Экспериментальные исследования особенностей фильтрации капиллярно-защемленных фаз

Актуальность работы.

В настоящее время при проектировании и анализе разработки месторождений для создания новых технологий и совершенствования существующих необходимо использовать надежные данные об эффективности вытеснения углеводородов в пластовых условиях. По существующим стандартам для этой цели используются:

1). Функции относительных фазовых проницаемостей.

2). Коэффициенты вытеснения нефти водой и другими флюидами.

3). Остаточные насыщенности (какой-либо фазой).

Эти параметры определяются в лабораториях на керновом материале при фиксированных пластовых условиях, то есть при постоянных давлениях и температурах, а также при постоянстве свойств нефти и вытесняющего агента. В то же время опыт разработки свидетельствует о существенных изменениях термобарических условий при разработке месторождений. Так наряду с изменениями температуры и давления меняется состав и свойства нефти, состав и свойства вытесняющих агентов (вода, химические реагенты и т. д.). Поэтому представляет научно-практический интерес исследования изменения этих параметров в зависимости от изменения давления и температуры и их влияние на эффективность вытеснения. Для решения этих задач предполагается использовать установку трехфазной фильтрации. Установка предназначена для изучения фазовой проницаемости, коэффициента вытеснения, остаточной насыщенности нефтегазового пласта посредством фильтрации через них смеси нефти, газа и воды в условиях давления и температуры, близких к естественным. Принцип исследования трехфазной фильтрации состоит в моделировании совместного течения воды, нефти и газа через образец породы, на котором моделируются пластовые условия — горное и пластовое давление и температура. В процессе фильтрации обеспечивается измерение параметров каждой фазы: давления, расхода, температуры и перепада давления при совместном течении в образце (перепад давления в каждой фазе от 0 до 6.3 атмосфер), а также удельного электрического сопротивления образца (для расчета насыщенности). Кроме того, установка позволяет использовать агрессивные (например, щелочные) среды, а также проводить исследования в циклическом режиме. В первую очередь представляет интерес определение фазовых проницаемостей и функций относительных фазовых проницаемостей (ФОФП). Понятие ФОФП относится к числу фундаментальных в современной подземнойгидромеханике: Без них невозможно моделирование фильтрационных процессов, при проектировании • разработки месторождений углеводородного сырьяФОФП лежат, в основе методик подсчета запасов, коэффициента нефтеотдачитехнологических показателей— разработки: месторождений углеводородного сырья. Применение приближенных к пластовым условиям ФОФПпозволит воссоздать ~ более точную картину фильтрационных процессовшри том или ином способе разработки месторождения.

Известно, что закономерности двухфазной фильтрации определяют эффективность вытеснениянефти: водой. Они влияют на качество проектирования и достоверность анализа разработки месторождений. Экспериментальные исследования. двухфазнойфильтрации проводятся в течение нескольких десятилетий многими исследователями. Функции" относительных фазовых проницаемостей- (ОФП) и коэффициентов вытеснения, стандартизированы, и входят в обязательный: перечень параметров проектирования разработкиОднако существующие стандарты и методики" предполагают наличие двухфазной фильтрации лишь в диапазоне от остаточной- (неподвижной) водонасыщенности до максимально возможной водонасыщеннности, определяемой неподвижной (остаточной) нефтенасыщенностью. •, Сами же значения. неподвижных насыщенностей считаются неизменными величинами, зависящими от свойств изучаемых пластов. Такой подход не учитывает явлений капиллярного защемления. Капиллярно — защемленная нефте и водонасьпценность является составной частью неподвижных (остаточных) фаз.

При двухфазной фильтрации в процессе вытеснения одной фазы другойпод действием * капиллярных сил происходит защемление фаз. Непрерывная фаза дробится и блокируется этими силами в виде. разветвленных капель (ганглий): Капиллярно-защемленные фазы (КЗФ) демонстрируют двоякую природу. С однойстороны, при: неизменных условиях фильтрации они являются «неподвижными» (остаточными).С другой стороны, при изменении сложившихся условий фильтрации эти фазы могут приобретать подвижность ивовлекаться в фильтрационный процесс. Подвижность защемленных фаз контролируется, проявлением капиллярных и напорных (гидродинамических) сил в масштабах, соизмеримых с размерами капель защемленной фазы. Проявления капиллярных и напорных сил зависят от геометрических особенностейвнутрипоровых пластовых системхарактера смачиваемости,. эффектов ' межфазного. взаимодействия, градиентов давлений, вязкостивытесняемой: и вытесняющей фаз — и, других параметровСпецифическая.подвижность./защемленных.фаз очевидно может обуславливать особые условия-их фильтрации. Капиллярное защемление-может оказывать влияние на: важнейшие характеристики двухфазной, фильтрации: — функции относительных фазовых проницаемостей (ОФП) капиллярногодавления (КД). Значение защемленной насыщенности контролирует величины коэффициентов вытесненияэффективной и динамическойпористости.

Несмотря наважное. значение явлений капиллярного защемления до настоящего времени комплексных экспериментальных исследований фильтрации, капиллярно-защемленных фаз: не проводилось. Поэтому выполнение таких исследований позволит уточнить влияние защемленных фаз на характеристики двухфазной фильтрации. Это, по мнению автора, и определяет актуальность-выбранной темы диссертационной работы.

Цель работы. .¦" '.••'••.

Экспериментальное определение, закономерностей: фильтрации капиллярно-защемленных. фаз (нефть, вода) в микронеоднородных сложнопостроенных коллекторах с различш, ш типом смачиваемости.,. ' Объект исследования.

Терригенный и карбонатный ксрновый материал, характеризующийся сложным микростроением и различным характером смачиваемос ти. Основные задачи исследований.. .

1. Дать, анализ существующих представлений о капиллярно-защемленных: фазах, определить факторы, влияющие на защемление, оценить возможности стандартных методик экспериментального исследования для изучения фильтрации защемленных фаз. .

2. Дать экспериментальное и теоретическое обоснование методики определения параметровфильтрации защемленных фаз (остаточные насыщенностискорости: фильтрации, фазовые проницаемости) на кернах в широком диапазоне изменения: скоростей фильтрации:

3. Разработать техническое ' и информационное обеспечение проведения: экспериментальных исследований на кернах.

4. Выявить:. ' -¦. ". ,: -' • Закономерности фильтрации подвиэюных фаз при наличии защемленных-,.

• - Характер подвижности защемленных фазл • Динамику изменения насыщенности защемленной, фазы в процессе ее: вытеснения;

Времена установления/ равновесного состояния при фильтрации защемленной фазы-. .

• Поведение защемленных фаз при их вытеснении водогазовой смесью.

5. Экспериментально установить, закономерности изменения проницаемости по фильтрующейся фазе в присутствии защемленных фаз.

6. Исследовать влияние подвижности* защемленных фаз на коэффициенты вытеснения, значения начальной и остаточной нефтенасыщенности.. Методы исследования.

Лабораторное моделирование процессов образования, и фильтрации капиллярно-защемленныхфаз в микронеоднородных коллекторах в условиях приближенных к пластовым. '.

Научная новизна работы.

Г. Показано, что для сложнопостроенных коллекторов эффекты подвижности капиллярногзащемленной водо: и нефтенасыщенности. влияют на закономерности двухфазной: фильтрации за. счет изменчивости значений неподвижных насьпценностей при изменении условий фильтрации. .

2. Экспериментально установлена? нелинейная зависимость скорости фильтрации подвижной фазы от градиента давления, и определена кинетика защемления- ,.

3. Показано, что при наличии капиллярно-защемленных водои нефтенасыщенности нефтеи водопроницаемость зависят от градиента давления, типа пористой структуры и характера смачиваемости внутрипорового пространства.

4. Установлена зависимость защемленного нефте-, водонасыщения-от градиента давления для сложнопостроенныхч коллекторов с различным типом смачиваемости, отличающаяся от известных темчто на характер зависимости оказывает влияние тип защемленной фазы^ изменение смачиваемости и структуры порового пространства.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов следует из того, что они основаны на общих законах и методах механики сплошных сред, которые являются теоретической основой подземной’гидромеханики.

Практическая значимость работы.

Экспериментально показано влияние КЗФ на важнейшие характеристики двухфазною фильтрации, что позволяет рекомендовать полученные результаты для совершенствования методик определения функции ОФП, коэффициентов вытеснения, водонефтенасыщенности, эффективной" и динамической пористости по данным лабораторного моделирования. Предлагаемую методику также целесообразно использовать при лабораторном моделировании технологий увеличения коэффициентов вытеснения путем закачки различных реагентов. Результаты, полученные в работе позволяют совершенствовать лабораторные методы подбора химических композиций для повышения качества вскрытия пластов и повышения продуктивности скважин за счет снижения содержания КЗФ и повышения целевой проницаемости в околоскважинной зоне пласта.

Защищаемые положения.

1. Экспериментально установленные закономерности фильтрации непрерывных фаз при наличии капиллярного защемления заключаются в нелинейности зависимости скорости фильтрации от градиента" давления, влиянии характера смачиваемости внутрипоровой поверхности на вид зависимости скорости фильтрации от градиента давления, кинетики достижения новых стационарных состояний при изменении градиента давления.

2. Нелинейный характер изменения проницаемости по фильтрующимся фазам от градиента давления при наличии капиллярного защемления, зависящий от смачиваемости коллектора и вида защемленной фазы.

3. Сложный характер зависимости насыщения защемленными фазами от ' градиента давления в непрерывных фазах, меняющийся при изменении структуры порового пространства и смачиваемости, а также типа защемленной фазы.

4. Влияние эффектов капиллярного защемления на коэффициент вытеснения, эффективную и динамическую пористости. Возможность доизвлечения капиллярно-защемленных фаз при использовании водогазового воздействия на пласт.

Апробация работы.

Научные, методические и прикладные методы и результаты, использованные и полученные в диссертации, обсуждались на международной конференции молодых ученых «Молодежная наука — нефтегазовому комплексу» (Москва, 30−31 марта, 2004 г.), на международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (Москва, 24−26 ноября, 2004 г.), а также на XLVIII научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных' наук» (Москва — Долгопрудный — Жуковский, 25−26 ноября, 2005 г.), на седьмой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», (Москва, 29−30 января 2007 г.), на Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности», (Москва, 24−26 апреля 2007 г.), на научно-практической конференции «Методы интенсификации добычи углеводородного сырья. Опыт и перспективы», (Москва, РГУнефти и газа им И. М. Губкина, ноябрь 2008 г.), на Международном симпозиуме (Москва, ОАО «ВНИИнефть», 15−16 сентября 2009 г.), на научных семинарах ИПНГ РАН. Результаты работы обсуждались на научном семинаре компании Schlumberger.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы.

Работа содержит введение, 4 главы текста, выводы и список используемой литературы. Общий объем работы составляет 178 страниц, в том числе 85 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 75 наименований.

Работа выполнена в ИПНГ РАН. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н., действительному члену РАЕН, проф. Михайлову H.H., который был идейным вдохновителем и постоянным наставником данной работы. Автор выражает глубокую признательность зам. директора по научной работе проф. Максимову В. М. за — поддержку работы. Автор также признателен ведущим специалистам ИПНГ РАН докторам технических наук С. Н. Закирову, Э. С. Закирову, А. М. Свалову, В. А. Черных за ценные замечания, сделанные на этапе апробации работы.

Основные выводы и результаты работы.

1. Показано, что фильтрация флюидов при наличии защемленных фаз контролируется насыщенностью защемленной фазы и смачиваемостью породы. В общем случае зависимость скорости фильтрации от градиента давления при наличии защемленной фазы является нелинейной.

2. Остаточные капиллярно-защемленные водои нефтенасыщенности не являются константами, а зависят от скоростей фильтраций. При переходе на большую скорость происходит довытеснение защемленных фаззависимости насыщенности от градиента давления имеют нелинейный характер. На вид этих зависимостей оказывает влияние смачиваемость породы.

3. Эксперименты показали, что при наличии защемлённых фаз времена (периоды) выхода на новый стационарный режим течения подвижной фазы уменьшаются с увеличением скорости фильтрации и зависят от типа коллектора.

4. Показано, что в случае двухфазного вытеснения (водогазовое воздействие) имеет место явное уменьшение капшшярно защемлённой остаточной нефтенасыщенности, в том числе высоковязкой нефти по сравнению со случаем вытеснения нефти водой или водой с ПАВом.

5. Исследования влияния подвижности защемлённых фаз на фазовые проницаемости по непрерывной фазе и коэффициенты вытеснения показали, что:

— проницаемость по фильтрующейся фазе при наличии защемленных фаз не является постоянной, а увеличивается с увеличением перепада давления;

— на зависимость проницаемости от перепада давления оказывает влияние смачиваемость коллектора;

— коэффициенты вытеснения нефти водой и воды нефтью растут при росте скорости вытеснения воды и нефтиизменения коэффициентов вытеснения обусловлены изменением насыщенностей капиллярно-защемленных фаз при росте скорости вытесненияэффективность вытеснения контролируется уменьшением капиллярно-защемлённой остаточной нефтенасыщенностью;

— на зависимости коэффициентов вытеснения от скорости вытеснения оказывает влияние смачиваемость пласта и тип коллектора.