Моделирование состояния жидких и взвешенных твердых фаз продуктивных пластов в поле упругих колебаний

Особое внимание, которое  уделяется процессам, происходящим в ПЗП - части общей пластовой гидродинамической системы, объясняется тем, что здесь фильтрация газожидкостных смесей происходит при повышенных градиентах давления и температуры, осложняется появлением трещиноватых, неоднородных по проницаемости зон, фазовыми переходами. Здесь формируются основные свойства многофазной многокомпонентной промысловой продукции, происходит "срабатывание" значительной доли естественной и привнесенной пластовой энергии.

Призабойная зона пласта находится в существенно неравновесном термодинамическом состоянии активного энер-го- и массообмена со скважиной и пластом, при этом ее состояние непрерывно изменяется в ходе разработки месторождения. Размер призабойной зоны принято оценивать по радиусу зоны нарушения линейного закона фильтрации, которая может простираться на 6-23 м от оси скважины. Несмотря на малые размеры, области ПЗП во многом определяют процесс разработки всей залежи нефти [35].

В ходе разработки нефтегазовых месторождений наблюдается постоянное ухудшение нефте- и газопроницаемости призабойной зоны, особенно неблагоприятное в низкопроницаемых и неоднородных коллекторах. Ухудшение естественной проницаемости наступает еще в процессах бурения, когда при выемке породы в кольцевой зоне вокруг скважины образуются сжимающие напряжения, а поверхность породы при механическом взаимодействии с породоразру-шающим инструментом и буровым раствором термодинамически активируется, что способствует впоследствии образованию высоковязких поверхностных кольматирующих слоев [92, 160]. При этом буровой раствор также образует на стенках скважины глинистую корку толщиной 2-3 мм [83], а фильтрат проникает в пласт. Буровой раствор способен и более глубоко проникать в пласт через трещины призабойной зоны, возникающие вследствие появления гидростатических давлений выше давления разрыва пласта, например, при операциях восстановления циркуляции промывочной жидкости или при спускоподъемных операциях [144]. По данным лабораторных исследований [145], именно по этой причине может наблюдаться снижение абсолютной проницаемости пород в 2-50 раз, а в некоторых случаях до нуля.

Фильтраты буровых  растворов способны проникать, в  продуктивные пласты еще на более  значительную глубину. По данным работы [145], глубина проникновения последних  достигает 0,2-3,0 м. При этом сильное ухудшение естественных коллекторских свойств ПЗП происходит вследствие:

набухания глинистых  частиц коллектора, если вода фильтрата  отличается по своему солевому составу  от пластовой воды;

снижения  фазовой проницаемости по нефти  из-за появления водной фазы и образования пристенных слоев воды на поверхности пор, обладающих повышенной вязкостью и упругим сопротивлением сдвигу [19];

возникновения капиллярных явлений на границах контакта воды с пластовой нефтью;

образования стойких водонефтяных эмульсий типа "вода в нефти", слабо фильтрующихся не только из-за высокой вязкости, но и вследствие обладания выраженными тиксо-тропными свойствами [144};

закупоривания пор нерастворимыми в воде н в  нефти осадками, которые образуются в результате химического взаимодействия фильтратов и промывочных жидкостей с пластовыми жидкостями.

Проникновение фильтрата в призабойную зону пласта, характеризующегося вертикальной неоднородностью коллекторских свойств, на расстояние даже порядка сантиметров приводит к снижению охвата пласта по мощности заводнением на 30-40 % |144],

Существенным  возмущениям прнзабойная зона подвергается также в процессах перекрытия обсадной колонной и при цементировании. В результате физико-химического и гидродинамического взаимодействия тампонажного раствора и пластовых жидкостей она может, в зависимости от литологического состава и термодинамических условий залегания, как отдавать, так и впитывать воду> что приводит к изменению ее характеристик.

Нарушения термодинамического состояния происходят также в процессах перфорации и при воздействии пласто-испытателями.

Анализ промысловых  данных по динамике показателей работы нефтяных и нагнетательных скважин, гидродинамические и геофизические исследования показывают ухудшение состояния призабойных зон скважин в процессе их эксплуатации.

В добывающих скважинах, кроме рассмотренных  выше крайне неблагоприятных явлений, связанных с попаданием в пласт  воды, которые возникают и в  процессах эксплуатации, например при осуществлении ремонтных мероприятий, ухудшение характеристик призабойной зоны возникает из-за отложений асфальте с мол и стих и парафиновых фракций с формированием на поверхности пор адсорбци-онно-сольватных слоев. Это приводит к образованию граничных слоев нефти с аномально высокой вязкостью и толщиной, соизмеримой с радиусом поровых каналов, что резко снижает проницаемость прискважинной зоны и увеличивает объемную неоднородность коллектора.

В нагнетательных скважинах в процессе закачки  в пласт воды ухудшение проницаемости  ПЗП происходит из-за постепенного закупоривания пор коллектора взвешенными в воде твердыми частицами и нефтепродуктами, а также в результате физико-химических процессов, происходящих при контакте закачиваемых технологических жидкостей с породой коллектора и пластовыми жидкостями. Анализ промысловых показателей работы нагнетательных скважин показывает [I, 23, 51J, что содержание механических примесей в технологической жидкости выше допустимых пределов является причиной очень быстрого снижения приемистости и даже полной остановки скважины. Поскольку закачиваемая вода, как правило, отличается по химическому составу и температуре от пластовых жидкостей, то нарушается естественное физико-химическое равновесие в среде продуктивного пласта. Происходят набухание глинистых компонентов и их разрушение, что приводит и к закупориванию пор, н к переносу глинистого материала (в том числе и попавших при бурении частиц бурового раствора) с последующей кольматацнен низко проницаемых участков пласта, снижаются приемистость и охват пласта как по толщине, так и по простиранию. Нарушение физико-химического равновесия приводит также к выпадению нерастворимых осадков, отложению солей [39, 102], выпадению кристаллов парафина [ПО, 122] в поровых каналах ПЗП.

В случаях  закачки в скважины попутных вод нефтяных промыслов или если нагнетательная скважина находится внутри контура нефтеносности, снижение водопроницаемости и избирательное течение воды могут быть вызваны адсорбцией асфальте с мол истых веществ и нефтепродуктов на поверхности поровых каналов, образованием структурированных кольматирующих слоев, уменьшающих эффективное сечение фильтрационных каналов [36]. Взаимодействие воды с нефтью, при достаточно высокой скорости фильтрации и наличии естественных стабилизаторов -смол и асфальтенов, приводит к образованию в ПЗП стойких водонефтяных эмульсий [9] и снижению приемистости.

Таким образом, в процессах бурения, освоения н  экс 
плуатации скважин в призабойных зонах образуются об 
ширные области с крайне низкой проницаемостью, заметно 
ухудшающие производительность "гидродинамических ис 
точников и стоков" — скважин. Это приводит к снижению 
средней скорости фильтрации по всему пласту в целом, 
способствует образованию застойных облаете^леиздле— 
ченной нефти.

На всех стадиях  разработки нефтяных месторождений призабойная зона пласта является основным объектом воздействия для подавляющего числа всех известных методов обработки скважин. Мероприятия, направленные на очистку ПЗП, восстановление естественной проницаемости, способствующие улучшению ее термодинамического состояния, в реальных условиях расчлененного и неоднородного пласта вызывают не только увеличение текущей нефтедобычи, но и повышают нефтеотдачу залежи [36]. И в этом смысле предпочтительны методы, которые способны вызывать заметные положительные изменения фильтрационных и коллекторских свойств, не образуя при этом новых неоднородностей, таких, например, как при гидроразрыве пласта, которые могут привести к увеличению текущей нефтедобычи, но могут и ухудшить нефтеотдачу пласта в

целом.

Виброволновое воздействие на призабойную зону скважин с полным основанием можно отнести к числу перспективных методов. Это подтверждают известные явления и эффекты, способные оказывать положительное влияние, в свете вышерассмотренных проблем, на состояние ПЗП.

Упругие низкочастотные колебания - вибрация на два-три порядка  ускоряют процессы релаксации механических напряжений 127, 38, 79, 103]. В ПЗП это  способствует уменьшению отрицательных  последствий бурения и вскрытия пластов, связанных с нежелательными напряжениями в породах вокруг скважин и перфорационных каналов, с механоактивацией поверхности пород, и тем самым может способствовать восстановлению естественного равновесного состояния ПЗП с исходной проницаемостью ее коллектора.

Эксперименты показывают [95-98], что под воздействием высокоамплитудных низкочастотных колебаний давления в жидкости порядка 0,3 МПа происходит необратимое увеличение абсолютной проницаемости насыщенных пористых сред. Относительные изменения проницаемости искусственно сцементированных кернов доходят до 30 % и связаны с образованием новых фильтрационных каналов в пористой среде, изменением пористости, раскрытием трещин, переупаковкой и изменением ориентации слагающих пористую среду зерен. При наличии глинистости вплоть до 35 % эти явления усиливаются.

Другая группа явлений связана с влиянием упругих  колебаний непосредственно на поровые жидкости и кольма-танты в их взаимодействии с твердой поверхностью пор коллектора.

Экспериментально  обнаружены изменения реологического поведения характеризующихся наличием вязкоупру-гих и вязкопластических свойств неньютоновских жидкостей. Авторами работ [44, 57] исследовалось изменение сдвиговой вязкости нефтей под действием упругих колебаний интенсивностями 8-100 кВт/м2и с частотами 20 Гц -4,5 МГц. Оказалось, что сдвиговая вязкость сразу после воздействия снижается на 20-30 %, а спустя некоторое время либо восстанавливается полностью (если режим воздействия докавитационный), либо частично (при развитом кавитационном режиме воздействия). Чем больше содержание асфальтосмолистых и парафинистых компонентов в нефтях, тем большие изменения вязкости в докави-тационном режиме наблюдаются при низких частотах воздействия. Время восстановления вязкости лосле воздействия составляет 5-6 ч и более.

В процессе исследований многократно наблюдалась дегазация пластовых жидкостей под влиянием механических колебаний как высоких [36, 92, 93, 109, 173], так и низких частот [2, 172]. Процессы дегазации происходят вплоть до установления нового значения равновесной концентрации, которое всегда меньше равновесной концентрации газа без воздействия, причем интенсивность и частота колебаний определяют лишь скорость изменения концентрации газа и время установления новой равновесной концентрации, но не само ее значение [92]. Явление выделения газа из пластовых флюидов в поле упругих колебаний может в зависимости от конкретных условий самым различным образом повлиять на состояние прискважинной зоны и на ее фильтрационные характеристики. Тем не менее в промысловой практике известно немало положительных результатов по интенсификации технологических приемов добычи нефти, опробования и освоения пластов, связанных с явлением дегазации [92, 109, 112].

Фактически  дегазация жидкостей является лишь следствием влияния механических колебаний в целом на процессы тепло- и массопереноса в капиллярно-пористых средах, что экспериментально установлено на примере явле ний увеличения эффективной температуропроводности, возникновения внутрипоровой конвекции, изменения условий фазовых переходов в системах нефть - газ, гидраты - газ под действием колебаний [36, 54, 94, 161, 170].

Особого внимания заслуживает влияние упругих  колебаний на фильтрацию пластовых жидкостей. Помимо рассмотренных выше явлений изменения проницаемости, вязкости, температуропроводности и др., влияющих на фильтрацию  посредством  изменения  самих  свойств  флюидов, экспериментально наблюдаются специфические "фильтрационные" эффекты. Это, например, весьма значительное (почти двадцатикратное) увеличение относительной скорости фильтрации воды или обычной ньютоновской нефти через модели кернов песчаника при наложении поля интенсивных упругих колебаний в несколько сотен киловатт на 1 м2, на частотах 3-10 кГц [199], увеличение до 10 раз скорости фильтрации полярных и неполярных жидкостей, диэлектриков и электролитов в поле колебаний интенсивностью 1,9 кВт/м2 и частотой 17 кГц [146], увеличение почти на два порядка скорости фильтрации дистиллированной воды и растворов солей через керны пород при воздействии колебаниями частотой 26,5 кГц [187]. Авторы этих исследований объясняют полученные результаты разрушением поверхностных облитерационных слоев в поле упругих колебаний, что увеличивает эффективное сечение мелких пор и уменьшает сопротивление течению в них жидкости.

Другой возможный  механизм для объяснения явления  многократного увеличения скорости фильтрации в поле упругих колебаний  можно представить, если рассмотреть  результаты теоретической работы [48], где поставлена модельная задача описания односторонне направленного движения вязкой сжимаемой жидкости по узкому капилляру, стенки которого деформируются в виде бегущих волн. В результате численного анализа установлено, что волна поперечных перемещений стенки наводит в жидкости внутреннюю волну, существенной особенностью которой является то, что даже при малых амплитудах поперечных перемещений стенки капилляра амплитуды давления и продольной скорости жидкости в некоторых зонах течения могут достигать значений, существенно превосходящих те значения, которые могут вызвать акустические течения. Применительно к течениям в пористых средах этот резуль тат, по мнению авторов [48], представляет собой пример, показывающий, что пульсации скорости и давления с масштабом порядка радиуса пор могут вызывать односторонне направленные течения со скоростями, существенно пре-иышающими скорости фильтрации.

Следует отметить, что большая часть вышеописанных, ранее известных экспериментальных  явлений наблюдается при воздействии  упругими колебаниями с довольно высокой интенсивностью порядка 10-100 кВт/м2, обусловленной высокой частотой воздействия. С точки зрения промыслового применения в целях глубокого воздействия на прискважинную зону и пласт наибольший интерес представляют явления, которые наблюдаются при достаточно низких интенсивностях колебаний менее 1 кВт/м2, обусловленных низкой частотой менее 1 кГц. Подобные явления наблюдаются при появлении контактов различных жидкостей и газов в поровых каналах, что имеет место в процессах взаимного вытеснения несмешивающихся жидкостей, многофазной фильтрации, гравитационной сегрегации и др. Экспериментальные лабораторные исследования показывают, что под действием упругих колебаний уменьшается кинетический гистерезис смачивания [92], происходит более быстрое и глубокое проникновение жидкостей в узкие щели и капилляры [112, 113, 146, 163], интенсифицируются процессы капиллярной пропитки [54, 60-62, 64, 65, 164, 192, 208], изменяются фазовые проницаемости для нефти и воды [76, 62, 64, 192, 208], возрастает степень вытеснения нефти из пористой среды [40, 42, 60-62, 64, 65].