Роль капиллярных процессов при вытеснении нефти водой из пористых сред

Поровое пространство нефтесодержащих пород представляет собой огромное скопление капиллярных каналов, в которых дви­жутся несмешивающиеся жидкости.

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, по крупным порам нефть вытесняется в водоносную часть. Интен­сивность этого процесса зависит от свойств пластовой системы, а также от соотношения внешних и капиллярных сил. Когда внешние силы велики (т. е. когда перепад давления в пласте, под действием которого нефть вытесняется водой, достаточно высокий), фронт может передвигаться настолько быстро, что вследствие гистерезисных явлений в гидрофильном в статических условиях пласте наступающие углы смачивания становятся близкими или больше 90°. При этом процессы капиллярного впи­тывания на фронте вытеснения затухают или исчезают совсем. Однако в большинстве случаев (при закачке поверхностных пресных вод в пласт) эти процессы на фронте вытеснения нефти водой проявляются в той или иной степени, так как реальные скорости продвижения водонефтяного контакта редко превы­шают 0,5 — 1 м/сут.

Кроме упомянутых форм проявления, капиллярные силы влияют на процессы диспергирования и коалесценции нефти и воды в пористой среде, на строение тонких слоев воды (подкла­док) между твердым телом и углеводородной жидкостью и т. д. Следует отметить, что интенсивность упомянутых капиллярных процессов зависит в той или иной степени от капиллярного дав­ления, развиваемого менисками на границах разделов фаз. И по­этому необходимо решить, какие воды следует выбирать для заводнения залежей: интенсивно впитывающиеся в нефтяную часть залежи под действием капиллярных сил или слабо прони­кающие в пласт.

Целесообразность такой постановки вопроса вытекает также из уже упоминавшегося предположения, что различную нефтеотдачу одной и той же пористой среды при вы­теснении нефти водами неодинакового состава получают вслед­ствие различного характера течения и интенсивности капилляр­ных процессов в зонах водонефтяного контакта и вымывания нефти водой. Действительно, изменяя качества нагнетаемых в за­лежь вод, можно воздействовать на поверхностное натяжение на границе с нефтью, смачивающие характеристики, а также вязкостные свойства.

В гидрофобных пластах, где мениски в каналах противодей­ствуют вытеснению нефти водой, капиллярные силы вредны, так как нефтеотдача пластов под их влиянием уменьшается. По­этому лучший результат можно получить, если нефть вытесня­ется водой с низкими значениями межфазного натяжения при повышенных градиентах давлений.

Значительно труднее определить роль капиллярных сил и механизм их проявления в гидрофильных породах (опыты по капиллярному пропитыванию водой естественных кернов, запол­ненных нефтью, показывают, что большинство природных коллекторов нефти в той или иной степени избирательно лучше сма­чиваются водой).

Многочисленные лабораторные и промысловые наблюдения подтверждают возможность использования эффекта впитывания воды в нефтенасыщенные блоки для существенного увеличения извлекаемых запасов нефти из трещиновато-пористых коллекто­ров. Внешние гидродинамические силы в трещиновато-пористой среде с небольшой проницаемостью нефтенасыщенных блоков способствуют быстрому прорыву вод по трещинам в эксплуата­ционные скважины. Применение, в этом случае вод с высокой способностью впитывания в нефтенасыщенную породу блоков в сочетании с медленной скоростью продвижения вод способ­ствует увеличению нефтеотдачи трещиноватого коллектора под действием капиллярных сил. По результатам лабораторных ис­следований, впитывающаяся в породу вода способна вытеснять до 50 % нефти из блоков естественного известняка кубической формы с размером 6—7 см за 25—30 дней. С увеличением объема образцов темп и эффективность извлечения нефти значительно уменьшаются.

Но вывод о благоприятном влиянии капиллярных процессов перераспределения жидкостей в зоне контакта нефти и воды на нефтеотдачу неоднородного пласта, в котором трещиноватость пород развита слабо, не подтверждается практическими дан­ными эксплуатации ряда нефтяных месторождений, приурочен­ных к зернистым коллекторам. Известно, что залежи, содержа­щие щелочные воды с низким поверхностным натяжением на границе с нефтью (т. е. когда капиллярное пропитывание и пе­рераспределение в значительной степени ослаблены), характе­ризуются особо высокими коэффициентами нефтеотдачи. По большому числу опытов установлено, что данные, полученные для однородных пористых сред, двух- и многослойных моделей пластов, состоящих из пропластков различной проницаемости, нельзя полностью использовать для природных пластов.

Естественные коллекторы нефти обладают неоднородностью физических свойств пород одновременно по площади залегания и в вертикальном направлении, характеризующейся случайным законом распределения его параметров. В результате местной неоднородности пород образуется неровный (рваный) водонефтяной контакт и появляются в различные моменты времени зоны и небольшие участки, обойденные фронтом воды. В этих условиях в пограничных областях, охваченных водой участков, интенсивно образуются водонефтяные смеси вследствие капил­лярного проникновения в них воды.

Нефтеотдача участков, за­водняющихся под действием капиллярных сил, как правило, низка, так как нефть при этом не вытесняется из пористой среды сплошным фронтом вследствие неоднородности размера пор и сравнительно небольшого давления, развиваемого менисками в средних и крупных капиллярах, по сравнению с давлением мениска в мелких порах. Поэтому нефтенасыщенные участки, прилегающие к водонефтяному контакту, вначале пронизыва­ются водой, проникающей в пласт по мелким и средним породам под действием капиллярных сил, что способствует быстрому формированию в этой зоне водонефтяной смеси с потерей сплош­ности нефтяной фазы.

как показывают данные опытов, из нефтенасыщенных образцов при погружении их в воду вытесняется не более 30—40 % (редко 50 %) нефти, даже если время пребыва­ния их в воде длительное. Образующиеся же при этом смеси затрудняют последующее вытеснение нефти из зон пласта, охва­ченных водой. Следовательно, капиллярные процессы пропиты­вания водой в пластах, обладающих неоднородностью по пло­щади и в вертикальном направлении, способствуют уменьшению нефтеотдачи, значительно ухудшая условия вытеснения нефти водой.

Резюмируя сказанное о роли капиллярных сил в зоне совме­стного движения воды и нефти, необходимо отметить, что за­дача— следует ли увеличивать или уменьшать капиллярные силы так же, как и многие другие задачи физики вытеснения нефти водой, не имеет однозначного ответа. В условиях зерни­стых неоднородных коллекторов, как мы видели, процессы пере­распределения нефти и воды под действием капиллярных сил мо­гут способствовать преждевременным нарушениям сплошности нефти в нефтеподводящих системах капилляров в зоне совмест­ного движения нефти и воды, помогая формированию водонефтяных смесей в поровом пространстве, что сопровождается зна­чительным уменьшением нефтеотдачи.

В трещиноватых коллекто­рах нефтеотдача блоков повышается при нагнетании в залежь воды, способной интенсивно впитываться в породу под влия­нием капиллярных сил.

3.7. Использование теории капиллярных явлений для установления зависимости

нефтеотдачи от различных факторов

Нефтеотдача пластов зависит от свойств пород, пластовых жидкостей и условий вытеснения. Зависимости нефтеотдачи от различных факторов можно установить, если в механизме вытеснения будут выявлены про­цессы, влияющие в большой степени на нефтеотдачу пластов и связанные одновременно со всеми или с большинством из упо­мянутых факторов, также влияющих на нефтеотдачу. Эта мысль впервые была высказана докт. техн. наук Г. А. Бабаляном. По результатам его исследований, нефтеотдача существенно зависит от некоторых элементов кинетики вытеснения — механизма раз­рушения аномального слоя нефти на поверхности породы, диспергирования и коалесценции нефти в поровом пространстве, процессов отрыва и прилипания нефти к твердой поверхности породы. С другой стороны, интенсивность и закономерности раз­вития этих процессов тесно связаны со свойствами пористых сред и пластовых жидкостей, что позволяет установить зависимость нефтеотдачи от многочисленных свойств пластовых систем. Для этого необходимо лишь определить влияние каждого из них на процессы диспергирования, коалесценции капель жидкости и разрушения аномального слоя нефти на твердой поверхности породы.

Метод Г. А. Бабаляна, однако, имеет свои трудности в связи с чрезвычайно сложной картиной развития процессов дисперги­рования, коалесценции капель жидкости и разрушения аномаль­ного слоя нефти на поверхности породы. Трудно также увязать неоднородность коллекторских свойств пород с течением этих процессов. Поэтому идея Г. А. Бабаляна получила другое на­правление развития.

Интенсивность и направление дей­ствия капиллярных сил зависят, так или иначе, от всего многооб­разия свойств пластовых систем и от гидродинамических условий вытеснения. Знак и величина капиллярных сил представляют со­бой как бы суммарный результат физических свойств и физико-химических характеристик пласта, горных пород и пластовых жидкостей. Это позволяет наметить единую, качественную связь между большинством параметров пластовых систем, условиями вытеснения и нефтеотдачей пласта, так как характер влияния, большинства этих параметров на интенсивность и направление действия капиллярных процессов известен (или может быть уста­новлен из большого экспериментального материала, накопивше­гося в области физики и физико-химии вытеснения нефти из по­ристых сред). Для этого необходимо, прежде всего, установить, как анализируемое свойство пласта, жидкостей или всей системы влияет на интенсивность и направление действия капиллярных сил.

Изучение процессов вытеснения нефти водой совместно с капил­лярными процессами и капиллярными характеристиками пласто­вой системы — один из путей, позволяющий увязать и одновре­менно учесть влияние на нефтеотдачу как условий вытеснения, так и большей части физических и физико-химических свойств пластовых жидкостей и пород.

Процессы капил­лярного впитывания и перераспределения жидкостей в перовом пространстве следует рассматривать лишь как суммарное след­ствие многочисленных свойств пластовой системы.