Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 20-24

ВВЕДЕНИЕ

Капиллярные эффекты оказывают влияние на процессы миграции углеводородов и на фильтрационные процессы при разработке месторождений нефти и газа [2, 6, 10, 11]. Традиционно при изучении процессов миграции и моделировании разработки залежей углеводородов предполагался гомогенный тип смачивания, для которого проведено изучение механизма возникновения капиллярных концевых эффектов и их влияния на фильтрацию [10, 12, 13]. Исследованиями последних лет установлен гетерогенный характер смачивания для большинства коллекторов нефти и газа [2, 9], сформированный геологическими и палеогидрохимическими факторами, который проявляется по-разному на различных масштабных уровнях (от микро- до макроуровня) [8, 11]. Цель статьи – выявление роли гетерогенной смачиваемости в образовании капиллярных концевых эффектов и их влияния на фильтрационные процессы.

КАПИЛЛЯРНЫЕ КОНЦЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОЛЛЕКТОРАХ С ГОМОГЕННЫМ ТИПОМ СМАЧИВАНИЯ

При вытеснении смачивающих и несмачивающих фаз они не вытекают из модели пласта до тех пор, пока значения насыщенности фаз на выходе из модели не достигнут максимума. Это связано с разрывами капиллярного давления в модели и вне ее, и получило название “капиллярный концевой эффект”. Он проявляется также и на границах участков коллектора с контрастными фильтрационными свойствами, где возникает равенство капиллярных давлений [10]. Данное равенство трансформируется в скачок насыщенности на этих границах, поскольку зависимости капиллярного давления от степени насыщения порового пространства для контрастных участков коллектора различны.

ТЕКСТУРНАЯ СМАЧИВАЕМОСТЬ ПРОДУКТИВНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Структурные особенности контролируют степень гидрофобизации коллекторов на разных масштабных уровнях [8]. Степень микромасштабной гидрофобизации, наряду со структурой порового пространства и геометрией пор, контролируется и геологическими факторами формирования, и трансформациями залежей, что обусловливает сложный характер микроструктурной смачиваемости для большинства нефтяных и газовых месторождений [9, 11] (рис. 1).

Рис. 1.

Зависимости смачиваемости по данным анализа керна (ОСТ 39–180–85) (отн. ед.) и открытой пористости (%) от глубины (м) одного из месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной области.

Результаты анализа керна (рис. 1) демонстрируют резкое изменение смачиваемости для близких по фильтрационно-емкостным свойствам пластов. При неизменной пористости и проницаемости смачиваемость меняется от гидрофильной до гидрофобной, т.е. отсутствует корреляция между смачиваемостью и фильтрационно-емкостными свойствами коллектора. Нами выделен особый макромасштабный тип смачиваемости – текстурная смачиваемость [9], характерный для репрезентативного объема кернового материала, определенного в соответствии с ГОСТ 26450.0-85, ГОСТ 26450.2-85. Текстурная смачиваемость характеризуется особыми форменными элементами в массиве пород, имеющими близкие значения показателей смачивания. Эти элементы, в силу зависимости смачиваемости от микроструктуры, не совпадают с традиционными элементами текстуры (слои, линзы и т.д.), и на фоне однородных участков коллектора демонстрируют участки с различной смачиваемостью. Многофакторность и малоизученность текстурной смачиваемости не позволяют установить необходимые статистические закономерности для перехода на масштаб пласта в целом, что обусловливает неизбежность использования макромасштабных характеристик [9, 11].

ТЕКСТУРНЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ КОНЦЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ГЕТЕРОГЕННОЙ СМАЧИВАЕМОСТИ

При близких размерах пор, отличающихся формой, фильтрационно-емкостные свойства близки, однако специфическая микроструктура пор и макромасштабные показатели смачивания коллектора отличаются, что определяет различия капиллярного давления и относительных фазовых проницаемостей в макрообъеме однородных по фильтрационно-емкостным свойствам отложений (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимости относительных фазовых проницаемостей (слева) и капиллярного давления (справа) в гидрофильных и гидрофобных участках однородного коллектора.

В отличие от гомогенного типа смачивания при текстурной смачиваемости равенство капиллярных давлений (Рк) возможно лишь в узком диапазоне подвижного насыщения. Это соответствует максимальным значениям водонасыщения на границах разделов участков (рис. 2). Область проявления скачка насыщенности тесно связана с величиной неподвижной (адсорбированной) нефти и воды в поровом пространстве, которые также зависят от смачиваемости [7]. Внешне похожие эффекты отмечаются и при изучении процессов сушки [13, 14]. Но есть принципиальное отличие. При сушке напорные силы оказывают слабое влияние на массоперенос, но при фильтрации они являются доминирующими. Возникающая разность капиллярных и фазовых давлений на границах гидрофильного и гидрофобного участков пласта обусловливает новый тип капиллярного концевого эффекта – текстурный капиллярный концевой эффект по смачиваемости при фильтрации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕКСТУРНОГО КОНЦЕВОГО ЭФФЕКТА НА ФИЛЬТРАЦИЮ

Фильтрация зависит от соотношения всех действующих перепадов давления. Текстурные концевые эффекты создают разнонаправленные дополнительные перепады давления для пластов с идентичными фильтрационно-емкостными свойствами. Фильтрация осуществлялась на составной модели по ОСТ 39-195-86. Характеристики образцов приведены в табл. 1.

Средние значения проницаемости составной модели и образцов были близки, но отличались по смачиваемости: один образец гидрофильный, второй – гидрофобный. В экспериментах использовались природная маловязкая беспарафинистая нефть и пластовая вода – водный раствор NaCl, с концентрацией соли 256 г/л.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Создание термобарических условий и формирование нефтенасыщенннсти проводились по методике, учитывающей полноту насыщения модели с предварительным уплотнением кернового материала [3]. Исследовался широкий диапазон изменений скоростей фильтрации от 0.005 до 2 см³/мин, при ступенчатом изменении перепада давления от 0.006 до 3 МПа. Очередное повышение перепада давления проводилось после завершения процесса вытеснения, которое фиксировалось при полном обводнении отбираемых проб на выходе из модели (ОСТ 39-235-89).

Результаты эксперимента показали, что в модели с гомогенным типом смачиваемости фильтрация подчиняется закону Дарси, однако для аналогичной модели с гетерогенной смачиваемостью нами выявлен нелинейный характер фильтрации (рис. 3).

Рис. 3.

Сопоставление перепада давления и расхода закачиваемой жидкости.

Зависимость расхода воды (Θ) от перепада давления для модели с гетерогенной смачиваемостью представляется нелинейной функцией Θ = А/μf(∆p/L), где A – постоянный коэффициент; μ – вязкость; L – длина модели.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Установленная нелинейность фильтрации отличается от ранее известных нелинейных законов механизмами возникновения нелинейности. Закон Форхгеймера справедлив для высоких значений скоростей фильтрации и числа Рейнольдса. Закон фильтрации вязкопластичных жидкостей определяется их неньютоновскими свойствами и демонстрирует начальный градиент давления [10]. Аналогичный закон установлен и для низкопроницаемых коллекторов [1], однако для них начальный градиент давления обусловлен физико-химическими взаимодействиями коллектора и флюида [4]. Все указанные законы предполагают постоянные значения коэффициента проницаемости. Установленный нами нелинейный закон демонстрирует переменные значения коэффициента флюидопроницаемости, что приводит к изменению общепринятых фильтрационных моделей [5]. Физический механизм, приводящий к нелинейной зависимости расхода от перепада давления, заключается в возникновении скачка капиллярного давления на границах участков коллектора с различной смачиваемостью, именно в этом состоит новизна полученного результата.