3.5. Фильтр анионные изменения проницаемости пористой среды и процессы декольматации под воздействием упругих колебаний1

Среди работ, посвященных экспериментальному изучению процессов изменения проницаемости, связанных с воздействи­ем упругих колебаний на структуру пор и внутрипоровые от­ложения загрязняющих веществ, наибольший интерес пред­ставляют исследования [96-98, 113, 163]. Так, например, изу­чалось [96] изменение структуры порового пространства при воздействии низкочастотными импульсами давления с ампли­тудой 0,3 МПа. Приводятся данные о том, что в результате об­работки в течение 20 мин минимальный размер пор снизился от 36 до 19 мкм, но при этом объем пор среды увеличился от 4,4 до 5,1 см³. Проницаемость образца пористой среды также возросла. При этом изменение структуры порового простран­ства происходило неравномерно по длине керна.

¹ Раздел составлен совместно с Г.А. Сулеймановым.

95

В работе [33] исследовалось движение взвешенных в фильтруемой жидкости частиц на лабораторном стенде, по­зволяющем визуально наблюдать развитие микропроцессов и фиксировать их с помощью киносъемки. Экспериментальная модель пористой среды была изготовлена с использованием кварцевого песка, с размерами песчинок 0,3-0,4 мм, помещен­ного между параллельными стеклянными пластинами. На дан­ной модели исследовались процессы кольматации пор взве­шенными частицами (с размерами менее 0,1 мм), а также раз­витие процессов при резких скачках скорости фильтрации, при воздействии единичными импульсами давления и при вибраци­онном воздействии. В процессе фильтрации взвешенных час­тиц визуально наблюдались задерживание кольматирующих частичек сначала в самых мелких порах и области контактов, составляющих поровую среду песчинок, дальнейшая их коагу­ляция с образованием хлопьевидных скоплений, полностью перекрывающих поровые каналы. Под воздействием упругих колебаний наблюдались отрыв хлопьевидных скоплений от твердой поверхности пор, их диспергирование и вынос во взвешенном состоянии из пористой среды. Отмечается, что фильтрация жидкости с взвешенными хлопьевидными скопле­ниями под вибрационным воздействием не вызывает засоре­ния каналов, но прекращение воздействия приводит к повтор­ному накоплению загрязнений и закупориванию пористой сре­ды.

Проведенные вышеуказанные, а также другие подобные ис­следования имеют ряд упущений и недостатков, связанных с моделированием пористой среды продуктивных коллекторов. Это использование песчинок одной фракции, отсутствие це­ментирования порового скелета, отсутствие на поверхности пор гидрофобизующих пленок остаточной нефти и др. Кроме того, с обнаруженными качественными эффектами вибраци­онной декольматации и их количественными проявлениями не сопоставлены расходно-напорные характеристики фильтраци­онных процессов, а также амплитудно-частотные параметры налагаемого колебательного воздействия.

Исследования влияния виброволнового воздействия на из­менение проницаемости и декольматацию насыщенной порис­той среды в процессах фильтрации проводили на лаборатор­ных установках, моделирующих условия свободного волново­го поля в пласте. Моделирование пластовых условий и про­дуктивных пористых сред проводилось в нескольких направ­лениях - в лабораторных условиях с использованием прозрач-

96

ных пористо-пластинчатых моделей со сцементированной по­ристой средой и применением реального кернового материала, а в промысловых условиях - на стендовой установке, где в ка­честве источника волн использовались промысловые гидроди­намические генераторы колебаний давления. Во всех порис­тых образцах моделировалась остаточная нефтенасыщенность.

Для получения визуальной информации о развитии процес­сов кольматации и декольматации были проведены лаборатор­ные исследования с использованием прозрачных пластинча­тых моделей пористого пласта. Исследования осуществляли на установке, описанной в разделе 3.1.1 (см. рис. 3.1.2). Исследо­вания с использованием кернов проводили на установке, кото­рая описана в разделе 3.1.2 (см. рис. 3.1.10). Доработка этих установок состояла в замене напорных колонок с нефтью на колонки с глинистым раствором для кольматации пористой среды. Описание пластинчатых моделей пласта и методика подготовки кернов с моделированием в порах остаточной неф­ти приведены в вышеуказанных разделах.

Для моделирования реальных условий процессов очистки ПЗП использовали экспериментальную установку на базе стенда испытаний скважинных генераторов колебаний давле­ния, расположенную на промысловом полигоне (рис. 3.5.1).

К макету скважины 1 с установленным в нем генератором колебаний давления 2 через буровой поворотный кран присое­динен кернодержатель-приставка 3. Для измерения параметров колебаний давления служат датчики 4 с прибором 5 типа ВШВ-003. Напорные колонки б заполняются водой и служат для сбора выходящей из кернодержателя жидкости. Колонка 7 предназначена для выравнивания давления внутри стенда и в напорных колонках в момент запуска стенда. С помощью бал­лона с азотом 8 задается давление в колонках, которое необ­ходимо для создания обратной фильтрации.

97

Рис. 3.5.1. Схема стендовой установки для исследования процессов декольма- тации призабойной зоны пласта в поле упругих колебаний

Для кольматации пористой среды предусмотрен контейнер 9 с глинистым раствором, причем последний подается на вход пористой среды дозатором 10. Перепад давления на модели пласта во время фильтрации замеряется дифманометром 11. Мерник 12 высокого давления служит для измерения расхода воды, определяемого как приращение объема в единицу времени. Для обеспечения работы скважинного гидродинамического генератора требуется нагнетание в манифольдовую линию

15 достаточно большого расхода воды при повышенном дав­лении (10-12 МПа). Эти параметры обеспечиваются подклю­чением линии 15 к блочной кустовой насосной станции (БКНС). На выходе вода сбрасывается в дренажную линию. Расход воды через генератор замеряется расходомером 13 с прибором 14. Параметры генерируемых колебаний давления измеряются с помощью тензодатчиков 17 типа ПДМТ и пьезо-датчиков 18 типа ЛХ-601, сигналы с которых через переклю­чатели 20 поступают на усилитель-нормализатор 21 и регист­рируются с помощью запоминающего 25 и светолучевого 24 осциллографов.

Частотный спектр определяется с помощью анализатора спектра 22 типа СК4-56, с записью спектрограмм на графопо­строителе 23. Уровень вибрации стенда измеряется вибромет­ром 19 с вибродатчиком 16.

В качестве генератора колебаний в опытах использовали известный промысловый генератор типа ГВЗ-108.

Объем протекающей в процессе фильтрации через керн во­ды оценивали по измерению уровня в колонках б при парал­лельном подключении мерника 12 по методу сообщающихся сосудов. При осуществлении замеров расхода через керн ко­лонку б отключали, и вода поступала при обратной фильтра­ции только в мерник 12. После замера расхода колонку б от­крывали и уровень воды в мернике 12 сравнивали с уровнем воды в колонке.

В опытах на данном стенде в качестве модели пористой среды пласта использовали сцементированные искусственные пористые среды, которые формировались непосредственно в кернодержателе-приставке 3.

Основная трудность исследования процессов декольмата-ции пористой среды заключалась в воспроизведении одинако­вых условий для моделирования загрязнения пористой среды при проведении серий повторяющихся опытов. Частично ре­шением этой проблемы является использование простейших кольматантов, облегчающих процесс кольматации. С этой це­лью в качестве модельных кольматантов - механических час­тиц были выбраны продукты коррозии - микрочастицы ржав­чины, а глинистые кольматанты моделировались слабо набу­хающими в воде каолинитовыми глинами.

87

Растворы с взвешенными частицами кольматанта для про­качки через пористую среду готовили путем осуществления серий операций: взбалтывание навески глины в воде - отстой в течение 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 ч с отбором после каждой серии неосевших частиц глины, и последующим определением их содержания в растворе, и оценкой характерных размеров частиц. При этом содержа- ние частиц в сериях растворов варьировалось от 0,2 до 0,5 г/дм³, а характерные размеры частиц составляли от 0,5 до 10 мкм. Для кольматации порис­тых сред использовали также размолотый вермикулит, а его взвеси приготовляли по вышеописанной методике.

Кроме искусственных модельных кольматантов в ряде опы­тов использовались также естественные кольматанты, полу­ченные при взятии проб на КВЧ при виброволновых обработ­ках скв. 128 НГДУ "Аксаковнефть" и скв. 6090 НГДУ "Чекма-гушнефть" АНК "Башнефть".

Загрязнение пористой среды осуществляли путем прокачки через нее глинистых растворов объемом, равным 100-150 объ­емов пор, до снижения исходной проницаемости пористого образца на 1-2 порядка.

Таблица 3.5.1 Параметры кернов

Номер	Месторождение,		Длина,	Порис-	Проницае­мость по воде,	Средний
образца	скважина	Диаметр, м	м	тость, %	Ю^мкм^	диаметр пор, мкм
1	Мончаровское,	0,028	0,1	25,0	250,0	11,0
	2126
2	Талинское,	0,03	0,058	13,2	2,7	2,0
	2878
3	Талинское,	0,03	0,057	11,5	0,252	0,3
	2878
4	Талинское,	0,03	0,05	16,0	10,0	3,0
	3984
5	Талинское,	0,03	0,059	20,5	9,0	2,0
	2310
6	Искусствен-	0,04	0,123	28,0	1300,0	20,0
	ный
7	Тоже	0,04	0,149	26,5	470,0	15,0
8*	п	0,02x0,001	0,1	25,5	220,0	8,0
Пластинчатая модель с указанием толщины и ширины пластинчатого
образца.

88

дящем существенном снижении проницаемости свидетельст­вовал рост перепада давления на модели в процессе фильтра­ции. Процесс фильтрации был остановлен при снижении про­ницаемости модели до 0,01 мкм². При этом во входной облас­ти пористой среды модели образовался резко выраженный слой интенсивного накопления кольматанта - корка толщиной 3 мм.

После этого кольматирующий раствор заменяли на чистую воду и прямая фильтрация возобновлялась при тех же расход-но-напорных характеристиках. При этом никаких фильтраци­онных деформаций кольматирующих отложений и изменения проницаемости загрязненной среды не наблюдали. Включение колебательного воздействия с частотой 100 Гц и уровнем среднеквадратичного давления 70 кПа привело к размыву об­ласти загрязнения до глубины 15 мм, причем замеры без пре­кращения воздействия свидетельствовали об увеличении про­ницаемости до 0,05 мкм². После отключения воздействия про­ницаемость снизилась до прежнего значения - 0,01 мкм².

После этого на данном образце провели обратную фильтра­цию чистой воды, в ходе которой происходили незначитель­ные деформации кольматирующих отложений, со­провождающиеся вымыванием механических частиц из порис­той среды и увеличением проницаемости до 0,09 мкм². Под воздействием поля упругих колебаний с теми же амплитудно-частотными параметрами, что и при прямой фильтрации, на­блюдали более существенные изменения. Длина загрязненной области сократилась до 10 мм, значительно уменьшилась плотность "корки" толщиной 3 мм. При этом после прохожде­ния через пористую модель воды с объемом, равным пяти объ­емам пор, проницаемость среды возросла до 0,15 мкм².

Фильтрация на естественных кернах

Пористый керн (см. табл. 3.5.1, образец № 5) загрязнялся при проведении на нем фильтрации воды со взвешенными час­тицами кольматанта. В качестве кольматантов использовали естественные загрязнения, отобранные из эксплуатационных скважин.

Кольматант № 1 (скв. 128) представлял собой тонкую взвесь илистых частиц грязно-рыжего цвета, характеризующихся временем оседания 2,5 ч.

90

Ак/к₀

0,6

0,8 р, МПа

Рис. 3.5.2. Приращение проницаемости пористой среды в ходе обратной фильтрации в зависимости от амплитуды колебаний давления для различ­ных

частот воздействия. Частоты колебаний, Гц:

1 - 100; 2-200; 3-30; 4- 10; 5-500; (5-1000; 7-6000

Ак/к_{)

о

0,3	-	о	( 0	1
0,2	1			о
0,1	2		\
	3	1	1	о^о о
				1 1

4 log/Гц

Рис. 3.5.3. Приращение проницаемости пористой среды в ходе обратной фильтрации в зависимости от частоты для различных амплитуд колебаний дав­ления. Амплитуды колебаний, МПа:

1- 0,5; 2 -0,2; 3-0,1

91

В результате прокачки через керн пятидесяти объемов пор взвеси кольматанта № 1 проницаемость уменьшилась от 0,09 до 0,0013 мкм².

При прямой фильтрации чистой воды при воздействии по­лем колебаний с частотой 30 Гц и амплитудой давления 0,04 МПа максимальное увеличение проницаемости составило 0,002 мкм².

После этого осуществляли обратную фильтрацию чистой воды через загрязненный керн. Замеры проницаемости порис­той среды керна при обратной фильтрации сразу показали бо­лее высокое значение - 0,0065 мкм².

Результаты изменения проницаемости в ходе последующе­го колебательного воздействия приведены на рис. 3.5.2 в виде зависимости показателя относительного приращения прони­цаемости Ак/ко от амплитуды р колебаний для различных час­тот от 10 Гц до 6 кГц.

На рис. 3.5.3 показана зависимость параметра Ак/ко от час­тоты налагаемого воздействия для набора различных амплитуд колебательного давления.

Как следует из полученных результатов, степень прираще­ния проницаемости пропорциональна амплитудам колебатель­ного воздействия в областях малых амплитуд. При возраста­нии уровня колебаний наступает "насыщение" - дальнейшее увеличение амплитуд колебаний давления не приводит к за­метному изменению проницаемости.

Частота колебаний оказывает существенное влияние на процесс фильтрации взвесей. Существует избирательный -наиболее оптимальный частотный диапазон, при котором сте­пень приращения проницаемости в процессе воздействия мак­симальна (см. рис. 3.5.3) для любых амплитудных показателей.

Следует отметить, что после виброволнового воздействия в режиме обратной фильтрации достигнутое увеличение прони­цаемости сохраняется при выключении поля колебаний, что свидетельствует о вибрационных изменениях структуры коль-матирующих отложений и выносе кольматирующего материа­ла в процессе обратной фильтрации.