Стендовые исследования факторов, влияющих на подвижность флюидов в пластовых условиях.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной установке, позволяющей изучать переходные процессы в образцах пород в условиях действия высоких пластовых и горных давлений. Необходимость создания такой установки обосновывалась очень низким уровнем знаний в области влияния на фильтрационные свойства пластов кратковременных интенсивных нагрузок при первичном и вторичном вскрытии. Установка такого плана «Пласт» впервые была разработана и изготовлена под руководством и при непосредственном участии И.Н.Гайворонского. Заполняя сосуд высокого давления различными «перфорационными» жидкостями, создавая на керн нагрузки, действующие в реальной скважине (пластовое и горное давление), и используя однозарядный корпусный перфоратор, данная установка позволяет прогнозировать качество гидродинамической связи скважины с пластом, которое будет получено в реальной скважине. Последующие модификации установки были разработаны под руководством В.С. Замахаева.(12).

Рис.№3.7. Установка «Пласт» для исследования пропускной способности перфора­ционного канала.

а — СВД с кернодержателем: 1 — затвор, 2 — корпус сосуда высокого давления, 3 — однозарядный макет перфоратора, 4 — трубопроводы для подачи жидкости, 5 — корпус комбинированной мишени (кернодержатель), 6 — резиновая манжета с металлической обоймой для бокового гидрообжима , 7 — электроввод, 8 — стальной диск, 9 — цементный диск, 10 — керн горной породы, 11 — поршень для создания внутрипорового (пластового) давления;

б — схема стенда: 1 — образец породы (керн), 2 — резиновая обойма, 3 — корпус мишени, 4 — поршень, 5 — сосуд высокого давления, 6,11 — замерные емкости, 7 — сливная емкость, 8 — гидронасос высокого давления, 9 — исходная емкость, 10 — газовый баллон, 12 — газовый счетчик.

Сложность моделирования переходных процессов состояла в следующем:

- помещение образца породы в кернодержатель установки и создание нагрузки, моделирующей горное давление, уже является сильным возмущением, способным необратимо изменить систему порода – насыщающий флюид;

- последующие сравнительно слабые воздействия на образец породы в кернодержателе могут вызвать слабую, не подлежащую регистрации реакцию;

- из-за ограниченных размеров образцов пород, используемых в экспериментах, переходные процессы будут протекать в течение очень короткого времени и абсолютные значения эффектов будут не сопоставимо низкими ;

- при разработке месторождений физико-механические свойства пород- коллекторов претерпевают изменения и эти изменения наиболее существенны при каждом глушении пласта.

В опытах использовались искусственные керны цилиндрической формы длиной 150 – 200 мм и диаметром 90 мм, изготовленные из смеси песка и маршаллита (молотого кварца) с добавлением в качестве связующего материала жидкого стекла. После уплотнения смеси в разъемных пресс-формах керны подвергали предварительной сушке и обжигу по ступенчатому графику набору температуры с окончательным обжигом при температуре 800 –900 ºС.

Все используемые для изготовления кернов материалы были гидрофильными, что давало уверенность в получении пористых сред с гидрофильной поверхностью.

Основным критерием, служащим для сортировки искусственных кернов, являлось изменение проницаемости образцов по азоту после закачки и вытеснения 5 %-ного водного раствора NaCl. Абсолютная и фазовая проницаемости определяли после помещения керна в кернодержатель, нагружения керна боковым и осевым гидрообжимом, моделирующим горное давление. По результатам таких испытаний керны были разделены на три группы (А, Б и С). В таблице №3.2 приведены значения исходной абсолютной проницаемости кернов по газу и относительной проницаемости к_пр / к_про групп А и Б_.

Таблица №3.2.

Влияние остаточной воды на проницаемость искусственных кернов.

Свойства кернов группы А соответствовали свойствам уплотненных песков.

Причиной сильного отличия свойств искусственных песчаников групп А и Б могли быть только режимы ступенчатого нагрева и последующего охлаждения при предварительной сушке перед окончательным обжигом. Можно утверждать, что несмотря на гидрофильность образцов групп А и Б, основное отличие состояло в образовании на поверхности минералов группы А адсорбированных слоёв молекул воды. Отсутствие адсорбционных центров на поверхности минералов в образцах группы Б и, по- видимому, очень большое значение энергии активации не позволило хемосорбироваться молекулам воды на поверхности минералов несмотря на предшествующую закачке воды и деформацию керна гидрообжимом. Некоторую ясность такого преобразования поверхности минералов группы Б внесли исследования с образцами группы С.

Образцы группы С рассматривались отдельно, поскольку характеризовались сверхтекучестью, которая наблюдалась при фильтрации через них как минерализованной воды, так и фильтрата бурового глинистого раствора.

Таблица №3.3

Сверхтекучесть коллоида (фильтрата глинистой промывочной жидкости) в образцах группы С.

При кольматации кернов группы С глинистым буровым раствором был отмечен ещё один эффект. Он состоял в том, что даже после формирования глинистой корки большой толщины из неё продолжала вытягиваться жидкая фаза. Процесс длился до тех пор, пока глинистая корка не превращалась в камень. Такая инерционность связана с продолжающимися преимущественно направленными тепловыми колебаниями молекул в поверхностных слоях минералов породы и хемосорбированных слоях флюида . При этом преимущественными силами между молекулами флюида и твёрдого тела являются силы отталкивания.

После разгрузки керна от горного давления, удаления из канала (или торца керна) образовавшегося глинистого камня и повторного создания гидрообжима на смену сверхтекучести приходила обычная проницаемость. При этом образец по адсорбционным свойствам переходил в группу Б.

Применительно к процессу поглощения промывочной жидкости при бурении можно также утверждать, что во многих случаях причиной его является всё та же сверхтекучесть.

Геофизический контроль за процессами, протекающими в пластах при бурении скважины, подтвердил не только явление сверхекучести в низкопроницаемых пластах , но и инерционность этого процесса.

В разведочной скважине № 173 Ем-Ёговской площади после подъёма инструмента с проработкой ствола и выполнения промежуточного каротажа было обнаружено сужение ствола в интервале глубин 2482 – 2495 м и наличие низкопорового коллектора. На рисунке №3.8 приведены результаты геофизических исследований, проведённых в скважине 173 Ем- Ёговской площади. Кривые кавернометрии (КВ) - а) и ПС - б) указывают на сужение диаметра ствола скважины на 5 см за счёт формирования толстой обезвоженной глинистой корки. Последующий отток пластового флюида от стенки скважины вглубь пласта и снижение несущей способности породы (в том числе за счёт снижения пластового давления) привели к полной потере проницаемости породы.

Заканчивание скважины было связано с глушением пласта при доведении скважины до проектной глубины, цементированием после спуска обсадной колонны и вторичным вскрытием с использованием стреляющих перфораторов. С учётом очень большого радиуса зоны, характеризующейся потерей проницаемости, вторичное вскрытие пласта перфоратором ПР100 (контроль выполнен локатором муфт) не смогло обеспечить гидродинамическую связь скважины с пластом. Попытки химических и физико-химических обработок пласта также оказались безуспешными.

На рисунке № 3.9 приведены результаты кольматации глинистым раствором просверленного в искусственном образце группы С канала. В канале из глинистого раствора образовался очень прочный камень, выдерживающий огромную депрессию.

После снятия гидрообжима и рассверливания канала, порода по адсорбционным свойствам перешла в группу Б. То есть произошло разрушение состояния, ответственного за сверхтекучесть флюидов. Аналогичный процесс мог иметь место и при многократных сушках кернов группы Б и «уходе» адсорбционных плёнок и дефектов из минералов керна под действием возникающего в образце термоградиента.

Массоперенос в пористых средах с развитой поверхностью под действием приложенного термоградиента относится к достаточно изученным процессам (33). Однако, в нефтегазовых пластах приходится иметь дело с несколько иным механизмом массопереноса, хотя в основе его лежат всё те же тепловые колебания молекул.

Обнаруженная в образцах группы С сверхтекучесть флюида могла быть связана только с деформацией керна при гидрообжиме .При этом сам образец группы С до гидрообжима находился в метастабильном состоянии. Обобщая полученные экспериментальные исследования и промысловый опыт можно утверждать, что многие пласты в условиях залегания находятся в метастабильном состоянии и вскрытие их бурением будет инициировать сложные переходные процессы, в результате которых пласт может сохранить свойства сверхтекучести или утратить их.

Следствием переходных процессов (по аналогии с процессами в образцах группы С) является и уход нефти и газа от ствола скважины, сопровождающийся в той или иной мере изменением физико-механических свойств породы – коллектора. При этом, в зависимости от степени изменения физико-механических свойств породы – коллектора и проявления горного давления, пласт может полностью потерять проницаемость или наоборот – катастрофически поглощать скважинную жидкость. В таких случаях приходится иметь дело с размерами зон изменённых фильтрационно-емкостных свойств пласта в окрестности скважины в десятки и сотни метров. Многие из этих преобразований частично или полностью обратимы, но даже для частичного восстановления ФЕС могут потребоваться многие месяцы и годы.

На фоне значительных изменений фильтрационных свойств пласта при первичном вскрытии и непостоянства во времени полученных свойств, эффективность любого способа вторичного вскрытия определяется, в том числе и интервалом времени между первичным и вторичным вскрытием.

В таблице №3.4 приведены результаты вторичного вскрытия и испытания пластов на разведочных площадях Хапчагайского мегавала (Республика Саха). В процессе бурения скважин и испытания пластов в открытом стволе была получена следующая информация о пластах: характер насыщения и потенциальная продуктивность. Не установлена несущая способность породы – коллектора в зависимости от эффективного давления (разнице горного и пластового давлений) и характера насыщения. Испытания пластов после завершения строительства скважин и вторичного вскрытия кумулятивными перфораторами не обеспечили гидродинамическую связь внутрискважинного пространства с пластом. Безрезультатными оказались и дополнительные кислотные обработки.

Основываясь на изложенных выше соображениях, автор настоящей монографии предложил повторить испытания после достаточно длительной выстойки скважин. Идею удалось реализовать на многих разведочных скважинах и получить положительный эффект. Для чистоты эксперимента использовался один и тот же типоразмер кумулятивного перфоратора: ПКС – 80. Особое внимание при проведении опытно – промышленных работ уделялось наличию хотя бы слабой гидродинамической связи скважины с газовым пластом после первого этапа перфорации. При наличии таковой, давление на закрытом устье скважины могло возрастать из-за гравитационной замены жидкости газом. Однако, в течение всего периода наблюдений появления газа на устье не наблюдалось. Из этого можно сделать несколько важных выводов. Во-первых, отток газа от стенки скважины изменил физико-механические свойства породы – коллектора в сторону повышения её пластичности и снижения несущей способности. Во-вторых, выстрел кумулятивного перфоратора в породу с изменёнными физико-механическими свойствами не в состоянии создать каналы, обладающие хотя бы низкой пропускной способностью, в условиях действия горного давления. В- третьих, возврат газа к стенке скважины через длительный промежуток времени в некоторой степени повышает несущую способность породы и вновь простреленные каналы сохраняют пропускную способность при действии горного давления. Речь, конечно, не идёт о возврате породы к изначальным свойствам.

Таблица №3.4

Влияние выстойки скважины на эффективность вторичного вскрытия.

Обозначения: D_{ШТ –} диаметр штуцера; ТМ³ – тысяч кубометров;

Облитерация в породах- коллекторах.

Среди известных и достаточно изученных в экспериментальном плане процессов, инициируемых движением флюидов в тонких капиллярах и щелях, следует отметить облитерацию. Этим термином названо явление уменьшения, а во многих случаях полного прекращения течения флюидов через малые проходные сечения. На основе опубликованных сведений это происходит в результате хемосорбции радикалов со свободной валентностью на стенке капилляров и частичного или полного заращивания проходного сечения. При этом зарастают не только тонкие капилляры, но и щели шириной до 0,1 – 0,2 мм.

Поверхностный слой металлов и минералов вследствие контакта с жидкостями и газами приобретает свойства полупроводников. Хемосорбция на поверхности полупроводников теснейшим образом связана с электронными процессами как внутри, так и на поверхности этого полупроводникового «чехла». Накопленный экспериментальный материал в области гетерогенного катализа свидетельствует о том, что электронные процессы, разыгрывающиеся в полупроводнике и обуславливающие его электрофизические свойства, в то же время определяют его адсорбционную способность и каталитическую активность. Не представляют исключения и природные породообразующие минералы. Так, например, сухая глина не является катализатором, но будучи увлажнённой, становится катализатором окислительных реакций.

Исследованиями, выполненными автором данной монографии, установлено, что в основе облитерации и кристаллогидратообразования лежит один и тот же механизм. Аналогично облитерации. при течении газоводяной смеси через свежеизготовленные стальные втулки диаметром до 3 мм, отмечалось полное перекрытие проходного сечения образующимися кристаллогидратами. Процесс проходил с обратным гидроударом в манометр. Если в период «молчания» давление на кристаллогидратную пробку быстро снижали на 20 – 30 %, пробка мгновенно разрушалась и временно до нового запирания возобновлялось течение газожидкостной смеси. Дальнейшее движение газоводяной смеси через втулку длиной 30 мм, при перепаде давления до 1 МПа между её торцами, становилось пульсирующим со скважинностью пульсаций до 10 – 30 сек. Продолжительность периода непрерывного течения газожидкостной смеси через втулку не превышала 5 сек. С повышением перепада давления до 2-3 МПа втулка закрывалась образующимися кристаллогидратами с обратным гидроударом в манометр и скважинность пульсаций возрастала до 10 минут. Некоторые втулки через несколько циклов повышения и последующего понижения давления полностью теряли способность инициировать образование кристаллогидратов. Такого же эффекта можно было добиться путём обработки втулок кислотами.

Таким образом, было показано, что при соответствующей каталитической способности твёрдой поверхности сам процесс движения флюидов порождает заряженные радикалы , которые взаимодействуя между собой и с твёрдой поверхностью образуют объёмные новообразования, в значительной мере препятствующие движению флюидов. Высокие градиенты давления не только обеспечивают формирование новообразований, но и способствуют сохранению этих неустойчивых и малопрочных систем в узких каналах.

Пульсирующий режим фильтрации известен из практического опыта эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Моделировать такой процесс в пористых средах достаточно сложно. Причина этого лежит в сильной зависимости взаимодействия между флюидом и твёрдой поверхностью от предыстории породы, сорбированных газов, состава самого фильтрующегося флюида и т.п. Необратимые изменения свойств минералов при выбуривании кернов создают непреодолимые препятствия для исследования процессов в конкретных пластах при характерных для них термобарических условиях. Поэтому основные закономерности процессов в пластах целесообразно и более эффективно изучать на искусственных моделях пород. Искусственные керны, изготовленные методом спекания смеси песка, маршаллита и жидкого стекла в отношении облитерации обладали совершенно различными свойствами. Малая часть из них инициировала облитерацию в поровых каналах при фильтрации осветительного керосина и трансформаторного масла. При этом облитерация имела место в зоне, простирающейся от торца вглубь керна не более чем на 3 см. Полная потеря проницаемости кернов за счет отложения асфальтосмолистых веществ происходила после прокачки не более 1 литра керосина. После предварительной очистки керосина от асфальтосмолистых веществ серной кислотой процесс облитерации на таких кернах значительно снижался, и требовалось прокачать большие объёмы очищенного керосина (до 20 – 30 литров), чтобы произошло полное заращивание путей фильтрации. Позитивный эффект отмечался и при введении в неочищенный керосин добавок (в количестве 0,2 %) ионола. В последнем случае для полной потери проницаемости требовалось прокачать через образец объём жидкости в десятки раз больший, чем в случае очищенного керосина без добавок.