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.

1. 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)

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.

Для определения величины адсорбции органических реагентов рассчитывается безразмерный температурный показатель (при температуре от 20 до 100 C).

(4)

Для расчета коэффициента адсорбции при температурах свыше 100C 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.

Такие электролиты, как, ,, снижают глубину проникновения фильтрата бурового раствора в пласт. Электролиты типа, ,, наоборот, способствуют снижению вязкости фильтрата и повышают его подвижность, тем самым глубина проникновения жидкости увеличивается.

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.

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 k_пр > 0,5 Ч10^-12 м² образование граничных слоев воды оказывает незначительное влияние.

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:

1) адекватно описывает механизм изменений химических свойств пласта в околоскважинной зоне;

2) имеет набор установленных петрофизических характеристик;

3) позволяет проводить инженерное обобщение установленных фактов и прогнозировать в удобной форме необходимые технологические параметры.

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.

2. Михайлов Н. Н. Изменение физических свойств горных пород в околоскважинных зонах. — М.: Недра, 1987.