экстракции в одиночной операции. В обычном случае необходимо подготовить 4 пластмассовых стакана, содержащих по 400 г нефтенасыщенного керна, для получения экстрагированного флюида в объеме 10-150 мл, в зависимости от насыщенности породы-коллектора.

Отобранный при бурении скважины керн изолируют сразу после отбора во избежание потери легких фракций углеводорода. При помощи ступки и пестика измельчают керн (т.е. дезинтегрируют в блоке дезинтеграции) до частиц, не превышающих в диаметре 2-3 мм. Плотно забивают полученный песок в пластмассовые стаканы (толщиной стенки не менее 0,04 мм), выравнивая по массе для сбалансированной работы центрифуги. Пластмассовый стакан перфорируют по периметру боковой стенки, примерно раз в 5 мм (отверстия диаметром 0,2-0,5 мм) на расстоянии 5 мм от дна для минимизации выхода минеральных частиц породы. Помещают стаканы в термостатирующую печь при температуре 50°C до полного прогрева содержимого стакана (около 2 часов). Устанавливают пластмассовые стаканы по центру подвесов центрифуги с горизонтальным ротором с возможностью термостабилизации рабочей области. Запускают процесс центрифугирования при стабилизации температуры в 40 градусов, от 30 минут до 1 часа. Извлекают пластиковый стакан из подвеса центрифуги, на дне подвеса будет находиться экстрагированный флюид. Подходящим инструментом извлекают имеющийся на дне подвесов флюид и собирают в плотно закрывающуюся тару во избежание потерь легких фракций. Тару с нефтью помещают в термостатирующий шкаф на 10-15 минут для осаждения мелкодисперсных примесей осадочных пород. При наличии осадка необходимо слить верхнюю часть флюида в другой контейнер. Если осадка нет, то полученный флюид быстро охлаждают от температуры +50°C в морозильной камере до температуры -10°C, где из-за разности физико-химических свойств нефти и воды (плотность, вязкость, температура кристаллизации, растворимость и т.д.), проходя через температуру кристаллизации, происходит «распад» водонефтяной эмульсии и осаждение всей имеющейся воды в виде льда.

Устройство для получения образца вязкой нефти по вышеприведенной методике содержит блок дезинтеграции, центрифугу с горизонтальным ротором и подвесами с возможностью термостабилизации рабочей области, термостатирующий шкаф, морозильную камеру, при этом подвесы центрифуги выполнены с возможностью установки в них пластмассовых стаканов с плоским дном, перфорированных по боковой стенки у дна стаканов.

Предлагаемые способ и устройство предназначены как для неконсолидированных интенсивно нефтенасыщенных песков, так и для слабо- и средне-сцементированных пород. Способ предусматривает возможность дезинтеграции породы до мелкодисперсной однородной массы с последующим центрифугированием. Помимо интенсивно нефтенасыщенных, предусматривают извлечение флюида и из слабонефтенасыщенных пород. Пластмассовые стаканы для нефтенасыщенного керна имеют конструкцию, позволяющую проводить замену отработанной («центрифугированной») породы на свежий с целью получения необходимого объема образца нефти. Предлагаемые способ и устройство предусматривают разделение полученной представительной пробы нефти от воды и водонефтяной эмульсии методом термодинамического воздействия; отделение мелкодисперсных минеральных частиц от полученной пробы нефти за счет конструкции емкостей центрифугирования (пластмассовых стаканов); предварительный прогрев нефтенасыщенного керна до температуры ниже температуры термодеструкции с целью увеличения подвижности флюида, в частности его тяжелых компонент, с целью более высокого коэффициента извлечения нефти.

- Изоляция кернового материала в процессе отбора позволяет избежать испарения легких фракций содержащегося в породе флюида при транспортировке и хранении, что приводит к повышению качества информации о физико-химических и геологических свойствах извлекаемого флюида.

- Дезинтеграция керна приводит к максимальному увеличению проницаемости образца подготовленного для центрифугирования, позволяя увеличить долю извлечения флюида.

- Толщина стенки пластмассовых стаканов не менее 0,04 мм позволяет проводить центрифугирование без значительной деформации и разрыва стаканов в результате механического напряжения.

- Предварительный прогрев образца приводит к увеличению подвижности флюида, позволяя увеличить долю извлечения флюида.

- Центрифугирование дезинтегрированного керна с частотой 4500 об/мин позволяет достичь максимального коэффициента извлечения флюида без изменения физико-химических свойств.

- Отделение полученного флюида от мелкодисперсной фазы позволяет минимизировать систематическую ошибку на измеряемые параметры, вносимую наличием мелкодисперсной фазы, что приводит к повышению качества информации о физико-химических и геологических свойствах извлекаемого флюида.

- Отделение воды термодинамическим воздействием позволяет очистить нефть как от мелких глобул воды, так и от крупных слоев, что приводит к повышению качества информации о физико-химических и геологических свойствах извлекаемого флюида.