3.12 Физически основы вытеснения нефти водой

Источники пластовой энергии

Известно, что приток жидкости из пласта в ствол скважины происходит в том числе за счет проявления упругих сил скелета пласта и насыщающих пористую среду флюидов. Возмущение статического состояния пластовой системы, вызванное пуском скважины в эксплуатацию за счет создания забойной депрессии, передается сначала на близлежащие зоны, затем зона влияния (воронка депрессии) увеличивается и может стабилизироваться, или процесс может сопровождаться распространением зоны влияния в законтурную часть - в водонапорную систему.

В зависимости от геологического строения залежи (типов залежей нефти) источниками пластовой энергии могут быть:

1. упругость сжатых пород;

2. напор краевых (или подошвенных) вод;

3. напор газа, сжатого в газовой шапке;

4) энергия газа, растворенного в нефти (и в воде) и выделяющегося из них при снижении текущих пластовых давлений ниже давления насыщения;

5) гравитационная энергия самих пластовых флюидов;

6)энергия закачиваемой воды при ППД.

Возможно проявление нескольких источников энергии, но в группе сил может проявляться действие преимущественно одного или двух источников энергии.Поэтому было введено понятие режима работы нефтяной залежи (пласта). Можно выделить две основные группы режимов: естественные (режимы истощения) и искусст­венные (напорные режимы). В зависимости от типов залежей характер правления и смены режимов могут быть различными. Однако во всех слу­чаях - ведется ли освоение месторождения без ППД или процесс освоения его сопровождается развитием системы заводнения - неизбежно проявле­ние упругого режима.

Для нефтяных залежей при разработке на истощение смена режимов проявляется в следующей последовательности:

1. упругий режим;

2. упруговодонапорный;

3. водонапорный (при активной законтурной зоне, при хорошей гидродинамической связи между законтурной и внутриконтурной зонами);

4. режим вытеснения газированной нефти водой, когда текущее пластовое давление ниже давления насыщения (для приконтурных зон), и ре­жим растворенного газа (для внутренних зон залежей);

5. гравитационный режим.

В случае газонефтяных залежей порядок смены режимов происходит по схеме:

1. упругий режим в зонах дренирования;

2. упруговодонапорный в приконтурной зоне (режим вытеснения газированной нефти водой);

3. газонапорный во внутренних зонах залежи (точнее, режим вытеснения газированной нефти газом);

4. режим растворенного газа (сначала во внутренних участках зале­жи);

5. гравитационные режимы.

При закачке воды в пласт (газовые репрессии в отечественной прак­тике не используются) смена режимов происходит по схеме:

1. упругие режимы;

2. режимы вытеснения нефти водой в нефтяных залежах и вытесне­ния

3. газированной нефти водой в газонефтяных.

Доля каждого источника энергии контролируется боль­шим числом геологических и физических факторов.

Движение флюидов сопровождается в пластах при любых режимах проявлением сил, противодействующих процессу вытеснения. Запасы пла­стовой энергии расходуются на преодоление сил вязкостного трения при прохождении потоков через пористую среду к забоям скважин, а также на преодо­ление капиллярных и адгезионных сил.

Гидравлические сопротивления во время движения жидкости в по­ристой среде пропорциональны скорости потока и вязкости жидкости. Эти сопротивления в пористой среде имеют свои особенности. Во-первых, опыт разработки показал, что в зонах контактов не происходит фронтального раздельного движения нефти и воды (у ВНК), нефти и газа (у ГНК), как правило, наблюдается совместное движение смесей.

Капилляры пористой среды играют роль диспергаторов, разбивая флюиды на столбики и шарики (глобулы), которые способны закупоривать поры пласта вследствие проявления капиллярных сил. Механизм проявле­ния последних можно объяснить на примере элементарного капилляра (рис. 73). Пусть в капилляре, смоченном водой, находится столбик (четка) нефти. Под действием капиллярных сил столбик нефти будет стремиться принять шарообразную форму, оказывая при этом давление Р на пленку воды между стенками капилляра и столбиком нефти, которые можно оценить по формуле

EMBED Equation.3 (3.31)

где σ - поверхностное натяжение на границе «нефть – вода»;

R - радиус сферической поверхности столбика нефти;

r - радиус ее цилиндрической поверхности.

Под действием давления, развиваемого менисками, происходит отток жидкости из слоя, отделяющего столбик нефти от стенок капилляра, до тех пор, пока пленка не достигнет рав­новесного состояния.

Эти пленки, как показали исследования, обладают аномальной вязкостью, поэтому они в процессе движения практи­чески не участвуют.

Рисунок - 3.9. Схема деформации четки (столбика) нефти при ее сдвиге в капилляре

Такое свойство пленок вызывает «задержку» в движении столбика неф­ти и выражается в деформировании менисков на фронтальной и тыловой границе четки нефти с водой (пунктирные линии на рисунок 3.9).

Сдвиг столбика возможен при преодолении капиллярного давления. Для левого и правого менисков, на приведенном рисунке 3.9 оно составит:

EMBED Equation.3 (3.32)

Этот процесс может развиваться как при диспергировании нефти в воде, так и газа в воде. Он сопровождается появлением дополни­тельных сопротивлений при движении водонефтяных и газожидкостных систем через пористые среды. Впервые эти явления были описаны и ис­следованы французским ученым Жаменом и названы эффектом под его именем.

Эффекты Жамена возникают также при фильтрации газоводонефтяных смесей через пористые среды. Следует иметь в виду, что флюиды в пластах движутся через поры переменного сечения. В капиллярах большего сечения диспергированная фаза принимает форму глобул, которые, двигаясь к сечениям меньшего размера, должны быть деформированы для прохождения (проталкивания) через зауженные капилляры. Радиусы кривизны менисков в глобу­лах становятся различными. Водонефтяные смеси могут образовываться в межскважинных зонах, охватывая площади от сотен метров до километров (при используемых сетках скважин на месторождениях), т.е. практически с самого начала заводнения сформированный фронт вытеснения обязательно имеет в тыловой части зону движения смесей (зону промывки пласта).

Поверхностные явления при фильтрации пластовых жидкостей

Как указывалось ранее, на закономерности фильтрации жидкости через пористые сферы значительно влияет природа смачиваемости коллектора (фильность), т.е. явления, на границах раздела «твердое тело – жидкость». Эксперименты, проведенные отечественными учеными П.А. Ребиндером, М.М. Кусаковым. К.Е. Зинченко, показали, что при фильтрации через кварцевый песок углеводородных жидкостей с добавками полярных ПАВ (как индивидуальных углеводородов, так и нефтей) со временем скорость фильтрации затухает. Этот факт авторами объясняется процессами образования на поверхности поровых каналов адсорбционно-сольватных слоев, практически не участвующих в процессе движения и замедляющих фильтрацию, уменьшая эффективное сечение поровых каналов. Перенося полученные результаты лабораторных аналогий на натурные условия, авторы объясняют снижение скорости фильтрации двумя составляющими:

1. химической фиксацией адсорбционных слоев поверхностно-активных компонентов нефти;

2. повышением содержания в нефти ПАВ за счет накопления в движущейся нефти кальциевых и магниевых мыл.

Возрастание толщины коллоидных пленок может со временем привести к полному закупориванию поровых каналов. Этим можно объяснить процесс затухания проницаемости кварцевых песчаников, который согласно исследованиям Ф.А. Требина исчезает с увеличением перепадов давлений, а также при повышении температуры до 60-65°С. С повышением депрессии до некоторого предела происходит срыв (размыв) образованных ранее адсорбционно-сольватных слоев. Это одна из причин нарушения закона Дарси при изменении режима фильтрации углеводородных жидкостей в пористой среде.

По-видимому, здесь не учитывается другой фактор, увеличивающий коэффициенты продуктивности скважин: в процессе вскрытия пласта при бурении происходит кольматация поровых каналов глинистыми частицами буровых растворов (в том числе суспензий глин в воде). Кроме того, через образующиеся мембраны фильтрат бурового раствора проникает в ПЗП, увеличивая водонасыщенность ее за счет пресных вод. Это загрязняет ПЗП, уменьшая фазовые проницаемости по нефти. Освоение скважин (вызов притока из пласта) и длительная эксплуатация их приводит к самоочистке ПЗП и продуктивность (коэффициент продуктивности) через 2-6 месяцев может возрастать.

Другой причиной нарушения закона Дарси могут быть аномальные свойства жидкостей (отклонения их поведения от закона трения Ньютона). В этих процессах возможно проявление и электрокинетических явлений (рост «электровязкости»).

Моделирование вытеснения нефти водными растворами

Фильтрацилнная модель является инструментом для исследования и решения самых разнообразных вопросов для конкретной залежи с помощью числовых расчетов на компьютере:

• оценка запасов по пластам и в целом по залежи;

• составление ТЭО, ТЭС и проектов разработки месторож­дения;

• анализ и минимизация риска разработки;

• исследование скважин;

• изучение процессов фильтрации флюидов или их компо­нентов;

• выбор технологии разработки месторождения;

• выбор системы расстановки скважин;

• выбор оптимальных режимов работы скважин; планирова­ние добычи;

• обеспечение наибольших текущих дебитов нефти или наи­большего коэффициента нефтеизвлечения; оптимизация добычи;

• уточнение свойств пласта и флюидов;

• выбор интервалов вскрытия;

• определение остаточных запасов, застойных зон на кон­кретные моменты времени; принятие решения по дальнейшей раз­работке месторождения;

• управление продвижением флюидов.

Для обеспечения эффективности проведения моделирования должна быть четко сформулирована проблема, имеющая важное экономическое значение для данного конкретного объекта. Мате­матическое моделирование позволяет оптимальным образом отве­тить на интересующие вопросы при использовании различных тех­нологий разработки и избежать непоправимых ошибок при экс­плуатации объектов. В качестве цели моделирования может быть выбран один из перечисленных выше пунктов. Может быть сфор­мулирована иная цель моделирования.

Направление исследований может измениться по мере накоп­ления знаний о пласте и лучшего понимания процесса. В отдельных случаях могут потребоваться новые данные и проведены дополни­тельные исследования.