NO318632B1 - Fremgangsmate for evaluering av fysiske parametere til et undergrunnsreservoar fra borekaks tatt derfra - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for evaluering av den absolutte permeabilitet i en sone i et undergrunns hydrokarbon-reservoar fra bergartsprøver tatt fra denne sonen, slik som borekaks frembrakt under brønnboringsoperasjoner.

De aktuelle petroleumsforhold får operatører til å interessere seg for nye soner (dypt til havs) og i nye typer reservoarer (marginale strukturer nær eksister-ende overflateinstallasjoner). På bakgrunn av borekostnader forbundet med det vanskelige miljøet til disse nye oppdagelser eller med den begrensede størrelse av visse strukturer, kan operatører ikke lenger tillate seg å bore komplementære evalueringsbrønner uten å ta risikoen på å ødelegge prosjektets økonomiske leve-dyktighet. Utviklingen som fastsettes før produksjonen begynner, er derfor mindre streng for å muliggjøre "sanntids" tilpasning til beskaffenheten av den informasjon som innsamles som et resultat av produksjonsbrønnboring, noe som kalles en evalueringsutvikling.

Petrofysiske målinger spiller en nøkkelrolle ved evalueringen av kvaliteten til et reservoar. Forsinkelser forbundet med denne type målinger er imidlertid ofte meget lange og dermed in kompatible med den reaksjonsevne som er nødvendig for at slike evalueringsutviklinger skal lykkes. Nye, hurtigere og mindre kostbare evalueringsmåter blir derfor søkt som støtte for beslutningstagningen.

Borekutt ført sammen med slammet er blitt underkastet undersøkelser på stedet i lang tid. De blir utført av de lag som er ansvarlige for slamloggingsopera-sjoner, og de er hovedsakelig ment å komplettere beskrivelsen av de geologiske lag som krysses under boring, som blir utført fra logger.

Det er allerede blitt utført arbeider for å evaluere petrofysiske egenskaper fra borekutt. Akustiske egenskaper vedrørende S- og P-bølger er f.eks. blitt målt. Forskjellige parametere har også blitt undersøkt, slik som hardheten og deforma-sjonen til bergartsfragmenter, eller deres porøsitet og permeabilitet.

I henhold til en første kjent fremgangsmåte for permeabilitetsmåling blir bergartsfragmentet først belagt med harpiks. En tynn skive blir skåret ut fra den belagte bergartsprøven og anbrakt i en målecelle. Den omfatter anordninger for å injisere et fluid undertrykk ved en regulert strøm ni ngshastighet og anordninger for å måle det trykkfall som skapes av prøven. Siden harpiks er ugjennomtrengelig, blir den absolutte permeabilitet utledet fra Darcys ligning ved å ta hensyn til det virkelige overflateareal som opptas av borekuttene.

Denne fremgangsmåten er f.eks. beskrevet av:

- Santarelli F.J. et al; "Formation evaluation from logging on cuttings", SPERE, juni 1998, eller - Marsala A.F. et al; "Transient Method Implemented under Unsteady State Con-ditions for Low and Very Low Permeability Measurements on Cuttings"; SPE/ISRM nr. 47202, Trondheim, 8-10 juli, 1998.

Denne type målinger kan bare oppnås i laboratoriet etter lange borekutt-behandlingsoperasjoner.

En annen fremgangsmåte er basert på en NMR-måling (kjernemagnetisk resonansmåling) som utføres direkte på borekuttene etter forutgående vasking fulgt av saltlakemetning. Denne type måling gir en direkte utnyttbar porøsitets-verdi. Permeabiliteten K blir bestemt ved hjelp av korrelasjoner av samme type som benyttes i forbindelse med NMR-logging.

En illustrasjon på denne fremgangsmåten kan finnes i følgende dokument: - Nigh E. et al; P-K™: "Wellsite Determination of Porosity and Permeability Using Drilling Cuttings", CWLS Journal, vol. 13, nr. 1, des. 1984.

Formålet med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er å evaluere fysiske parametere slik som den absolutte permeabiliteten i porøse bergarter i en under-grunnsreservoarsone fra bergartsfragmenter (f.eks. borekaks) tatt fra denne sonen.

Fremgangsmåten omfatter:

å dykke fragmentene ned i et viskøst fluid som befinner seg i et kar,

et injeksjonstrinn inn i karet, av det viskøse fluid under et trykk som øker med tiden, opp til en bestemt trykkterskel for å komprimere den gass som er innfanget i porene i bergarten,

et relaksasjonstrinn etter stans av injiseringen,

å måle utviklingen av trykket i karet under de to injeksjons- og relaksasjons-trinn,

å modellere utviklingen av trykket under injeksjons- og relaksasjons-prosessen ut fra innledende verdier valgt for de fysiske parameterne til fragmentene, og

et trinn med iterativ regulering av de fysiske parameterverdier for bergartsfragmentene slik at den modellerte evaluering blir best justert til den målte trykkutvikling i karet.

I henhold til omstendighetene kan karet fylles med borekaks som er invadert av borefluider eller som er renset tidligere.

Anordningen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å evaluere fysiske parametere slik som den absolutte permeabiliteten til porøse bergarter i en undergrunns-reservoarsone fra bergartsfragmenter tatt fra denne sonen. Den omfatter hovedsakelig:

et kar som inneholder porøse bergartsfragmenter,

en anordning for å injisere et viskøst fluid inn i karet for først å fylle karet som inneholder bergartsfragmentene, og for å utføre en syklus som omfatter et trinn med injeksjon inn i karet av fluid under et trykk som øker med tiden (fortrinns-vis ved en konstant strømningshastighet for å lette måling av det injiserte fluidvo-lum), opp til en forutbestemt trykkterskel, og så å komprimere den gass som er innfanget i porene i bergarten, og et relaksasjonstrinn etter stans av injiseringen,

en anordning for å måle utviklingen av trykket i karet under de to injeksjons-og relaksasjons-trinn, og

et behandlingssystem for å modellere utviklingen av trykket under injeksjons- og relaksasjons-prosessen fra innledende verdier valgt for de fysiske parameterne til bergartsfragmentene, og for iterativ regulering av verdiene som skal gis til disse fysiske parameterne slik at den modellerte trykkutvikling på best måte blir justert til den målte trykkutvikling i karet.

Injeksjonsanordningen omfatter f.eks. en pumpe som injiserer vann ved en konstant strømningshastighet inn i et trykkammer med en olje med høy viskositet som kommuniserer med karet gjennom ventiler.

Fremgangsmåten er tilfredsstillende for bergarter med meget forskjellige permeabiliteter i området fra noen millidarcy til flere hundre millidarcy. I betraktning av det begrensede overflateareal som opptas ved implementeringsanordnin-gen og den hastighet med hvilken målingene og reguleringene mellom de teoretiske data og de eksperimentelle data kan utføres, egner fremgangsmåten seg spesielt godt for feltforhold. Det er således mulig å tenke seg måling og tolkning direkte på stedet innenfor et meget kort tidsrom, som det ikke er mulig å sammen-ligne med de som kreves for å frembringe ekvivalente resultater ved hjelp av labo-ratoriemetoder. Dette åpner for interessante muligheter med hensyn til karakteri-sering siden den nye informasjonskilden kan settes i nyttig bruk som en støtte for tolkning av elektriske logger og for å forfine evaluering av en brønn uttrykt ved pro-duksjonspotensial.

Andre trekk og fordeler ved fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av ikke begrensende eksempler, under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor:

fig. 1 skjematisk viser anordningen,

fig. 2 skjematisk viser strukturen til borekaks eller en partikkel fra en porøs bergart hvor virkningene av injeksjonen av et fluid med høy viskositet, slik som olje, er modellert,

fig. 3a til 3c skjematisk viser variasjonskurvene for det trykk som hersker i karet i anordningen på fig. 1 under injeksjons- og relaksasjons-trinnene for fire forskjellige bergarter,

fig. 4 viser samsvaret mellom de permeabiliteter som er fremskaffet for fire bergartspartikler ved hjelp av konvensjonell kjernetesting og ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og

fig. 5a til 5d viser, for de foregående fire bergarter, den nøyaktighet som kan oppnås ved justering av de modellerte trykkurver i relasjon til de eksperimentelle kurver.

Som nevnt ovenfor omfatter bestemmelse av fysiske parametere i bergarter, slik som f.eks. deres absolutte permeabilitet, hovedsakelig tre trinn: I) et trinn for innsamling av eksperimentelle målinger av trykkvariasjonene fra borekaks, som leder til eksperimentelle kurver,

II) et trinn for modellering av de fysiske fenomener som opptrer i borekaksen under denne driftssyklusen for vilkårlige verdier av den søkte fysiske parame-ter (permeabiliteten K) som inngår i modellen, for å gjøre det mulig å etablere lign-ende teoretiske kurver, og

III) et justeringstrinn hvor verdiene som skal gis de fysiske parametere som inngår i modellen, blir bestemt for å oppnå best mulig justering av de eksperimentelle kurver og de teoretiske kurver.

I) Innsamling av målinger

Det første trinn blir utført ved hjelp av en anordning som vist skjematisk på fig. 1. Den omfatter et kar 1 i hvilket borekaksen først blir innført. En vannpumpe 2 med konstant leveringshastighet kommuniserer gjennom en ledning 3 med bun-nen av en svingetank 4 som inneholder en olje med høy viskositet. Den motsatte ende av svingetanken 4 kommuniserer med første ende av karet 1. En rekke ventiler V1 til V4 muliggjør selektiv kommunisering mellom karet 1 og svingetanken 3 som inneholder oljen og en tømmeledning 4, og isolering av disse. Den motsatte ende av karet 1 kommuniserer via en isoleringsventil V5 med en separator 6. Tom manometere 7, 8 er henholdsvis forbundet med de motstående ender av karet 1. Trykkvariasjonene som måles ved hjelp av manometerne 7, 8 blir innhentet ved hjelp av en datamaskin 9.

Karet blir først fylt med borekaks. Sistnevnte kan være borekaks som er umiddelbart tilgjengelig på stedet, dvs. invadert av boreslam og gass frigjort ved dekomprimering.

Det er også mulig å bruke borekaks som er tilgjengelige etter rensing hvor alle fluidene på forhånd er fjernet. I tilfeller hvor karet 1 er fylt med renset borekaks, blir helium som kommer fra en flaske 5, injisert for å fordrive den luft som befinner seg i karet.

Karet 1 blir så fylt med olje med høy viskositet. Oljen opptar det frie rom mellom borekaksen, og den siver også inn i bergarten ved spontan absorpsjon. En avgassingsprosess inntreffer hvis intensitet og varighet avhenger av beskaffenheten til bergarten (hovedsakelig dennes porøsitet). Denne avgassingsprosessen påvirker bare en del av gassen. Et visst restvolum forblir innfanget i borekaksen i form av isolerte klynger.

En oljeinjeksjon blir så utført (ved f.eks. en konstant injeksjonshastighet for lett å måle den oljemengde som har funnet veien inn i porene i bergarten) med et gradvis trykkøkningstrinn (del C1 av trykkurven) mens den restgass som er innfanget i porene, blir komprimert. Når trykket når en forutbestemt terskel Pm, blir oljein-jiseringen stanset. Det finner da sted en stabilisering. Fluidene har en tendens til å utbalansere seg i borekaksen, og en langsom retur til trykklikevekt (del C2 av

trykkurven) blir observert.

Fig. 3a til 3d viser eksempler på utvikling av det trykksignal som observeres for borekaks fra fire forskjellige bergarter med en strømningshastighet på

480 cc/h. Uansett den betraktede bergart blir den samme generelle trykkutvikling observert. En progressiv økning blir observert under injeksjonstrinnet når restgas-sen komprimeres. Den tid som kreves for å øke trykket med 5 bar, ligger i henhold til bergartene i området fra 15 til 40 sekunder, avhengig av det innledende innfangede gassvolum. Så snart injiseringen stanses, minsker trykket. Selv om denne minskningen er betydelig for bergartene 1 og 2, forblir den mer moderat for bergartene 3 og 4. En gradvis stabilisering av signalet kan observeres over lengre tid.

II) Modellering

Formålet med denne modelleringsprosessen er å oppnå et estimat av permeabiliteten K ut fra trykkmålingene.

Borekaksen antas å være av homogen størrelse og med sfærisk form, og gassen antas å være perfekt. Trykkfallet forbundet med viskositeten til gassen, kan ignoreres i forhold til oljens viskositet i betraktning av forskjellen mellom disse viskositetene. Den restgass som er innfanget i borekaksen etter spontan absorpsjon av oljen, har form av isolerte klynger som er homogent fordelt. Kapillartrykket antas også å være neglisjerbart.

I betraktning av den sfæriske formen av borekaksen vil man på bakgrunn av en kappe med tykkelse dr (fig. 2) beregne utviklingen av trykket ved grensen til bergartspartikkelen når en oljestrøm q blir injisert.

Man antar at den totale strømningshastighet Q for det injiserte fluid er likt fordelt blant de N bergartspartikler, og at hver og én mottar en strømningshastig-het q = —Q. Gassloven gjør det mulig å utlede den lokale gassmetning Sg fra det

Po

øyeblikk hvor trykket P: Sg = Sgo — er kjent (Po er oljens trykk). En materialbal-anse blir utført på oljen i kappen. Akkumuleringen er lik forskjellen mellom inn-strømningen og utstrømningen. Fra dette utleder vi derfor:

Siden utleder vi at: Siden og kapillartrykket dessuten kan antas å være neglisjerbart, noe som gir P0 = Pgas = P, kan den foregående ligning skrives på følg-ende måte:

Fra dette følger at:

Vi kan således fremskaffe den konvensjonelle formen til en ligning av diffu-sjonstypen med et 1/P<2->akkumuleringsfaktoruttrykk som skyldes gassens kompri-merbare beskaffenhet.

I sfæriske koordinater er Laplacian-transformasjonen lik

Den løsning som skal løses, blir til slutt skrevet på følgende måte:

Når den injiseres, fordriver oljen luften i det frie rom mellom borekaksen og den finner veien inn i bergarten ved spontan absorpsjon. Til tross for visse for-holdsregler kan et visst volum av gassen forbli utenfor som et resultat av den ujevne formen av borekaksen. Dette innfangede volum (Vgp) har en direkte effekt på den generelle formen til trykkresponsen, og det må tas i betraktning i løsningen.

En viss komprimerbarhet som skyldes forsøksanordningen må også tas i betraktning. Den skyldes karet, ledningene samt egenskapene til oljen. Den ekvivalente komprimerbarhet som observeres, er i størrelsesorden 0,0005 bar'<1>.

Siden den benyttede olje er mettet med gass ved atmosfæretrykk, opptrer oppløsningsfenomener når trykket øker under måling. Disse aspektene blir tatt hensyn til ved å innføre en diffusjonsparameter som uttrykker molekylutvekslingen ved gass/olje-grenseflaten.

Diffusjonsligningen blir løst ved hjelp av den endelige differansemetode

med et eksplisitt mønster og ved å anvende grensebetingelsen i tid P(r,0)=Patm og

Konvergensprøven på Pext er basert på en

sammenligning mellom metningen i gass som er igjen i bergartspartikkelen og den verdi som oppnås ved volumbalanse fra den injiserte oljemengde.

Løsning av diffusjonsligningen under relaksasjonsperioden er identisk. Bare prøvebetingelsen endres siden injeksjonstrinnet fører til opprettholdelse av gass-volumet i bergartspatrikkelen.

Ill) Justering av modellen til de eksperimentelle resultater

Modellen blir implementert i en kalkulator slik som datamaskin 9 (se fig. 1), i form av en programvare og er inkludert i en iterativ optimaliseringssløyfe. Modellen blir "kjørt" med a priori verdier valgt for permeabilitet K, faktorene d> og Sgo som inngår i ligning 2 ved sitt produkt, idet den resulterende simulerte trykkurve blir sammenlignet med den eksperimentelle kurve, og ved suksessive iterasjoner hvor de forutgående verdier blir endret i modellen for derved å gjøre det mulig å finne den beste justering av den teoretiske kurve og den eksperimentelle kurve.

Fig. 5a til 5d viser det samsvaret som hurtig oppnås ved suksessive iterasjoner mellom den teoretiske kurve og den eksperimentelle kurve for de foregående fire bergartsfragmenter. Som man også kan se på fig. 4, er de resultater som oppnås ved å anvende fremgangsmåten ganske sammenlignbare for de fire bergarter, med de som er oppnådd i laboratoriet etter lange behandlingstider ved bruk av konvensjonelle metoder.

Denne modelleringsprosessen er programmert i en kode som gjør det mulig å justere eksperimentene ved prøving og feiling og derved utlede den tilsvarende verdi av K.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for evaluering av fysiske parametere, slik som den absolutte permeabiliteten til porøse bergarter i en sone i et undergrunnsreservoar, fra fragmenter tatt fra denne sonen, karakterisert ved: å neddykke fragmentene (F) i et viskøst fluid som befinner seg i et kar (1), et injeksjonstrinn inn i karet av dette fluidet under et trykk som øker med tiden opp til en forutbestemt trykkterskel for å komprimere den gass som er innfanget i porene i bergarten, et relaksasjonstrinn med stopp av injeksjon, å måle utviklingen av trykket i karet (1) under de to injeksjons- og relaksasjons-trinn, å modellere utviklingen av trykket under injeksjons- og relaksasjons-prosessen fra innledende verdier valgt for de fysiske parameterne til fragmentene (F), og et trinn med iterativ justering av verdiene av de fysiske parameterne til bergartsfragmentene slik at den modellerte utvikling på best mulig måte blir justert til den målte utvikling av trykket i karet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at karet er fylt med borekaks invadert av borefluider.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at karet blir fylt med borekaks som er blitt renset på forhånd.

4. Anordning for evaluering av fysiske parametere slik som den absolutte permeabiliteten til porøse bergarter i en sone i et undergrunnsreservoar, fra bergartsfragmenter tatt fra denne sonen, karakterisert ved: et kar (1) for porøse bergartsfragmenter (F), en anordning, {2, 3) for å injisere et viskøst fluid inn i karet {1) for først å fylle karet som inneholder bergartsfragmentene og så å utføre en syklus som omfatter et trinn for injeksjon av fluidet inn i karet under et trykk som øker med tiden, opp til en forutbestemt trykkterskel (Pm), for å komprimere den gass som er innfanget i porene i bergartsfragmentene, og et relaksasjonstrinn med injeksjonsstopp, en anordning (7, 8) for å måle utviklingen av trykket i karet 1 under injeksjons- og relaksasjons-trinnene, og et behandlingssystem (9) for å modellere utviklingen av trykket under injeksjons- og relaksasjonsprosessen fra innledende verdier valgt for de fysiske parameterne til bergartsfragmentene, og for iterativt å justere verdiene som skal gis til disse fysiske parameterne, slik at den modellerte trykkutvikling best mulig blir justert til den målte trykkutvikling i karet.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at injeksjonsanordningen omfatter en pumpe (2) som injiserer vann ved en konstant strømningshastighet inn i en svingetank (3) fylt med olje av høy viskositet.