книги / Физико-геологические проблемы остаточной нефтенасыщенности

Изучение остаточной нефненасыщенности на физических микромоделях

Физические микромодели по большинству параметров не адекватны природным коллекторам, однако наглядность физических процессов, воз­ можность гибко варьировать параметрами модели и детально анализиро­ вать микропроцессы привлекают к этим моделям значительное коли­ чество исследователей. Изучение ОН на микроуровне позволяет пррследить особенности защемления и структуру ОН.

Для извлечения остаточной нефти, рассеянной в заводненной зоне, не­ обходимо прежде всего знать, как располагается нефть в пористой среде: в виде глобул, в крупных порах, заполненных водой, или в виде пленок на гидрофобной поверхности пор: кроме того, представляет интерес меха­ низм образования этой ОН.

Знание физики микропроцессов в пористой среде крайне важно для понимания процессов воздействия различных закачиваемых агентов на пласт (мицеллярный раствор, эмульсия и т.п.). Эти вопросы рассмат­ риваются в многочисленной литературе [39,40].

Для изучения ОН используют различные модели: линейный капилляр, дуплет, поры, представленные группой торов (см. главу 2). Движение жид­ кости даже в одной поре представляет интерес, так как характеризует микродвижение. Именно поэтому разбор любого механизма течения в поровой среде начинается с разборё течения в одной поре. Среди таких пор одна из самых интересных - дуплет. Движение жидкости в дуплете раз­ бирается Г. Стеджемейером [83], А.А. Мацем, И.С. Галиной. Последняя определяет ОНН в модели дуплета, одна из пор которого расширяется. По Г. Стеджемейеру, защемление нефти определяется: 1) геометрией порового пространства; 2) взаимодействием жидкости и породы; 3) взаи­ модействием жидкостей.

Величина защемления несмачивающей фазы обоснована слабо. Она связана с отношением диаметра поры к диаметру шейки лоры. За­ щемленную нефть можно извлечь либо путем увеличения степени вяз­ кости по отношению к капиллярным силам, либо путем изменения отно­ сительных объемов фаз - путем растворения неподвижной фазы в подвижной.

Факторы, определяющие высвобождение защемленной нефти за счет изменения соотношения вязкостных сил к капиллярным, следующие:

1)свойства порового скелета, включая пористость и число Леверетта;

2)свойства взаимодействия жидкости и породы, включая относительную проницаемость, показатель связности пор, смачиваемость; 3) константы геометрической вытянутости, не зависящей от физических свойств ни жидкости, ни породы.

Во время извлечения нефти часто действуют сразу несколько меха­ низмов: 1) при вытеснении поверхностно-активными и полимерными до­ бавками происходит снижение поверхностного натяжения и увеличение вязкости воды, что является основным фактором; однако при очень низких значениях поверхностного натяжения происходит значительное из­ менение объема фазы, которое происходит одновременно с вытеснением;

2) при вытеснении растворителями механизм разбухания преобладает над механизмом растворения; 3) при эмульсификации (воды в нефти) процесс идет, как при механизме разбухания нефти, и эти эмульсии ведут себя так же, как растворители; 4) в газоводяных системах, при которых происходит продвижение нефти, механизм разбухания нефти является опреде­ ляющим.

О. Бриан, анализируя механизмы влияния веществ, вызывающих сни­ жение поверхностного натяжения, на величину остаточной нефтенасыщенности, показал, что снижая капиллярное давление до величины, близ­ кой к нулю, можно привести к положению, когда одна жидкость, обычно вода, будет подстилаться под второй. Для этого необходимо, чтобы ка­ пиллярное давление стало меньше, чем разность давлений между концами капилляра, в котором захвачена нефть. Однако образование капелек неф­ ти, диспергированных в воде, сопряжено с опасностью вызвать эффекты Жамена: если в капилляре существует большое число последовательных поверхностей раздела, влияние гистерезиса смачивания суммируется и мо­ жет достигнуть очень больших величин.

Эксперименты с кернами обычно крайне трудоемки, именно поэтому такой большой интерес представляют работы Н. Уордлоу и Ж. Кассана, которые с помощью визуальных исследований смольных слепков порового пространства керна с высокой степенью точности (10%-ная точность для 95% изученных образцов) предсказывают остаточную нефтенасыщенность. Но эти исследования проведены лишь для карбонатов и для сма­ чиваемых пород, в то время как вопрос о смачиваемости пород, как будет указано ниже, вообще, видимо, невозможно решить однозначно.

H. Уордлоу предлагает эмпирическую схему, позволяющую оценить ОНН по визуальным наблюдениям поровых слепков, полученных с по­ мощью смол. Она рассматривает влияние следующих факторов на отдачу систем пор: 1) отношение размеров пор к горловинам пор (коэффициент формы); 2) координационное число, которое определяется как число каналов, соединенных с каждой порой; 3) тип и степень неоднородности; 4) шероховатость поверхности.

По мере возрастания отношения диаметров пор к горловинам и их объемам нефтеотдача уменьшается, т.е. защемление несмачивающей фазы увеличивается. При уменьшении координационного числа оста­ точное насыщение несмачивающей фазой возрастает.

Когда неслучайные неоднородности таковы, что участок керна с по­ рами большего радиуса окружен порами меньшего радиуса, остаточная насыщенность несмачивающей фазы выше, чем когда участок с порами меньшего радиуса окружен порами большего радиуса.

Выделяют четыре типа поровых структур, которые обычно встреча­ ются в виде отдельных участков внутри образца породы.

I. Участки высокой межкристаллической пористости (обычно т = 20% и выше), поровое пространство представлено пустотами относительно од­ нородного размера, которые имеют маленькие отношения размеров пор к переклинали; ОНН составляет 45% и ниже. Моделируется тройной гек­ сагональной сеткой (координационное число г| = 6).

2. Участки низкой межкристаллической пористости. Пористость 5% и

ниже. ОНН составляет более 80%. Поровое пространство образуется пус­ тотами на поверхностных разделах кристаллов, носящих пластинчато­ подобный или пластинчатый облик. Размеры пустот обычно менее 3 мкм. Моделируется гексагональной сеткой с т] = 3.

3.Участки межгранулярной пористости. Пористость обычно выше 15%. Размер и форма менее правильные, чем при межкристаллической порис­ тости. Средняя ОНН = 55%. Сетка переменного размера с Т| = 6.

4.Участки увеличенных пор. Эти поры сравнимы с сопряженными крис­ таллами и частицами или крупнее их и обычно связаны сеткой более мел­ ких пор и пережимов. Породы с большим объемом пор такого типа имеют высокую ОНН из-за больших отношений размеров пор к пережимам.

Главный вывод работы Н. Уордлоу, что защемление ОНН, вызванное капиллярными силами, сильно зависит от характеристик поровой системы породы коллектора и что эти характеристики можно быстро определить визуальным изучением слепков пор.

Эксперименты с реальными пористыми средами (на кернах) дают обыч­ но только интегральные характеристики и не дают никакой возможности визуального наблюдения протекающих в пористой среде процессов. Так что подтверждение любым теоретическим посылкам можно получить лишь опосредованно.

Всвязи с этим интерес представляют прозрачные модели. А.А. Мац (1982, 1983 гг.) разработал модели для выяснения условий образования и характера распределения защемленной несмачивающей фазы в пористой среде: цилиндрические однородные и неоднородные по размерам микро­ модели с пересекающимися капиллярами каналами, состоящие из валика органического стекла, на который после нанесения каналов надевается рубашка из поливинилхлоридной трубки. За неоднородность принимают величину отношения максимальной и минимальной глубины канала.

Ввиду того, что оргстекло обычно смачивается углеводородными жидкостями лучше, чем водой, были разработаны и изготовлены однород­ ные и неоднородные микромодели из стекла. Они состоят из двух спечен­ ных между собой пластин, на одной из которых нанесена сеть каналов. Кроме того, изготовлены модели - "срезы" пористой среды, состоящие из спеченного пакета стеклянных пластин, между которыми в один слой плотно друг к другу уложены частички молотого стекла одного размера. На этих моделях изучались причины образования остаточной нефти и характер ее распределения в порах.

Вмикромодели с параллельными, не связанными между собой каналами разного размера скорость продвижения мениска в большем канале выше, чем в малом, так как сопротивление каналов обратно пропорционально квадрату радиуса канала, а капиллярное давление обратно пропорцио­ нально радиусу канала.

На дуплетах получены следующие результаты: мениск малого канала дуплета опережает мениск большего канала. Подойдя по меньшему кана­ лу дуплета к узлу, мениск останавливается и, пульсируя, ожидает, пока по большему каналу идет движение к этому же узлу. Остановка в узле происходит из-за падения капиллярного давления. В большем канале дуплета в это время движение продолжается, так как капиллярное давле­

тяжение; 0 - краевой угол смачивания; р - давление; р„ - вязкость вытесняющей жидкости; V - ее характерная скорость; 7id - периметр контакта капли с породой.

Рассмотрены следующие характерные ситуации:

1) 0 —> 180°, гидрофобная среда, ЛГ, « klgraâ p\/G>N2 ->»,т.е. преоб­

ладает запирание капель за счет разности давлений Лапласа, при этом капли практически не прилипают к стенкам пор;

2)0 « 90°, oo,yv2 « |iBlVI/а, т.е. защемление нефти определяется в основном прилипанием капель;

3)0 -» 0, гидрофильная порода, N] ~£lgradpl/a,/V2 —>°°, величина

капиллярных сил превосходит величину гидродинамических. В результате вода прорывается по центру поровых каналов, оставляя невытесненной значительную часть нефти вдоль стенок пор.

Моделировалось вытеснение нефти мицеллярными растворами. Насы­ щенная нефтью гидрофобная модель сначала заводнялась. Затем через модель прокачивался мицеллярный раствор. Он смешивался с водой, ста­ новился разбавленным, с низкой концентрацией ПАВ. Нефть при подходе раствора отслаивается от стенок пор (раствор меняет смачиваемость нефти на границе со скелетом) и вовлекается в движение в виде капель. Капли впоследствии сливаются и образуют подвижную зону повышенной нефтенасыщенности. В зоне течения мицеллярного раствора с высокой концентрацией ПАВ, близкой к исходной, характер течения несколько иной: здесь происходит вымывание нефти из застойных участков порового пространства, не охваченных движением в предыдущем процессе, путем отрыва капель от нефти, находящейся в тупиковых порах; начинается вытеснение из очень узких пор. Поверхностное натяжение на границе с вытесняющей жидкостью становится сверхнизким, роль вязких сил увеличивается, течение может перейти к слоистому струйному течению.

Подробно технологию изготовления микромоделей и процесс моделиро­ вания ОНИ на них описали И. Чатзис, Н. Морроу и Г. Лим [54]. Они про­ вели многочисленные эксперименты на стеклянных микромоделях, ко­ торые изготавливались методом травления стеклянных пластин по фото­ шаблону. Изготовление фотошаблона заключается в нанесении на поли­ рованную стеклянную пластину слоев серебра, меди и фоторезиста. На пластину накладывается фотонегатив с изображением будущей сети пор и производится экспонирование пластины в ультрафиолетовом свете. После экспонирования производится фотообработка пластины, при этом фото­ резист не удаляется только с тех частей пластины, которые будут в дальнейшем сетью пор. После снятия фоторезиста 50%-ной азотной кис­ лотой удаляется и металлическое покрытие, а на его место наносится защитное парафиновое покрытие. После этого производится травление сети пор плавиковой кислотой.

Эта технология позволяет воспроизвести на поверхности стеклянной пластины любую двумерную сетку пор. Абсолютные размеры пластины определяются возможностями применяемой фототехники. Глубина кана­ вок зависит от их ширины, времени и температуры травления. В качестве

крышки можно использовать либо гладкую отполированную стеклянную пластину, либо стеклянную пластину с зеркально расположенной по отно­ шению к первой пластине сеткой пор. Нижнюю и верхнюю пластины соединяют (во втором случае под микроскопом для совмещения сети пор) и оплавляют в муфельной печи при 720°С.

При такой технологии поры получаются эллиптическими в сечении, причем большая ось эллипса лежит в плоскости пластины. Отношение большей оси к меньшей колебалось в широких пределах (от 2:1 до 20:1).

И. Чатзис с сотрудниками разработали несколько различных типов дву­ мерных сеток капилляров. Так, сетки делились на регулярные и произ­ вольные. Регулярные сетки имели координационные числа 3 или 4. Поми­ мо этого применялись следующие варианты регулярных сеток:

1)ширина всех устьев пор и всех узлов постоянна (коэффициент формы постоянный);

2)то же, что и 1), но отношение длины поры к ширине устья поры переменное;

3)размеры устьев пор и узлов распределены произвольно;

4)произвольные неоднородности в виде крупных пор с широкими устья­ ми, окруженные относительно мелкими порами;

3)макронеоднородности.

Случайные сетки имели произвольное координационное число, размер поры и коэффициент формы. Они включали в себя макроскопические неоднородности в виде случайной сети крупных пор, покрывающей всю модель и взаимосвязанной с сетью мелких пор, и кавернозные поры раз­ личных размеров, имевших узкое распределение коэффициента формы.

В опытах по вытеснению, использовались пары жидкостей: вода-Солт- рол, вода-гептан. Вытеснение производилось путем свободной пропитки. Модели имели ярко выраженный гидрофильный характер смачиваемости (контактный угол для данной пары жидкостей < 30°). В работе [54] было проведено исследование влияния различных факторов на ОНН. Так были изготовлены модели с очень узким распределением тел пор и устьев пор, при этом коэффициент формы был мал (отношение ширины поры к устью поры изменялось от 1 до 2). Вытеснение оказалось близким к поршневому, и остаточная нефть почти не защемлялась. При коэффициенте формы, равном 3, защемление происходит в относительно крупных кластерах пор. В промытой зоне нефти не остается вовсе.

Крупные кластеры пор образуются из-за возникновения пальцев смачи­ вающей фазы, которые отсекают нефть.

Такой характер вытеснения в этих моделях оказался неожиданным. Причем он наблюдался для нефтей и с меньшей и с большей, чем у воды, вязкостью (вязкость гептана 0,7 сП, вязкость Солтрола 2,0 сП) и даже при вытеснении воздуха нефтью или водой при низких скоростях вытес­ нения. Причина заключалась, вероятно, в очень узком распределении раз­ меров устьев пор и тел пор. Как только начиналось внедрение воды, возникали пальцы вытесняющей жидкости, отсекавшие островки нефти. При высоких скоростях вытеснения профили фронта вытеснения не пока­ зывают сколько-нибудь заметного влияния неоднородностей.

Исследовалось влияние коэффициента формы. Установлено, что с рос­

том этого коэффициента размеры крупных ганглий защемленной нефти уменьшаются, и увеличивается доля нефти, защемленной в виде синглетов. Таким образом, рост коэффициента формы приводит к увеличению роли механизма защемления нефти в отдельной поре по сравнению с механизмом образования крупных ганглий нефти.

В процессе вытеснения вода быстрее проникает в локальные совокуп­ ности более мелких пор, тогда как нефть, занимающая более крупные поры, отстает за фронтом заводнения. Нефть защемляется в крупных порах, связанных широкими горловинами, а также в порах с большим коэффициентом формы в виде синглетов. Таким образом, капиллярнозащемленную нефть можно классифицировать так: 1) крупные ганглии, занимающие несколько пор (от 4 до 60 узлов сетки), и образующиеся в любой локальной области более крупных пор, которые окружены более мелкими порами; 2) более мелкие глобулы (дуплеты и синглеты), обра­ зующиеся в двух-трех крупных порах, которые связаны широкими горло­ винами, но окружены более мелкими порами; наконец, 3) глобулы в одиночных порах с большим коэффициентом формы.

Величина координационного числа также оказывает определенное влияние на защемление нефти; так, в микромоделях с координационным числом т| = 3 защемление сильнее, чем для Т| = 4. Однако по сравнению с воздействием коэффициента формы влияние координационного числа на остаточную нефтенасыщенность, а также распределение пор по радиусу значительно меньше.

Масштабирование и воспроизводимость в микромоделях. Возможность изменения размеров модели фотографическими методами позволяет пост­ роить ряд моделей по заданному образцу. Однако глубина пор не поддает­ ся такому масштабированию. Это приводит к тому, что изготовленные по одному образцу микромодели не дают в общем случае подобной конфигу­ рации остаточной нефти. Наибольшее различие наблюдается между оплавленными и неоплавленными моделями, изготовленными по одному образцу и имеющими одинаковые размеры. Это связано с тем, что в неоплавленных моделях зазор между пластинами доступен для воды.

Установлено также, что повторные опыты на одной и той же модели не дают точного воспроизведения результатов. В серии повторных опытов число узлов, в которых вторично защемилась нефть, составляло только 2% от общего числа узлов (около 2000). Хорошая воспроизводимость наблюдается лишь в том случае, когда коэффициент формы достаточно высок, и преобладает механизм защемления нефти в виде синглетов.

Распределение глобул по размерам. Большим достоинством микромоде­ лей является возможность изучать распределения размеров глобул. Авто­ ры работы [54] определяли их по фотографиям. Так как эксперименты проводились на сетках с регулярной структурой, то в качестве размеров глобулы принималось число узлов, занятых этой глобулой. Так, синглету приписывался размер 1, глобуле, занимающей два соседних узла, соеди­ ненных горловиной (дуплету), соответствовал размер 2 и т.д.

Крупнейшие глобулы, наблюдавшиеся в эксперименте, занимали от 50 до 100 узлов. Вклад в общую ОНН мелких глобул зависит от координа­ ционного числа: увеличение координационного числа ведет к увеличению

доли синглетов. Еще большее влияние на долю мелких глобул оказывает коэффициент формы: чем он выше, тем больше эта доля.

Нужно отметить, что распределения размеров глобул, полученные на микромоделях, не будут, вообще говоря, представительны для всех порис­ тых сред. Трехмерные модели в общем случае должны иметь много боль­ ше соединений пор и поэтому должны быть намного более доступными. Поэтому, по-видимому, должен происходить сдвиг распределения в сто­ рону меньших размеров глобул.

Моделирование остаточной нефтенасыщенности на природных пористых средах

Использование природных коллекторов в качестве модели пористой среды позволяет учитывать влияние структурных особенностей внутрипорового пространства на ОНИ. В то же время воссоздать природные поверхностные свойства в лабораторных условиях сложно. При исполь­ зовании естественных пористых сред, отобранных из карьеров, встает вопрос о несоответствии их поверхностных свойств поверхностным свойст­ вам нефтенасыщенных коллекторов. В последних поверхностные свойства сформировались в результате длительного взаимодействия породы* и флюидов, не свойственного породам, находящимся в условиях земной по­ верхности. При использовании в качестве модели пористой среды кер­ нового материала из продуктивных пластов возникает проблема сохране­ ния природной смачиваемости коллектора. В процессе взятия и подъема керна на поверхность происходят существенные изменения его смачи­ ваемости. Изменения смачиваемости происходят и в процессе фильтрации нефтей через очищенные керны.

Поскольку добиться в настоящее время адекватности природным усло­ виям поверхностных свойств в лабораторном эксперименте очень сложно, при физическом моделировании идут по пути искусственного создания сопоставимых условий смачиваемости при моделировании ОНИ. Наиболь­ ший объем исследований проведен на чистых гидрофильных образцах с использованием модельных флюидов. В этих условиях ОНН формируется в основном за счет капиллярно-защемленной остаточной нефти.

Моделирование капиллярно-защемленной остаточной нефтенасыщенности

Методика моделирования. Капиллярно-защемленная нефть исследуется на чисто гидрофильных образцах из естественных или искусственных пористых сред и модельных углеводородных жидкостях. Одной из самых интересных работ по определению условий вытеснения капиллярно-за­ щемленной нефти была работа И. Чатзиса и Н. Морроу [52] (табл. 8). В их экспериментах использовались образцы длиной 6-8 см и диаметром 3,8 см, изготовленные из различных видов песчаника, главным образом Бери. С целью гидрофилизации образцы подвергались в течение 1 ч

обжигу при 800°С. После этого керны насыщались раствором, исполь­ зуемым для вытеснения. Измерялась проницаемость для раствора при­ чем при разных градиентах давления, используемых при проведении экспериментов (от 10 до 100 кПа/см). Это делалось для контроля изме­ нения проницаемости, возникающего при обжиге образца и под действием высоких скоростей жидкостей. Такой анализ показал, что заметное изме­ нение структуры порового пространства возникает лишь при температу­ рах обжига выше 1000°С.

В качестве модели нефти обычно используются нефтяные масла, чаще всего Солтрол.

Методика проведения эксперимента следующая.

1.Определение пористости и проницаемости для воздуха и жидкости.

2.Создание высокой начальной нефтенасыщенности путем насыщения нефтью при высоком градиенте давления (115-190 кПа/см). При этом через образец пропускается 15-20 поровых объемов нефти.

3.Нормальное вытеснение нефти, соответствующее вытеснению неф­ ти в пласте (градиент давления 1-2 кПа/см). Выход нефти прекращает­ ся уже после пропускания 1,5 поровых объемов вытесняющего раство­ ра.

4.Перепад давления на образце увеличивается ступенчато. На каждом шаге пропускается 3,5 поровых объема раствора. В конце каждого такого вытеснения образец взвешивается с целью определения остаточной нефтенасыщенности.

Помимо этого проводились эксперименты на тех же кернах по вытес­ нению сплошной нефтяной фазы. Использовалась следующая методика:

1.В керне создается высокая начальная нефтенасыщенность, после че­ го нефть вытесняется при низком капиллярном числе, как описано вы­ ше.

2.После этого в том же керне вновь создается начальная нефтенасы­ щенность путем пропускания нефти под высоким давлением. Керн перед повторным насыщением нефтью очищается изопропиловым спиртом с последующей промывкой вытесняющим раствором.

3.Проводится вытеснение нефти раствором при большом перепаде давления Ар.

Опыты проводились по 12 раз, всякий раз с новым значением Ар с целью получения зависимости остаточной нефтенасыщенности от капил­ лярного числа. В целом такую же методику применяли В. Фостер [60], Дж. Тэйбер [84, 85] и Р.Эрлих [58], С. Гупта и С. Трушенский [63] и дру­ гие авторы.

Однако были и отличия. Так, В. Фостер использовал различные керны, достигая этим в какой-то степени учета разброса свойств, так как в ре­ зультате брались средние значения величин. С. Гупта и С. Трушенский, используя всего три керна, проводили на них многократные эксперименты. В работе Р. Эрлиха многократно использовался один и тот жё керн. Дж.

Тэйбер, начиная каждый опыт с величины остаточной нефтенасыщеннос-

,о ти ки0, ступенчато увеличивал перепад давления Ар на керн, после чего

ждал прекращения извлечения нефти, а затем повышал Ар дальше.