NO164382B - Fremgangsmaate og innretning for bestemmelse av forskjellige egenskaper til en bergartproeve ved benyttelse av kvikksoelv-kapillartrykkdata. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en innretning for bestemmelse av forskjellige egenskaper til réservoarberg-arter, og særlig egenskapene til kjerneprøver som fjernes fra reservoarbergartene.

En metode som har vært benyttet for bestemmelse av egenskapene til reservoarbergarter, er måling av kapillar-trykk. Spesielt er kvikksølvtrykkresponsen for reservoarberg-arten blitt målt, ut fra hvilken det er blitt gjort beregninger av bergartens permeabilitet så vel som porevolumet. En fremgangsmåte og en innretning for bestemmelse av kvikk-sølvkapillartrykk er beskrevet i US-patentskrift 2 604 779. Ved denne fremgangsmåte anbringes bergartprøven eller kjerne-prøven i en lukket beholder, beholderen evakueres og fylles deretter delvis med kvikksølv for å dekke kjernen. Kvikksølv presses deretter inn i beholderen med konstant hastighet mens volumet av kvikksølv avsettes som funksjon av trykket i beholderen. Dette tilveiebringer en opptegning av kvikk-sølvkapillartrykket som funksjon av volumet av kjernen, ut fra hvilken forskjellige kjernekarakteristika kan bestemmes. For eksempel kan totalt porevolum og en indikasjon på kjernens permeabilitet bestemmes.

I en artikkel som ble offentliggjort i the Journal of Geophysical Research, årgang 71, nr. 12, 15. juni 1966, på side 2911, med tittelen "Strømning av fluida gjennom porøse media", er det beskrevet eksperimenter med luft/vann-grenseflater som beveger seg gjennom enkle, syntetiserte, permeable prøver. Forfatterne observerte at grenseflaten ikke beveget seg kontinuerlig gjennom den syntetiserte prøve, men snarere på en ikke-kontinuerlig måte fra pore til pore. De plutselige bevegelser av grenseflaten resulterte i trykkfall i det trykk som ble målt i prøveholderen.

Selv om forfatterne observerte den ikke-kontinuerlige måte på hvilken grenseflaten beveget seg gjennom den syntetiserte, permeable prøve, benyttet de ikke virkelige bergart-prøver. Videre stolte de på luft/vann-grenseflater. For at resultatene skal være nyttige, må grenseflaten være en konvensjonell vann/olje-grenseflate som forekommer i reservoarbergarter, eller en kvikksølv/luft-grenseflate. Videre er. de porer som forekommer i reservoarbergarter, mindre enn de som er til stede i forfatternes syntetiske prøve, med en faktor på minst 10 til 100. Det utstyr og de metoder som ble benyttet av forfatterne, ville ikke være i stand til å måle de trykk- og volumendringer som forekommer i en virkelig bergartprøve.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning som er egnet for måling av egenskaper til bergartprøver på en lettvint måte.

Oppfinnelsen tilveiebringer derfor en fremgangsmåte for bestemmelse av forskjellige egenskaper til en bergart-prøve ved benyttelse av kvikksølv-kapillartrykkdata, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved de trinn

å forsterke kvikksølvmetningen som funksjon av kvikk-sølvkapillartrykkdata,

å måle volumet av hver "subison" Sv for å oppnå et totalt volum Tg av subison-poresystemer i de forsterkede data,

å måle det totale porevolum V av prøven, og

å benytte målingene av det totale volum av subison-poresystemene og det totale porevolum til å beregne prøve-egenskapene.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en innretning for oppnåelse av en kurve for metning som funksjon av trykk fra en bergartprøve, hvilken innretning er kjennetegnet ved at den omfatter

en prøveholder som er dannet av to skålformede deler, idet de to skålformede deler er festet til hverandre for å danne en hul prøveholder, idet de sammenpassende overflater av de skålformede deler har slipte overflater for å danne en lekkasjetett forsegling,

en pumpe av stempeltype,

en drivanordning som er koplet til stempelpumpen,

en volummåleanordning som er koplet til pumpen for digitalt å måle det volum som fortrenges av pumpen,

en trykkomvandler som er koplet til prøvecellen for å måle trykket i prøvecellen og frembringe et elektrisk signal som er relatert til dette,

en forsterkeranordning som er koplet til trykkomvandleren for å forsterke det elektriske signal,

en analog/digital-omformer som er koplet til trykkom-• vandleren for å omforme trykksignalet til en digital stør-relse, og

en registreringsanordning, idet den volummålende anordning og den digitale omformer er koplet til registreringsanordningen.

Oppfinnelsen er basert på den oppdagelse at man ved å benytte ekstremt lave innsprøytingshastigheter og foreta nøyaktige målinger av både volumet og trykket av det fortrengende fluidum som innsprøytes, kan detektere det trykk ved hvilket det fortrengende fluidum bryter gjennom til hvert subison-poresystem i bergartprøven. Uttrykket "subison" skal forklares nedenfor. Oppfinnelsen utnytter disse målinger av volumene av subison-poresystemene til å gi metningen av den ikke-fuktende fase i bergartprøven og restmetningen ut fra en gitt begynnelsesmetning. Dataene utnyttes også til å forutsi prøvens absolutte permeabilitet såvel som verdien av Archie's eksponent m og formasjonens resistivitetsfaktor F som benyttes i Archie's likning som siden 1942 er blitt benyttet til å beregne olje- og/eller vann-metninger i ren sand. Archie's opprinnelige, empiriske relasjoner ble modifisert av Waxman-Smits-likningene som er beskrevet i "Elektrisk ledningsevne i oljeførende, skifrig sand", Waxman-Smits, 1968 SPE Journal, juni, sidene 107-122. Både Archie- og Waxman-Smits-likningene krever bestemmelse av formasjonens resistivitetsfaktor F og Archie's eksponent m.

Innretningen ifølge oppfinnelsen utgjør en forbedring i forhold til den tidligere benyttede ved at den tillater meget langsomme, styrte innsprøytingshastigheter i kombina-sjon med en anordning for nøyaktig måling av både de inn-sprøytede volumer og trykkene. Videre er prøveholderen blitt modifisert for å tilveiebringe en lekkasjetett beholder uten benyttelse av pakninger eller andre tetningsanordninger. Eliminasjonen av pakninger fjerner en stor kilde til.-; feil i tidligere utstyr som ble benyttet for utførelse av kapil-

lartrykkmålinger.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en typisk kapillartrykk-kurve hvor et parti av kurven er forstørret, fig. 2 viser det parti av kurven som er forstørret på fig. 1, i større målestokk, og fig. 3 viser et blokkskjema av en innretning som er egnet for utførelse av oppfinnelsen.

Idet det nå henvises til fig. 1 og 2, er det der vist en kvikksølv-kapillartrykkurve og et parti av kurven som er forstørret. På fig. 1 øker kvikksølvmetningen (hori-sontal akse) mot venstre, mens kvikksølvkapillartrykket (vertikal akse) øker i en "Y"-retning. Dette er en typisk kurve fra en formasjonsbergart, for eksempel av Berea-sand-stein, og viser at for lave metninger øker trykket meget langsomt, mens trykket øker raskt med økende kvikksølvmet-ning. På fig. 1 er også vist en forstørrelse av et lite parti av kurven som viser trykkfall 10 og 11. Trykkfallene er et resultat av at kvikksølvet passerer gjennom halsen på en pore og strømmer inn i porerommet. Etter hvert som kvikksølvet strømmer inn i porerommet avtar trykket- raskt inntil poren begynner å fylles, ved hvilket tidspunkt trykket deretter øker med stabil hastighet omtrent til sin opprinnelige verdi før kvikksølvet bryter gjennom porehalsen. Det forstørrede parti på fig. 1 er vist i enda større målestokk på fig. 2 hvor de forskjellige partier av kurven er merket. Spesielt blir det stigende parti A av kapillartrykkurven hvor kurven stiger til tidligere uoppnådde nivåer, betegnet som en "rison". På den annen side blir det stigende parti B av kapillartrykkurven hvor kurven stiger til tidligere oppnådde nivåer, betegnet som en "subison", mens partiet med avtagende trykk som er betegnet med C på kurven, betegnes som en "rheon". Volumet mellom det punkt i hvilket trykket i begynnelsen avtar og det punkt i hvilket det på nytt oppnår sin opprinnelige verdi, er volumet av et subison-poresystem som er betegnet med D. Et subison-poresystem består av bare "rheoner" og "subisoner" (rheons and subisons). Dersom den horisontale avstand for hvert poresystem ble summert, ville man oppnå volumet av prøvens poresystem, eller mer spesielt det innfangende porevolum. Det innfangende porevolum er det volum av poresystemet som kan holde på hydrokarboner.

Ut fra ovenstående beskrivelse kan det innses at den innfangede metning av den ikke-fuktende fluidumfase £>nwr etter en vannoversvømmelse kan forutsies ut fra følgende likning:

hvor V sTm = totalt subison-poresystemvolum

og Vp = totalt porevolum av prøven.

Ovenstående relasjon gjelder for hvilket som helst sterkt vannfuktet system som ville være til stede etter en utvinning av vannoversvømmelses- eller vannfyllingstype. I denne type av system vil det vann som er til stede i porene, blir fjernet av vakuumet, og således vil det subison-poresystemvolum som måles ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, være et resultat av fjerningen av rest-oljen. Man kunne også forutsi restmetningen S rdersom man kjenner begynnelsesmetningen S^, ved å summere volumet av alle de gitte subison-poresystemer som ville være mettet ved en begynnelsesmetning på S^:

hvor Sv = volumet av et eneste subison-poresystem og Sj = begynnelsesmetning.

Likeledes kan formasjonens permeabilitet utledes ut fra følgende uttrykk:

hvor 0 = prøvens porøsitet

N = antall målte "risoner"

r

V .= volum av en gitt "rison"

ri 3

V _= totalt volum av "risoner"

rT

P = inngangstrykk til "rison".

Modell-likningene for permeabiliteten utledes ved å erkjenne at fordelingen av risoner bestemmer strømmen av fluidum, dvs. permeabilitet. Hver rison kan betraktes som et kapillarrør med en diameter som er lik inngangsdiame-teren (som kan beregnes ut fra inngangstrykket) og med et volum som er lik rison-volumet. Permeabiliteten kan således bestemmes ut fra fordelingen av risoner representert som kapillarrør i parallell over et vidt område av forskjellige diametre.

Likeledes kan Archie<1>s eksponent m og formasjonens resistivitetsfaktor F beregnes ut fra følgende likninger:

Disse likninger for m og F beregnes, slik som med permeabiliteten, ut fra risonene som er representert som kapillarrør i parallell. Den totale ledningsevne er altså summen av ledningsevnene fra hvert rør. Vinkelavhengigheten forsvinner på grunn av at hver rison antas å ha et isotropt bidrag. Summen av ledningsevnene beløper seg således på grunn av opphevelse til nettopp det totale rison-volum,

r

Det midlere' porevolum kan beregnes ut fra følgende uttrykk:

hvor Ng = antall subison-poresystemer.

Alle de ovennevnte data kan oppnås ut fra nøyaktige målinger av volumene og trykkene under en eneste kapillar-trykkmåling ved benyttelse av innretningen ifølge oppfinnelsen. For eksempel, dersom kjernen først evakueres og kvikk-sølv deretter presses gjennom kjernen inntil den er fullstendig mettet for å oppnå en fullstendig kvikksølv-kapillar-trykkurve, vil både det totale porevolum og volumet av hver subison bli oppnådd. Kvikksølvet kan innsprøytes i kjernen med hvilken som helst passende hastighet, for eksempel mindre enn 10 <5> cm 3 pr. sekund. Trykket måles med en nøyaktighet på bedre enn 1 del i 10 4, idet det benyttes en 16-bits analog/digital-omformer, mens volumet måles med en nøyaktig-het på minst 1 del i 10 6, og de målte verdier omformes til en digital størrelse. De nødvendige beregninger kan utføres i en liten datamaskin eller spesialisert prosessor. Da målingene er på digital form, vil det være en enkel sak for prosessoren å detektere en reduksjon i trykk som indi-kerer en rheon som vist på fig. 2. Prosessoren kan summere volumet inntil trykket igjen oppnår den verdi det hadde ved det tidspunkt da det kom inn i porerommet, for å bestemme det totale volum av alle subisoner. De resterende beregninger kan deretter lettvint utføres.

På fig. 3 er vist et instrument som er egnet for utførelse av de ovenfor omtalte målinger med den nødvendige nøyaktighet. Spesielt er det vist en prøveholder 10 som er dannet av to skålformede deler 11 og 12. De sammenpassende overflater 13 og 14 av de skålformede deler er slipt og polert slik at de vil danne en fluidumtett forsegling uten tilføyelse av noe tetningsmateriale eller pakninger. Til- • stedeværelsen av pakninger eller tetningsmateriale vil forår-sake feilaktige resultater da hulrommene i pakninger, såsom O-ringer, eller tetningsmaterialer kan bidra til volumet av de porerom som måles. For å bevirke tetning mellom dé to sammenpassende overflater, bør de to enheter boltes sammen idet spennkraften på boltene måles nøyaktig, f.eks. ved hjelp av skiftenøkler eller liknende anordninger. Prøvehol-deren er forsynt med en ledning 20 og en ventil 21 som er koplet til en kilde for passende vakuum (pilen V). Dette tillater prøveholderen og kjernematerialet å evakueres fullstendig før målingene startes. Forut for evakuering av kammeret og kjernematerialet må kammeret være fylt til et nivå 16 med et fluidum som skal benyttes til å oppnå kapillar-trykk-kurven.

En trykkforsterker 30 benyttes for å utøve trykk på det fluidum som benyttes ved kapillartrykkmålingene. Trykkforsterkeren er for eksempel en pumpe av stempeltypen med positiv fortrengning og som drives av en påvirknings-eller drivanordning 31. I en fordelaktig utførelse tar drivanordningen den roterende bevegelse fra hastighetsminskeren 32 og omformer denne til lineær bevegelse for å drive pumpe-enhetens stempel. Hastighetsminskeren drives på sin side av en synkronmotor 33 hvis rotasjon er bestemt av en aksel/ koder 34. Hastighetsminskeren bør ha en hastighetsreduksjon på ca. 1.000 til 1 ved benyttelse av en konvensjonell motor med et turtall på 3.600 omdreininger pr. minutt, og drivanordningen 31 bør omforme denne roterende bevegelse til en lineær bevegelse av stempelet som /tilveiebringer en fluidum-5 3

fortrengning på ca. 1 x 10 cm pr. sekund. Trykket i prøve-. holderen detekteres ved hjelp av en trykkomvandler 40 med en nøyaktighet på bedre enn 1 del i 10 4, idet signalet forsterkes minst 1.000 ganger ved hjelp av en forsterker 41. Det forsterkede signal tilføres til en 16-bits analog/digital-omformer 42 som omformer det analoge signal til et relatert, digitalt signal. Det digitale signal tilføres til både en datafangst- og databehandlingsenhet 43 og en digital/analog-omformer 44 hvis signal registreres på et registreringsapparat 45. Spesielt benytter digital/analog-omformeren 44 bare de første 10 biter av dataordet fra omformeren 42 for fremvisning på registreringsapparatet. Spesielt fremvises det 10-bits signal i full skala på registreringsapparatet, og ved opptreden av den ellevte bit i dataordet fra omformeren 42 tilbakestiller omformeren 44 registrerings-

apparatet til 0, slik at det på nytt kan benyttes i. full skala for fremvisning av de første fire biter av signalet - fra analog/digital-omformeren 42. Dette tilveiebringer i virkeligheten en nøyaktighet på 1 av 65.000 for de data som registreres på registreringsapparatet 45. Datafangst-og databehandlingsenheten 43 mottar også data fra akselkoderen 34 og kan utføre de beregninger som er beskrevet foran. Spesielt bør akselkoderen tilveiebringe et utgangssig-nal som står i forhold til motorakselens posisjon, hvilket, når det korreleres med det volum som leveres av trykkforsterkeren 30, tilveiebringer en total nøyaktighet på minst 1 del i IO<6>.

Dette system betjenes på stort sett samme måte som det system som er beskrevet i det foran nevnte patentskrift. Spesielt åpnes prøveholderen og kjernematerialet eller en annen prøve anbringes i prøveholderen, og deretter monteres prøveholderen. Prøveholderen fylles delvis med et fortreng-ningsfluidum, f.eks. kvikksølv, og evakueres deretter via ledningen 20. Etter evakuering økes trykket på kvikksølvet ved hjelp av forsterkeren 30 mens målingene utføres. Så snart målingene er oppnådd, kan de forskjellige egenskaper eller karakteristika til kjernematerialet som er beskrevet foran, lettvint beregnes.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av forskjellige egenskaper til en bergartprøve ved benyttelse av kvikksølv-kapil-lartrykkdata, KARAKTERISERT VED at den omfatter de trinn å forsterke kvikksølvmetningen som funksjon av kvikk-sølv-kapillartrykkdata, å måle volumet av hver "subison" Sv for å oppnå et totalt volum Tg av subison-poresystemer i de forsterkede data, å måle prøvens totale porevolum V , og å benytte målingene av subison-porésystemenes totale volum og det totale porevolum til å beregne prøveegenskapene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at restmetning3 en av en ikke-fuktende fase S nwrbestemmes ut fra uttrykket hvor V sT m er det totale subison-poresystemvolum, og V Per det totale porevolum av prøven.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, KARAKTERISERT VED at restmetningen bestemmes ut fra en gitt begynnelses metning Sj ut fra uttrykket

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at permeabiliteten k bestemmes ut fra uttrykket hvor <f> er prøvens porøsitet, V ^ er volumet av en gitt "rison", Nr er antallet av målte risoner, P^ er inngangstrykket til risonen, og V _ er det totale volum av risoner. a rT

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, KARAKTERISERT VED at Archie's litogiske eksponent m bestemmes ut fra uttrykket

6. Fremgangsmåte ifølge "krav 1-5, KARAKTERISERT VED at resistivitetsfaktoren F bestemmes ut fra uttrykket

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at kvikksølvet innsprøytes i kjernen med en hastighet på mindre enn 10 ^ cm^ pr. sekund.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at volumet av innsprøytet fluidum måles med en nøyaktighet på minst 1 del i IO6, og trykkes måles med en nøyaktighet 4 på minst 1 del i 10 .

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED at det målte trykk omformes til en digital størrelse ved benyttelse av en 16-bits analog/digital-omformer.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at trykket registreres som funksjon av tiden ved benyttelse av et registreringsapparat (strimmelskriver), idet trykket registreres ved benyttelse av bare noen av de første opptredende biter for full skala, og registreringsapparatet tilbakestilles til null hver gang en bit i den neste posisjon etter den første opptredende bit skifter verdi.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, KARAKTERISERT VED at bare de første ti biter registreres i full skala og registreringsapparatet tilbakestilles til null når en endring opptrer i den ellevte bit.

12. Innretning for oppnåelse av en kurve for metning som funksjon av trykk fra en bergartprøve, KARAKTERISERT VED at den omfatter en prøveholder (10) som er dannet av to skålformede deler (11, 12), idet de to skålformede deler er festet til hverandre for å danne en hul prøveholder, idet de sammenpassende overflater (13, 14) av de skålformede deler har slipte overflater for å danne en lekkasjetett forsegling, en pumpe (30) av stempeltype, en drivanordning (31) som er koplet til stempelpumpen (30), en volummålende anordning (34) som er koplet til pumpen (30) for digitalt å måle det volum som fortrenges av pumpen, en trykkomvandler (40) som er koplet til prøveholde-ren (10) for å måle trykket i prøveholderen og frembringe et elektrisk signal som er relatert til dette, en forsterkeranordning (41) som er koplet til trykkomvandleren (40) for å forsterke det elektriske signal, en analog/digital-omformer (42) som er koplet til trykkomvandleren (40) for å omforme det nevnte trykksignal til en digital størrelse, og en registreringsanordning (45), idet den volummålende anordning (34) og den digitale omformer (42) er koplet til registreringsanordningen (45).

13. Innretning ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at drivanordningen omfatter en motor (33) og ledeskrue for bevegelse av stempelpumpen (30), idet motoren (33) er koplet til en akselkoder (34) for å frembringe et digitalt signal som er relatert til stempelpumpens (30) posisjon.

14. Innretning ifølge krav 13, KARAKTERISERT VED at analog/digital-omformeren (42) er en 16-bits omformer.

15. Innretning ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED at omformeren (42) er koplet til en strimmelskriver for å registrere trykket med hensyn til volum.