Теоретическое и экспериментальное исследование течения растворов электролитов в глинистых коллекторах Чагиров Павел Станиславович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Особенности течения растворов электролитов в глинистых коллекторах 11

1.1. Состояние исследований по теме диссертации 11

1.2. Ионообменные процессы на границе между раствором электролита и глинистым минералом 18

1.3. Механизмы осмотического набухания и дезагрегации глинистых минералов. 24

1.4. Влияние степени минерализации и ионного состава электролита на изменение структуры порового пространства и ёмкостных параметров глиносодержащих пластов 36

Глава 2. Перколяционная модель течения электролита в глиносодержащей пористой среде 48

2.1. Влияние электрокинетических явлений на процесс течения в пористой среде. Отклонение от линейного закона фильтрации при низких скоростях течения 48

2.2. Влияние минерализации и ионного состава вытесняющего агента на относительные фазовые проницаемости глиносодержащих пластов и кривые капиллярного давления 53

2.3. Модель двухфазной плоскорадиальной фильтрации с учетом капиллярного давления, минерализации и состава водной фазы 60

2.4. Моделирование циклической закачки раствора электролита в глиносодержащий пласт 68

Глава 3. Экспериментальное исследование течения растворов электролитов в глинистых коллекторах 74

3.1. Исследование закона течения при низких градиентах давления 74

3.1.1. Описание установки. Определение порометрической кривой. Погрешности измерения 74

3.1.2. Определение зависимости скорости фильтрации раствора электролита от градиента давления. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными 81

3.2. Исследование влияния минерализации и ионного состава растворов электролитов на фильтрационные свойства глиносодержащих пород 84

3.2.1. Описание установки. Подготовка образцов глин 84

3.2.2. Определение зависимости проницаемости пласта от времени закачки и прокаченного объема растворов электролитов. Анализ полученных результатов.. 87

Заключение 94

Приложение 95

Теоретическое определение верхней границы применимости закона Дарси 95

Список используемой литературы

• Ионообменные процессы на границе между раствором электролита и глинистым минералом
• Влияние степени минерализации и ионного состава электролита на изменение структуры порового пространства и ёмкостных параметров глиносодержащих пластов
• Модель двухфазной плоскорадиальной фильтрации с учетом капиллярного давления, минерализации и состава водной фазы
• Определение зависимости скорости фильтрации раствора электролита от градиента давления. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными

Введение к работе

Актуальность исследования. Породы-коллекторы нефти и газа в той или иной мере содержат в себе различные глинистые минералы. В процессе их разработки часто происходит нарушение гидрохимического равновесия в системе «флюид-порода». В результате глинистые минералы изменяют свой объем, что влияет на фильтрационно-ёмкостные свойства коллекторов. Следовательно, изучение процесса течения жидкостей в глиносодержащих пористых средах имеет важное значение для оптимизации разработки нефтяных месторождений.

При проектировании системы поддержания пластового давления на сегодняшний день рекомендуется добиваться полного соответствия ионного состава и минерализации закачиваемой воды с пластовой с целью минимизации эффекта разбухания глин. В то же время промысловый опыт указывает на существование положительных эффектов от закачки воды другой минерализации, не схожей с пластовой как по количеству растворенных солей, так и по их составу. К таким положительным эффектам относят выравнивание фронта вытеснения, рост коэффициента вытеснения, снижение обводненности скважинной продукции и, как следствие, рост нефтеотдачи.

Таким образом, возникшая неоднозначность в рекомендациях по выбору состава закачиваемой воды приводит к необходимости детального исследования данной проблемы как с точки зрения физики явления, так и в плане оптимизации разработки нефтяных месторождений.

Цель работы: построение модели течения раствора электролита в глиносодержащей пористой среде, учитывающей наличие двойного электрического слоя, ионообменных и осмотических процессов на границе между раствором и глинистым минералом.

Основные задачи исследования:

1. Изучение влияния осмотических и ионообменных процессов, а также электрокинетических явлений на процесс течения флюидов в глиносодержащих пористых средах.

1. Получение зависимостей фильтрационно-ёмкостных свойств глинистых коллекторов от ионного состава и минерализации закачиваемой жидкости.

2. Проведение расчетов технологических показателей разработки глиносодержащих пластов по модели двухфазного течения, учитывающей капиллярные силы, тип глинистых минералов коллекторов, ионный состав и минерализацию вытесняющего агента.

3. Проведение экспериментов по течению раствора электролита в глиносодержащей пористой среде при низких градиентах давления. Сравнение теоретических зависимостей с полученными экспериментальными результатами.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является инвазионное двухфазное течение системы «нефть-раствор электролита» в глинистых коллекторах. Предмет изучения - поведение фильтрационно-ёмкостных свойств глиносодержащих пород при изменении минерализации и ионного состава закачиваемых флюидов и их влияние на технологические показатели разработки глинистых коллекторов.

Теоретическая и методологическая основа исследования. Теоретической основой построения модели рассматриваемых процессов являются гидродинамика, подземная гидромеханика, теория перколяции, теория строения двойного электрического слоя и теория растворов сильных электролитов. Поставленные задачи решались на основании анализа и обобщения литературного материала, математического и физического моделирования течения в глиносодержащих пористых средах, сравнения полученных результатов.

Научная новизна результатов исследований:

1. Построена перколяционная модель двухфазного течения полярной и неполярной ньютоновских жидкостей в глиносодержащей пористой среде, учитывающая электрокинетические, осмотические и ионообменные явления.

2. Разработан аналитический аппарат для расчета пористости породы и относительных фазовых проницаемостей в системе «нефть-раствор электролита» в зависимости от минерализации, ионного состава воды и типа глинистого

минерала породы. Проанализировано влияние свойств глинистых минералов породы-коллектора и параметров вытесняющей жидкости на изменение фильтрационно-ёмкостных свойств породы и реологических свойств жидкостей в процессе течения.

3. Установлена нелинейная взаимосвязь между количеством катионов в воде и их количеством, присоединенным к глинам.

4. Теоретически получен нелинейный закон течения в пористой среде при малых градиентах давления. Показано влияние структуры порового пространства, а также минерализации фильтрующейся жидкости на величину отклонения от закона Дарси при низких градиентах давления.

5. Осуществлен эксперимент по течению растворов электролитов в глиносодержащей пористой среде при низких градиентах давления. Результаты экспериментов подтверждают данные теоретических расчетов.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе разработанной модели течения в зависимости от типа глинистого минерала и его количества в коллекторе можно подбирать необходимый ионный состав, минерализацию закачиваемого агента, а также частоту его закачки с целью увеличения нефтеотдачи пласта и оптимизации технологии разработки нефтяных месторождений. Полученные результаты могут быть использованы также при проектировании разработки месторождений с целью оптимизации гидрохимического режима процесса заводнения.

Защищаемые положения:

1. Построена перколяционная модель двухфазного течения жидкостей в глиносодержащей пористой среде, учитывающая электрокинетические, осмотические и ионообменные явления.

2. Получены зависимости пористости глиносодержащих пород от составов ионообменного комплекса глин и закачиваемой воды, их концентраций, типа и объемного содержания глин в породе. Установлено, что осмотическое набухание глинистых минералов в породе приводит к снижению пористости до трех раз.

Ионообменные внутрикристаллические процессы набухания и усадки глин в породе вызывают изменение пористости на 15-20%.

3. Получены относительные фазовые проницаемости как функции не только насыщенности, но также концентрации электролита и ионного состава раствора и глин. В результате установлено, что набухание глинистых минералов породы приводит к снижению фазовой проницаемости по воде и росту по нефти. Усадка глин способствует росту фазовой проницаемости по воде и снижению по нефти.

4. Теоретически показано, что отклонения от линейного закона фильтрации

о

в тонкопоровых коллекторах (< г > ~ 10" м) исчезают при более высоких градиентах (~ 10³ Па/м), чем в крупнопоровых (< г > ~ 10"⁶ м), где переход к

линейному характеру связи w(VP) происходит уже при |vp| ~ 10 ² Па/м.

5. Поставлен и проведен эксперимент, результаты которого позволяют
осуществить верификацию построенной модели течения жидкостей в
глиносодержащей пористой среде.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 13-й и 14-й Европейской конференции по математическому моделированию процессов нефтеизвлечения «ECMOR XIII, XIV» (г. Биарриц, Франция, 2012 г., Сицилия, 2014 г.); на X и XI Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Нижний Новгород, 2011 г., г. Казань, 2015 г.); на 3-й и 4-й Международной научно-практической конференции по нанаоявлениям при разработке месторождений углеводородного сырья «Nanotechoilgas - 2012, 2014» (г. Москва); на 12-й Международной научно-практической конференции «Геомодель - 2010» (Геленджик, 2010 г.); на 9-м горнопромышленном форуме «MINEX Russia 2013», победитель Всероссийского молодёжного конкурса «От идеи к инновации» (Москва, 2013 г.); на конкурсе аспирантских работ по разработке месторождений в осложненных условиях и Арктике, под эгидой SPE (Москва, 2013 г.); на II Российском рабочем совещании «Глины и глинистые минералы» (Пущино, 2012 г.); на аспирантских сессиях факультета РНиГМ (лучшая работа на отчетной

сессии в 2013 г.); на научных семинарах кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, кафедры газовой и волновой динамики МГУ имени М.В. Ломоносова и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в т.ч. 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка использованной литературы из 125 наименований. Общий объем работы -112 страниц, 4 таблицы и 47 рисунков.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю - д.т.н., профессору В.В. Кадету и коллективу возглавляемой им кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. Автор также признателен доценту Иванникову В.Г. и доценту Митюшину А.И. за ценные рекомендации и помощь в экспериментальных исследованиях.

Ионообменные процессы на границе между раствором электролита и глинистым минералом

Свойство обмениваться ионами с раствором делает глинистые минералы схожими по свойствам с ионитами (например, ионообменные смолы, цеолиты) [38], для которых хорошо изучены механизмы ионного обмена [39]. Глинистые минералы до сегодняшнего времени не рассматривались с точки зрения химической термодинамики твердых веществ во взаимодействии с раствором. Для глин были получены только некоторые эмпирические зависимости величины набухания от ионных составов глин и раствора [30, 40, 41, 42, 43]. Однако все предпосылки термодинамического описания ионообменных процессов в глине имеются: хорошо изучены ионообменные емкости глинистых минералов [12, 44, 45], их ионные составы и разработаны методы их изучения [46]. Изучению глинистых минералов как твердых растворов солей, способных к ионному обмену с растворами электролитов, посвящен первый параграф первой главы.

Как было отмечено, взаимодействие глинистых минералов с водными растворами электролитов может приводить к их полному разрушению. При разрушении минерал образует с раствором электролита суспензии и коллоидные растворы. Течение в пористых средах суспензий, представленных мельчайшими частицами минералов, изучалось в работе [47], где в процессе течения суспензии происходило осаждение частиц в пласте и ухудшение проницаемости. В работе [48] экспериментально установлено, что снижение проницаемости пористых образцов наблюдается при фильтрации взвесей с размерами частиц более 2 мкм. При фильтрации взвеси частиц размером 10 мкм, проницаемость снижается на 25%. Известны также эксперименты [13, 49], в которых определяется критическая скорость фильтрации, при которой происходит агрегация мельчайших частиц глин с кварцевыми частицами. Показано, что при течении мелкодисперсной взвеси в образце песчаника (проницаемость - 0,15 мкм ) со скоростью фильтрации ниже 70 мкм/с проницаемость уменьшается на 30-40%. В работе [50] установлено, что при фильтрации слабоминерализованных растворов через искусственные глиносодержащие породы переход от набухания к режиму дезагрегации глин происходит при критической минерализации раствора Скр 20 г/л. Показано также, что концентрация перешедших в раствор частиц глин растет со снижением минерализации воды [51].

В работе [52] утверждается, что водные растворы неагрегированых глинистых частиц смектитов, в основном, состоят из пластин размером 5x200 нм. Следовательно, согласно исследованиям [53], образование такого коллоидного раствора в процессе течения не окажет влияния на проницаемость пласта, если сохранить устойчивость коллоидного раствора. В работах [54, 55] исследовано влияние ионного состава растворов электролитов на устойчивость коллоидных растворов и суспензий на основе глины. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что устойчивость суспензий тем выше, чем ниже валентность катионов в растворе. Кроме того, в работе [56] определено, что растворы с рН 9 способствуют агрегации частиц глинистых минералов, в то время как растворы с рН 7 вызывают их дезагрегацию. Известно, что добавление глинистой компоненты в воду увеличивает её вязкость, в связи с этим и вышесказанным, в диссертации уделено внимание вязкости мелкодисперсных взвесей глинистых частиц с учетом влияния дзета-потенциала двойного электрического слоя частиц и ионного состава растворов.

Влияние электрокинетических явлений на течение растворов электролитов в глинах и глиносодержащих пористых средах исследовано в работах [57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64]. В экспериментальных работах [63, 64, 65, 66] показано, что закон течения воды в глинах и глинистых коллекторах при низких скоростях течения нелинеен и, что отклонения от линейности обусловлены влиянием двойного электрического слоя межфазной границы между глиной и водой. В работе [63] также отмечено, что при течении воды в породе с небольшим глиносодержанием (менее 5%) отклонение от линейного закона течения невелико. В работах [67, 68] обнаружено, что при фильтрации воды в глинистых минералах помимо гидродинамической составляющей течения присутствует тормозящая поток электроосмотическая составляющая, вызванная наличием в потоке отрицательно заряженных глинистых частиц. В ряде работ [60, 69, 70] электроосмотическое торможение потока жидкости моделируется ростом эффективной вязкости жидкости (электровязкости). В своих экспериментальных исследованиях Лоу [60] показал, что со снижением размеров пор при течении воды в глинах происходит экспоненциальный рост вязкости. В работе [69] рассчитано поведение эффективной вязкости электролита в зависимости от отношения радиуса Дебая к радиусу капилляра при различном дзета-потенциале. В работе показано, что когда отношение радиуса Дебая к радиусу капилляра равно двум, величина эффективной вязкости жидкости возрастает более чем в 5 раз по отношению к вязкости капельной жидкости. Исходя из работ, влияние электрокинетических явлений на межфазной границе глин и частиц глин на течение в глинистых коллекторах весьма значительно. Несмотря на разные подходы к описанию течения (путем введения эффективной вязкости или получение нелинейных законов течения), природа описанных эффектов однозначно электрокинетическая во всех моделях течения. Несмотря также на многообразие представленных моделей течения в глиносодержащих пористых средах, не исследованным остается влияние структуры порового пространства, ионного состава раствора и изменение объема глинистой компоненты породы на процесс течения.

В последнее время наблюдается всевозрастающий интерес к третичному методу разработки нефтяных месторождений, называемому LSW (Low Salinity Waterflooding) [5, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78]. Под данным методом подразумевается получение дополнительной добычи нефти посредством закачки в пласт слабоминерализованной воды. На сегодняшний день считается, что причины роста нефтеотдачи пока до конца не ясны. В то же время, большинство исследователей связывают увеличение нефтеотдачи с высокой ионообменной способностью глинистых минералов породы [5, 70, 78].

Влияние степени минерализации и ионного состава электролита на изменение структуры порового пространства и ёмкостных параметров глиносодержащих пластов

Проведенные расчеты показывают, что осмотические процессы приводят только к набуханию глин, тогда как ионообменные процессы могут также приводить к усадке глин в коллекторе. При этом снижение пористости за счет осмоса может доходить до 70-80%, в то время как ионообменные процессы приводят к изменению пористости в пределах 10-15%. Результаты расчетов демонстрируют хорошее совпадение с экспериментальными данными. Эффект роста остаточной еодонасыщенности

Дезагрегированный глинистый материал при переносе в пористой среде закупоривает проводящие каналы, диаметр которых меньше диаметра частиц. В работах [52] показано, что дезагрегированный глинистый материал как осаждается в пласте, так и выносится вместе со скважинной продукцией, причем доля осаждения зависит от геолого-физических характеристик пород-коллекторов. Также в работе был отмечен рост остаточной водонасыщенности в гидрофильных глиносодержащих коллекторах.

За счет перекрытия глинистыми частицами доли проводящих капилляров происходит деформация функции распределения капилляров по радиусам. Вследствие перекрытия капилляров происходит защемление воды, находящейся в тонких порах. Остаточная водонасыщенность в гидрофильных коллекторах определяется как [107] где гс - критический радиус, Рс - доля проводящих капилляров. Для объемной кубической решетки Рс = 0,25. Пусть средний диаметр глинистых частиц - а, тогда при переносе частиц в пористой среде они закупоривают все капилляры, размер которых г а . Эти капилляры не будут участвовать в переносе флюида. Тогда функция распределения пор по радиусам капилляров примет вид

Влияние электрокинетических явлений на процесс течения в пористой среде. Отклонение от линейного закона фильтрации при низких скоростях течения

Природа возникновения нижней границы применения закона Дарси обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия жидкости и породы, которые наиболее ощутимо проявляются в капиллярах малого радиуса (г 10"8-е-10"6 м) глиносодержащих пористых сред [108, 109, ПО, 111, 112, 113].

При течении жидкости в канале под действием приложенного градиента давления ионы подвижной части двойного электрического слоя увлекаются жидкостью, вызывая электрический ток, называемый током протекания. Накопление ионов в области, определяемой направлением течения, является причиной возникновения электрического потенциала, который принято называть потенциалом протекания. В свою очередь потенциал протекания способствует появлению тока ионов в направлении, обратном направлению течения жидкости (ток проводимости). Данный электрокинетический эффект является причиной искажения параболического профиля скоростей течения в капиллярах, что приводит к отклонению от закона Пуазейля и, как следствие, ведет к нарушению закона Дарси. Теоретическое описание течения жидкости в каналах малых размеров (10"8- 10"6м) дано в [69], где получен закон течения в капилляре

Здесь L\\ - коэффициент связи между градиентом давления и потоком массы, что является по сути гидропроводностью канала в законе Пуазейля; L22 связывает ток с потенциалом и имеет смысл электропроводности; Ln и L2\ характеризуют взаимосвязь сил и потоков различной природы; Jo - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка; г - радиус канала, к - обратная дебаевская длина (параметр Дебая-Хюкеля), ср -потенциал протекания, а - удельная электропроводность жидкости, є - диэлектрическая проницаемость жидкости, е - заряд электрона, z - валентность ионов, г - абсолютная температура, кв - постоянная Больцмана.

На базе построения перколяционной модели фильтрационного течения с использованием закона (2.1) в этой работе был получен макроскопический закон течения жидкости в пористой среде При этом в любом сечении рассматриваемого участка пористой среды макроскопический градиент УР ПО порядку величины будет совпадать с микроскопическим градиентом Ур = Ар 11 , возникающем в проводящих флюид каналах. Наиболее точно данное соответствие будет проявляться в случае однородной пористой среды, когда порометрическая кривая имеет вид, близкий к графику (5-функции. На практике такая функция будет иметь вид

Анализ соотношения (2.7), показывает, что с ростом градиента давления закон течения переходит в закон Дарси. Началом такого перехода будет являться равенство слагаемых в знаменателе выражения, стоящего в круглых скобках. Именно это равенство определяет нижнее значение порогового градиента давления

Для получения аналитических соотношений, позволяющих рассчитывать и анализировать поведение коэффициентов фазовых проницаемостей, воспользуемся перколяционным подходом. Рассмотрим вытеснение несмачивающей жидкости смачивающей, считая обе жидкости несжимаемыми и вязкими.

По мере проникновения вытесняющей жидкости поровое пространство реструктурируется за счет разбухания или усадки глин. Вследствие разбухания растет доля мелких пор, доля крупных пор снижается. Изменение порометрической кривой при разбухании глин показано на рис. 15.

Модель двухфазной плоскорадиальной фильтрации с учетом капиллярного давления, минерализации и состава водной фазы

Отклонение от линейного закона течения в различных областях модели представлено на компьютерной модели пласта, размеры и фильтрационно-емкостные свойства которого соответствуют физической модели пласта. При заданном значении давления на контуре питания, в компьютерной модели пласта устанавливается распределение давления, которое сравнивается с распределением давления в физической модели, фиксируемом датчиками давления. Распределение величины относительного отклонения скорости фильтрации в реальной модели от скорости фильтрации в компьютерной модели представлено на рис. 34, 35.

Исследование влияния минерализации и ионного состава растворов электролитов на фильтрационные свойства глиносодержащих пород

Целью эксперимента является изучение кинетики осмотических и ионообменных процессов, а также влияние их на проницаемость глинистых пород в процессе течения растворов электролитов.

Схема экспериментальной установки для изучения фильтрации электролитов в глинистых коллекторах. Установка состоит из разборной цилиндрической трубы R1 из оргстекла, в которой находится насыпной пласт. Длина трубы - 573 мм, диаметр - 17,5 мм. Торцы трубы зажимаются металлическими сетками, впрессованными к торцам пластиковыми заглушками. Слева, на контуре питания пласта, к заглушке резьбовым соединением крепится труба, по которой подается раствор электролита. Справа, на галерее, к заглушке крепится открытая труба R2, по которой жидкость безнапорно стекает в резервуар HI. Жидкость в пласт подается насосом Р1. Через обратный клапан VI жидкость течет через расходомер-термометр Z3. Далее, минуя кран V2, жидкость втекает в пласт. Разность давлений на контуре и галерее пласта регистрируется датчиком дифференциального давления Motorola Dl, информация от которого поступает на аналого-цифровой преобразователь Power Lab PL, откуда сигнал поступает на компьютер С1. Удельная электропроводность электролита измеряется кондуктометром С2. Расход измеряется объемным методом.

Глинистая компонента породы представляет собой бентонитовую глину, на 80% состоящую из минерала монтмориллонита. Глинистая порода перед смешиванием с проппантом обрабатывалась высококонцентрированными растворами электролитов.

Растворы электролита приготавливались так, что в дистиллированной воде получали насыщенный раствор. В пробирки насыпались навески глинистой породы одинаковой массы. Затем пробирки были залиты растворами электролитов (одна пробирка заливается дистиллированной водой) и выдерживались сутки.

Видно, что в пробирке с дистиллированной водой глина полностью разрушилась, образовав высоковязкий гель. Визуально наблюдается прямая зависимость величины набухания глины от радиуса гидратированного катиона (табл. 1).

По завершении обработки растворами электролитов навески высушивались трое суток в лабораторных условиях, после чего образцы глины были готовы к использованию в качестве компоненты насыпного пласта.

Определение зависимости проницаемости пласта от времени закачки и прокаченного объема растворов электролитов. Анализ полученных результатов. Насыпной пласт на 10% состоит из глинистой породы (Kci = 10%). Глинистость рассчитывается следующим образом где т0 - начальная пористость образца, Vrock - объем образца, Vci - объем глины, Kci - коэффициент глинистости. Начальная пористость, объем глин, поровый объем измеряются так, как это описано в параграфе 3.1.1.

В пласт попеременно закачиваются различные растворы электролита. В процессе прокачки растворов записываются расход и перепад давления. Полученные данные обрабатываются, составляются зависимости проницаемости пласта от времени закачки и прокаченного объема растворов.

График зависимости проницаемости пласта, содержащего калиевый бентонит, от прокаченного объема растворов. При закачке в пласт, содержащий калиевый бентонит, слабоминерализованного раствора КС1 с молярной концентрацией Ст = 0,04М исследуется влияние на течение осмотических процессов. Видно, что при закачке слабоминерализованного раствора осмотическое набухание глин в пласте привело к снижению проницаемости в 8 раз. Последующая закачка высококонцентрированного раствора СаСЬ остановила процесс набухания, однако не привела к ожидаемому заметному росту проницаемости. Связано это с тем, что глинистая порода, как это выяснилось после разборки пласта, практически полностью разрушилась.

Важно отметить, что вынос глинистого материала породы в процессе эксперимента не наблюдался. В предположении, что размер глинистых частиц в пределах 1-5 мкм [96], кольматация вследствие закупорки поровых каналов незначительна. Следовательно, в данном эксперименте электролит течет в кластере проводящих капилляров, где глина еще не разрушилась и не образовала глинистого раствора. Глинистый раствор - неньютоновский флюид, который в условиях эксперимента неподвижен. Видно, что закачка раствора СаСЬ приводит к небольшому росту проницаемости за счет усадки глин в той незначительной доле порового пространства, которая занята электролитом.

Далее исследуется течение растворов электролитов в глиносодержащих породах при условиях, исключающих разрушение глинистой компоненты, т.е. при концентрациях выше критических, определяемых уравнением (1.17).

При закачке р-ра сульфата аммония в пласт, содержащий аммониевый бентонит, наблюдается снижение проницаемости до ПО Д. В предыдущем эксперименте, при закачке раствора сульфата аммония проницаемость пласта достигла того же уровня (рис. 41).

В ходе установления равновесия между раствором и породой наблюдается двухстадийный характер падения проницаемости (рис. 44). На первой стадии происходит капиллярная пропитка глины раствором и образование ДЭС [9]. После образования ДЭС, на второй стадии, развивается осмотический процесс.

Закачка раствора КС1 приводит к снижению проницаемости на 75% вследствие набухания глин. Дальнейшая закачка раствора (NH SC приводит к росту проницаемости в 3 раза, однако до первоначального значения (до закачки раствора КС1) проницаемость не восстанавливается. Последнее свидетельствует о том, что с вхождением катионов NH/ в межмолекулярное пространство глины их активность снижется.

Определение зависимости скорости фильтрации раствора электролита от градиента давления. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными

Отклонение от линейного закона течения в различных областях модели представлено на компьютерной модели пласта, размеры и фильтрационно-емкостные свойства которого соответствуют физической модели пласта. При заданном значении давления на контуре питания, в компьютерной модели пласта устанавливается распределение давления, которое сравнивается с распределением давления в физической модели, фиксируемом датчиками давления. Распределение величины относительного отклонения скорости фильтрации в реальной модели от скорости фильтрации в компьютерной модели представлено на рис. 34, 35. Схема экспериментальной установки для изучения фильтрации электролитов в глинистых коллекторах. Установка состоит из разборной цилиндрической трубы R1 из оргстекла, в которой находится насыпной пласт. Длина трубы - 573 мм, диаметр - 17,5 мм. Торцы трубы зажимаются металлическими сетками, впрессованными к торцам пластиковыми заглушками. Слева, на контуре питания пласта, к заглушке резьбовым соединением крепится труба, по которой подается раствор электролита. Справа, на галерее, к заглушке крепится открытая труба R2, по которой жидкость безнапорно стекает в резервуар HI. Жидкость в пласт подается насосом Р1. Через обратный клапан VI жидкость течет через расходомер-термометр Z3. Далее, минуя кран V2, жидкость втекает в пласт. Разность давлений на контуре и галерее пласта регистрируется датчиком дифференциального давления Motorola Dl, информация от которого поступает на аналого-цифровой преобразователь Power Lab PL, откуда сигнал поступает на компьютер С1. Удельная электропроводность электролита измеряется кондуктометром С2. Расход измеряется объемным методом.

Глинистая компонента породы представляет собой бентонитовую глину, на 80% состоящую из минерала монтмориллонита. Глинистая порода перед смешиванием с проппантом обрабатывалась высококонцентрированными растворами электролитов.

Растворы электролита приготавливались так, что в дистиллированной воде получали насыщенный раствор. В пробирки насыпались навески глинистой породы одинаковой массы. Затем пробирки были залиты растворами электролитов (одна пробирка заливается дистиллированной водой) и выдерживались сутки.

Видно, что в пробирке с дистиллированной водой глина полностью разрушилась, образовав высоковязкий гель. Визуально наблюдается прямая зависимость величины набухания глины от радиуса гидратированного катиона (табл. 1).

По завершении обработки растворами электролитов навески высушивались трое суток в лабораторных условиях, после чего образцы глины были готовы к использованию в качестве компоненты насыпного пласта.

Определение зависимости проницаемости пласта от времени закачки и прокаченного объема растворов электролитов. Анализ полученных результатов. Насыпной пласт на 10% состоит из глинистой породы (Kci = 10%). Глинистость рассчитывается следующим образом где т0 - начальная пористость образца, Vrock - объем образца, Vci - объем глины, Kci - коэффициент глинистости. Начальная пористость, объем глин, поровый объем измеряются так, как это описано в параграфе 3.1.1.

В пласт попеременно закачиваются различные растворы электролита. В процессе прокачки растворов записываются расход и перепад давления. Полученные данные обрабатываются, составляются зависимости проницаемости пласта от времени закачки и прокаченного объема растворов.

График зависимости проницаемости пласта, содержащего кальциевый бентонит, от прокаченного объема растворов. При закачке в пласт, содержащий кальциевый бентонит, 1,5М раствора СаСЬ наблюдается снижение проницаемости пласта в 2 раза. Вследствие того, что концентрации соли в жидком растворе (Ст = 1,5М) и твердом растворе глины (Ст = 2,8М) не равны, разница осмотических давлений растворов приводит к набуханию глин. Видно, что с 20-й минуты между раствором электролита и глиной устанавливается равновесие, поскольку проницаемость перестает меняться.

Закачка раствора (NH SC приводит к росту проницаемости на 10% вследствие усадки глин. Закачка раствора MgCb приводит к снижению проницаемости на 25% вследствие набухания.

Нужно отметить, что в процессе эксперимента не наблюдался вынос глинистого материала. После разборки пласта обнаружено, что глинистая порода не разрушена.

При закачке р-ра сульфата аммония в пласт, содержащий аммониевый бентонит, наблюдается снижение проницаемости до ПО Д. В предыдущем эксперименте, при закачке раствора сульфата аммония проницаемость пласта достигла того же уровня (рис. 41).

В ходе установления равновесия между раствором и породой наблюдается двухстадийный характер падения проницаемости (рис. 44). На первой стадии происходит капиллярная пропитка глины раствором и образование ДЭС [9]. После образования ДЭС, на второй стадии, развивается осмотический процесс.

Закачка раствора КС1 приводит к снижению проницаемости на 75% вследствие набухания глин. Дальнейшая закачка раствора (NH SC приводит к росту проницаемости в 3 раза, однако до первоначального значения (до закачки раствора КС1) проницаемость не восстанавливается. Последнее свидетельствует о том, что с вхождением катионов NH/ в межмолекулярное пространство глины их активность снижется. В ходе экспериментов установлено, что для выбранного типа глины время установления равновесия между раствором и породой около 20 минут, причем как для осмотических, так и для ионообменных процессов. Для сравнения, в работе [119] показано, что для глинистых сланцев время установления равновесия от 30 минут до 20 часов в зависимости от состава и минерализации прокачиваемого раствора.

В эксперименте показано, закачка слабоминерализованной жидкости привела к полному разрушению глинистого минерала и безвозвратному снижению проницаемости, а восстановление проницаемости возможно тогда, когда глинистый минерал пласта не диспергирован, что наблюдалось при прокачке концентрированных растворов солей. Таким образом, рекомендуется закачивать высококонцентрированные растворы электролитов, управляя ионообменными процессами в пласте.