книги / Физико-геологические проблемы остаточной нефтенасыщенности

вижной. Неподвижная (связанная) нефтенасыщенность в природных усло­ виях обусловливается нефтенасыщенностью замкнутой части порового объема (поры скелета, изолированные от проточных пор), адсорбирован­ ной на поверхности пор связанной нефтенасыщенностью и частично неф­ тенасыщенностью тупиковых, полупроточных пор. С ростом степени гидрофобизации величина связанной нефтенасыщенности растет. Расчеты показывают, что в большинстве случаев значения неподвижной нефтенасыщенности в гидрофильных пластах не превышают 10-20%. В то же время опыт разработки показывает, что остаточная нефтенасыщенность значительно больше указанных величин. Последнее обстоятельство связа­ но с усложнением структуры остаточной (неподвижной) нефтенасыщенности в процессах заводнения пластов.

НЕФТЕНАСЫЩЕНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПЛАСТОВ

Подавляющее большинство нефтяных месторождений на территории бывшего СССР разрабатывается с использованием заводнения - вода нагнетается в продуктивные пласты, оттесняя нефть к эксплуатационным скважинам. В процессе разработки природное равновесие, существующее в нефтенасыщенных пластах, нарушается. При отсутствии в природных пластах подвижной остаточной воды в процессе эксплуатации нефте­ насыщенных пластов сначала добывается только нефть, затем происходит прорыв закачиваемой воды к эксплуатационным скважинам, в процессе эксплуатации возрастает количество добываемой воды и уменьшается количество добываемой нефти. В промысловой практике процесс продол­ жается до тех пор, пока водонефтяной фактор не будет настолько высок, что дальнейшая эксплуатация скважины станет экономически нецелесо­ образной. Нефтенасыщение такого обводненного пласта характеризуется как остаточное.

В процессе заводнения гидрофильные и гидрофобные пласты прояв­ ляют себя различным образом. Для гидрофильных коллекторов вытес­ нение нефти при заводнении весьма эффективно - переходные зоны двух­ фазной фильтрации обладают незначительными размерами, нефтенасы­ щение в промытой зоне малб и практически неизменно во времени, ос­ новная добыча нефти происходит в безводный период (рис. 2). Для гидро­ фобных пластов картина обратная - переходные зоны занимают почти весь пласт, нефтенасыщение промытой зоны велико и очень постепенно уменьшается в процессе заводнения, основной объем нефти добывается в водный период эксплуатации. Кроме того, поверхностные свойства кол­ лекторов оказывают существенное влияние и на характер распределе­ ния нефти и воды во внутрипоровом пространстве в процессе заводне­ ния [6, 39,48].

Гидрофильные коллекторы. Как уже указывалось, вода (смачивающая фаза) занимает в таких коллекторах более мелкие поры и образует тон­ кую пленку почти на всей поверхности скелета. Нефть (несмачивающая фаза) занимает центры более крупных пор. Во время заводнения гидро­ фильных пластов при умеренном отношении вязкости нефти к вязкости воды вода движется через пористую среду довольно однородным фрон-

2

Рнс. 2. Характеристики заводнения в гидрофильном (7) и гидрофобном (2) коллекторах

(/1 > /2>/з)

том. Нагнетаемая вода будет стремиться впитаться в любые поры небольшого и среднего размера, двигая нефть в крупные поры, где она легко вытесняется. Впереди фронта движется только нефть (см. рис. 2). В фронтальной зоне каждый флюид движется через свою собственную сеть пор, но с некоторым количеством смачивающего флюида, расположенного в каждой поре. В этой зоне, где протекает как нефть, так и вода, часть нефти существует в непрерывных каналах с некоторыми тупиковыми ответвлениями, тогда как остаток нефти улавливается в разобщенных глобулах (ганглиях). После того, как проходит фронт воды, почти вся остающаяся нефть является неподвижной. Из-за такой неподвижности в этом гидрофильном случае после прорыва воды добычи нефти прак­ тически нет. Разобщенная остаточная нефть существует в двух основных формах: 1) небольшие глобулы в центре более крупных пор и 2) более крупные образования нефти, распространяющиеся на многие поры, кото­ рые полностью окружены водой [6, 40]. Схематический пример завод­ нения в сильно гидрофильном керне приводится на рис. 2. Большая часть пластовой нефти добывается до прорыва при небольшой дополнитель­ ной добыче после прорыва. После прорыва водонефтяной фактор быстро возрастает. Так как после прорыва извлекается немного нефти, общая нефтедобыча по существу не зависит от объема нагнетаемой воды.

Гидрофобные коллекторы. В таких коллекторах скелет породы нахо­ дится преимущественно в контакте с нефтью, а расположение двух флюи­ дов после вытеснения противоположно гидрофильному случаю. Нефть остается в небольших порах, а также в виде пленки на большей части поверхности скелета, тогда как вода располагается в центрах более крупных пор в виде дискретных капелек. Заводнение в гидрофобной поро­ де гораздо менее эффективно, чем заводнение в гидрофильной. Когда

заводнение началось, вода будет образовывать непрерывные каналы че­ рез центры более крупных пор, толкая нефть вперед. Нефть остается в более мелких трещинах и порах. По мере нагнетания вода постепенно внедряется в более мелкие поры, образуя дополнительные непрерывные каналы, а водонефтяной фактор извлекаемых флюидов постепенно воз­ растает. Образование достаточно большого количества заполненных во­ дой каналов приводит к падению гидродинамического сопротивления для воды и снижению потока нефти до очень низкого уровня. На рис. 2 дан пример заводнения в гидрофобном коллекторе.

Нефтеотдача до прорыва относительно мала, и большая часть нефти добывается после прорыва. Водо-нефтяной фактор постепенно возрас­ тает после прорыва. Заводнение в гидрофобном коллекторе менее эффективно, чем заводнение в гидрофильном, поскольку нужно нагнетать больше воды, чтобы извлечь одинаковое количество нефти. Обнаружено, что остаточная нефть после заводнения заполняет более мелкие поры в виде непрерывной пленки на поверхности пор, а также в виде более крупных целиков нефти, окруженных водой [48]. Таким образом, большая часть этой нефти все же непрерывна на протяжении тонких нефтяных пленок и может быть извлечена. В противоположность гидрофильному случаю нефтедобыча сильно зависит от объема нагнетаемой воды.

Основные представления о нефтенасыщении разрабатываемых плас­ тов, существующие в настоящее время, сформировались на базе лабора­ торных исследований. Выделяют три различных и представляющих инте­ рес нефтенасыщенности: насыщенность при прорыве, практическая (или экономическая) ОНН и действительная ОНН. Заметим, что все эти на­ сыщенности являются средними в пределах всего керна (пласта), так как обычно в исследованиях заводнения насыщенность изучается как функция поровых объемов (Vp) нагнетаемой воды. Все три насыщенности, по су­ ществу, равны в сильно гидрофильных системах с умеренным отношением вязкости нефти к вязкости воды (см. рис. 2). Однако насыщенности могут серьезно различаться в системах с промежуточной смачиваемостью, в гидрофобных или в гидрофильных пластах с большим отношением вяз­ кости нефти к вязкости воды. Под прорывом понимается момент, когда вода начинает поступать на выход системы. До прорыва на каждый объем нагнетаемой воды добывается один объем нефти, обеспечивая наиболее эффективное вытеснение. Чем ниже нефтенасыщенность в коллекторе при прорыве, тем эффективнее в экономическом плане будет заводнение. После прорыва водонефтяной фактор непрерывно увеличивается, поэто­ му нужно нагнетать больше воды и больше воды добывается для каждого дополнительного объема извлекаемой нефти. Когда водонефтяной фактор настолько высок, что заводнение больше не экономично, система находит­ ся при практической или экономической ОНН. Существует общепринятая точка зрения, что практическая ОНН ниже в гидрофильных системах; на­ пример, больше нефти добывается в однородно гидрофильных системах, чем было бы добыто в однородно гидрофобной системе с той же геомет­ рией пор [40,49].

Когда достигается экономическая насыщенность в коллекторах с про­ межуточной смачиваемостью, или в гидрофобных коллекторах, нефть

представляет собой связную фазу, подчиняющуюся закону Дарси. Можно продолжать добывать небольшие количества нефти при очень низком во­ донефтяном факторе. Однако в конце концов больше не будет добывать­ ся нефть, и будет достигнута действительная или конечная ОНН (см. рис. 2). Количество поровых объемов воды, необходимое для достижения конечной ОНН, сильно варьирует: от одного-двух для гидрофильного коллектора до сотен и тысяч для гидрофобного. Наименьшая конечная ОНН может быть достигнута в коллекторах с промежуточной смачи­ ваемостью.

Для однородно смачиваемых гидрофильных коллекторов нефтенасыщение разрабатываемых пластов характеризуется следующими осо­ бенностями [40, 49]: ОНН прорыва, практическая (экономическая) и конечная ОНН, по существу, равны и низки для гидрофильных систем. После прорыва добычи нефти почти нет. В этом случае нефтеотдача высока, так как она связана с ОНН обратно пропорциональной зави­ симостью.

В более гидрофобной системе ОНН прорыва и экономическая ОНН возрастают, поэтому нефтеотдача падает. Экономическая ОНН ниже, чем насыщенность при прорыве, а разница между ними постепенно возрастает. В течение продолжительного времени после прорыва все еще добываются небольшие объемы нефти, поэтому экономическая ОНН зависит от количества поровых объемов нагнетаемой воды.

В отличие от ОНН прорыва и экономической конечная ОНН, которая является насыщенностью после пропускания большого количества поро­ вых объемов воды, довольно слабо зависит от смачиваемости. Она нем­ ного ниже для коллекторов с почти нейтральной смачиваемостью (более высокая нефтеотдача), но изменяется гораздо меньше, чем ОНН прорыва и экономическая ОНН.

Существует некоторое несоответствие, касающееся влияния смачивае­ мости на ОНН в очень сильно гидрофильных системах по сравнению с умеренно смачиваемыми. Все три ОНН по существу одинаковы,так как после прорыва добыча невелика. Вся остаточная нефть состоит из улов­ ленных и разобщенных глобул. Различными экспериментами, однако, подтверждено, что ОНН в сильно гидрофильной системе падает, остается той же или возрастает в зависимости от таких переменных, как неодно­ родность, геометрия пор, скорость нагнетания и эффекты на входном и выходном концах.

Заметим, что обсуждаемые эффекты имеют место при отношении вяз­ костей нефть/вода в пределах 1-10. Как отмечалось раньше, ОНН прорыва и экономическая растут с ростом вязкости нефти.

Отмеченные особенности нефтенасыщения разрабатываемых пластов не характерны для коллекторов, обладающих неоднородной смачивае­ мостью с изменениями предпочтительности смачивания на различных участках внутрипоровой поверхности. Дополнительное влияние смачивае­ мости на нефтенасыщение разрабатываемых пластов имеет место, когда коллектор обладает избирательной или смешанной смачиваемостью, где часть внутрипоровой поверхности является гидрофильной, а часть гидро­ фобной.

В коллекторах, обладающих смешанной смачиваемостью, крупные поры обладают непрерывным сообщением друг с другом и являются гидрофобными, тогда как небольшие поры не обладают непрерывной связью и являются гидрофильными. В коллекторах со смешанной сма­ чиваемостью истинная ОНН гораздо ниже, чем ОНН в однородно смачи­ ваемых коллекторах. В последних фактическая ОНН достигает миниму­ ма, когда смачиваемость керна находится в диапазоне от нейтральной до слабо гидрофобной, где капиллярные силы малы. С увеличением гидрофильности ОНН возрастает, так как существует тенденция к изолиро­ ванию нефти в более крупных порах. В то же время с ростом гидрофобности коллектора фактическая ОНН также возрастает, так как капиллярные силы защемляют нефть в более мелких порах. Так как эти поры являются гидрофобными, не существует движущей силы для воды, чтобы вытеснить из них нефть. Однако из крупных пор большая часть нефти извлекается. Так как система со смешанной смачиваемостью объединяет лучшие стороны гидро- и нефтефильных систем, то в ней дос­ тигается наиболее низкая ОНН. По сравнению с гидрофильной систе­ мой в крупных нефтефильных порах защемление уменьшается. По сравнению с гидрофобными системами защемление снижается, так как небольшие поры в системе со смешанной смачиваемостью заполнены водой.

Считается [80], что возникновение смешанной смачиваемости происхо­ дит следующим образом. Когда нефть первоначально поступала в изна­ чально гидрофильный коллектор, она вытесняла воду из более крупных пор, тогда как более мелкие поры оставались заполненными водой из-за капиллярных сил. Смешанная смачиваемость возникала в том случае, если нефть отлагала слой гидрофобного органического материала только в порах, заполненных нефтью, но не в порах, занятых водой. Гидрофобные отложения не образуются в небольших заполненных водой порах, остав­ ляя их гидрофильными. Во время заводнения коллекторов со смешанной смачиваемостью небольшие поры не содержат защемленной нефти. Кроме того, непрерывно смачиваемые нефтью ходы д крупных порах позволяют нефти дренироваться в пленках вдоль стенок пор, создавая небольшую, но ощутимую проницаемость даже при очень низких нефтенасыщенностях. Это позволяет, по крайней мере теоретически, удалить при помощи заводнения всю нефть, первоначально содержащуюся в гидрофобном пласте.

В случае избирательной смачиваемости, когда гидрофильные и гидро­ фобные участки внутрипоровой поверхности не образуют сообщающихся систем на уровне многих пор, особенности нефтенасыщения разраба­ тываемых пластов аналогичны таковым пластов с однородной смачивае­ мостью.

Как уже отмечалось, вышеприведенные особенности нефтенасы­ щения разрабатываемых пластов установлены на основе лабораторного моделирования и характерны в основном для микромасштаба на уровне десятков и сотен размеров пор. В разрабатываемых пластах в целом особенности распределения остаточной нефти могут быть существенно иными.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ В ПЛАСТЕ

После окончания разработки нефтяного пласта в нем остается значи­ тельное количество остаточной нефти. Природа остаточной нефти разно­ образна. Выделяют два основных класса остаточных нефтей: остаточные нефти макро- и микроуровня. ОН макроуровня - это целики, различного рода непромытые пропластики, застойные зоны, линзы. Остаточная нефть, содержащаяся в них, сохраняет свои исходные свойства. ОН микроуровня - это пленочная нефть, адсорбированная на поверхности пористой среды, и капиллярно-защемленная ОН, находящаяся в пористой среде в виде капель и глобул, которые отделены от скелета порис­ той среды пленкой воды. Важным отличием остаточных нефтей первого класса от второго является то, что если целики являются частями залежи, не затронутыми заводнением или слабо им затронутыми, то ОН микроуровня, наоборот, образуются только в заводненных частях пласта. В реальных неоднородных разрабатываемых пластах геологические особенности их строения и технология разработки могут оказы­ вать существенное влияние на распределение остаточной нефти в плас­ те.

В работах Н.Л. Сургучева [39, 40], Ю.В. Желтова, В.М. Рыжика и других исследователей дается структуризация остаточной нефти в разра­ батываемых пластах. Помимо защемленной и адсорбированной в виде пленки остаточной нефти, характерных для микроуровня, эти авторы вы­ деляют также остаточную нефть, связанную с неполнотой охвата пластов заводнением в масштабах пласта в целом.

На основании анализа разработки и обобщения опыта промысловых ра­ бот по нефтеотдаче в работах [39, 40] выделены следующие типы оста­ точной нефти (рис. 3).

1. Рассеянная нефть в виде отдельных капель в порах и пленок на зер­ нах скелета породы. Эта нефть полностью окружена вытесняющей фазой (водой, газом и др.). Насыщение этой нефтью таково, что фазовая прони­ цаемость для нефти при этом насыщении равна нулю. Значения насы­ щенности этой нефтью невелико - 15-20%. Однако отмечается, что при практически нулевых значениях фазовой проницаемости эта остаточная нефтенасыщенность может достигать величины 0,7 (например, при прояв­ лении режима растворенного газа).

2. Скопления остаточной нефти, обусловленные концевыми эффекта­ ми. Они возникают в неоднородных по проницаемости пластах. Харак­ терные размеры скоплений такой нефти составляют единицы и десятки сантиметров.

3. Целики недовыработанной нефти в малопроницаемых включениях или блоках трещинно-пористой среды. Эти целики могут иметь различные размеры и насыщенности.

4. Целики остаточной нефти, образовавшиеся в результате неполного охвата заводнением сравнительно однородных пластов из-за влияния вяз­ костной и гравитационной неустойчивости. Характерные размеры скопле­ ний такой нефти составляют десятки метров.

5. Целики остаточной нефти, обладающей вязкопластичными свойсг-

н,«к2

Рис. 3. Классификация остаточной нефти в истощенных залежах а - рассеянная нефть в гидрофильной (/) и гидрофобной (2) породах; б - скопление

капиллярно-удержанной нефти на поверхности контактов пластов с различными свойствами; в - целик и в малопроницаемых линзах и блоках трещинно-пористых коллекторов; г - целики, образовавшиеся из-за неустойчивости фронта вытеснения; д - невыработанные малопроницаемые прослои и линзы; е - целики, образовавшиеся в результате стягивания фронта вытеснения (невыработанные зоны)

вами. Их характерные размеры зависят от геологической неоднородности и технологии разработки.

Отметим, что в целиках, не охваченных процессом заводнения, нефтенасыщение разрабатываемых и природных пластов идентично. В данной работе эти виды остаточной нефти не рассматриваются.

Ниже дается анализ основных видов ОНН в заводненных пластах.

Глава 2

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОСТАТОЧНОЙ НЕФТЕНАСЫЩЕННОСТИ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПЛАСТОВ

В промытых участках разрабатываемых пластов можно выделить следующие основные виды остаточной нефти: капиллярно-защемленную, адсорбированную, пленочную, ОН тупиковых пор и микронеодно­ родностей. Согласно этой классификации можно говорить о соот­ ветствующих насыщенностях. Кроме того, выделяют практическую ОНН, а также ОНН, обусловленную неустойчивостью вытеснения на микро- и макроуровне.

В реальных разрабатываемых пластах присутствует, как правило, несколько видов остаточной нефти, которые в совокупности формируют ОНН разрабатываемых пластов. В то же время изучение отдельных компонентов и структуры ОНН разрабатываемых пластов необходимо в связи с проблемой информативности оценки и прогноза ОНН в разрабатываемых пластах и необходимостью идентификации состояния остаточной нефти при проектировании методов увеличения нефтеотдачи. Рассмотрим основные виды ОНН.

КАПИЛЛЯРНО-ЗАЩЕМЛЕННАЯ ОСТАТОЧНАЯ НЕФТЕНАСЫЩЕННОСТЬ

Капиллярно-защемленная ОН образуется преимущественно в гидрофильной пористой среде в отдельно взятых порах, узлах пор, либо в нескольких порах одновременно в виде изолированных капель-глобул. Обычно используют две схемы образования капиллярно-защемленной нефти: образование глобулы в одной отдельно взятой поре (рис. 4, а) и образование глобулы в поровом дуплете (рис. 4,6). В первом случае глобула нефти возникает за счет пережима в месте сужения поры. При вытеснении нефти из гидрофильной среды вода по микропорам и по стенкам поры проникает вперед, обгоняя отступающую нефть. В месте сужения поры образуется пережим шнурка нефти, который становится все тоньше по мере постулАения воды до тех пор, пока капля не оторвется от основной массы нефти. После этого для того, чтобы протолкнуть глобулу в сужение порового пространства, нужно изменить форму глобулы, затратив на это значительную энергию (в состоянии стационарного равновесия капля принимает форму, соответствующую минимуму поверхностной энергии). При обычном заводнении гидродинамический

Рис. 4. Схема капиллярного защемления в отдельной поре (а) и поровом дуплете (б)

Фазы: 1 - смачивающая, 2 - несмачивающая; стрелками показано направление вы­ теснения

напор вытесняющей воды, развиваемый на длине глобулы, чрезвычайно мал по сравнению с капиллярными силами.

Эффект отрыва несмачивающей ж идкости при капиллярном подъеме смачивающей ж идкости был установлен еще в прошлом веке Жаменом, который исследовал капиллярное поднятие воды в капилляре переменного сечения.

Исследование эффектов защемления в единичных порах мало­ информативно, так как в реальных пористых средах капиллярное защемление нефти в процессе заводнения связано с действием большого количества факторов и явлений, основными из которых являются:

1)геометрия внутрипорового пространства;

2)поверхностно-молекулярные свойства системы порода - насыщающие флюиды, такие как смачиваемость, ионный обмен, адсорбция;

3)межфазные свойства, такие как поверхностное натяжение, различия

вплотности, отношение вязкостей фаз;

4)прилагаемые градиенты давления и сила тяжести.

По мере роста гидродинамического перепада давлений последний, начиная с некоторого критического значения, начинает оказывать влияние на локальные процессы вытеснения.

Существующие представления о капиллярно-защемленной ОН в заводненных коллекторах связаны прежде всего с характером проявления капиллярных и гидродинамических сил в процессе заводнения на микро- и макроуровне.

Рассмотрим механизм капиллярного защемления нефти в процессе вытеснения.

В зависимости от характера проявления капиллярных сил возможны различные механизмы образования капиллярно-защемленной остаточной нефти. Имеющиеся эксперименты по изучению характера распределения остаточной нефти в пористой среде показывают, что остаточная нефть в гидрофильных микронеоднородных пористых средах распределена в поровом пространстве сложным образом: часть нефти остается в сорбированном виде на поверхности твердой фазы и образует сплошную или прерывистую пленку, другая часть остаточной нефти занимает

значительные объемы внутрипорового.пространства от менисков в углах пор до всего внутрипорового объема. Эта часть остаточного нефтенасыщения, блокируемая капиллярными силами, находится в виде отдельных капель-глобул и заполняет отдельные поры и системы пор.

Характер проявления капиллярных сил в промытой части пласта определяется режимом вытеснения нефти в переходных зонах. При малых градиентах гидродинамического давления характер распределения фаз в процессе вытеснения полностью определяется капиллярными силами. Под действием капиллярного перепада давлений смачивающая фаза внедряется в микропоры, в которых развивается максимальный перепад капиллярного давления. Несмачивающая фаза остается в макропорах, в местах расширения пор и частично в сорбированном виде на поверхности твердой фазы. Режимы вытеснения и образования остаточной нефти являются чисто капиллярными. Преимущественное продвижение менисков по микропорам обусловливает наличие значительных объемов несмачивающей фазы в крупных порах. При резких расширениях поровых каналов самопроизвольное движение мениска приостанавливается и имеет место эффект переворачивания менисков - капиллярный перепад давления становится направленным в сторону более смачивающей фазы. Вышеприведенный механизм капиллярного защемления говорит о том, что капиллярно-защемленная ОН образуется в преимущественно гидрофильных или частично гидрофобизованных коллекторах. Влияние сложного типа смачиваемости на капиллярное защемление в настоящее время мало изучено.

При вытеснении под действием гидродинамического перепада давлений характер распределения фаз зависит от соотношений капиллярного и гидродинамического перепада в околоскважинной зоне. При малых градиентах гидродинамического давления скорость продвижения менисков под действием гидродинамического перепада в некоторой части пор оказывается меньше скорости движения менисков под действием капиллярного перепада. Вследствие этого происходит опережающее капиллярное вытеснение из пор с малым диаметром. Это приводит к прорыву смачивающей фазы по микропорам и защемлению значительных объемов несмачивающей фазы в порах большого диаметра (см. рис. 4,6). В то же время в некоторой части наиболее крупных пор гидроди­ намического перепада давлений оказывается достаточно для проталки­ вания защемленной фазы и вовлечения ее в общий фильтрационный поток.

Такой режим вытеснения и образования защемленной фазы является капиллярно-напорным. При капиллярно-напорном режиме вытеснения характер распределения фаз определяется действием как капиллярных, так и гидродинамических сил. По мере роста градиента гидро­ динамического давления все большая доля пор охватывается чисто гидродинамическим вытеснением и объемы такой защемленной фазы уменьшаются. При некотором критическом значении градиента гидродинамического давления движение менисков по мелким порам становится соизмеримым со скоростью вытеснения по крупным порам и гидродинамический перепад давления полностью определяет систему