DE3627966A1 - Verfahren und vorrichtung zur phasenverteilungsmessung an unverfestigten schuettguetern oder verfestigten geologischen kernen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Phasenverteilung und -strömung von Gas/Öl und Wasser in Speichergesteinen unter in situ- Bedingungen mit hohem Auflösungsvermögen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die seit längerer Zeit bekannten technischen Lösungen zur laborativen Sättigungsmessung in porösen Stoffen, wie elektrische Widerstandsmessungen, radioaktive Markierung und Massebilanzvergleich der ein- und ausströmenden Fluida wurden durch das Radar-Meßverfahren nach DD-WP GO1N 22/00, WP 1 54 639 abgelöst. Diesem Verfahren einschließlich Vorrichtung haften mehrere Nachteile an, die einer Nutzung für Messungen an Gesteinsproben aus geologischen Formationen und vergleichbaren porösen Stoffen entgegenstehen.

Die Frequenzabhängigkeit der dissipativen Komponente ε″ innerhalb der Dielektrizitätskonstante ε für Wasser nach Fig. 1 zwingt zur starren Festlegung auf eine Radarfrequenz im GHz-Bereich für alle Messungen. Damit ist die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit von Sättigungsmessungen bei verschiedenen Radarfrequenzen, deren Wahl durch verschiedene Faktoren des porösen Stoffes, wie beispielsweise Probengeometrie und petrophysikalisch-lithologische Charakteristik bestimmt wird, nicht möglich. Die Meßgenauigkeit bleibt nicht konstant, sondern wird frequenzabhängig.

Das Radar-Meßverfahren zielt auf die Bestimmung des Phasensprunges hin, also auf scharfe Kontaktflächen bzw. Fronten zwischen Gas und Wasser. Seine Anwendung ist nicht für gleitende Phasenverteilungen Gas - Wasser sowie für das System Öl - Wasser und Gas/Öl - Wasser geeignet. Damit beschränkt sich die Verfahrensnutzung nur auf frontale Verdrängungsprozesse der Gas-Wasser-Strömung. Die allgemeine Anwendung zum Erkennen jeder beliebigen Phasenverteilung im porösen Stoff, zumal unabhängig von der Art der nichtwäßrigen Phase, ist nicht gegeben.

Die bekannte Lösung verlangt die Messung am porösen Stoff unter Normalbedingungen. Die Umhüllung des Probekörpers mittels Epoxidharzmantel ermöglicht nicht, Sättigungen wie Phasenverteilungen unter in situ-Bedingungen geologischer Formationen vorzunehmen. Die unter Normalbedingungen (Atmosphärendruck, Raumtemperatur) erhaltenen Meßergebnisse lassen sich nicht auf die Formationsbedingungen in der Tiefe mit hohem Druck und hoher Temperatur übertragen, so daß das Verfahren für Untersuchungen unter geologisch definierten Bedingungen nicht geeignet ist.

Die zwangsläufige Nutzung von Hornstrahlern als Sende- und Empfängerelement läßt kein hohes lokales Auflösevermögen an der Meßprobe des porösen Stoffes zu, weil die Abmessungen der Hornstrahler nicht beliebig verkleinerbar sind, im allgemeinen zwischen 5 und 10 cm liegen. Damit sind nur grobe Sättigungsmessungen durchführbar, deren Ungenauigkeiten in den meisten Anwendungsfällen nicht vertretbar sind. Außerdem existiert ein enger Zusammenhang zwischen Hornstrahlerabmessung und Radarfrequenz, so daß eine unerwünschte Rückwirkung von der obengenannten Meßfrequenz (ε″-Problematik) auf die Konstruktion der Meßvorrichtung gegeben ist.

Die Verbindung zwischen Hornstrahler und Sendeeinheit durch elektrische Leitungen, deren Länge sich durch die örtliche Verschiebung des Hornstrahlers längs der Meßprobe ständig ändert, beeinflußt das Mikrowellenfeld als Wirkung zusätzlicher variabler Antennen so stark, daß in vielen Anwendungsfällen die Meßergebnisse nicht eindeutig auswertbar sind. Die räumliche Trennung zwischen Hornstrahler und Radarsender ist ein schwerer und nicht überwindbarer Nachteil der bekannten Lösung.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Meßverfahrens und einer labortechnischen Vorrichtung zur Messung der Phasenverteilung und -strömung vornehmlich von Gas/Öl und Wasser in Speichergesteinen unter in situ-Bedingungen bei Vermeidung der vorgenannten Verfahrensnachteile.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine labortechnische Vorrichtung zu schaffen, mittels deren wichtige Parameter der Phasenvoluminaverteilung, des Mobilitätsverhaltens, des Blockierungszustandes und der strömungsmechanischen Leitfähigkeit für geologische Vorratsbestimmungen bzw. Abbau- und Speicherentwicklungen und ähnliche geologische Aufgaben unter in situ-Bedingungen an verfestigten Speichergesteins- oder unverfestigten Schüttgutproben bestimmt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das mit den Phasen angefüllte oder durchströmte Speichergestein bzw. Schüttgut in ein VHF-Feld gebracht wird, das durch eine in den Abmessungen an den Untersuchungsfall anpaßbare ortsveränderliche Ringelektrode mit integriertem Schwingkreis, der direkt auf der Elektrode sitzt, realisiert wird. Die Phasenfüllung und -strömung wird im genannten VHF-Feld unter Ausnutzung der konstanten dispersiven Komponente ε′ (Fig. 1) bestimmt.

In diesem Frequenzbereich wurde eine hohe Meßgenauigkeit, Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen erkannt. Die gemessenen Frequenzänderungen beim Durchströmen von Gesteinsproben mit verschiedenen Phasen wie Wasser, Gas oder Öl sind Parameter zur Bestimmung der Phasenverteilung und/oder -strömung (Fig. 2). Es wurde überraschend eine lineare Abhängigkeit zwischen der Phasenverteilungs- und Frequenzänderung gefunden.

Die in der Ausführung zweigeteilte Ringelektrode ermöglicht eine bedeutende Genauigkeitserhöhung der Meßergebnisse durch den Wegfall von störenden Zuleitungen zwischen Schwingkreis und Elektrode.

Zur Realisierung der in situ-Bedingungen (Überlagerungs- und/oder Durchströmungsdruck bis 12 MPa, Temperatur bis 80°C) bei der Untersuchung von Gesteinskernen aus geologischen Formationen wird das Probenmaterial in einen Mehrhüllen- Kernhalter (Fig. 3) eingebaut. Auf letzterem wird die Ringelektrode mit aufsitzendem Oszillator zur Erfassung der Meßwerte über die gesamte Probenlänge bewegt. Trotz vorheriger Bedenken über die Schwächung des elektromagnetischen Feldes bis zu dessen Unwirksamkeit, wurde eine unverminderte Empfindlichkeit und Genauigkeit des angewandten Verfahrens und der Vorrichtung zur Bestimmung der Ausbreitung der die Kerne oder das Schüttgut durchströmenden bzw. auch ruhenden Phasen erzielt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen bereits unter Normalbedingungen kein hohes Auflösevermögen für Phasenverteilungen verfahrens- und vorrichtungsbedingt erreicht werden, wird erfindungsgemäß selbst unter Berücksichtigung geologisch definierter in situ-Bedingungen (Druck, Temperatur) ein hohes lokales Auflösevermögen an den Meßproben erzielt, wodurch die Phasenvoluminaanordnung in ihnen genau erkannt werden kann. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werte erlauben eine zuverlässige Deutung der Phasenverteilung und -strömung unter geologisch definierten Bedingungen.

Ausführungsbeispiel

Die Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau der apparatetechnischen Vorrichtung zur Ausbildung des VHF-Feldes in einem Speichergesteinskern mit deutlicher Phasengrenze zwischen wasser- und gasgefülltem Porenraum.

Das mit den strömenden oder ruhenden Phasen 6, 7 gefüllte Speichergestein oder Schüttgut 1 wird von dem nichtmetallischen Druckmantel 8 umgeben, auf dem die zweigeteilte Ringelektrode 3 verschiebbar ist. Zwischen den Platten der Ringelektrode 3, durch die Probenhülle 2, bestehend aus Polyvynilchlorid und das Druckgefäß 8 wird das VHF-Feld im Speichergestein bzw. Schüttgut 1, das durch die Phasenein- und Phasenaustrittsöffnung 10 begrenzt wird, aufgebaut, das vom Oszillator 4 mit Stromversorgung 11 erzeugt und dessen Frequenz durch die Phasenverteilung im Speichergestein bzw. Schüttgut verändert wird. Die Frequenzveränderung infolge der dispersiven Komponente ε′ wird im Frequenzzähler 5 angezeigt. Sie ist das Maß für die Phasenverteilung im Speichergestein am Querschnitt des von der Ringelektrode erfaßten Speichergesteins.

Der Raum zwischen dem Druckgefäß 8 und der Probenhülle 2 wird mit einem Druck- und Temperaturmedium 9 beaufschlagt.

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen  1 Speichergestein bzw. Schüttgut
   2 Probenhülle aus PVC
   3 zweigeteilte Ringelektrode
   4 Oszillator
   5 Frequenzzähler
   6 Probe mit Wasserphase
   7 Probe mit Gasphase
   8 Druckgefäß
   9 Druckmedium
  10 Phasenein- und Phasenaustrittsöffnung
  11 Stromversorgung

Claims (2)

1. Verfahren zur Messung der Phasenverteilung und/oder Sättigung von Gas/Öl und Wasser im verfestigten Speichergestein oder unverfestigten Schüttgut unter Normal- oder geologischen in situ-Bedingungen, worin entweder die Phasen unter gleichbleibender Verteilung ruhen oder die Sättigung sich während des simultanen Strömungsprozesses der Phasen laufend verändert, dadurch gekennzeichnet, daß die in situ-Begleitung durch mehrfache Umhüllung, Druckbeaufschlagung und Aufheizung des Speichergesteins bzw. des Schüttgutes erreicht werden, daß zur Gewinnung von Aussagen zur Vorratsverteilung, zum Abbaugrad, zu Mobilitätsverhältnissen und zum Blockierungsgrad der Phasen die Phasenverteilung im angelegten VHF-Feld über die Frequenzänderung in einem definierten Meßquerschnitt gemessen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere in labortechnischen Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichergestein bzw. Schüttgut (1) mit den ruhenden oder strömenden Phasen (6-7) von einer Probenhülle aus Polyvynilchlorid (2) und dem Druckgefäß (8) ummantelt ist,
daß der zwischen Probenhülle (2) und Druckgefäß (8) bestehende Raum mit dem Druck- bzw. Aufheizmedium (9) beaufschlagt ist,
daß zur Erzeugung eines VHF-Feldes eine zweigeteilte bewegliche Ringelektrode (3) mit Oszillator (4) außen am Druckgefäß (8) angeordnet ist, daß die durch die Phasenverteilung hervorgerufene charakteristische Frequenzänderung als Meßzahl der Phasenverteilung bzw. Sättigung im nachgeordneten Frequenzzähler (5) ablesbar ist.