Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов описания неоднородностей в пористой среде 8
1.1 Анализ методов описания пористых сред горных пород в приближении модели случайных полей 8
1.2 Лабораторные методы исследования неоднородности пористых сред 15
1.3 Модели пористых структур 23
1.4 Модели фильтрации жидких и газообразных фаз в пористой среде 26
Выводы 36
2 Экспериментальное исследование характера микропроцессов в неоднородной пористой среде на бикапиллярной модели продуктивного пласта 37
2.1 Экспериментальные исследования в усовершенствованной модели единичной поры пласта 37
2.2 Экспериментальное исследование характера микропроцессов в неоднородной пористой среде на бикапиллярной модели продуктивного пласта 40
Выводы 51
3 Разработка мультикапиллярной установки для исследования неоднородностей пористой среды в микро- и наноразмерном приближении множественных сплошных сред 53
3.1 Разработка экспериментальной установки для исследования вытеснения углеводородов в приближении мультикапиллярной модели пласта 53
3.2 Исследование неоднородностей пористой среды на мультикапиллярной установке з
3.3 Моделирование вытеснения нефти из пористой среды в приближении теории случайных полей 65
3.4 Методика исследования пористости горных пород методом сканирующей зондовой микроскопии 72
3.5 Исследование неоднородностей горных пород методом сканирующей зондовой микроскопии 94
Выводы 102
4 Разработка технологии физико-технического воздействия на продуктивный пласт трудно-извлекаемых запасов нефти с учетом структуры пористости горных пород 104
Выводы 110
Основные выводы 111
Список использованных источников
- Модели пористых структур
- Экспериментальное исследование характера микропроцессов в неоднородной пористой среде на бикапиллярной модели продуктивного пласта
- Моделирование вытеснения нефти из пористой среды в приближении теории случайных полей
- Исследование неоднородностей горных пород методом сканирующей зондовой микроскопии
Введение к работе
Актуальность работы
Растущие объемы добычи нефти во всем мире обусловливают большой интерес к поиску наиболее экологически безопасных и эффективных способов выработки трудноизвлекаемых запасов нефти. Одним из подходов к решению этой проблемы является воздействие на нефтяные пласты, которое в максимальной мере соответствует естественным природным процессам фильтрации нефти в горных породах. Вопрос осложняется тем, что многие продуктивные нефтяные залежи обладают анизотропией пространственных характеристик. При этом силы, действующие в различных направлениях на границу контакта вытесняющего и вытесняемого агентов, вызывают возникновение откликов различной же интенсивности. В связи с этим отдельные составляющие потоков жидкости и газа по различным направлениям обеспечиваются разными условиями. Траектории движения составляющих далеки от прямолинейной, потому что поровые каналы ориентированы случайным образом, и в то же время отдельные составляющие потока могут меняться в значительном диапазоне величин. Пути, преодолеваемые компонентами вещественного потока, могут обусловливаться проявлением распределенных случайных полей в соответствии с коэффициентом проницаемости коллектора. Для стационарного потока это распределение не принципиально, а поток с импульсным характером движения может постепенно менять свои характеристики в силу анизотропии скоростей различных компонентов. В связи с тем что в пористых средах нефтяных залежей каналы распределены в пространстве случайным образом, важно знать, каким образом статистически распределены эти поровые каналы. Для этого требуется детальное исследование продуктивных пород с позиции статистической физики.
Трудноизвлекаемые запасы нефти часто находятся в сложнопостроенных коллекторах, которые отличаются глинистостью, размерами зерен, их компоновкой, пористостью, цементированностью и т.д. Для выявления закономерностей физических явлений в сложнопостроенных коллекторах необходимо изучение пространственных неоднородностей с различным уровнем приближения. В частности, разумно использование одно-, двух- и трехмерного приближения в сочетании с моделями множественных сплошных сред.
До недавнего времени в нефтяных технологиях для описания
пространственных неоднородностей (структуры горных пород) использовались
достаточно простые модели пористых сред. В настоящее время
пространственные неоднородности продуктивных пористых сред нефтяных месторождений описываются параметрами теории случайных полей, среди которых наиболее часто используемыми являются пространственно-корреляционные характеристики, пространственные двухмерные спектральные характеристики и ряд количественных показателей, например определяющих периодичность и хаотические составляющие структуры пористых сред.
Возможность подробного статистического анализа характеристик случайных полей с применением современной компьютерной техники, а также уровень развития средств измерений позволяют с большой степенью точности определять влияние неоднородностей пористой среды на эффективность выработки трудноизвлекаемых запасов нефти и обеспечивать оптимальный выбор технологии воздействия на продуктивный пласт с учетом структуры пористых сред горных пород.
Цель работы – экспериментальное исследование и статистическое моделирование неоднородностей пористой среды с точки зрения их влияния на эффективность выработки трудноизвлекаемых запасов нефти.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие
основные задачи:
-
Анализ различных методов моделирования процессов вытеснения нефти из залежи;
-
Экспериментальное исследование характера микропроцессов в массопереносе нефтегазовой смеси в неоднородной пористой среде на бикапиллярной модели продуктивного пласта;
-
Разработка мультикапиллярной установки и методики исследования структуры проницаемых пористых сред в керновом материале в микро- и наноразмерном приближении множественных сплошных сред;
-
Разработка технологии физико-технического воздействия на продуктивный пласт трудноизвлекаемых запасов нефти с учетом неоднородности пористой среды.
Методы решения поставленных задач
Решение поставленных задач осуществлялось путем статистического моделирования проницаемых пористых сред применительно к керновым материалам продуктивных пород; применения численных и статистических методов обработки результатов экспериментальных исследований изучаемых объектов и систем; использования физических моделей продуктивного пласта с учетом критериев подобия.
Научная новизна результатов работы:
-
Предложены аналитические методы статистического описания структуры пористых сред горных пород в приближении теории случайных полей;
-
Создана бикапиллярная модель продуктивного пласта для описания и исследования характера процессов массопереноса нефтегазовой смеси при вытеснении нефти вытесняющими агентами;
-
Разработана мультипористая модель продуктивных пород в микроразмерном приближении множественных сплошных сред;
-
Разработана методика исследования структуры пор в керновом материале в наноразмерном приближении множественных сплошных сред;
-
Предложена технология воздействия на продуктивный пласт гидроударными волнами, обеспечивающая повышение эффективности выработки трудноизвлекаемых запасов нефти и уменьшение асфальтосмолопарафиновых отложений.
На защиту выносятся:
-
Физическая капиллярная модель двухслойного продуктивного пласта для исследования характера микропроцессов в массопереносе нефтегазовой смеси при вытеснении нефти газом высокого давления в неоднородной пористой среде;
-
Мультикапиллярная установка, моделирующая пространственное распределение неоднородностей пористой среды нефтяных залежей;
-
Методика исследования структуры пор в керновом материале в наноразмерном приближении множественных сплошных сред;
-
Технология эффективной выработки трудноизвлекаемых запасов с учетом неоднородностей пористой среды.
Практическая ценность результатов работы
Разработаны:
а) методика, позволяющая исследовать пространственные характеристики
образцов кернового материала продуктивного пласта;
б) экологически безопасная технология повышения эффективности
выработки сложнопостроенных коллекторов.
Исследования проводились в рамках реализации НИР «Исследование гидромеханики двухфазной среды в модели единичной поры с позиции микро-и нанокапиллярной физики» по гранту РФФИ № 08-01-97021 р_поволжье_а, 2008–2010 гг. и Государственного контракта № 14.740.11.0429 по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 гг.» на тему «Исследование экологически безопасных технологий интенсификации вытеснения трудноизвлекаемых запасов нефти».
Результаты исследований используются в учебном процессе
специальности 130503.65 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» в Грозненском государственном нефтяном техническом университете имени акад. М. Д. Миллионщикова.
Достоверность результатов проведенных исследований
подтверждается экспериментальными исследованиями и измерениями, проведенными поверенными средствами измерений, сходимостью полученных данных с результатами других исследователей, результатами использования методов физического моделирования нефтяного пласта с учетом критериев подобия и воспроизводимости результатов.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной и Всероссийских научно-практических конференциях «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике» (г. Уфа, 2008–2015 гг.); Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-16 (г. Волгоград, 2010 г.); II, III International Student Scientific and Practical Conferences «Oil and Gas Horizons» (г. Москва, 2010–2011 гг.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Приборное и научно-методическое обеспечение исследований и разработок в области микро- и наноэлектроники» (г. Уфа, 2010 г.); Международном молодежном нефтегазовом форуме (г. Алматы,
2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Безопасность жизнедеятельности человека в среде обитания: проблемы, пути решения» (г. Уфа, 2011 г.); Всероссийских и Международной научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (г. Уфа, 2008–2014 гг.); Всероссийской молодежной конференции «Экотоксикология» (г. Уфа, 2012 г.); Международной молодежной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (г. Уфа, 2012 г.); Международных научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2011–2015 гг.); Международной молодежной конференции «Наукоемкие технологии в решении проблем нефтегазового комплекса» при поддержке РФФИ (г. Уфа, 2014 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 25 научных трудах, в том числе в 3 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 7 таблиц.
Модели пористых структур
Значения проектного коэффициента нефтеотдачи по месторождениям с низкопроницаемыми коллекторами изменяются от 10,5 до 37,7 %. Вместе с тем для крутопадающих пластов с НІЖ нефтеотдача при их разработке на водонапорном режиме или режиме газовой шапки может быть вполне сравнимой со среднеотраслевой (42 %). Низкая проницаемость продуктивного пласта нефтяного месторождения определяет во многих случаях выбор режима и технологии разработки низкопроницаемого пласта, поскольку его малая проницаемость существенным образом изменяет привычные соотношения гидродинамических, капиллярных и гравитационных сил.
С геологической точки зрения особенностью месторождений с низкопроницаемыми коллекторами является то, что коллекторы с проницаемостью менее 0,05 мкм2 имеют двухмодальше распределение пор по размерам [16]. Это определяет не только низкие значения пористости и проницаемости, но, что особенно важно для применения физико-химических методов, большую удельную поверхность.
Согласно классификации, приведенной в работе [17], «карбонатные коллекторы порового типа характеризуются следующими свойствами: — величина абсолютной проницаемости колеблется от 1 10"3 до 1000 10"3 мкм2 и более (наблюдается относительная изотропность свойств в отношении проницаемости); — открытая пористость также изменяется в широких пределах (6,5-35 %); нижний предел пористости (6-8 %) характерен для пород с проницаемостью 1 10"3 мкм2 для нефтяных залежей и 0,1 10"3 мкм2 — для газовых залежей; — количество связанной воды составляет 5-70 % и определяется фильтрационными свойствами слагающих пород; — между основными оценочными параметрами: пористостью, проницаемостью и остаточной водонасыщенностью существует корреляционная связь; — предельные значения основных оценочных параметров зависят от геометрии порового пространства; — в отношении скорости распространения ультразвуковых волн отмечаются изотропность свойств и обратная связь с величиной открытой пористости».
Как указано в работе [17], «для карбонатных коллекторов трещинного типа свойственны: — незначительная абсолютная величина проницаемости, по лабораторным измерениям достигающая единиц и первых десятков миллидарси; — низкая емкость трещин, составляющая доли процента и не превышающая 2-3 %; увеличение пористости наблюдается за счет развития каверн; — отсутствие связанной воды в трещинах и изолированных кавернах и почти полная насыщенность пор матрицы; т. е. в коллекторах этого типа при низкопористой матрице вода не оказывает существенного влияния на насыщенность коллекторов углеводородом».
К сложнопостроенным коллекторам относятся резко неоднородные трещиновато-поровые кавернозные известняки и доломиты, сильно глинистые песчаники и слабопроницаемые алевролиты. Сложнопостроенные коллекторы нефти и газа в карбонатном разрезе встречаются на различных месторождениях в Росии и за рубежом. К таким месторождениям с подтвержденными запасами относятся Озури, Пуэнт-Кларетт, Н Чегу в Маракайбском нефтегазоносном бассейне (Южная Америка), Мари и Сун в Камбейском нефтегазоносном бассейне и Елым-Таг в Каракумском нефтегазоносном бассейне (Азия), а также шельфовое месторождение Рэнкин в нефтегазоносном бассейне Дампьер (Австралия), где обнаружены углеводороды в карбонатах кардибиа. На территории Российской Федерации коллекторы сложного строения также достаточно широко распространены. Промышленные залежи углеводородов в низкопористых коллекторах встречаются на месторождениях Степного Крыма, Восточного Предкавказья, Урало-Поволжья.
Для поддержания пластового давления, интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи испытываются различные способы воздействия на пласт: закачка газа и воздуха в нефтяную часть, закачка воды в нефтяную часть, закачка воды в поднефтяную часть и др. Однако все опытные работы не дают ожидаемых положительных результатов: закачиваемый рабочий агент быстро прорывался по «высокопроницаемым каналам», из которых нефть была отобрана к добывающим скважинам без проникновения в менее проницаемые нефтесодержащие части коллектора, что не влияло сколько-нибудь на эффективность разработки. Закачка воды в подошвенную часть не обеспечила постепенного подъема водонефтяного контакта и равномерного вытеснения нефти «снизу вверх» [18-22].
Причины, вызывающие осложнения при разработке таких месторождений, нужно искать в особенностях фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов.
Представления о горных породах как о решетках капилляров появились в петрофизике, занимающейся построением уравнений взаимосвязи между коллекторскими и физическими свойствами, почти синхронно с представлениями о них как об укладках частиц, и сейчас их роль при описании таких физических свойств пород, как проницаемость, фазовая проницаемость, остаточная водонасыщенность, удельное электрическое сопротивление, диффузионно-адсорбционная активность, возрастает [23].
Мы будем рассматривать объекты, представляющие собой твердые тела, состоящие из множества каналов или пор, открытых с обеих сторон. В зависимости от формы поперечного сечения каналы могут быть цилиндрическими, щелевыми, клиновидными и т.п. Характерные размеры поперечного сечения каналов могут изменяться от нанометровых величин ( 3 А), характеризующих межатомные расстояния в твердых веществах, до микрометровых величин, характеризующих размеры больших органических молекул и коллоидных частиц. В дальнейшем для краткости твердотельные образцы, состоящие из множества проницаемых каналов или пор, будем называть мультикапиллярными системами [24].
Мультикапиллярная система может представлять собой как однородный образец, так и образец, состоящий из соприкасающихся между собой частиц. Если скелет мультикапиллярной системы представляет собой сплошное твердое тело, то такую систему будем называть жесткой. Мультикапиллярные системы, образованные отдельными соприкасающимися частицами, будем называть порошковыми.
Примером жесткой мультикапиллярной системы естественного происхождения является горная порода (гранит). Примером жесткой мультикапиллярной системы искусственного происхождения являются керамический кирпич, бетонные плиты, сухари. Известно множество примеров жестких мультикапиллярных систем растительного и животного происхождения. В качестве примера упомянутых систем укажем на стволы деревьев, стебли растений и костную ткань животных.
Экспериментальное исследование характера микропроцессов в неоднородной пористой среде на бикапиллярной модели продуктивного пласта
В качестве первичной информации используются двумерные цифровые изображения, представленные в виде файлов формата bmp. Преобразование двумерного изображения в трехмерное осуществляется следующим образом. Как известно, изображение представляет собой совокупность точек, каждая из которых имеет свою координату. Яркость точки на изображении зависит от яркости изучаемого объекта. Следовательно, яркость точек содержит визуальную информацию об объекте. Численные значения координат и количественной информации о яркости точки двумерного изображения определяет значение координат точки в трехмерном изображении. Известно, что в каждом пикселе цветного изображения заключен вектор, составленный из значений интенсивности красного, зеленого и синего цветов. Значения интенсивности цвета ограничены диапазоном чисел от 0 до 255 (всего 256 значений). Поэтому каждый пиксель задан 24-битным числом (3 28 вариантов всех возможных значений). Особенностью программы 3_D_Image является возможность независимой обработки цветовых компонентов первичного двумерного изображения.
Экспериментальное исследование характера микропроцессов в неоднородной пористой среде на бикапиллярной модели продуктивного пласта
Для описания петрофизических свойств горных пород усовершенствована капиллярная модель двухслойной пористой среды. Усовершенствованная бикапиллярная установка как модель сложнопостроенного коллектора представлена на рисунке 2.4. Данная установка, моделирующая два пласта с разными проницаемостями, позволяет проводить лабораторные исследования по уточнению механизма вытеснения углеводородов из горных пород.
В работах [65-70] показано, что для исследования характера микропроцессов в неоднородной пористой среде надо применять метод послойного движения в капилляре при решении задачи вытеснения одной вязкой жидкости другой для ламинарного режима. При вытеснении нефти углеводородным газом давление, создаваемое на концах капилляра, и распределение скоростей такое, как и для фильтрации однородной жидкости при тех же граничных условиях. Это условие выполняется, если в качестве вытесняющего агента использовать газ высокого давления. Давление создается такое, чтобы эпюра распределения скоростей была, как при движении однородной жидкости при тех же граничных условиях.
Установка состоит из капилляра 1 из кварцевого стекла внутренним диаметром 100 мкм и капилляра 2 из кварцевого стекла внутренним диаметром 500 мкм, устанавливаемых между головками 4, привинченными к тяжелой прочной станине 5. Предварительно в капилляр по специальной методике подается нефть. Капилляры, моделирующие единичную пору пласта, при проведении эксперимента выбираются соответственно среднему диаметру пор исследуемой нефтяной залежи. — кварцевый капилляр с большим диаметром; 2 — кварцевый капилляр с меньшим диаметром 3 — защитный кожух; 4 — головки-держатели капилляра; 5 — тяжелая станина установки; 6, 7, 12, 13 — игольчатые вентили; 8, 9, 14, 15 — образцовые манометры; 10, 11 — буферные емкости высокого давления; 16, 17 — микроизмерительные прессы; 18 — оптический микроскоп; 19 — цифровая видеокамера или фотоаппарат; 20 — персональный компьютер
Для контроля давления установлены образцовые манометры избыточного давления. Буферные емкости 10, 11 и микроизмерительные прессы 16, 17 служат для обеспечения стабильной закачки пластовых образцов углеводородов и воды.
Экспериментальное исследование и документирование результатов анализа ведут с помощью микроскопа 18, цифровой видеокамеры или фотоаппарата 19 и персонального компьютера 20. Полученные результаты экспериментальных исследований обрабатывают с использованием программы 3D_Image.
Сначала в капилляры с помощью нагнетательных прессов закачивали нефть, затем через капилляры прогоняли воду. В капилляре диаметром 200 мкм нефть оставалась неподвижной, в капилляре диаметром 1000 мкм происходило вытеснение большей части нефти. После этого через капилляры пропускали газ высокого давления. В процессе исследования в капиллярах изучали физические явления. В экспериментах температуру поддерживали постоянной, равной пластовой.
Полученные результаты экспериментальных исследований обрабатывают с использованием программы 3D_Image (рисунок 2.5). Экспериментально изучены структуры потоков двухфазных нефтегазовых смесей на двухкапиллярной установке модели единичной поры нефтяного пласта. С учетом разнообразия и изменчивости во времени структурных конфигураций двухфазных нефтегазовых смесей использованы статистические методы анализа случайных полей, описывающих основные параметры двухфазных потоков.
Моделирование вытеснения нефти из пористой среды в приближении теории случайных полей
Изучение неоднородностей горных пород и нефтенасыщенности продуктивных пластов с использованием кернового материала позволяет точнее моделировать и разрабатывать новые экологически безопасные технологии интенсификации вытеснения трудноизвлекаемых запасов нефти. Более точное моделирование характеристик продуктивных пластов обеспечено изучением кернового материала горных пород методом силовой зондовои микроскопии в полуконтактном режиме с получением топографических изображений пор.
Методика исследований пористости горных пород методом сканирующей зондовои микроскопии (в дальнейшем «Методика») предназначена для исследования пористости образцов горных пород. В качестве образцов горных пород используются соответствующим образом подготовленные и вырезанные заготовки кернов. Оценка пористости основана на визуальном и количественном анализе методом сканирующей зондовои микроскопии поверхностной структуры образцов горных пород с разрешением не ниже 0,1 мкм. Размеры участка сканирования поверхности керна в автоматическом режиме составляют 30 х 30 дт. Сканирующая зондовая микроскопия реализована на базе атомно-силового микроскопа, входящего в состав сканирующей зондовои нанолабора-тории (СЗНЛ) ИНТЕГРА (производство российской фирмы NT-MDT, г. Зеленоград Московской области). Автоматизированное управление атомно-силовым микроскопом, сбор, обработка и запись экспериментальной информации, цифровая обработка изображений осуществляются с помощью персонального компьютера, выполненного в стандарте промышленного компьютера. Управление персональным компьютером, оборудованием сканирующей зондовой лаборатории, атомно-силовым микроскопом осуществляется в среде операционной системы Windows ХР фирмы Microsoft и специализированного пакета программ NOVA, разработанного фирмой NT-MDT.
Условия выполнения исследований Питание оборудования нанолаборатории ИНТЕГРА должно осуществляться от сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью. Основные показатели питающей сети: — действующее напряжение питающей электрической сети (220 ± 22) В; — частота питающей электрической сети (50,0 ± 0,4) Гц; — сопротивление контура заземления оборудования 1 Ом. В помещении лаборатории должен осуществляться климат-контроль со следующими основными показателями: — температура окружающего воздуха (20 ± 5) С. — изменения температуры воздуха за время выполнения измерений не более 0,9 С; — относительная влажность воздуха (65 ±15) %; — изменения относительной влажности воздуха за время выполнения измерений не более 5 %; — атмосферное давление (101 ± 4) кПа. Базовый блок атомно-силового микроскопа должен иметь защиту от вибраций и акустических шумов со следующими показателями: среднеквадратичное значение скорости вибрации, измеренное в полосе частот 1/3-октавы, не превышает значений, приведенных на расчетном графике, входящем в техническую документацию оборудования нанолаборатории.
Рабочее помещение должно быть защищено от механических вибраций и акустических шумов как внутренних, так и внешних. Уровень акустических шумов, измеренный вблизи базового блока микроскопа, не должен превышать 40 дБ. Безопасность на рабочих местах должна обеспечиваться по ГОСТ 12.1.005 [77] и ГОСТ 12.1.045 [78].
Рабочие места исследователей, операторов должны быть аттестованы по условиям труда в соответствии с требованиями трудового законодательства.
Помещение, в котором проводили измерения, обеспечивает класс чистоты 8 ИСО по взвешенным в воздухе частицам размерами 0,5 и 5 мкм. Концентрация частиц определяется по ГОСТ ИСО 14644-1 [79]. Эксплуатация помещения осуществляется по ГОСТ Р ИСО 14644-5 [80].
При практической реализации данной методики возможно использование трех режимов сканирования атомно-силового микроскопа: бесконтактного (Noncontact), полуконтактного (Semicontact) и контактного (Contact). Все эти три метода можно использовать и в атомно-силовом микроскопе, входящем в состав нанолаборатории ИНТЕГРА.
В бесконтактном режиме АСМ (режим притяжения) зазор между острием зонда и образцом составляет, как правило, 5-10 нм. В этом режиме сила Ван-дер-Ваальса взаимодействия образца с зондом, в основном, носит характер силы притяжения и составляет величину около 10"12 Н. Хотя такие маленькие по величине силы создают определенные проблемы регистрации их изменения, тем не менее, столь малое воздействие на образец со стороны прибора благоприятно при изучении относительно мягких или упругих образцов. Кроме того, бесконтактный режим АСМ благоприятен с точки зрения обеспечения ничтожно-малого износа поверхности образца. В бесконтактном режиме должны быть использованы кантилеверы с большой константой жесткостью, что обеспечивает относительно маленькую вероятность эффекта «залипання» при случайном сближении зонда с поверхностью образца. В контактном режиме АСМ (режим отталкивания) взаимодействие между зондом и образцом носит характер сил отталкивания [81]. Атомные силы отталкивания уравновешиваются упругими силами изгиба балки кантилевера и капиллярными силами «прилипания» иглы к поверхности образца за счет тонкого слоя влаги на его поверхности. Величина капиллярной силы слабо изменяется по мере сближения образца с иглой зонда. Упругая сила изгиба кантилевера зависит от величины деформации балки и от константы жесткости кантилевера. Диапазон изменения сил взаимодействия в контактном режиме составляет от 10"8 до 10"6 Н. Для обеспечения приемлемой величины износа поверхности образца и острия зонда в контактном режиме должны быть использованы кантилеверы с небольшой величиной константы жесткости.
В полуконтактном режиме ACM (tapping mode) измерительный зонд колеблется с частотой, близкой к резонансной. Амплитуда колебаний составляет величину около 100 нм. При каждом своем колебании острие в нижней части траектории своего движения ударяется о поверхность образца, за счет чего изменяются параметры колебательного процесса. Преимуществом полуконтактного метода является существенное снижение износа образца за счет уменьшения боковых сил трения острия о поверхность образца. Существенным недостатком полуконтактного метода является сложность интерпретации изображений, поскольку последние отражают в себе как топографию образца, так и упругие свойства тонкого поверхностного слоя образца [82].
При практической реализации данной методики исследования пористости образцов кернов горных пород предпочтение должно быть отдано полуконтактному методу сканирования. Такой выбор обусловлен тем, что в процессе сканирования образец керна практически не деформируется при его взаимодействии с кантилевером. В связи с этим проблемы интерпретации результатов измерений не возникает.
Исследование неоднородностей горных пород методом сканирующей зондовой микроскопии
В настоящее время появилась возможность подробного статистического анализа характеристик случайных полей с применением доступной и широко распространенной вычислительной техники, а также уровень развития измерительной техники позволил с большой степенью точности исследовать зависимость выбора технологии воздействия на продуктивный пласт с учетом структуры пористых горных пород.
В современных технологиях нефтедобычи для интенсификации создают такие гидроудары, при которых пористая среда способствует демпфированию гидроударных волн. Ударная волна, с одной стороны, гасится в пористой среде; с другой — пористая среда может разрушаться в процессе воздействия на пласт гидроударными волнами, т.е. структура пористой среды горной породы будет меняться, в связи с этим возрастает актуальность изучения структуры пористых сред как объектов, подвергающихся интенсивному воздействию ударных волн. В научно-технической литературе данный аспект проявления физико-химических свойств пористых сред до настоящего времени практически не исследовали.
С учетом результатов проведенных исследований предложена экологически безопасная технология воздействия гидроударными волнами в эксплуатационной скважине. Такая технология обеспечивает повышение эффективности выработки трудноизвлекаемых запасов нефти и предотвращение асфальтосмолисто-парафиновых отложений [100-105]. При разработке данной технологии учитывались известные в настоящее время биофизические модели сердечно-сосудистой системы человека.
При разработке технологии решалась задача повышения нефтеотдачи пласта и интенсификации притока нефти за счет воздействия ударными волнам на продуктивный пласт путем установки генератора ударных волн в забое эксплуатационной скважины. Длинноволновое воздействие на нефтяную залежь включает откачку углеводородов из внутреннего трубопровода эксплуатационной скважины и пространства между внутренним и внешним трубопроводами скважины, поддержание в них одинакового гидростатического давления, генерирование упругих ударных волн, формирование длинноволновых упругих сейсмических колебаний, импульсную откачку углеводородов из внутреннего упругого трубопровода коаксиального типа и из пространства между внутренним упругим и внешним трубопроводами; отличает от известных способов то, что длинноволновое воздействие на продуктивный пласт осуществляется через клапан с дозирующими отверстиями, при этом подбирается резонансная частота упругих волн и производится регулирование величины задержки колебаний для обеспечения оптимальной амплитуды колебания упругой трубы.
Технический результат достигается тем, что для воздействия на продуктивный пласт упругими ударными волнами при генерации упругих волн используют генератор ударных волн, расположенный в забое эксплуатационной скважины. Для регулирования энергии воздействия ударных волн скважина снабжается дроссельными клапанами, от диаметра отверстий которых зависит величина энергии воздействия на продуктивный пласт и на трубопровод. При увеличении диаметра отверстий дроссельных клапанов величина энергии воздействия на продуктивный пласт возрастает, при этом энергия воздействия на упругий трубопровод уменьшается и наоборот.
Забой скважины снабжается дроссельными клапанами, от диаметра отверстий которых зависит величина энергии воздействия на продуктивный пласт и на трубопровод, при этом внутри упругого трубопровода, толщина стенок которого подбирается таким образом, чтобы упругая труба не всхлопывалась, устанавливается спиральный корд, а внутренний упругий трубопровод оснащается обратными клапанами шарового типа, при этом на внутреннюю стенку внешнего трубопровода должен быть нанесен полимерный упругий слой.
Кроме того, при решении технической задачи повышения нефтеотдачи пласта обнаружено, что предполагаемый способ и устройство позволяют получить результат по уменьшению асфальтосмолисто-парафиновых отложений на стенках добывающей скважины за счет упругих колебаний внутреннего трубопровода коаксиального трубопровода с применением генератора ударных волн в забое добывающей скважины.
Уменьшение асфальтосмолисто-парафиновых отложений достигается также за счет того, что при добыче нефти коаксиальный трубопровод, состоящий из двух трубопроводов, в котором внутренний трубопровод меньшего диаметра изготовлен из упругого материала, например термоэластопласта, а внешний трубопровод большего диаметра — из твердого материала, например металлопроката, при этом на внутреннюю стенку внешнего трубопровода должен быть нанесен полимерный упругий слой для смягчения контактов внешнего и внутреннего трубопроводов при колебании внутреннего упругого трубопровода. Полимерный упругий слой может быть изготовлен из вспененной микропористой масло-бензостойкой резины. Кроме того, с помощью циркуляционных насосов осуществляют стационарную откачку углеводородов из внутреннего трубопровода и из пространства между внутренним и внешним трубопроводами таким образом, что среднее гидростатическое давление во внутреннем трубопроводе и между внутренним и внешним трубопроводами поддерживается примерно одинаковым на всех горизонтах нагнетательной скважины. При этом толщина стенок упругого трубопровода подбирается таким образом, чтобы упругая труба не всхлопывалась и при этом играла, т. е. стенки трубы колебались, и не откладывались асфальтосмолисто-парафиновые вещества. Для этого внутри упругой трубы устанавливают спиральный корд в виде пружины, а для предотвращения обратного движения флюида в скважинное пространство внутренний трубопровод снабжают обратными клапанами шарикового типа.
Для достижения большего эффекта по уменьшению отложений на стенках добывающей скважины путем длинноволнового воздействия подбирается резонансная частота упругих волн. Регулирование величины задержки колебаний обеспечивает оптимальную амплитуду колебания упругой трубы для эффективной очистки труб от АСПО.
Устройство приведено на рисунке 4.1 и включает в себя циркуляционные насосы 1 и 2, генератор ударных волн 3, трубопровод для передачи рабочей жидкости 4, обратные клапаны 5, коаксиальный трубопровод, состоящий из внутреннего упругого трубопровода 6 и внешнего трубопровода 7, корд 8, эксплуатационную скважину 9, дроссельный клапан 10.
Устройство работает следующим образом. Насосы 1 и 2 начинают откачивать флюиды из пласта таким образом, чтобы в скважинном пространстве поддерживать одинаковое давление между внутренним упругим трубопроводом 6 и внешним трубопроводом 7. Одновременно включается генератор ударных волн 3, который генерирует ударную волну в забое эксплуатационной скважины 9. Генератор ударных волн 3 создает повышенное давление во внутреннем упругом трубопроводе б и приводит к колебаниям внутреннего упругого трубопровода 6. Упругая ударная волна, формируемая генератором ударных волн 3, воздействует на продуктивный пласт 11.