Control for the granulometric composition and permeability of rocks by software and hardware methods.pdf Повышение экономической эффективности и конкурентоспособности в нефтяной и газовой промышленности невозможно без методов контроля гранулометрического состава горных пород и их проницаемости. Существует множество методов контроля характеристик исследуемого объекта. Одни и те же характеристики объекта могут контролироваться различными методами, каждый из которых выдает ошибку, заложенную в принцип реализации соответствующего метода, что уменьшает достоверность полученных данных. Существующие методики контроля не дают полного описания таких характеристик, как размер частиц, их формы, а также проницаемости горных пород, которые необходимо учитывать при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. В существующих методах контроля гранулометрического состава и проницаемости горных пород применяются эмпирические зависимости и поправочные коэффициенты, что затрудняет комплексно описывать характеристики материалов. В исследованиях Литвина И.Я. [1], Браславского Д.А. [2] и других авторов (например, [3-5]) используются методы комплексирования в различных областях науки и производства с целью увеличения достоверности получаемых характеристик исследуемых объектов. Комплексирование - процесс сочетания, объединения, создания комплексов. Как показывают исследования, оптимальное комплексирование методов позволяет повысить надёжность принимаемых проектных решений для организации контроля. Однако данные методы не используются для контроля процессов седиментации и определения проницаемости горных пород. Целью данного исследования является разработка контроля программно-аппаратными способами гранулометрического состава осадочных горных пород и их проницаемости. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи: 1) исследовать влияние комплексирования на контроль процессов осаждения частиц и определения проницаемости горных пород; 2) разработать программно-аппаратный измерительный комплекс для анализа гранулометрического состава горных пород на основе комплексирования методов микроскопии и седиментации для увеличения точности гранулометрического анализа и программно-аппаратный измерительный комплекс для анализа проницаемости горных пород, особенностью которого является контроль за расходом жидкости в расширенном диапазоне (0,0001-30 мл/мин) и поддержанием разности давления в созданном комплексе; 3) разработать практические рекомендации по использованию программно-аппаратных комплексов для контроля гранулометрического состава и проницаемости горных пород. Основная часть Теоретический анализ методов определения гранулометрического состава частиц и проницаемости горных пород выявил ряд преимуществ и недостатков. Каждый метод с позиции контроля имеет свое преимущество [6]. Очевидными преимуществами рассмотренных методов являются: достоверность визуализации (метод микроскопии); широкий диапазон измеряемых размеров частиц (ситовой и дифракционный методы); быстрота расчета (дифракционный метод); простота методов (метод седиментации). К существенным недостаткам этих методов следует отнести предположение о сферичности частиц, что влияет на точность определения их размеров, а также на физико-химические свойства исследуемых образцов и недостаточную точность измерений проницаемости для низкопроницаемых пород. Принцип седиментационного метода анализа дисперсности лег в основу различных измерительных приборов, отличающихся методами реализации. Для данного исследования выбрана модель седиментации из стартового слоя, которая обеспечивает осаждение с одной высоты всех частиц анализируемой пробы порошка. В результате фиксируются все, даже самые крупные частицы, которые при обычных методах седиментационного анализа успевают достигнуть дна кюветы до начала измерений. Данная модель реализована в измерительном приборе «Весовой седимен-тометр ВС-4» [7]. Однако его использование имеет ряд ограничений: - Связь проходит в жесткой привязке к персональному компьютеру с операционной системой (ОС) Windows. Данная операционная система не обеспечивает точной привязки к реальному времени. Например, пользователю необходимо получать информацию с частотой один раз в секунду. ОС выполняет ряд своих функций и задачу пользователя. Если ОС занята выполнением другой задачи, то происходит передержка сигнала, что ведет к искажению времени (вместо 1 с -может пройти 1,5 с). - Данная сборка лишена возможности контролировать среду осаждения, например температуру жидкости, в которой происходит анализ, что вносит большие ограничения в эксплуатационные характеристики прибора. - Калибровка прибора осуществляется пользователем прибора, которому необходимо знать физический принцип его построения, что требует дополнительного времени для обучения. - Аппаратная часть прибора разрабатывалась около 2o лет назад. В настоящее время точность микросхем, а также интерпретация сигналов улучшена. В исследовании процессов, происходящих при добыче нефти, кроме важнейшего параметра - размера частиц горной породы, необходимо учитывать способность горной породы пропускать к забоям скважин нефть или газ при перепаде давления. Такая способность характеризуется проводимостью коллектора (горная порода, содержащая пустоты (поры, каверны или системы трещин) и способная вмещать и фильтровать флюиды (нефть, газ, воду)) и называется проницаемостью горной породы. В существующих нефтяных пластах при сравнительно небольших перепадах давлений) многие породы, из-за малых размеров пор, оказываются практически малопроницаемыми или совсем непроницаемыми для жидкостей и газов (глины, сланцы и др.). Для таких пород существует недостаточное количество прямых методов контроля. Пути решения выявленных проблем Проведенный анализ работ показал, что перспективным методом является метод, основанный на комплексировании измерительных устройств, комплексиро-вании имеющейся информации с целью минимизирования ошибки оценивания полученного результата. Наибольшее количество исследований с использованием необходимости комплексирования связаны с методами изучения земных недр и видов геофизических комплексов, что связано с разнообразием разведываемых объектов, многообразием их свойств и связей, и геологическая эффективность при их изучении тем выше, чем более широким будет комплекс. Возрастание количества комплексируемых методов является условием достоверности контроля. На основании проведенного анализа научно-методических исследований и методик комплексирования в различных областях применения предлагается его классификация по методикам использования (рис. 1). Данная классификация позволяет выбирать ту или иную модель комплексиро-вания в зависимости от целей решаемой задачи. Рис. 1. Классификация комплексирования по методикам использования Характеристика моделей, представленных на рис. 1. Кластер «Уточнённая модель» (рис. 2) подставляет собой внедрение характеристик одной модели в другую, тем самым увеличивая точность исходной модели. Рис. 2. Улучшенная модель В кластере «Модель с новыми свойствами» (рис. 3) в результате комплексиро-вания получаемая модель обладает хотя бы одним свойством, отличным от свойств в исходных моделях. Рис. 3. Модель с новыми свойствами Кластер «Реализация» (рис. 4) получается в результате комплексирования с её программной или программно-аппаратной реализацией при выполнении условия, что программная не влияет на свойства модели, но может уточнять качество модели. Рис. 4. Комплексирование модели с программной реализацией Предложенная классификация позволяет, в зависимости от решаемой задачи повышения точности, выбрать объекты комплексирования. На основании представленного в литературе физико-математического описания процессов седиментации предлагается использование одного из кластеров комплексирования «Модель с новыми свойствами». С этой целью используется уравнение Розина - Раммлера - Беннета [8] путем преобразования получаемой информации в аппаратной части с целью создания алгоритма для машинной обработки данных о гранулометрическом составе с учетом формы частиц, в том числе отличной от шарообразной. В работе [9] представлен алгоритм нахождения коэффициентов для уравнения Розина - Раммлера - Беннета, зная которые, можно найти следующие величины: - медиану полученного распределения; - удельную поверхность частиц с учетом их форм; - дифференциальное распределение частиц по размерам; - интегральную функцию распределения частиц по размерам; - массовую долю частиц по фракциям в процентном соотношении; - количество частиц в процентном соотношении; - коэффициент формы для каждого диапазона измерений. Представленный метод анализа гранулометрического состава, с позиции преобразования получаемой информации с аппаратной части прибора, является наиболее применимым в качестве метода для алгоритмизации процедуры и аппаратной обработки данных для данного прибора, а также при использовании данных, полученных методом микроскопии. Появляется возможность измерять коэффициент формы частиц (что невозможно было определить отдельными методами) и увеличить точность расчета удельной поверхности частиц. Это позволяет более подробно рассматривать фильтрационные свойства горной породы. Разработанный программно-аппаратный комплекс для анализа гранулометрического состава горных пород позволяет определять коэффициент формы частиц и учитывать её при анализе. С этой целью была улучшена аппаратная часть прибора «Весовой седиментометр ВС-4». В разработанной аппаратной части использован датчик температуры для контроля среды осаждения, в которой происходит анализ, что позволяет исключить большие ограничения в эксплуатационные характеристики прибора. Калибровка разработанного программно-аппаратного комплекса осуществляется автоматически, что позволяет случайную погрешность при проведении измерений заменить на статическую погрешность прибора, которую программная часть комплекса учитывает. За процесс сбора и обработку информации отвечает микроконтроллер с операционной системой с жесткой привязкой времени, что позволяет осуществлять достоверный контроль времени. Общая схема комплекса представлена на рис. 5. Рис. 5. Блок-схема аппаратной части комплекса для анализа гранулометрического состава Для разработанной аппаратной части создан программный комплекс, который позволяет: • вести запись полученных результатов; • производить калибровку в автоматизированном режиме (при необходимости калибровки программа спрашивает у пользователя производить ли её); • производить расчет гранулометрического состава по трем методам: - методу Розина - Рамлера - Беннета (для его использования достаточно данных, полученных с прибора); - комплексирования данных с использованием метода Розина - Рамлера - Бен-нета (для его использования необходимы данные как с седиметометра, так и с микрокроскопа); - вариационного ряда (для его использования необходимы данные с микроскопа) [10]. Полученный комплекс позволяет учесть коэффициент формы частиц горных пород и учитывать его при анализе гранулометрического состава, а также определять более достоверные характеристики исследуемого образца горной породы. На основании характеристик кластеров объектов комплексирования с выделением их свойств, описанных выше, создан комплекс программной и аппаратной части прибора, которая позволяет определять проницаемость у низкопроницаемых горных пород (рис. 6). Данный комплекс состоит из пяти датчиков давления, блока управления плунжерами, а также двух плунжеров, каждый из которых имеет шаговый двигатель и два концевика. 0 0 0 0 Адаптер Рис. 6. Блок-схема электрической части комплекса для анализа проницаемости Для работы с данным комплексом разработано программное обеспечение, позволяющее: - задавать скорость прокачки жидкости; - получать данные каждую секунду со всех датчиков давления; - отображать графически положение плунжера в реальном времени; - отображать полученные данные в виде графиков; - задавать режим поддержания давления в системе с учетом критического давления; - вести запись всех полученных результатов, а также обрабатывать их в ходе анализа. В процессе использования полученного программно-аппаратного комплекса были отмечены его преимущества: - расширение диапазона скорости подачи жидкости от 0,0001 до 30 мл/мин; - возможность автоматического поддержания перепада давления или избыточного давления в гидравлической системе при использовании пяти датчиков давления в составе одноплунжерного насоса и системы фильтрации установки; - реализация единой системы сбора и подготовки данных к анализу, что позволяет вести запись полученных результатов в реальном времени. Таким образом, реализация методов комплексирования позволяет осуществлять более достоверный контроль горных пород путем учета несферичности частиц при анализе гранулометрического состава, а также увеличивать диапазон измерений проницаемости при анализе горных пород. Сравнение экспериментальных данных Сравнение экспериментальных данных определения гранулометрического состава горных пород, полученных с прибора «Весовой седиментометр ВС-4», и данных, полученных с разработанного программно-аппаратного комплекса, с позиции несферичности показало, что, как видно из таблицы, форма частиц в «Весовом седиментометре ВС-4» одинакова во всех диапазонах измеренных частиц, в то время как в разработанном комплексе форма частиц при изменении диапазона меняется (близка к сфере). Сравнение критерия формы в приборах Диапазон размера Коэффициент формы частиц, мкм «Весовой седиментометр ВС-4» Разработанный комплекс 3/0 0 0,0638 5/3 0 0,0869 7/5 0 0,0302 10/7 0 0,0803 14/10 0 0,027 18/14 0 0,0361 20/18 0 0,0345 22/20 0 0,014 24/22 0 0,0217 26/24 0 0,0244 28/26 0 0,0246 Данный параметр (коэффициент формы) значительно влияет на удельную поверхность частиц, которая является важным параметром для расчета остаточных нефтяных запасов при прогнозировании добычи нефти. Диапазон исследованных размеров частиц - 1-60 мкм, а воспроизводимость и достоверность результатов находится в пределах 5 % погрешности (по t-критерию Стьюдента), при этом точность созданного комплекса возросла на 2 % относительно получаемого гранулометрического распределения размеров частиц. Результаты расчета показывают, что с уменьшением задаваемого расхода жидкости для измерения проницаемости погрешность разработанного комплекса уменьшается (рис. 7). 3 0,5 0 10 20 30 40 Расход жидкости, мл/мин Рис. 7. Зависимость погрешности измерений от задаваемого расхода жидкости В настоящее время для измерения проницаемости горных пород используются приборы с диапазоном расхода жидкости от 0,001 до 30 мл/мин. Разработанный комплекс позволяет задавать расход жидкости от 0,0001мл/мин и проводить анализ низкопроницаемых горных пород (нижняя граница измерений в 10 раз меньше, чем в существующих приборах, используемых в нефтяной промышленности). Выводы В исследовании получены следующие основные результаты: - впервые исследовано влияние комплексирования на контроль осаждения частиц, что позволило создать методику комплексирования гидродинамического и геометрического методов контроля размера частиц; - разработан и внедрен метод комплексирования способов анализа гранулометрического состава (методы седиментации и микроскопии), что позволило учитывать форму частиц, отличную от шарообразной, с целью повышения точности измерений (на 2 %). На основе полученного метода разработан программно-аппаратный измерительный комплекс для анализа гранулометрического состава горных пород. Полученный комплекс позволяет анализировать размер частиц с учетом их формы в диапазоне от 1 до 60 мкм экспресс-методом. Воспроизводимость и достоверность результатов лежит в пределах 5 %-й погрешности (по t-критерию Стьюдента); - разработан и внедрен программно-аппаратный измерительный комплекс для контроля определения проницаемости горных пород, что позволило задавать расход жидкости в 10 раз более точно с погрешностью не более 1%; - разработаны и внедрены практические рекомендации по использованию созданных программно-аппаратных комплексов.

Скачать электронную версию публикации