Моделирование химических процессов в зоне проникновения фильтратов технологических жидкостей
Моделирование химических процессов в зоне проникновения фильтратов
технологических жидкостей
В процессе массообменных
взаимодействий фильтрата промывочной жидкости с составляющими коллектор
веществами происходит изменение общей минерализации дисперсионной среды, а
из-за гидратации гидрофильной породы изменяется текущая водонасыщенность,
эффективная проницаемость и пористость. На разделах жидкой и твердой фаз
появляются адсорбционные силы и силы прилипания, возникают поверхности
свободной энергии, изменяется поверхностное натяжение.
Процесс гидратации приводит к
присоединению воды к глинистой составляющей скелета породы-коллектора и ее
набуханию, сорбция ионов на поверхности породы - к обеднению, а десорбция - к
обогащению определенными солями фильтрата промывочной жидкости.
Рассмотрим процессы, протекающие при
фильтрации в породе, и опишем их математически.
. Образование труднорастворимых
осадков в порах и трещинах
Пусть в реакции
участвует молей
ионов типа и
молей
ионов типа ,
и при этом образуется новое соединение . Тогда реакцию
образования осадка в общем виде можно представить следующим уравнением:
(1)
Условие возможности
образования осадка при любых задаваемых концентрациях ионов следующее:
(2)
Продукт реакции выпадает
в осадок при соотношении, согласно которому произведение концентраций ионов в
степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам, больше произведения
растворимости продукта.
2. Набухание глинистых пород
Величина набухания пород в различных
средах может быть установлена экспериментально на приборе Жигача-Ярова. Зная
эту величину, можно рассчитать конечную пористость породы.
(3)
. Адсорбция реагентов на поверхности
породы
Чем выше у элемента,
входящего в состав породы, сродство к электрону и ниже сродство к протону, тем
лучше он сорбирует органические вещества. Таким образом, сорбция на минералах
глин, цементов, мела, песков в основном идет по центрам, содержащим такие
элементы, как [1].
Для определения величины
адсорбции органических реагентов рассчитывается безразмерный температурный
показатель (при
температуре от 20 до 100 °C) [2].
(4)
Для расчета коэффициента
адсорбции при температурах свыше 100°C
необходимо дополнительно учитывать константу молярного превышения точки кипения
раствора.
4. Образование граничных слоев воды
В результате адсорбции на границе
раздела твердое тело - жидкость, образуются граничные слои жидкости, свойства
которых отличны от тех, которые в объеме. Характер влияния ионов на структуру
такой пленочной адсорбированной воды зависит от их радиуса, заряда, конфигурации
и строения электронной оболочки. Установлено два случая воздействия ионов. Они
либо связывают ближайшие молекулы воды, при этом структура пленки упрочняется,
либо увеличивают подвижность молекул воды, структура пленочной воды при этом
разрушается [1].
Чем больше становится
концентрация электролита в поре, тем меньше толщина двойного электрического
слоя (ДЭС). Взаимосвязь толщины ДЭС с другими его параметрами без учета
реальных размеров ионов выражается формулой [2]:
, (5)
Если свободный раствор
содержит несколько солей, в формулу (5) вместо подставляют выражение -
ионную силу раствора, в котором суммируются произведения молярной концентрации
на валентности каждого иона, присутствующего в растворе.
В поровых каналах
конечного размера реальное значение будет значительно
отличаться от теоретического. Для щелевидного сечения предложена следующая
формула для расчета реального значения :
, (6)
Формулу (6) можно
использовать для оценки величины () в цилиндрическом
капилляре, подставив вместо ширины щели удвоенный радиус [2].
К наиболее существенным
значимым управляемым факторам отнесены химический состав бурового раствора, его
рН и величина краевого угла смачивания на границе нефть - фильтрат.
Неуправляемые факторы: химический состав нефти и остаточной воды в пласте,
химический состав породы и глинистого цемента, а также его коллоидальность.
Для того чтобы правильно учитывать
влияние каждого фактора на породу коллектора при фильтрации, был разработан
специальный алгоритм, основанный на различии в скоростях происходящих
процессов.
Так, за время мгновенной фильтрации
предположительно в первую очередь происходит взаимодействие фильтрата с
пластовыми флюидами, а затем с гидрофильной породой. При определенных условиях
может произойти выпадение нерастворимых осадков в каналах пласта и их сужение.
При контакте фильтрата бурового
раствора и породы протекают процессы адсорбции, которые приводят к накоплению
на поверхности стенок каналов полимерной пленки.
Если в составе породы коллектора
присутствует глинистый цемент, то возможно дополнительно его набухание.
Одновременно с осадкообразованием
протекает процесс образования водных пленок на поверхности породы. Их толщина
может значительно изменяться из-за набухания глинистого цемента и адсорбции
реагентов. Для коллекторов с проницаемостью kпр > 0,5 ×10-12 м2 образование
граничных слоев воды оказывает незначительное влияние [1].
На основании вышеизложенного
алгоритм расчета можно представить следующим образом:
а) По формуле (2) проверяется
возможность выпадения нерастворимых осадков при взаимодействии фильтрата
бурового раствора и пластовой воды, затем расчет их возможного количества.
Данное явление сильно влияет на эффективный радиус поровых каналов.
б) На основании данных о составе
пород определяется коэффициент набухания пород, и по формуле (3) рассчитывается
конечная пористость.
в) По формуле (4) рассчитывается
количество реагентов, адсорбирующихся на поверхности породы. Это позволит
узнать изменение концентрации реагентов в фильтрате бурового раствора.
г) С учетом данных, полученных в
п.п.а - в, по формулам (5) - (6) производится расчет толщины образовавшихся
граничных слоев воды и, следовательно, конечный радиус поровых каналов.
Данный алгоритм применили для оценки
ухудшения коллекторских свойств пласта Ач3 Верхненадымского
месторождения для пресного бурового раствора. В результате набухания пород
проницаемость пласта уменьшается на 18%, пористость на 48%. Потери полимеров в
результате адсорбции на шламе составляют 0,4% от их начального количества.
Толщина поверхностных пленок воды увеличивается на 21%. В результате всех этих
явлений проницаемость пласта снижается почти на 96%.
Выводы:
Разработанная модель удовлетворяет
следующим требованиям:
) имеет набор установленных
петрофизических характеристик;
) позволяет проводить инженерное
обобщение установленных фактов и прогнозировать в удобной форме необходимые
технологические параметры.
Список использованной
литературы
фильтрат минерализация дисперсионный
1. Мавлютов М.Р. Физико-химическая кольматация истинными
растворами в бурении. - М.: Обзор/ВНИИ экон. минер. сырья и геол.-развед.
работ. (ВИЭМС), 1990.
. Михайлов Н.Н. Изменение физических свойств горных пород в
околоскважинных зонах. - М.: Недра, 1987.