Full Text

Введение При разработке месторождений нефти и газа проницаемость коллекторов уменьшается вследствие снижения пластового давления, в результате в пласте могут оставаться значительные запасы нефти и газа. При добыче углеводородов или закачке воды изменяется поровое давление и эффективное давление, происходит деформация коллекторов и изменение их проницаемости [1-3]. Эффективное давление, согласно К. Терцаги [4], - это разница между горным давлением, вызванным массой вышележащих пород, и поровым давлением. Pэфф = Pг - Pпл, (1) где Рeff - эффективное давление; Рг - горное (литостатическое) давление, обусловленное весом вышележащих горных пород; Рпл - пластовое (поровое) давление жидкости в порах продуктивного пласта. Моделирование проницаемости при истощении коллектора необходимо для определения сроков и полноты добычи углеводородов. Проблеме изменения проницаемости посвящено значительное количество работ, в которых чувствительность проницаемости пород к эффективному давлению в основном определяется при лабораторных исследованиях образцов керна. Помимо лабораторных исследований керна, чувствительность проницаемости к изменению эффективного давления можно определить по данным гидродинамических исследований скважин (ГДИС) [5-7]. В обоих случаях исследователи сходятся к общему выводу, что проницаемость является степенной или экспоненциальной функцией эффективного давления [6, 8-11]. Несмотря на широкое использование методов лабораторного заводнения, результаты лабораторных исследований могут быть недостаточными для описания свойств реальных коллекторов. Исследования [6, 9] показали, что чувствительность проницаемости горных пород к эффективному давлению, определенная по ГДИС, выше, чем определенная в лаборатории. Основные причины данных различий следующие: 1. Определение проницаемости по данным промысловых испытаний скважин отражает интегральную проницаемость пласта с учетом его зональной и слоистой неоднородности. Снижение пластового давления приводит к закрытию трещин, разобщению отдельных пропластков, в результате чего общая проницаемость пласта резко снижается. 2. Отобранный керновый материал после извлечения из скважины и естественной разгрузки напряжений претерпевает существенные изменения в виде объемных деформаций и уже не может отражать фактические свойства, присущие исходным условиям его залегания. В работе [6] для сравнения результатов лабораторных исследований с реальными процессами в нефтяных пластах использованы данные испытаний скважин с месторождений севера Пермского края. Для анализа использовались данные промысловых испытаний скважин, проведенных сразу после бурения, в начальный период и через некоторое время эксплуатации добывающих скважин. За счет строгих критериев отбора по пластовому давлению и обводненности продукции исключены такие факторы влияния на проницаемость, как выпадение парафинов, солей, снижение фазовой проницаемости нефти из-за проникновения газа или вод, а также проведение операций по повышению нефтеотдачи пласта. Для анализа построены зависимости проницаемости, нормированной по отношению к начальной проницаемости, от эффективного давления. В результате установлено, что снижение проницаемости при увеличении эффективного давления в реальных условиях происходит интенсивнее, чем при лабораторных исследованиях. Коэффициентный анализ уравнений показал, что интенсивность снижения проницаемости также зависит от начальной проницаемости пород, а именно: более проницаемые породы менее чувствительны к изменению эффективного давления, это коррелирует с результатами [12, 13], в которых говорится, что более крупные поры имеют меньшую сжимаемость, что касается как терригенных, так и карбонатных пород. Таким образом, в [6] сделан вывод, что низкопроницаемые пласты более чувствительны к изменению порового давления при добыче углеводородов. Детальное изучение структуры порового пространства также подтвердило, что основной причиной снижения проницаемости малоглинистых пород в начальный период добычи является миграция природных коллоидов. Проницаемость трещиноватых пород больше зависит от эффективного давления, чем пористых пород, поскольку изменение проницаемости обусловлено открытием или закрытием трещин [14]. При циклическом изменении эффективного давления наблюдается гистерезис проницаемости - ее неполное восстановление при возвращении эффективного давления в исходное состояние [9, 15-19]. Гистерезис проницаемости не зависит от типа породы, типа пористости, трещиноватости, характера изменения эффективного давления (за счет порового или горного давления) [17, 18]. Общепринятой причиной гистерезиса проницаемости является пластическая деформация порового пространства, которая может возникать при нагрузках, превышающих предел прочности минералов породы [20-23] или вследствие ползучести [24, 25]. Эти явления хорошо наблюдаются в пластичных породах, содержащих в себе большое количество слабых, пластичных минералов, таких как разного рода глины. Однако и в более прочных породах, таких как чистые песчаники с низким содержанием глинистого цемента, также наблюдается гистерезис проницаемости, в том числе и при малых изменениях эффективного давления, при которых пластические деформации маловероятны. Например, в работе [26] указано, что при снижении эффективного давления менее чем на 5 % проницаемость снижается катастрофически. В слабоглинистых пористых породах, в которых присутствуют микротрещины, основное снижение проницаемости происходит за счет закрытия микротрещин. По данным компьютерной томографии, в работе [27] отмечается, что микротрещины закрываются под нагрузкой, при этом размер и форма пор не изменяются. Отмечается, что сжатие микротрещин может привести к снижению проницаемости только при больших значениях эффективного изменения давления от единиц до десятков МПа. Однако анализ нефтяных месторождений Пермского края [28] показал, что гистерезис проницаемости проявляется при меньшем колебании пластового и эффективного давлений в начальный период добычи нефти. В работе [28] приведен пример гистерезиса проницаемости на основе анализа данных ГДИС. В начальный период работы снижение эффективного давления в большинстве скважин составило менее 5 % (в редких скважинах - 10 %), при таком малом изменении эффективного давления вероятность деформации рассматриваемого коллектора крайне мала, и маловероятно снижение проницаемости за счет сужения пор и сжатия микротрещин. При этом установлено, что проницаемость имеет четкую зависимость от количества нефти, добытой из скважины. Следует отметить, что исследований по изменению проницаемости нефтяных пластов при циклическом изменении эффективного давления по данным ГДИС в целом крайне мало [5-7, 28]. В лабораторном исследовании [29] на прочных песчаниках при значительном снижении порового давления с 18 до 8 МПа наблюдается снижение проницаемости не по причине деформаций, а только при закачке флюида. Таким образом, снижение проницаемости не пропорционально деформациям, которые могли бы возникнуть при изменении эффективного давления, свидетельствует о наличии неких других внутренних факторов. Причины снижения проницаемости от эффективного давления могут быть следующие: сужение пор за счет увеличения эффективного давления, отложение органических и неорганических осадков в порах, миграция природных коллоидов. Критерии отбора исходных данных в рассматриваемых работах исключают влияние первых двух факторов, а снижение проницаемости и ее гистерезис наблюдается только в результате движения жидкости, в связи с чем наиболее вероятной причиной снижения проницаемости и ее гистерезиса предполагается миграция природных коллоидов внутри порового пространства. Миграция природных коллоидов в пористой среде Установлено, что при геологических процессах формирования и погребения пластов, при деформационных процессах, вызванных просадкой пластов, изменением порового давления или тектоническими движениями, внутри пористых сред образуется большое количество свободных частиц коллоидного размера от нескольких нанометров до 1 мкм [30-35]. Коллоиды в горных породах могут также появляться извне в результате фильтрации загрязненных жидкостей [36, 37]. Как показали многочисленные исследования, изменение скорости фильтрации приводит к высвобождению коллоидов [31, 36-51], которые могут располагаться на стенках пор [46], скапливаться в устьях пор [52], закупоривать межпоровые каналы и формировать так называемые мостовые пробки [40, 53], лежать в застойных зонах [47]. О выделении коллоидов свидетельствует изменение концентрации коллоидов в вымываемом из пористой среды стоке [30], изменение геометрии порового пространства [51] и изменение гидравлической проводимости - проницаемости [43, 54-57, 60]. Миграция коллоидов внутри пористой среды при закачке жидкости способствует блокированию поровых каналов и снижению проницаемости как пористых [30, 36, 58], так и трещиноватых сред [54, 59, 60-61]. В настоящее время факт присутствия природных коллоидов в рутинных тестах при заводнении керна зачастую не учитывается, а их влияние на проницаемость многими исследователями просто игнорируется и может интерпретироваться как результат влияния других факторов. Причиной недостаточного внимания к факту мобилизации и миграции природных коллоидов является сложность идентификации данного явления [62]. Основные доказательства, подтверждающие миграцию коллоидов при закачке жидкости, - это прямые: анализ концентрации коллоидов по данным стоков, и косвенные: анализ изменения проницаемости при закачке нейтральной жидкости или газа [63]. Сбор и анализ сточных вод при заводнении керна выполняется для оценки движения коллоидов и влияния их на проницаемость [31, 38, 41, 49, 52, 64]. Однако эксперименты выполняются при определенных ограничениях: для отбора стоков необходимо, чтобы линия выхода из пробы была как можно короче, чтобы избежать перемешивания и ошибок при измерении концентрации коллоидов, поэтому на всех работах, где осуществляется сбор стоков, давление линии выхода равно атмосферному давлению [31, 38]. Сбор стоков для определения концентрации коллоидов при наличии противодавления в настоящее время технически невозможен, поэтому существующие исследования не учитывают совокупный эффект изменения порового давления и миграции коллоидов. Использование фильтров на выходе не показывает динамики концентрации коллоидов с изменением скорости фильтрации, а оценить количество промытых коллоидных частиц достаточно сложно, особенно если размеры коллоидов составляют несколько десятков нанометров. В некоторых исследованиях для определения влияния коллоидов на проницаемость также проводят компьютерную томографию образцов горных пород. Компьютерная томография из-за недостаточного разрешения позволяет оценить только существенное изменение структуры порового объема при высокой концентрации коллоидов во флюиде. Оценить миграцию природных коллоидов детально по элементам с помощью компьютерной томографии невозможно, так как максимальное существующее разрешение томографии превышает размеры коллоидов более чем в десятки и сотни раз даже при относительно высоком разрешении 1,6 мкм [52, 53, 64]. Таким образом, о влиянии миграции коллоидов на проницаемость при изменении условий закачки и порового давления можно судить только по косвенному признаку: по изменению величины мгновенной проницаемости. В насыщенных жидкостями породах коллоиды прикреплены к стенкам пор за счет сил, возникающих в двойном электрическом слое. Для того чтобы оторвать частицу, к ней нужно приложить сдвиговое усилие, превышающее силу притяжения. Сдвиговое усилие зависит о скорости течения жидкости, ее вязкости и полярности [31]. Регулируемым фактором в настоящем и аналогичных экспериментах является скорость закачиваемой жидкости. Скорость вымывания коллоидов зависит в большей степени от количества коллоидов в фильтруемой среде [38, 46, 65], физико-химических свойств фильтруемой жидкости [30, 45, 51], размера и формы зерен в среде [47, 66] и скорости движения жидкости по поровым каналам [36, 37, 43, 44, 46, 48, 67, 68]. Вымывание частиц и увеличение проницаемости из сред с высокой пористостью и проницаемостью может происходить достаточно быстро - в течение нескольких часов фильтрации [38]. В средах с низкой пористостью и проницаемостью коллоиды могут вымываться довольно длительное время, например, более 8 ч фильтрации в работе [43]. Закачка большого объема флюида с переменным расходом, с одной стороны, способствует миграции коллоидов и закупорке пор, с другой - вымыванию коллоидов из породы, очистке пор и увеличению проницаемости. В работе [38] на модели грунта установлено, что при ступенчатом увеличении скорости жидкости проницаемость сначала уменьшается, а затем увеличивается, что свидетельствует об очистке пор и удалении коллоидов. В [60] установлено, что циклическое изменение скорости потока способствует очистке поровых каналов, при этом чем больше амплитуда изменения скорости жидкости, тем лучше очищаются поры и увеличивается проницаемость. При снижении скорости жидкости механизмы удержания коллоидов преобладают над уносом коллоидов, результатом становится прикрепление коллоидов к стенкам пор [38]. Очистка пор приводит к мобилизации коллоидов, а снижение скорости жидкости - к образованию агломератов и закупорке пор [69]. В работе [31] показано, что при заводнении образцов высокопористого песчаника чистой водой при высокой скорости жидкости снижение проницаемости происходит медленнее, чем при меньшей скорости, а основное снижение проницаемости происходит в начале фильтрации, когда концентрация коллоидов в вымываемом стоке максимальна. Мобилизация и миграция коллоидов может приводить к закупориванию межпоровых каналов и формированию мостовых пробок [70]. Основными условиями мостообразования являются достаточное количество коллоидов, узкие каналы и высокая скорость потока. При формировании мостовых пробок при постоянной скорости закачки проницаемость уменьшается экспоненциально, пока все мелкие поровые каналы закупориваются коллоидами, в результате остаются участвовать в фильтрации только те каналы, в которых нет возможности для закупорки в условиях течения [28, 39]. Дальнейшее снижение проницаемости происходит линейно за счет прикрепления коллоидов к стенкам пор [28, 45]. Любое нарушение равновесного состояния потока жидкости может привести к высвобождению коллоидов и их дальнейшей миграции. Со временем достаточно большие каналы могут закупориваться, поскольку количество коллоидов, прикрепленных к стенке порового канала, увеличивается [50]. Наличие даже небольшого количества высокопроводящих каналов будет способствовать меньшему снижению проницаемости образцов из-за мостообразования, поскольку вклад таких каналов в проницаемость велик, а снижение их проницаемости минимально. Мостовые пробки плохо разрушаются при постоянном потоке. Разрушить мостовые пробки в узких поровых каналах можно только одним способом - изменить направление потока на противоположное. На примере [70] показано, как во время тестов по закачке газа через керн мгновенная обратная продувка азотом на образцах позволила восстановить мгновенную проницаемость на 93 и 88 % за счет разрушения пробок. Однако обратные продувки не дают существенного увеличения проницаемости, так как не удаляют коллоиды, а только рассеивают их вдоль устья пор. При возобновлении потока как в прямом, так и в обратном направлении коллоиды, находящиеся в устье пор, быстро блокируют их и снижают проницаемость. Отмечается, что длительная циклическая нагрузка способствует механическому разрушению коллоидов, в результате в работе [70] отмечается восстановление проницаемости до исходного значения у трех образцов из четырех. При стабилизации замеров мгновенной проницаемости возможны два варианта: скорости мобилизации и удержания коллоидов могут быть равны друг другу [36, 49] либо движение и удаление коллоидов может полностью прекратиться [40, 67, 71]. В случае изменения направления потока даже малый расход и объем может существенно повлиять на проницаемость пористой среды. В работе [36] показано, что обратная закачка жидкости приводит к размыву внутренней фильтрационной корки и мобилизации коллоидов, в результате проницаемость сначала увеличивается, а затем снижается. В таких случаях эффективность удержания коллоидов кольматацией возрастает с увеличением скорости жидкости, и мобилизация и миграция коллоидов способствуют более интенсивному снижению проницаемости [36, 37, 46]. Исследователями отмечается, что миграция коллоидов существенно не влияет на изменение проницаемости при наличии высокопроницаемых поровых каналов [47, 72], например, в случае слоистой неоднородности образца. Обоснование методики Обычно проницаемость пористых и трещиноватых сред определяется в процессе длительной закачки до стабилизации перепада давления или расхода [24, 48, 53, 73, 74]. За это время через образец может протечь большой объем жидкости, превышающий несколько десятков или сотен объемов пор образца [53, 71], и в это время коллоиды мигрируют в порах или трещинах. Такой подход не позволяет оценить вклад миграции природных коллоидов в общее снижение проницаемости в начальный период закачки после изменения условий фильтрации или эффективного давления [5, 6]. Это приводит к тому, что зачастую многие исследователи просто игнорируют данное явление и трактуют снижение проницаемости в большей степени как результат ползучести [25]. Несмотря на большое количество исследований, посвященных деградации проницаемости, проблема совместного влияния эффективного давления и миграции коллоидов на проницаемость пористых сред остается малоизученной. Обнаружено всего несколько статей, в которых рассматривается совместное влияние изменения порового давления и миграции коллоидов на гидравлическую проводимость трещиноватых образцов. В [49, 54, 56, 57, 60] проводились исследования фильтрации образцов с трещинами при переменном поровом давлении и постоянном давлении обжима. В ходе исследований было установлено, что гидравлическая проводимость трещин зависит от мобилизации и перемещения коллоидов по трещине. При постоянном расходе жидкости происходит монотонное уменьшение гидравлической проводимости трещины из-за закупорки разрушенными частицами, образовавшимися при растрескивании образца. Колебание порового давления приводит к увеличению гидравлической проводимости трещины за счет раскупоривании. Чем больше амплитуда давления при колебаниях, тем больше увеличивается проницаемость. В породе с трещиной увеличение проницаемости не зависит от солености фильтрующейся воды [60]. Колебание давления обжима приводит к снижению гидравлической проводимости трещины за счет постепенного уплотнения [49]. Авторами в данной работе предложена методика и на ее основе предпринята попытка оценить влияние миграции коллоидов на деградацию проницаемости пористой среды при фильтрации, в том числе при изменении порового давления. На примере образцов керна песчаника получены результаты, демонстрирующие зависимость проницаемости от миграции коллоидов при изменении скорости закачки жидкости и порового давления. Данная методика позволяет оценить деградацию проницаемости пористых сред при миграции природных коллоидов без сбора и анализа сточных вод, ввиду сложности точного отбора проб выщелачиваемой жидкости на фильтровальном сооружении. В нашем случае о миграции коллоидов мы судим по снижению проницаемости образцов при закачке чистой жидкости. Проведено сравнение разработанной методики с традиционным стационарным керновым заводнением и установлено, что разработанная методика исключает влияние на проницаемость таких факторов, как химические реакции и эффект ползучести. Описание керна В работе опробовано 5 образцов керна цилиндрической формы размером 30 мм в диаметре и 30 мм длиной. Керн получен из нефтенасыщенных пластов месторождения Республики Коми, пористость образцов - от 7,85 до 10,31 %, проницаемость - от 0,98 до 72,25 мД, начальное поровое давление - 27,1 МПа. Порода керна - это слабоглинистые песчаники и алевролиты. Свойства керна показаны в табл. 1. Суть данного исследования заключается в том, чтобы показать, что на проницаемость оказывает влияние не только сжатие поровых каналов, но и также миграция коллоидов, поэтому в рамках данного исследования природа породы не имеет особого значения, а самое главное, чтобы образцы были пористыми и не имели искусственных и натуральных трещин. Структура порового пространства образцов оценивалась с помощью компьютерной томографии (КТ) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) до и после закачки жидкости. КТ использовали для проверки отсутствия трещин и однородности свойств керна, а также для сравнения изменения структуры порового пространства до и после заводнения керна. КТ показала, что в образцах отсутствуют трещины, но они имеют небольшую слоистую неоднородность, параллельную оси фильтрации, а также все образцы содержат небольшое количество пирита. Результаты СЭМ показали наличие коллоидов на минеральных зернах образца (рис. 1). На фотографии видно, что коллоиды представлены частицами различных размеров и форм, при этом коллоиды значительно меньше размера пор. В правой части фотографии (см. рис. 1, б) показано наличие пластинок глинистых минералов, которые также могут быть источником коллоидов. Состав коллоидов обычно аналогичен составу минеральных зерен и цемента, слагающего горную породу, и представлен различными видами кварцевых и глинистых минералов [30]. Из анализа СЭМ фотографий получены: · в образце 1 (см. рис. 1, а), имеющем наименьшую проницаемость, отсутствуют крупные видимые поры и присутствует большое количество коллоидов; · образец средней проницаемости 3 (см. рис. 1, б) имеет крупные видимые поры и большое количество коллоидов различного размера от крупных до мелких; · в высокопроницаемом образце 5 (см. рис. 1, в) видны крупные поры, коллоидов на зернах не наблюдается, но имеются крупные фрагменты зерен. Полученная информация о структуре пористой среды позволила сделать вывод о влиянии миграции коллоидов на изменение проницаемости при фильтрации. Зависимости снижения проницаемости от соотношения диаметров пор и коллоидов не строились, поскольку: во-первых, используемые образцы имеют достаточно высокую слоистую неоднородность, что не позволяет адекватно оценить влияние размеров поровых каналов и коллоидов на снижение проницаемости; во-вторых, существующие инструменты (в том числе компьютерная томография) а б в Рис. 1. РЭМ образцов: 1 (а), 3 (б), 5 (в) Таблица 1 Свойства образцов керна Номер образца Порис-тость, % Проница-емость, mD Флюид/ Направление потока Горная порода 1 7,85 0,98 Вода/В одном направлении Слабоглинистый алевролит 2 10,16 72,25 Вода/ В одном направлении Песчаник сцементи-рованный слабоглинистый (содержание глины менее 2 %) 3 8,33 27,97 Вода/ В одном направлении Керосин / Reverse 4 10,31 47,27 Керосин/ В одном направлении 5 8,45 52,12 Керосин / В одном направлении не позволяют оценить количество и размер коллоидов, находящихся в объеме поровой среды в свободном состоянии. Фильтрация керна Для заводнения керна использовалась система Auto Flood Reservoir Conditions, AFS-300 производства Core Laboratories (рис. 2, а). Установка позволяет контролировать условия заводнения керна с одновременным измерением расхода и давления на входе и выходе образца, создает давление обжима, имитирующее горное давление, поддерживает определенную температуру. Принципиальная схема установки представлена на рис. 2, б. а б Рис. 2. Фото (а) и принципиальная схема (б) установки для испытаний керна Перед испытаниями образцы были очищены от остатков пластовых флюидов и высушены до постоянной массы. В качестве жидкости использовалась деионизированная вода и керосин. Образцы помещались в кернодержатель при начальной температуре 25 oC, давлении обжима 45 МПа и поровом давлении 18 МПа. Заводнение керна проводилось параллельно слоям горных пород. Образец 3 сначала фильтровали деионизированной водой, затем высушивали и пропитывали керосином для обратной фильтрации. Исследования [55, 69] показали, что горные породы обладают памятью напряжений, а это означает, что повторное приложение меньшей или равной предыдущей нагрузки снижает вероятность возникновения необратимых деформаций и ползучести. С целью снятия напряжений и минимизации влияния ползучести на проницаемость перед закачкой образцы выдерживались при заданном поровом давлении и давлении обжима в течение 24 ч. Поровые давления и давления обжима испытаний не превышают реальные условия залегания пород, из которых отобраны образцы, также с целью минимизации влияния ползучести на проницаемость. Заводнение керна проводилось с циклическим изменением скорости закачки при постоянном давлении обжима. Скорость закачки меняли ступенчато от 1 до 5 см3/мин, при каждой скорости закачка длилась около 5 минут. Весь цикл закачки длился около 2-3 ч в зависимости от проницаемости образца. Поровое давление при закачке определялось как среднее давление на входе и выходе и могло изменяться до 0,4 МПа от начального значения при увеличении скорости закачки. Это означает, что эффективное давление изменяется менее чем на 1,5 %, это крайне низкое значение, при котором образование микротрещин в матрице образца породы и их влияние на проницаемость маловероятны [54]. Для мобилизации коллоидов необходимо ступенчатое изменение скорости закачки жидкости, поэтому при проведении эксперимента используется несколько механизмов: при увеличении скорости закачки коллоиды мобилизуются и диспергируются в движущемся потоке [69], при низкой скорости закачки коллоиды объединяются в более крупные агломераты и частично закупоривают поры, дальнейшее увеличение скорости закачки разрушает агломераты и уносит коллоиды дальше в поровое пространство [69]. Для того чтобы убедиться, что снижение проницаемости не вызвано ползучестью, закачка жидкости также проводилась в три цикла. После первого цикла фильтрации образец выдерживался в течение 24 ч, затем фильтровался в тех же условиях; после второго цикла поровое давление снижалось с 18 до 13 МПа при постоянном давлении обжима, образец выдерживался в течение 24 ч и проводился третий цикл закачки. Во время закачки данные с датчиков давления на входе и выходе из образца и с датчиков расхода жидкости регистрировались с частотой одно измерение в 3 с. На основании полученных данных о скорости закачки, перепаде давления на входе и выходе образца, исходя из вязкости жидкости и размеров образца, мгновенная проницаемость определялась по формуле Дарси. Рассчитанные значения мгновенной проницаемости отфильтрованы с помощью программы Matlab, по результатам построены графики (рис. 3-5) изменения относительной проницаемости (k/ko, где k - мгновенная проницаемость, ko - начальная проницаемость) от объема закачиваемой жидкости, выраженного в количестве поровых объемов V/Vp, где V - объем закачиваемой жидкости, Vp - объем порового пространства образца. При закачке в качестве контрольного параметра выступал расход жидкости (q), а так как образцы имеют разную пористость и проницаемость, то для сравнительной оценки использовалась средняя скорость жидкости через образцы керна (ν), которая определялась по формуле: ν = q/(m⋅S), (2) где m - пористость, S - площадь образца. Этап 1. Закачка воды На первом этапе исследований через образцы 1, 2 и 3 после вакуумного насыщения фильтровали деионизированную воду в течение одного цикла. В результате снижение проницаемости образцов составило от 14 до 50 % (рис. 3). Несмотря на практически одинаковую среднюю скорость движения жидкости через поровые образцы, снижение проницаемости происходит по-разному. В образцах 1 и 2 изменение проницаемости происходит неравномерно, тогда как в образце 3 происходит практически линейно в зависимости от объема прокачиваемой жидкости. Локальные импульсные изменения проницаемости на графиках (см. рис. 3-5), совпадающие с изменением скорости закачки, связаны с переходными режимами и не отражают общего изменения проницаемости и им можно пренебречь. Другим важным параметром, влияющим на чувствительность проницаемости пористой среды к миграции коллоидов, является градиент давления [52, 65], который определяется как отношение перепада давления на входе и выходе образца к длине образца. В нашем случае все образцы имеют одинаковую длину, поэтому для удобства сравнения можно использовать максимальный перепад давления на входе и выходе образца за время цикла фильтрации ΔPmax. Общее снижение проницаемости образца 1 составило 14 %. Образец имеет относительно низкую проницаемость, при закачке максимальный перепад давления на образце составил 6 МПа, что является достаточно высоким значением. На изменение проницаемости при столь высоком перепаде давления, помимо миграции коллоидов, могло оказывать влияние раскрытие микро- и макротрещин, о чем свидетельствует четкая зависимость проницаемости от изменения скорости закачки (см. рис. 3, а). Кроме того, при столь большом перепаде давления велика вероятность вымывания большей части коллоидов из порового пространства [65]. При фильтрации образцов 2 и 3 максимальный перепад давления составил 0,05 и 0,35 МПа соответственно, тогда как эффективное давление изменилось менее чем на 1,5 %, что является крайне низким значением, при котором маловероятно образование микротрещин в матрице образца породы и их влияние на проницаемость [54]. Образец 2 характеризуется наибольшей проницаемостью и наименьшим перепадом давления 0,05 МПа. Общее снижение проницаемости составило 25 % (см. рис. 3, б). Проницаемость зависит от скорости закачки жидкости, которая характеризуется ступенчатым изменением, в этом случае механизмы удерживания коллоидов с уменьшением скорости потока жидкости преобладают над уносом коллоидов, что может быть результатом прикрепления коллоидов к стенкам пор [38]. Для образца 3 наблюдается наибольшее снижение проницаемости - до 50 %. При этом основная деградация проницаемости происходит в начале цикла фильтрации, аналогично [35], затем изменение проницаемости стабилизируется и становится практически линейным (см. рис. 3, в). Также установлено, что при высоких скоростях потока проницаемость уменьшается менее быстро, чем при низких скоростях потока (см. рис. 4). Это говорит о том, что при высоких скоростях потока процессы мобилизации и увлечения коллоидов преобладают над удержанием, в этом случае снижение проницаемости не является следствием мостообразования, а обусловлено присоединением коллоидов к стенкам пор. Отсутствие механизма мостообразования при изменении проницаемости в образцах 2 и 3 также может быть связано с большим размером пор относительно размера коллоидов [72]; в данных образцах снижение проницаемости при высокой скорости жидкости происходит менее интенсивно, чем при меньшей скорости, аналогично [31]. Другим объяснением того, что при большей скорости закачки проницаемость снижается меньше, является то, что программа фильтрации подразумевает циклическое изменение скорости жидкости (пусть и с низкой частотой колебаний), что способствует очистке поровых каналов [65], в то время как градиент давления в образце изменяется циклически. Для проверки вероятности влияния ползучести на изменение проницаемости после первого цикла закачки образец 3 оставляли в кернодержателе на 60 ч при постоянных поровом давлении и давлении обжима, после выдержки выполнялась закачка более 100 поровых объемов при скоростях потока 1 и 2 см3/мин (см. рис. 3, в). Из результатов видно, что в начале закачки после паузы проницаемость имеет несколько большее значение, чем в конце предыдущего цикла закачки. Это объясняется возмущениями и возникновением противотоков внутри образца при остановке фильтрации после первого цикла и возобновлении потока жидкости. Аналогичное явление наблюдалось позднее и на других образцах при закачке керосина, оно особенно ярко выражено при изменении порового давления. На рис. 3, в, также видно, что при возобновлении закачки снижение проницаемости вначале происходит достаточно интенсивно, как и в первом цикле, но имеет тенденцию к стабилизации. а б в Рис. 3. Изменение относительной проницаемости образцов 1 (а), 2 (б) и 3 (в). Давление обжима 45 МПа, поровое давление 18 МПа; в - пунктирная линия показывает 60-часовую паузу закачки, в течение которой образец выдерживался при постоянном поровом и давлении обжима Рис. 4. Изменение относительной проницаемости образца 3 при закачке деионизированной воды. Черные пунктирные линии показывают линейные аппроксимации уравнениями. Наклон кривой проницаемости при больших скоростях жидкости меньше, чем при более низких скоростях жидкости, это видно из коэффициента линейной функции: чем больше абсолютное значение коэффициента, тем интенсивнее снижается проницаемость При увеличении скорости потока до 2 см3/мин проницаемость немного увеличилась и сразу же стабилизировалась. В этом случае можно сказать, что сложились условия, при которых процессы мобилизации и удержания коллоидов равноценны друг другу, или миграция коллоидов полностью прекратилась [65]. Взаимодействие деионизированной воды с глинистыми частицами может приводить к их диспергированию и миграции. Взаимодействие деионизированной воды с пиритом, его наличие в керне установлено по результатам КТ, может привести к образованию нерастворимых коллоидов гидроксида железа (III). В связи с тем, что нас интересует только миграция природных коллоидов, без участия химических процессов и взаимодействия глины с водой, то для дальнейшей фильтрации выбрана инертная жидкость - керосин. Этап 2. Закачка керосина Результаты закачки чистого керосина через образцы керна представлены на рис. 5. Снижение проницаемости образцов керна составило от 13 до 46 %. У образца 4 (см. рис. 5, а) в течение первого и второго циклов фильтрации проницаемость снизилась равномерно на 30 %. После второго цикла произошло существенное изменение условий фильтрации по причине аварийного сброса порового давления и давления обжима до 0 и 3 МПа соответственно. После восстановления порового давления и давления обжима до значений 13 и 45 МПа соответственно образец выдерживался еще 24 ч перед третьим циклом фильтрации. Данное происшествие привело к драматическим последствиям, в результате которых в третьем цикле фильтрации кривая проницаемости стала более крутой и изломанной, а снижение проницаемости от количества прокачиваемой жидкости было более интенсивным, чем в предыдущих циклах фильтрации. Сброс давления мог привести к нескольким последствиям: изменению размеров поровых каналов за счет пластических деформаций и выделению коллоидов за счет упругих и пластических деформаций. Однако сужения каналов за счет пластических деформаций не отмечено. Этот вывод сделан на том основании, что снижение проницаемости произошло только при закачке жидкости в течение цикла, который длится около 2-3 ч. Если бы действительно произошло сужение каналов, то после 24-часовой паузы проницаемость в начале была бы меньше, чем в конце предыдущего цикла, но в нашем случае мы наблюдаем обратное. Помимо пластических, упругие деформации также могут приводить к появлению в пористой среде большого количества свободных коллоидов [33]. Вероятнее всего, упругая деформация керна привела к выделению коллоидов, что отразилось на изменении проницаемости в третьем цикле закачки. Общее снижение проницаемости составило 46 %. У образца 5 (см. рис. 5, б) при прокачке первых 20 поровых объемов за первый цикл фильтрации происходит наибольшее снижение проницаемости - около 20 %, затем снижение проницаемости происходит плавно, практически линейно, в каждом случае около 5 %. Такое умеренное снижение проницаемости, вероятно, обусловлено высокой слоистой неоднородностью образца и наличием параллельных потоку жидкости высокопроницаемых поровых каналов, на которые миграция коллоидов не оказывает столь существенного влияния [47, 72], что также подтверждается сравнительно небольшим максимальным перепадом давления 0,08-0,09 МПа. Общее снижение проницаемости составило около 28 %, при этом снижение порового давления не оказало существенного влияния на изменение проницаемости. Через образец 3 предварительно была выполнена закачка деионизированной воды в прямом направлении (см. рис. 3, в), затем образец был высушен, пропитан керосином, и выполнена закачка в обратном направлении (см. рис. 5, в). Обратное направление закачки привело к эрозии внутренней фильтрационной корки и мобилизации большого количества коллоидов, в результате в первом цикле закачки керосина проницаемость сначала увеличивается, а затем уменьшается аналогично [36]. Во время массивной а б в Рис. 5. Динамика относительной проницаемости образцов 4 (а), 5 (б), 3 (в) в течение 3 циклов закачки керосина. Римские цифры обозначают цикл закачки. Штриховыми серыми линиями показаны границы между циклами закачки - суточными паузами, в течение которых образец выдерживался при постоянной температуре, поровом и давлении обжима без закачки миграции коллоидов в первом цикле фильтрации преобладающим механизмом снижения проницаемости является закупорка коллоидов в поровых каналах. Такой вывод можно сделать на основании того, что ступенчатое увеличение потока фильтрации приводит к снижению мгновенной проницаемости, а уменьшение потока, наоборот, увеличивает проницаемость, что соответствует выводу о том, что эффективность удержания частиц кольматацией увеличивается с ростом скорости потока [36, 37, 46]. В целом проницаемость в первом цикле фильтрации снижается, что обусловлено размыванием внутренней фильтрационной корки и переносом коллоидов вглубь образца. Образец 3 продемонстрировал максимальное снижение проницаемости в третьем цикле закачки после снижения порового давления. Кривая проницаемости имеет более крутой наклон, что, вероятно, связано с дополнительной мобилизацией коллоидов. В начале третьего цикла закачки проницаемость образца высокая, но затем быстро снижается при прокачке первых 10 поровых объемов. Общее снижение проницаемости по результатам трех циклов составило 13 %. Таким образом, результаты исследований показали, что проницаемость кернов уменьшается только при движении жидкости внутри образцов, что является прямым доказательством того, что при движении жидкости происходит закупорка пор, и это может происходить только из-за наличия природных коллоидов, находящихся внутри породы, а не из-за ползучести. Закачка большого объема жидкости с различной скоростью потока может привести не только к миграции коллоидов и закупорке пор, но и к прочистке пор и вымыванию коллоидов из породы. При вымывании коллоидов ожидается, что проницаемость сначала уменьшается, а затем увеличивается [38]. Скорость вымывания зависит от скорости закачки, размера частиц и поровых каналов, размера образца керна. При высокой пористости и проницаемости образца увеличение расхода жидкости достаточно быстро приводит к вымыванию свободных частиц и увеличению проницаемости среды [38]. В малопористых и малопроницаемых средах коллоиды могут вымываться в течение достаточно длительного времени [43]. В нашем случае снижение проницаемости происходило постоянно на протяжении всех циклов заводнения, что свидетельствует о достаточно большом количестве коллоидов и малой скорости их движения [43, 48]. Во всех образцах в начале нового цикла фильтрации наблюдается небольшое увеличение проницаемости относительно конца предыдущего цикла, независимо от порового давления. Это объясняется возникновением противотоков внутри образца при остановке и последующем возобновлении закачки. Наибольшая разница в проницаемости наблюдается между концом 2-го и началом 3-го цикла закачки после снижения порового давления, что также объясняется противотоком в образцах в результате сброса порового давления. Реверсирование потока, даже при небольшом расходе и объеме, может существенно изменить проницаемость пористой среды. Увеличение эффективного давления за счет уменьшения порового давления оказало большее влияние на изменение проницаемости образца 3 (см. рис. 5, в), имеющего наименьшую абсолютную проницаемость. В меньшей степени снижение порового давления повлияло на проницаемость образца 5 (см. рис. 5, б), имеющего среднюю проницаемость. Для образца 4 изменение порового давления привело к более интенсивному снижению проницаемости (см. рис. 5, а), однако этот вывод неоднозначен из-за аварийного сброса давления при фильтрации. В целом можно сделать вывод, что увеличение эффективного давления при снижении порового давления приводит к более интенсивному снижению проницаемости за счет мобилизации коллоидов, на это снижение также влияет градиент порового давления в образце. Оценка влияния средней скорости движения жидкости на проницаемость не выявила очевидных закономерностей из-за высокой неоднородности используемых образцов керна. Заключение Авторами в данной работе предложена методика оценки влияния миграции коллоидов на изменение проницаемости пористой среды при фильтрации, в том числе при изменении порового давления. На примере образцов керна песчаника получены результаты, демонстрирующие зависимость проницаемости от миграции коллоидов при изменении скорости закачки жидкости и порового давления. Данная методика позволяет оценить изменение проницаемости пористых сред при миграции природных коллоидов без сбора и анализа сточных вод. В данном случае о миграции коллоидов мы судим по изменению проницаемости образцов при закачке чистой жидкости. Условия фильтрации исключают влияние на проницаемость других факторов, таких как ползучесть и химическая мобилизация коллоидов. Фильтрационные исследования образцов керна по предложенной методике с варьируемыми скоростями потока жидкости показали, что проницаемость кернов уменьшается только при движении жидкости внутри образцов, что является прямым доказательством закупорки пор вследствие миграции природных коллоидов. Реверсирование потока, даже при небольшом расходе и объеме, способствует кратковременному увеличению проницаемости образцов. Эксперимент по снижению порового давления показал, что сужение поровых каналов не оказывает существенного влияния на проницаемость, так как проницаемость всех образцов в начале цикла выше, чем в конце предыдущего цикла фильтрации. Градиент порового давления оказывает влияние на чувствительность пористых сред к миграции коллоидов: чем больше градиент порового давления, тем интенсивнее снижается проницаемость. Образцы с большей проницаемостью менее чувствительны к миграции коллоидов при изменении порового давления.

About the authors

Iu. S. Shcherbakova

Perm National Research Polytechnic University

E. V. Kozhevnikov

Perm National Research Polytechnic University

A. A. Shcherbakov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 28

PDF (Russian) - 16

PDF (English) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.