научная статья по теме КОМПЛЕКСНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ КИНЕТИКИ КОЛЬМАТАЦИИ ПОРИСТЫХ СРЕД Геофизика

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКСНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ КИНЕТИКИ КОЛЬМАТАЦИИ ПОРИСТЫХ СРЕД»

БУРЕНИЕ СКВАЖИН ,

L А

УДК 622.245.5 © Д.Н. Михайлов, Н.И. Рыжиков, В.В. Шако, 2015

Комплексный экспериментальный подход к определению кинетики кольматации пористых сред

Д.Н. Михайлов, к.ф.-м.н., Н.И. Рыжиков, В.В. Шако

(Московский

научно-исследовательский центр «Шлюмберже»)

Адрес для связи: nryzhikov@slb.com

Ключевые слова: пористая среда, околоскважинная зона пласта, перенос твердых частиц, буровой раствор, зона кольматации.

Вследствие увеличения давления в скважине выше пластового возможно проникновение суспензии (бурового и цементного растворов, других технологических жидкостей) в околоскважинную зону. В процессе ее фильтрации через пористую среду формируется сложная структура, где, как правило, выделяются внешняя фильтрационная корка (образующаяся на стенке скважины и состоящая из отфильтрованных твердых частиц), зона кольматации (внутренняя фильтрационная корка) и зона проникновения фильтрата. В процессе освоения скважины внешняя фильтрационная корка разрушается, проникшая твердая фаза и другие компоненты частично вымываются из околоскважинной зоны, ее проницаемость частично восстанавливается.

Процессы захвата компонентов технологических жидкостей в околоскважинной зоне и изменение ее свойств носят динамический характер, что необходимо учитывать для обеспечения количественного анализа, диагностики и контроля свойств околоскважинной зоны. Практическую ценность при этом представляет оценка глубины зоны кольматации и степени снижения проницаемости в зависимости от объема потерь технологических жидкостей или объема добычи. Однако отработанная экспериментальная методика определения параметров зоны кольматации и анализа кинетики ее формирования в настоящее время отсутствует.

Утвержденная методика контроля параметров буровых растворов (РД 39-2-645-81 «Методика контроля параметров буровых растворов») включает определение показателя фильтрации при пропускании бурового раствора через бумажный фильтр, т.е. когда процесс фильтрации полностью определяется проницаемостью и скоростью роста толщины внешней фильтрационной корки. Экспериментов по воздействию бурового раствора на керн указанная методика не предусматривает. В зарубежной практике для проверки качества буровых растворов активно выполняются лабораторные фильт-

An integrated experimental approach to determination of clogging kinetics of porous media

D.N. Mikhailov, N.I. Ryzhikov, V.V. Shako (Schlumberger Moscow Research, RF, Moscow) E-mail: nryzhikov@slb.com

Key words: porous medium; near-wellbore zone; transport of solids; drill mud; internal filter-cake.

The authors present a new technique for estimating of kinetic parameters of internal filter-cake buildup by combining laboratory mud-filtration experiments with a profile of invaded mud components reconstructed by X-ray microcomputed tomography, image processing of a cleaved sample, and ultrasonic wave scanning. We include examples of reconstructed profiles of invaded mud components (solid particles and bentonite clay) as well as the procedure of determining of internal filter-cake parameters. Using obtained profiles we demonstrate that value of "critical porosity" when all mud particles stop to penetrate into porous medium and depost at the sandface, forming the external filter-cake. In the case of heterogeneous rock (limestone) the group of high-conductive pores is visualized. Developed experimental techniques allow obtain the profile of mud components in core sample, determine the parameters of clogging kinetic and, then, calculate the mud components and permeability profiles in the near-wellbore zone.

рационные эксперименты, включающие закачку исследуемой жидкости в образец керна и последующую обратную прокачку [1, 2]. При этом определяется динамика уменьшения и восстановления проницаемости образца в зависимости от объема закачки соответствующих жидкостей, которая отражает влияние внешней и внутренней фильтрационных корок и, как будет показано ниже, не позволяет однозначно оценить кинетику захвата частиц и профиль распределения проницаемости в зоне кольматации. С другой стороны, для определения коэффициентов захвата частиц при прохождении низкоконцентрированных суспензий и взвесей через пористую среду традиционно используется динамика концентрации дисперсной фазы, истекающей из образца [3, 4], или динамика перепада давления на двух участках керна [5].

Однако при достаточно высокой интенсивности захвата частиц, что характерно для фильтрации промывочных жидкостей через керн [6, 7], их концентрация на выходе низкая и не может быть зарегистрирована с необходимой точностью. Реализация методики, основанной на замере перепада давления на двух различных частях образца, в подобных случаях также затруднена.

В представленной работе предложен комплексный экспериментальный подход к определению параметров кинетики кольматации, включающий лабораторный фильтрационный эксперимент по закачке раствора загрязнителя и анализ профиля распределения кольматан-та в пористой среде после закачки. Приведены методы построения профилей с помощью рентгеновской компьютерной микротомографии (для рентгеноконтрастых твердых частиц), цифрового анализа распределения интенсивности цвета на фотографии скола образца (для глин) и акустического профилирования. Оценено значение «критической» пористости, при которой частицы перестают внедряться в пористую среду и начинается формирование внешней фильтрационной корки. Уста-

новлено значительное различие процесса проникновения частиц в образцах песчаника и карбонатной породы.

Теоретические предпосылки

При описании нестационарных процессов в около-скважинной зоне, обусловленных проникновением частиц кольматанта, к уравнениям массового баланса для пластового флюида и фильтрата бурового раствора добавлены уравнения переноса и захвата частиц кольма-танта в пористой среде [7]. Уравнение, определяющее интенсивность захвата и мобилизации («срыва») коль-матанта в поровом пространстве, представим в виде [7]

Ва

— =Хк (а) -Хиа / (ы, - ^),

дг

(1)

где а - доля объема пористой среды, занимаемая захваченными компонентами; t - время; 1^,(а) - коэффициент захвата компонентов; ^ - скорость фильтрации несущей фазы, определяемая в соответствии с обобщенным законом Дарси;С - объемная концентрация мобильных компонентов в буровом растворе; 1м- коэффициент мобилизации;/- функция, которая равна ^ -при и>!> юсгии нулю при wl<wcfit; и>сги - критическая скорость фильтрации несущей фазы

При > юсгц возможна мобилизация ранее удержанных компонентов, что описывается вторым членом уравнения (1).

В общем случае интенсивность захвата частиц кольма-танта в пористой среде может зависеть от доли объема пористой среды, занимаемой захваченными компонентами. Предполагая, что по мере уменьшения свободного порового пространства (снижения эффективного размера пор) вероятность захвата частиц возрастает, представим зависимость 1^(а) в виде [3]

1к(а) = 1ю(1 +

(2)

где - начальный коэффициент захвата;Ь - эмпирический параметр.

Обобщение уравнения Козени - Кармана [6, 8] дает степенную взаимосвязь между объемом захваченных частиц и проницаемостью

( М а

(3)

к

1 а 1 -у—

тп

где к, к0 - соответсвенно текущая и начальная проницаемость; М, у - эмпирические коэфициенты, причем последний в зависимости от физики процесса либо обратно пропорционален коэффициенту уплотнения упаковки частиц кольматанта в порах, либо характеризует отношение объема заблокированного порового канала к объему заблокировавших его частиц [3]; т0 - начальная пористость.

Экспериментально регистрируемая динамика проницаемости при закачке низкоконцентрированных суспензий [3, 5] хорошо описывается зависимостью

к =

1 +ва

(4)

где р - эмпирический коэффициент. В дополнение к модели переноса и накопления/срыва частиц кольматанта в околоскважинной зоне пласта в рамках данной работы также используется модель внеш-

ней фильтрационной корки, критерием начала формирования которой является снижение пористости ниже пороговой («критической») величины. Рост толщины внешней фильтрационной корки описывается уравнением, основанным на балансе массы частиц и фильтрата [9,10], а также законом Дарси для скорости фильтрации через фильтрационную корку

йЬ

С —

Л (1 -С)|_1 - ттс (АРтС )

,,, = ктс (АРте ) АРтС

- 1е,

Ьт

(5)

(6)

где hmc - толщина внешней фильтрационной корки; ю -скорость фильтрации; ктс, ттс - соответственно проницаемость и пористость внешней фильтрационной корки; / - скорость эрозии («смыва») внешней фильтрационной корки из-за циркуляции бурового раствора в затрубном пространстве; тт/ - вязкость фильтрата; Артс - перепад давления на внешней фильтрационной корке.

Система уравнений (5) - (6) включает два замыкающих соотношения ктс (Артс) и ттс (Артс), описывающих динамику проницаемости и пористости внешней фильтрационной корки при изменении на ней перепада давления. Для некоторых типов буровых растворов экспериментально подтверждена степенная зависимость [9].

Для анализа данных фильтрационных экспериментов удобно использовать гидравлическое сопротивление, соответствующее отношению текущего перепада давления Ар(£) к текущему расходу q(t). В общем случае суммарное гидравлическое сопротивление Н2 складывается из гидравлических сопротивлений незагрязненной части образца Н0, внутренней Нш и внешней Не^ фильтрационных корок. При интегрировании уравнения роста толщины внешней фильтрационной корки (5) по времени и подстановке полученного выражения в формулу для гидравлического сопротивления получим

н =АР () = ,, « ^ (Т) =—— =

9 () А2 ктс (Ар)

(7)

где А - площадь сечения фильтрационного потока;

^(Т)= а} — (уН - накопленная закачка на момент

о

времени Т; а = С/{(1-С)[1-ттс(АРтс)]}.

Как следует из выражения (7), если гидравлическое сопротивление полностью определяется сопротивлением внешней фильтрационной корки, то зависимость линейна.

Перейдем к анализу динамики гидравлического сопротивления внутренней фильтрационной корки. Для однофазной фильтрации суспензии через керн в условиях начала фильтрации (пористость и коэффициент захвата изменяются сла

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком