способ определения критических скоростей флюида

Формула изобретения

Способ определения критических скоростей флюида, соответствующих началу выноса песка из пористых образцов породы, включающий продувку свободного от частиц флюида через пористый образец породы и сбор продуктов выноса, отличающийся тем, что через пористый образец породы продувают сжимаемый флюид, продувку осуществляют в несколько этапов с все возрастающим расходом флюида и при неизменном времени, затраченном на каждый этап, по окончании каждого этапа продувки подсчитывают количество вынесенных частиц разных поперечных размеров, по полученным результатам строят графики зависимости количества вынесенных частиц определенного поперечного размера от расхода флюида, по графикам выявляют критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, строят график зависимости критического расхода от размера частиц, и рассчитывают критическую скорость флюида по формуле:



где - критическая скорость флюида, соответствующая началу выноса частиц песка определенного размера из пористого образца, м/с;

q - критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, м³/с;

m - пористость образца породы;

S - площадь поперечного сечения образца породы, м².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля эксплуатации скважин в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при определении критических скоростей флюида, соответствующих началу выноса песка из пористых образцов.

Известен способ определения критических скоростей флюида, соответствующих началу выноса песка из пористых образцов (С.Gruesbeck, R.E. Collins Entrainment and deposition of fine particles in porous media , Soc. of Pet. Eng. Jour., Dec. 1982, pp.847-856). Известный способ включает прокачку свободного от мелких частиц флюида сквозь образец, содержащий природные мелкие частицы, сбор продуктов выноса, определение проницаемости образца в зависимости от расхода флюида, анализ минералогического состава продуктов выноса, построение зависимостей проницаемости образца от скорости флюида и определение по построенной зависимости критической скорости флюида, соответствующей началу выноса песка.

Однако в известном способе определяют критические скорости несжимаемого флюида - воды, водных растворов, нефти, смеси нефти с водой, соответствующие началу выноса частиц песка минимального размера, а также отсутствует количественная оценка темпа выноса частиц разных размеров при различных расходах флюида. Указанные недостатки соответственно приводят к невозможности определения критических скоростей для выносимых частиц различных размеров и неприменимости известного способа для газовых скважин, где активным агентом, выносящим частицы песка из породы, является сжимаемый флюид.

Задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности определения критических скоростей скважинного сжимаемого флюида, соответствующих началу выноса песка из пористых образцов для выносимых частиц различных размеров.

Задача решается за счет того, что в способе сжимаемый флюид продувают через пористый образец породы, продувку осуществляют в несколько этапов с все возрастающим расходом флюида и при неизменном времени, затраченном на каждый этап, по окончании каждого этапа продувки подсчитывают количество вынесенных частиц разных поперечных размеров, по полученным результатам строят графики зависимости количества вынесенных частиц определенного поперечного размера от расхода флюида, по графикам выявляют критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, строят график зависимости критического расхода от размера частиц и рассчитывают критическую скорость флюида по формуле:

,

где - критическая скорость флюида, соответствующая началу выноса частиц песка определенного размера из пористого образца, м/с;

q - критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, м³ /с;

m - пористость образца породы;

S - площадь поперечного сечения образца породы, м² .

На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего способ, на фиг.2 - фотография вынесенных частиц в поле зрения измерительного микроскопа, на фиг.3-5 - графики для выноса песка с размерами частиц от 0,00833 до 0,1333 мм из гравия с размерами частиц 0,9-1 мм, фиг.6 - график зависимости критического расхода от размера выносимых частиц.

Устройство включает источник сжатого флюида (не показан), трубку 1, соединяющую источник сжатого флюида с регулятором давления 2, запорный вентиль 3, манометр 4, ротаметр 5, трубку 6, камеру 7, включающую в себя пружину 8, решетку 9, пористый образец, состоящий в зависимости от типа скважины только из керна породы 10 или совместно из керна породы 10 и скважинного фильтра 11, выполненного из гравийного или иного материала, сетку 12, выходной патрубок 13. Керн породы 10, совместно с гравийным или иным материалом скважинного фильтра 11 или без него, моделирует призабойную зону скважины. Камера 7 установлена на стапель 14. Устройство также снабжено экраном-свидетелем 15, выполненным из прозрачного материала, одна из сторон которого, обращенная к выходному патрубку 13, покрыта прозрачным невысыхающим липким слоем.

Способ осуществляют следующим образом.

В герметичном прозрачном корпусе камеры 7 помещают пористый образец, состоящий, например, из керна натурной породы 10 и гравийного или иного материала скважинного фильтра 11, и сетки с фиксированным размером ячеек 12. Указанную комбинацию поджимают пружиной 8 через решетку 9 с усилием, действующим в направлении течения флюида.

Собранную камеру 7 устанавливают на стапель 14 и соединяют трубкой 6 с выходом ротаметра 5. Перед выходным патрубком 13 устанавливают экран-свидетель 15.

Сквозь камеру 7, содержащую образец с природными мелкими частицами, прокачивают свободный от мелких частиц сжимаемый флюид, например воздух.

С помощью регулятора давления 2 после открытия вентиля 3, основываясь на показаниях ротаметра 5, устанавливают требуемое значение расхода флюида, после чего включают датчик временных интервалов (на фиг.1 не показан). Собирают продукты выноса, при этом вынесенные потоком флюида частицы фиксируют липким слоем экрана-свидетеля 15.

Продувку флюида через камеру 7 осуществляют с постоянным расходом в течение заданного интервала времени. По истечении заданного времени подачу флюида в камеру прекращают, снимают экран-свидетель 15. Контролируют гранулометрический состав осевших на экране-свидетеле 15 частиц при определенном расходе флюида, например фотографируя с помощью оптического измерительного микроскопа.

Далее цикл измерений повторяют с все возрастающими расходами флюида. Цикл измерений повторяют до достижения максимальных заданных значений расхода флюида или до видимых в камере разрушений области керна натурной породы 10, гравийного или иного материала скважинного фильтра 11, установленных в камере 7.

По каждой из полученных цифровых фотографий при разных расходах флюида подсчитывают количество вынесенных частиц разных поперечных размеров. Полученные значения количества вынесенных частиц определенного поперечного размера наносят на графики зависимости количества вынесенных частиц определенного поперечного размера от расхода флюида. По графикам зависимости количества вынесенных частиц определенного поперечного размера от расхода флюида выявляют критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера. Строят график зависимости критического расхода от размера частиц. Значение пористости образца m (безразмерная) определяют по данным лабораторных исследований кернов породы из призабойной зоны пласта или весовым способом для сыпучих образцов.

Далее определяют критические скорости флюида, соответствующие началу выноса частиц песка из пористых образцов, для выносимых частиц различных размеров с помощью соотношения:

,

где - критическая скорость флюида, соответствующая началу выноса частиц песка определенного размера из пористого образца, м/с;

q - критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, м³ /с;

m - пористость образца породы;

S - площадь поперечного сечения образца породы, м² .

Пример конкретной реализации способа.

В герметичном прозрачном корпусе камеры 7 диаметром 40 мм собирают комбинацию из латунной сетки 12 с ячейками 0,5×0,5 мм, слоя гравийного материала 11 с размером зерен 0,9-1,0 мм, объемом 45 см³, слоя песка с зернами размером менее 0,1 мм объемом 105 см³, моделирующего разрушенный песчаник 10, находящийся в призабойной зоне скважины, и решетки с фиксированным размером ячеек 9. Указанную комбинацию поджимают пружиной 8 через решетку 9 с усилием 8 Н, действующем в направлении течения воздуха. Значение пористости образца m (безразмерная), которое определяют весовым способом, составляет 0,378. Площадь поперечного сечения образца S составляет 1,26·10^-3 м².

Сквозь камеру 7, содержащую образец с природными мелкими частицами, прокачивают свободный от мелких частиц воздух. Продувку воздуха через камеру 7 осуществляют с постоянным расходом воздуха в течение 10 минут.

По истечении заданного времени подачу воздуха в камеру прекращают, снимают экран-свидетель 15.

Контролируют гранулометрический состав осевших на экране-свидетеле 15 частиц при определенном расходе воздуха, фотографируя с помощью оптического измерительного микроскопа. Фотография вынесенных частиц в поле зрения измерительного микроскопа показана на фиг.2.

Далее цикл измерений повторяют с все возрастающими расходами воздуха. По полученным цифровым фотографиям на компьютере проводят подсчет количества выносимых частиц различных размеров.

Строятся графики зависимости количества вынесенных частиц разных размеров от расхода флюида. На фиг.3-5 приведены соответствующие графики для выноса песка с размерами частиц от 0,00833 до 0,1333 мм из гравия с размерами частиц 0,9-1 мм.

По графикам (фиг.3-5) выявляют критический расход q, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, и строят график зависимости критического расхода от размера выносимых частиц (фиг.6).

Далее рассчитывают критические скорости флюида, соответствующие началу выноса песка из пористых образцов, для выносимых частиц различных размеров с помощью соотношения:

,

q - критический расход, соответствующий началу выноса частиц определенного поперечного размера, м ³/с;

m - пористость образца породы;

S - площадь поперечного сечения образца породы, м² .

Таким образом, предложенный способ позволяет определить критические скорости флюида, соответствующие началу выноса песка из пористых образцов, для выносимых частиц различных поперечных размеров.