РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 622.276.031:532.5.001 © И.Б. Иванишин, Е.В. Шеляго, И.В. Язынина, 2015
Постановка задачи физического и математического моделирования поведения жидкостей в пористых средах1
И.Б. Иванишин
(ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг»),
Е.В. Шеляго, к.т.н.,
И.В. Язынина, к.г.-м.н,
(РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина)
Адрес для связи: mail@fizikaplasta.ru
Ключевые слова: моделирование, фильтрация, рентген, томография, керн.
Одно из перспективных направлений развития моделирования разработки месторождений нефти и газа - компьютерное моделирование фильтрационных процессов с использованием рентген-томографических изображений структуры порово-го пространства. В настоящее время на базе рентген-томографических изображений керна предлагается решать комплексные задачи исследования керна и моделирования разработки месторождения. В неполный перечень информации, получаемой с помощью рентген-томографии керна, входят:
1) сведения о структуре образца (в том числе о восстановленной исходной пластовой структуре);
2) схема распределения различных фаз и литотипов в образце;
3) физические свойства породы (плотность, однородность, изотропность, механические свойства и др.);
4) пористость (открытая, закрытая, эффективная);
5) абсолютная проницаемость (для воды, газа, другого флюида);
6) трехмерная карта смачиваемости;
7) относительные фазовые проницаемости (в зависимости от температуры, индивидуальные для трещиноватой и матричной частей и др.);
8) представительные статистические и корреляционные зависимости;
9) модели физических и химических процессов, включая фильтрационные, механико-деформационные и окислительные, возникающие при применении различных методов воздействия на пласт (термогазове, кислотные обработки, гидроразрыв пласта и др.);
Task statement for physical and mathematical modeling of fluid behavior in porous media
I.B. Ivanishin (LUKOIL-Engineering LLC, RF, Moscow),
E.V. Shelyago, I.V. Yazynina (Gubkin Russian State University
of Oil and Gas, RF, Moscow)
E-mail: mail@fizikaplasta.ru
Key words: modeling, filtration, x-ray, tomography, core.
The article presents research results of liquid properties near the solid surface. The object of these researches is basically water and some one component organic liquids. Their example shows changes of liquid physical properties under the solid surface influence: density, viscosity, phase transition temperature, electrical properties. The necessity of additional experimental information is concluded. Tasks of surface phenomenon in porous void quantitative experimental research method creation, linking of surface phenomenon and traditional core sample research results are announced.
10) параметры, необходимые в рамках решения специальных задач (моделирование современных методов увеличения нефтеотдачи).
Рентген-томографический метод, основанный на регистрации сред различной плотности, успешно применяется при поиске дефектов сплошности сред для контроля качества изготовления металлических изделий, узлов микроэлектроники [2]. Современные компьютеры позволяют составить из множества плоских проекций объекта его трехмерное изображение, показать форму пор, трещин, их связанность. Это предопределило использование метода при изучении керна нефтяных и газовых скважин. Существенные сложности возникают лишь при изучении тонкодисперсных осадочных горных пород, поскольку глины плохо различимы на проекционных снимках, и интерпретация визуальных данных субъективна.
Если емкостные свойства горной породы определяются путем визуализации (прямого измерения), то фильтрационные, механические, поверхностные - расчетным с использованием результатов других экспериментальных методов. При этом вопрос о достоверности полученных данных остается открытым. Причин возникновения сомнений в правильности результатов может быть несколько. Во-первых, для различных объектов одно и то же решение может быть недостоверным, а поставленная задача может не иметь единого аналитического решения. Во-вторых, не вполне ясно, насколько имеющиеся представления о свойствах жидкости в объеме применимы к жидкости, находящейся под влиянием минеральной поверхности в порах породы-коллектора. В-третьих, нет отраслевых стандартов проведе-
1 Статья написана в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России № 13.2653.2014/К.
ния подобных исследований. В-четвертых, качество коммерческих программных продуктов непосредственно зависит от бюджета компании - разработчика математических пакетов.
Существует ряд работ, посвященных изучению особых свойств жидкости (в основном воды) вблизи твердой подложки. В них показано, что под влиянием твердой поверхности прилегающие слои жидкости образуют структурированный граничный слой, это отражается на свойствах жидкости: температуре фазовых переходов; вязкости; плотности; электрических свойствах. На рис. 1 приведены полученные методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) зависимости толщины незамерзающих водных прослоек от температуры для замороженных водных дисперсий фторопласта, гидрофильного аэросила и глин. На рис. 2 показана зависимость отношения массы жидких углеводородов к массе аэросила от температуры [1, 2].
В работе [3] пикнометрическим методом определялись количество адсорбированной в полостях цеолита ШХ воды и объем полостей по рентгеноструктурным данным. В соответствии с предположениями о полной доступности для воды малых полостей цеолита или об их полной недоступности были получены два гранич-
А
1 ( А
V V ч §
__й— 1
40
20
190
230 Т,к
270
Рис. 1. Зависимость толщины незамерзающих прослоек воды hs от температуры Т для замороженных дисперсий фторопласта (1), аэросила (2), Nа-монтмориллонита (3) и Са-каолинита (4)
Рис. 2. Зависимость отношения массы жидких углеводородов ту к массе аэросила та от температуры системы Т:
1 - эйкозан + генэйкозан (1:1) + мелкодисперсный SiO2; 2 - генэйко-зан + мелкодисперсный SiO2; 3 - эйкозан + мелкодисперсный SiO2
ных значения плотности воды - соответственно 1,05 и 1,2 г/см3. Вода в тонких порах глин имеет более низкую плотность по сравнению с плотностью объемной воды [4-6].
Под влиянием твердой поверхности меняется также диэлектрическая проницаемость воды е. Существуют методологические сложности при экспериментальном определении данного параметра, поэтому в литературе встречаются разные данные. Толщины граничных слоев с одинаковыми значениями е по данным различных работ могут различаться на 2-3 порядка [7-8]. Общим для всех работ является то, что с приближением к твердой поверхности диэлектрическая проницаемость воды снижается. Это свидетельствует об ограничении вращательной подвижности молекул воды в тонких прослойках.
Изменение вязкости под влиянием твердой поверхности исследовалось в работе [9] для системы силикагель + вода, а также в работе [10] для различных глин. В них отмечается экспоненциальное повышение вязкости граничных слоев воды в 1,5 раза и более по сравнению с вязкостью воды в объеме для слоя связанной воды толщиной до 5 нм. На рис. 3 приведена зависимость вязкости воды в тонких гидрофильных капиллярах и объеме среды от температуры. Из него видно, что при повышении температуры до 65-70 °С различие вязкости исчезает, что свидетельствует о резком уменьшении толщины граничных слоев. При этой температуре также заметно возрастает скорость фильтрации воды в пористых телах и мембранах [11].
Рис. 3. Зависимость средней вязкости воды ^ в капиллярах радиусом 0,17 (1), 0,05 (2) мкм и объеме воды (3) от температуры Т
В работе [12] рассмотрен ряд экспериментальных исследований, подтверждающих особое состояние нефти вблизи минеральной поверхности. В них оценивается толщина граничного слоя нефти на поверхности кварцевого песка и кварцевых капилляров различного диаметра. С помощью метода плоскопараллельных дисков и метода сдувания было установлено, что вязкость граничного слоя нефти превышает объемные значения в 10-15 раз.
В целом исследования поверхностных явлений на границе раздела твердое тело - глеводородная жидкость ограничиваются определением толщины граничного слоя однокомпонентных жидкостей на плоской подложке. Следует учитывать, что размеры граничного слоя нефти индивидуальны для каждого ее состава, поэтому
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
01'2015 72
Рис. 4. Зависимость средней скорости течения воды ув (1) и че-тыреххлористого углерода vу (2) от перепада давления Др в гид-рофобизованном капилляре радиусом 0,88 (а) и 1,77 (б) мкм
имеющуюся информацию необходимо дополнять новыми данными и результатами аналитических расчетов.
В породах-коллекторах нефти и газа поверхностные явления, в том числе формирование граничных слоев, влияют на формирование остаточной нефти, подвижность пластовых флюидов, эффективность методов воздействия на пласт. В качестве экспериментального подтверждения приведем результаты исследования скоростей фильтрации воды и четыреххлористого углерода в гидрофобизованном капилляре (рис. 4) [13]. Из рис. 4 видно, что с увеличением радиуса капилляра скорость течения воды и четыреххлористого углерода возрастает.
Построение любых аналитических моделей фильтрации невозможно без учета поверхностных явлений. Об их роли обычно судят исходя из общих физических и химических представлений, дающих лишь качественную оценку. Количественную оценку влияния поверхностных явлений на фильтрационные свойства горной породы можно выполнить лишь на основе экспериментальных данных и построенного с их использованием математического аппарата.
Поверхностные явления в пористых средах остаются мало изученными вследствие недостаточного числа экспериментальных методик. Основная сложность заключается в невозможности применения традиционных методов изучения тонких слоев жидкости на твердой подложке (например, дифракция рентгеновских лучей). Даже базовую задачу - определение доли адсорбированной жидкости относительно ее общего содержания в порах горной породы - может решить не любая лаборатория. Для успешного прогнозирования фильтрационных процессов необходимо
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.