Роль капиллярных процессов и поверхностных явлений при вытеснении нефти из пластов

Гидравлические сопротивления во время движения жидкости в пористой среде аналогичны сопротивлению трения при движении жидкости в трубах. Но характер течения в неоднородной пористой среде имеет свои особенности.

Так с поверхностным натяжением и с притяжением молекул жидкости и твердого тела связаны капиллярные явления. Капиллярность проявляется в образовании мениска, то есть изогнутой поверхности жидкости. При этом в трубке малого диаметра (капилляре) погруженной в жидкость поднимается уровень жидкости выше уровня снаружи трубки, если поверхность трубки гидрофильна, и опускается ниже уровня – если поверхность трубки гидрофобна. Капиллярным называют давление, создаваемое поверхностным натяжением, на искривленной поверхности (мениске) жидкости в капилляре.

Жамен заметил, что движение жидкости в капилляре замедляется если в нее вводить капли другой жидкости или пузырьки газа. Замедление обусловлено появлением дополнительных сил сопротивления движению, вызываемых поверхностным натяжением и капиллярными силами. Замедление существеннее в трубке переменного сечения, потому что для преодоления сужений капилляра нужно, чтобы пузырек газа или капля жидкости деформировались. На это тратится дополнительное гидродинамическое давление.

В области водонефтяного контакта в пласте перемещается смесь воды и нефти. Жидкости в капиллярных поровых каналах разделяются на столбики и шарики, которые на время закупоривают поры пласта вследствие проявления капиллярных сил.

Чтобы представить механизм проявления капиллярных сил при движении водонефтяной смеси, остающейся позади водонефтяного контакта, рассмотрим условия пере­мещения столбика нефти в цилиндрическом капилляре, заполненном и смоченном водой (рис. 8.1).

Рисунок 8.1 – Схема деформации капли нефти при её сдвиге в капилляре.

Под действием капиллярных сил столбик нефти будет стремиться принять шаро­образную форму, оказывая при этом давление Р на пленку воды между стенками капил­ляра и столбиком нефти:

, (8.1)

где s – поверхностное натяжение на границе нефть-вода; R – радиус сферической поверхности столбика нефти; r – радиус ее цилиндрической поверхности.

Под действием давления, развиваемого менисками, происходит отток воды из слоя, отделяющего столбик нефти от стенок капилляра, продолжающийся до тех пор, пока пленка не достигнет равновесного состояния. Эти пленки обладают аномальными свойствами, в частности повышенной вязкостью, и поэтому они неподвижны. Следовательно, с началом движения столбика нефти в капилляре возникнет сила трения, обусловленная давлением нефти на стенки капилляра. Кроме того, прежде чем столбик нефти сдвинется с места, мениски на границах фаз деформи­руются и займут положение, изображенное пунктирными линиями.

Разность давлений, созданных менисками, будет создавать силу, противодействующую внешнему перепаду давлений:

. (8.2)

Описанное явление, сопровождающееся действием дополнительных сопротивлений при движении пузырьков газа или несмешивающихся жидкостей в капиллярных каналах, впервые исследовано Жаменом и названо его именем. Многочисленные эффекты Жамена возникают также при движении газоводонефтяных смесей в пористой среде. Дополнительное сопротивление и капиллярное давление для единичных столбиков жидкостей невелики.

Поровое пространство нефтесодержащих пород представляет собой огромное скопление поровых капиллярных каналов, в которых при движении несмешивающихся жидкостей, образуются мениски на границах разделов фаз. Поэтому капиллярные силы влияют на процессы вытеснения нефти.

Если среда гидрофильна, в области водонефтяного контакта давление, развиваемое менисками, способствует возникновению процессов капиллярного пропитывания и перераспределения жид­костей. Это связано с неоднородностью пор по размерам. Капиллярное давление, развиваемое в каналах небольшого сечения, больше, чем в крупных порах. В резуль­тате этого на водонефтяном контакте возникают процессы противоточной капилляр­ной пропитки – вода по мелким порам проникает в нефтяную часть пласта (или в блоки трещиноватой породы), а по крупным порам нефть вытесняется в водоносную часть.

Однако, за водонефтяным контактом мениски создают многочисленные эффекты Жамена и препятствуют вытеснению нефти. В зернистых неоднородных коллекторах процессы перераспределения нефти и воды под действием капиллярных сил могут способствовать нарушениям сплошности нефти в нефтеподводящих системах капилляров, что сопровождается уменьшением нефтеотдачи.

На закономерности фильтрации жидкостей и газов в пористой среде влияют поверхностные явления, происходящие на границах твёрдое тело-жидкость. Понижение скорости фильтрации может быть вызвано химической фиксацией адсорбционных слоёв поверхностно-активных компонентов нефтина активных местах поверхности минеральных зёрен. Возможна и полная закупорка поровых каналов вследствие возрастания толщины коллоидных пленок. С повышением депрессии выше некоторого предела происходит срыв (размыв) образованных ранее адсорбционно-сольватных слоев. Дебиты скважин вследствие образования в пласте смолопарафиновых отложений уменьшаются и для борьбы с этим прогревают призабойную зону или обрабатывают забой поверхностно-активными веществами.

Анализ результатов большого числа исследований, позволяет сделать вывод о связи между капиллярными свойствами пластовой системы и характером зависимости нефтеотдачи от скорости вытеснения нефти водой. Когда пласт гидрофобен и капиллярные силы противодействуют вытеснению нефти из пористой среды водой, нефтеотдача возрастает с увеличением скорости продвижения водонефтяного контакта (т. е. увеличивается с ростом градиентов давле­нии). Когда капиллярные силы ослаблены (вследствие низких значений поверхностного натяжения, проницаемости пород более 1 – 2 мкм² и др.), скорость вытеснения нефти водой слабее влияет на нефтеотдачу.

Залежи нефти чрезвычайно разнообразные по степени неоднородности пород и строению пластов. При этом на зависимость нефтеотдачи от перепада давлений (от скорости вытеснения) оказывают влияние, кроме физико-химических свойств пластовой системы, многие другие факторы. Например, известны факты включения в работу с увеличением депрессии дополнительных пропластков, которые раньше (при меньших перепадах давлений) не участвовали в притоке нефти. С возрастанием депрессии перераспре­деляются давления в пласте при соответствующих изменениях геометрии потока, охватывающего дополнительные участки пласта, ранее мало отдававшие нефть. Существуют и другие факторы, влияющие на результаты вытеснения нефти водой из естественных пластов и на зависимость нефтеотдачи от величины депрессии. По результатам наблюдений многих исследователей, повышение градиентов давлений в пласте оказывает благоприятное влияние на нефтеотдачу залежей нефти, приуроченных к неоднородным коллекторам.

Таким образом, вопрос о необходимости увеличения или уменьшения капиллярных сил, как и многие другие задачи физики вытеснения нефти водой, не имеет однозначного решения.