Акустические методы повышения нефтеотдачи пластов и интенсификации добычи нефти

образования. Первый, обычно называемый стрейнинг (straining: – в  данном случае - фильтрование), характерен, в основном, для кольматирующих структур минерального происхождения. Он заключается  в кольматации поровых каналов 

частицами песчаников, глин и т.д., размер которых не на много  меньше эффективных размеров поровых  каналов (в пять и менее раз  меньше размеров зерен, слагающих пласт) [19, 16]. Такие частицы, минеральный состав которых в

основном совпадает с  минеральным составом коллектора, всегда имеются в порах 

и в отсутствии течения  находятся в осажденном состоянии, т.к. в силу их относительно большого размера гравитационные силы превышают  силы отталкивания от стенок пор (отталкивание, связано с тем, что знаки поверхностных  зарядов частиц и поровых каналов  как правило совпадают). При возникновении  течения и достижении им критических скоростей (согласно [17] – это десятые доли см/с для однофазных флюидов и сотые доли см/с для водонефтяных эмульсий) частицы увлекаются флюидом и кольматируют сужения поровых каналов. Расстояние от стенки скважины, на котором достигаются критические скорости, обычно не превышает нескольких десятков сантиметров и, соответственно, только залегающие в этом интервале частицы увлекаются потоком и вызывают кольматацию. Большой размер частиц, вызывающих стрейнинг, предопределяет

механический характер кольматирующих образований, причем кольматируются в 

основном узости поровых  каналов. Эти факторы предопределяют невысокую прочность кольматирующей системы в целом. По данным вышеназванной  работы, небольшие знакопеременные  воздействия (например, обратный ток  флюида или акустическое воздействие  малой амплитуды) приводят к их разрушению, восстановлению исходной проницаемости  и, соответственно, дебита. 

Cтрейнинг реализуется  на начальном этапе эксплуатации  добывающих скважин, т.е. пока  минеральные частицы относительно  большого размера не удалены потоком из области, где скорость достигает критических значений (новые частицы в интервал не привносятся, т.к. скорости вне его ниже критических).

Для частиц органического  происхождения – парафиновых, асфальтеновых 

– стрейнинг протекает  аналогичным образом, хотя в силу высокой плавучести, обусловленной  близостью плотностей пластового флюида и материала кольматанта, даже частицы  относительно большого размера не отложены изначально на стенках поровых каналов. Причем такие частицы, находящиеся  во

флюиде вне пределов ПЗП, стрейнинга обычно не вызывают, т.к. отфильтровываются  на пути движения к забою. Итак, стрейнинг  реализуется на начальном этапе  эксплуатации добывающих скважин, т.е. пока частицы относительно большого размера не удалены потоком из ПЗП. Кроме того, процесс кольматации  в результате стрейнинга можно считать  «быстрым». В эксперименте, описываемом в работы [17], при прокачке всего 100 поровых объемов (Pore Volume) жидкости (100 PV), проницаемость образца упала на 15 – 30%.  Одновременно со стрейнингом развивается другой – медленный - процесс кольматации. В его основе причины физико-химического характера. Кольматация в этом случае возникает в результате действия органических и неорганических частиц, размер которых существенно меньше (более, чем в 5 раз) эффективных размеров поровых каналов. Эти частицы способны мигрировать по пласту на большие расстояния не будучи отфильтрованными. Учитывая реальные эффективные размеры пор коллекторов, можно утверждать, что размер таких частиц не должен превышать 5⋅10⁻⁶ м. Жидкости, содержащие частицы такого размера, являются коллоидно-дисперсными системами (КДС) - суспензиями, состоящими из дисперсной среды - жидкости, и дисперсной фазы - коллоидных частиц размером от 5⋅10^{− 6} до 10^{− 9} м. Особенность коллоидных частиц, как органических, так и неорганических, в том, что они седиментационно устойчивы, т.е. при относительно небольших концентрациях могут находится во флюиде не оседая и не создавая агрегатов при любых значениях скорости течения, в том числе и стремящихся к нулю. Для неорганических частиц такая устойчивость обусловлена в частности тем, что знаки их поверхностных зарядов и поверхностных зарядов стенок пор совпадают (как правило они отрицательны).

Устойчивость органических КДС связана с низким межфазным  натяжением поверхности частица  – углеводородная жидкость и их высокой плавучестью, обусловленной  малой плотностью. При прямолинейном  течении суспензионного потока невысокой  концентрации система устойчива, т.е. частицы не отлагаются на стенках  поровых каналов при любых  скоростях. Однако, фактически, поровые  каналы извилисты, имеют сужения  и ответвления. Условно, их можно  подразделить на относительно прямолинейные  и «искривленные». На скоростях, превышающих  критические значения, начинается отложение  частиц на фронтальных по отношению  к направлению потока стенках зерен породы [19], поскольку при обтекании зерен центробежные силы, действующие на частицы в местах искривления потока, стремятся приблизить их к стенкам поровых каналов. При достижении критических скоростей, центробежные силы преодолевают силы отталкивания и переводят частицы в область действия молекулярных электростатических сил притяжения - сил Ван-дер-Ваальса. В описанном в работе [19] эксперименте, скорости потока имели значения от сотых до десятых долей сантиметра в секунду. В результате постепенного – слой за слоем - отложения частиц на фронтальной стороне зерен «искривленные» поровые каналы постепенно

кольматируются структурированными системами частиц, а перераспределение  потока между искривленными и  относительно прямолинейными каналами приводит к заметному росту концентрации частиц в последних. Поскольку частицы  в каналах распределены статистически, существует вероятность одновременного попадания в то или иное поровое  сужение такого их количества, при  котором сужение закупоривается. Это явление носит название бриджинг (bridging – мостообразование) [20]. С ростом концентрации частиц вероятность бриджинга быстро растет, что интенсифицирует процесс кольматации теперь уже прямолинейных каналов. В конечном счете, поровое пространство ПЗП кольматируется практически полностью.

Данный механизм действует  значительно длительнее стрейнинга. Так, согласно данным того же эксперимента, первая фаза – закупорка искривлений  – 

завершается после прокачки 200 PV. Его второе отличие от стрейнинга в том, что 

кольматируется все поровое  пространство. И, наконец, трете - в том, что коллоидные частицы в образующихся структурах связаны не механически, а электрически, силами межмолекулярного взаимодействия через прослойки жидкости, составляющей дисперсную среду. Такое структурирование частиц носит название коагуляции. Ей подвержены как органические , так и неорганические частицы, причем наличие электрических сил сцепления приводит к тому, что кольматационные структуры в этом случае прочнее, чем в результате стрейнинга.

На начальном этапе  структурирования возникают дальние  коагуляционные

структуры (гели), в которых  частицы находятся на сравнительно больших расстояниях. Cилы сцепления  невелики. Для гелей неорганического  происхождения они составляют в  среднем 10^-11 Н . При росте концентрации частиц, возникающем за счет гравитоционного уплотнения гелей, достигается вторая критическая концентрация, при которой возникают ближние коагуляционные структуры. Частицы в них находятся на существенно меньших расстояниях, силы сцепления возрастают на 2 - 3 порядка [5, 18, 21].

Образовавшиеся структуры  представляют собой пространственные сетки,

пронизывающую пластовый  флюид. Такой структурированный  флюид становится неньютоновской жидкостью [2, 7, 10]. Его вязкость возрастает на несколько  порядков и ПЗП теряет потенциальную  проницаемость. Для ее восстановления необходимо произвести полное объемное разрушение пространственной сетки. Это  вернет жидкости ньютоновские свойства, в том числе, изначальную вязкость, на некоторое, характерное для данной КДС, время. Если за это время скважина будет промыта и избыток частиц дисперсной фазы удален из ПЗП, проницаемость  окажется восстановленной. В противном  случае повышенная концентрация частиц вновь приведет к образованию  структурной сетки. Рисунок 2 иллюстрирует вынос частиц кольматанта после  акустического разрушения пространственной структуры (указанная в подрисуночной  надписи аббревиатура АРСиП –  Акустическая Реабилитация Скважин  и Пластов – логотип ЗАО  «ИНЕФ», выполнявшей воздействие). 

 

 

 

 

Одновременно растет дебит  скважины. В данном примере его  прирост составляет 237% по нефти. Процент  обводненности продукции остается прежним.

 Для разрушения структуры  надо заставить неньютоновскую  жидкость двигаться сквозь пористую  среду, т.к. известно, что при  движении структурированных КДС  сетка разрушается [7, 10]. Необходимый  для начала движения неньютоновской  жидкости через пористую среду  предельный градиент 

давления можно оценить  с помощью следующего неравенства [1]:

grad_с p  > τ_о / k_пр ^{1/ 2},   (2)

 где τ_о - предельное напряжение сдвига, необходимое для начала движения, а k_пр –

коэффициент проницаемости. Например, для коллектора с k_пр =100 мД (10 − 14 м²)

имеем: grad_c p > τ_о 10 ⁷ м ^{− 1}. Видно, что даже для хороших коллекторов grad p должен числено на несколько десятичных порядков превосходить предельное

напряжение сдвига.

 

Сказанное подтверждают результаты экспериментов, приведенные в  таблице 1. Видно, что значения градиентов давления в этом примере действительно превосходят предельные напряжения сдвига на несколько порядков. Впрочем, они невелики и могут быть реализованы с помощью источников акустического воздействия. Произошло это потому, что исследовались образцы, насыщенные нефтями сравнительно невысокой вязкости, τо для которых много ниже, чем для структурированных КДС на основе парафинов или асфальтенов. Наши исследования показывают (таблица 2), что для коагуляционных парафиновых структур, аналогичных тем, что образуются в пластовых условиях, τо зависит от концентрации парафина и, в целом, на два - три порядка выше приведенных в  таблице 1. Поэтому, соответствующие градиенты давления достижимы, причем не всегда, при использовании пороховых генератор и других источников высоких давлений. С помощью ультразвуковых излучателей они не реализуемы. Вместе с тем, как видно из таблицы 2, τо для таких структур в несколько раз меньше, чем для кристаллизационных структур, образующихся в трубопроводах при снижении температуры.

 

 

Каким  же  образом  осуществляется  очистка  ПЗП  в  тех  случаях,  когда градиенты  давления недостаточен для разрушения структуры? Частицы в узлах сетки  совершают колебательные движения. Энергия колебательного движения растет, в частности, при нагреве. В результате связи между некоторыми частицами  нарушаются. Это приводит к ослаблению структуры, снижению предельных напряжений сдвига и, соответственно, смещению реологических  кривых по оси абсцисс в направлении  нуля (рис. 3а [15]).

Рис. 3

 

Исследования показывают, что при ультразвуковом воздействии  температура ПЗП возрастает на 10-12^о С за счет диссипации акустической энергии [13]. Для полного разрушения структурной сетки этого недостаточно. Однако и при более значительных изменениях температуры предельные градиенты давления могут быть снижены максимум в два – три раза, а не на порядки, как во многих случаях необходимо, т.к. по мере роста числа высвободившихся частиц увеличивается вероятность их столкновения и, следовательно, повторной коагуляции. В результате, устанавливается динамическое равновесие между процессом разрушением сетки и ее восстановлением - релаксацией. Таким образом, повышение температуры за счет диссипации акустической энергии не является основным механизмом очистки ПЗП, хотя и может играть вспомогательную роль.

Итак, разрушения структурной  сетки можно достичь путем  увеличения энергии колебательного движений коллоидных частиц. Увеличение интенсивности колебаний за счет повышения температуры обеспечивает лишь частичное ее разрушение. Если же реализовать воздействие, при котором процесс разрушения будет идти быстрее, чем релаксация, произойдет полное разрушение структуры и, как следствие, восстановление изначальной вязкости флюида ηmin [7, 16]. Такую возможность дает прямое возбуждение в среде упругих колебаний. Анализ приведенных на рисунке 3 зависимостей скорости деформации έ коагуляционных материалов от напряжения сдвига τ показывает, что под воздействием вибраций меняется вид функции έ=f(τ): аппроксимирующий ее график становится не кусочно-прерывистым (сплошные линии), а монотонно стремящимся к нулевому значению градиента давления (пунктирные линии). Это значит, что при акустическом воздействии происходит практически полное разрушение структуры.

Возвращение флюиду ньютоновских свойств означает снижение его вязкости на несколько порядков, в связи  с чем на несколько порядков снижается  и предельный градиент давления, необходимый  для начала его движения. Выше было показано, что численно такой градиент на несколько десятичных порядков превышает  значение τо. Поэтому необходимая  для его достижения депрессия  на пласт должна быть высокой. Однако , как правило, достаточными оказываются  те перепады давления, которые обеспечивали ранее потенциальный дебит скважины. Следовательно, если сразу после  проведении воздействия обеспечить соответствующую депрессию на пласт, КДС придет в движение и избыток  частиц кольматанта будет удален из ПЗП (см. рисунок 2). 

Частота,  необходимая  с  точки  зрения  исключения  влияния  релаксации,

определяется условием: 

Т << θ ,

где Т - период колебаний, а  θ - время релаксации системы. Анализ показывает, что частоты, при которых  влиянием релаксации можно пренебречь, имеют порядок нескольких десятков герц. Из перечисленных в статье источников, такие частоты достижимы лишь для электроискровых излучателей (спаркеров), а также источников магнитострикционного и пьезокерамического типов. К настоящему моменту фирмами, выполняющими АВ, обработаны тысячи скважин на различных месторождениях стран СНГ. Так, ЗАО «ИНЕФ», специализирующееся на применении пьезокерамических излучателей, за период с 1992 по 2001 годы обработало около 1100 скважин на различных нефтегазовых месторождениях России, Казахстана, Туркмении и Азербайджана. В результате накоплен значительный опыт, позволяющий сделать ряд важных выводов. Для высокодебитных скважин (соответственно, для коллекторов с высокой проницаемостью) коэффициент успешности (отношение числа успешных обработок к их общему числу) достигает 75% (рисунок 4). 

 

Увеличение дебитов в  результате применения АВ достигает 500% и составляет в среднем 40%. Повышение  вязкости нефти ведет к снижению коэффициента успешности. 

  В нагнетательных скважинах коэффициент успешности несколько выше,

чем в добывающих. Продолжительность  эффекта колеблется от нескольких недель до 2-х и более лет. На рисунке 5 приведен типичный пример применения АРСиП на скважине № 375 (Азербайджан, горизонт 7). 

 

В результате обработки, дебит возрос в среднем приблизительно на 250% . 

  Обрабатывались песчаники проницаемостью 200 мД и пористосью 20%. Вязкость флюида – 1 мПа.с 

Выше было отмечено, что  акустическому воздействию должны подвергается только гидродинамические  стоки скважин, т.е. ПЗП. Высокая частота, реализуемая магнитострикционными и пьезокерамическими излучателями, ограничивает глубину воздействия  именно этой зоной. Вместе с тем, метод  так дешев и прост в реализации, что большое количество скважин  может быть обработано за относительно короткое время и, поскольку пласт - это сложная гидродинамическая  система, он во многих случаях в целом  реагирует на проведение акустических обработок. Накопленный ИНЕФ опыт позволяет  в каждом конкретном случае определить ту группу скважин, обработка которой  обеспечивает воздействовие в целом  на пласт. Как правило, в такую  группу входят в первую очередь нагнетательные скважины. Так, на месторождении Ватьеганское (Кагалым, Западная Сибирь), обработке  были подвергнуты 13 нагнетательных скважин. В результате добыча нефти по месторождению  в целом возросла примерно на 20% при  неизменном проценте обводненности продукции (рисунок 6).