Влияние межмолекулярных взаимодействий на эффективное сечение поровых каналов при движении пластового флюида в горной породе

Снижение темпов роста добычи происходит на фоне роста объемов бурения и увеличения капитальных затрат нефтяных компаний.

Основные причины снижения эффективности развития нефтедобывающего сектора - это высокая себестоимость добычи нефти и значительная степень выработки легкодоступных месторождений.

В таких условиях обеспечение рентабельного прироста извлекаемых запасов экономически оправдано за счет технологий увеличения нефтеотдачи пластов, содержащих остаточные запасы на освоенных и обустроенных объектах.

Более привлекательным и экономически оправданным является создание высокоэффективных технологий увеличения нефтеотдачи пластов на заводненных нефтяных месторождениях, содержащих значительные остаточные запасы на освоенных и обустроенных объектах. Это внесет существенный вклад в обеспечение рентабельного прироста извлекаемых запасов и дополнительной добычи нефти при минимальных капитальных вложениях.

Очень редко под месторождением понимается одна залежь нефти и газа. В основном это набор залежей представленных коллекторами разного типа, имеющих разнообразные размеры по толщине и площади, различные условия образования и физико-химический состав флюидов.

В таких условиях управление движением нефти к нефтедобывающим скважинам с целью вовлечения в разработку залежей нефти и газа с учетом наиболее полного извлечения углеводородов из недр - это сложная задача, не имеющая единственного решения.

Согласно для месторождений с физическими обусловленными затруднениями вытеснения, вызванными высокой вязкостью нефти, реологическими свойствами, высокой долей микрокапилляров, требуется прямой длительное действие на флюиды для стимуляции фильтрационных процессов.

Ранее, в работе было высказано предположение о влиянии на эффективное сечение поровых каналов сил межмолекулярного взаимодействия - сил Ван-дер-ваальса. Рассматривая природу этих сил можно предположить, что в процессе движения молекул нефти в пористой среде, на участках свободной поверхности диполи (молекулы) располагаются в одном направлении вдоль общей оси, а на участках в пределах контакта частиц грунта дипольные моменты ориентированы хаотически. В местах контакта частиц наблюдается увеличение концентрации полярных молекул, образуются устойчивые полимолекулярные слои, обладающие высокой механической прочностью, размер слоев может достигать десятки микрометров и зависит от физико-химических свойств нефти и свойств горной породы.

Аналогичные исследования, посвященные вопросам аккумуляции полярных молекул, а также ориентацией молекул на поверхности твердой фазы были проведены А.С. Ахматовым, в его работе «Молекулярная физика граничного трения».

Рассматривая структурную схему контактного взаимодействия гетерогенных композиционных покрытий в условиях граничного трения, рис. 1, автор утверждает, что разделение поверхностей трения 1, 2 осуществляется как за счет металлического (герцевского) взаимодействия, так и за счет адсорбированных поли- и мономолекулярных граничных слоев, полярных молекул, расположенных на поверхностях трения.

Полимолекулярный слой играет роль преобладающего фактора смазочного действия и способен обеспечить очень низкий коэффициент трения, лишь ненамного выше, чем коэффициент жидкостного трения.

Рис. 1 Схема силового взаимодействия единичных сферических сегментов при наличии полимолекулярного слоя: 1, 2 - поверхностные слои взаимодействующих тел; 3 - поры; 4 - адсорбированный полимолекулярный слой полярных молекул на поверхностях трения; 5 - приконтактная зона, в которой адсорбированные молекулы обладают упругостью формы.

На участках вокруг пятен фактического контакта, концентрация полярных молекул существенно выше, чем на участках свободной поверхности, вследствие повышения потенциала адсорбции в узких зазорах, где действуют ван-дер-ваальсовые силы обеих поверхностей. Молекулы образуют полимолекулярные слои толщиной 40-50 линейных размеров полярных молекул , где - диаметр молекулы.

Участки, примыкающие к зонам фактического, могут рассматриваться как участки контакта, на которых полярные адсорбированные молекулы обладают упругостью формы и создают противодавление.

Классическая теория фильтрации однородной жидкости, основанная на законе Дарси гласит «В естественном грунте частицы жидкости перемещаются через мельчайшие каналы, образованные между частицами грунта вследствие их неплотного прилегания друг к другу [9]. Движение жидкости представляет собой обтекание бесчисленного множества сложных поверхностей, рис 2.

Рис. 2 Схематичное представление горной породы.

Построим упрощенную модель фиктивного (корпускулярного) грунта и оценим эффективное сечение поровых каналов, с учетом наличия адсорбированных поли- и мономолекулярных граничных слоев из молекул нефти.

Рассмотрим контактирование частиц горной породы, моделируемых сферическими сегментами, предполагающее наличие полимолекулярного слоя, рис. 3.

Рис. 3 Схема взаимодействия единичных сферических сегментов при наличии полимолекулярного слоя.

Для численной оценки сечения поровых каналов воспользуемся результатами макроописания и фотографиями керна, отобранного из поисково-оценочной скважины №6 Левобережной площади Волгоградской области, табл. 1.

Глубина, м	Фотография керна	Литологическая характеристика
4000,05 4001,00		глубина 4000,05-4001,00 м, толщина - 1,55 м Песчаники кварцитовидные светло-коричневые, коричневато-серые, с многочисленными глинисто-углистыми слойками (до 0,5 мм толщиной). Песчаники мелкозернистые, алевритовые, участками (в нижней части слоя) переходящие в алевролиты крупнозернистые, мелкопесчаные. Породы слоя плотные, крепкие, с тонкой, визуально незаметной пористостью, со следами насыщения углеводородами и отчётливым запахом углеводородов, заполненные битумно-глинистым материалом.

Песчаники кварцитовидные светло-коричневые, коричневато-серые, с многочисленными глинисто-углистыми слойками (до 0,5 мм толщиной). Песчаники мелкозернистые, алевритовые, участками (в нижней части слоя) переходящие в алевролиты крупнозернистые, мелкопесчаные. Породы слоя плотные, крепкие, с тонкой, визуально незаметной пористостью, со следами насыщения углеводородами и отчётливым запахом углеводородов, заполненные битумно-глинистым материалом.

Пористая структура керна исследована на подготовленном шлифе песчаника, размером 5,95х5,95 мм, рис. 4 и представлена в таблице 2.

Рис. 4 Шлиф исследуемого образца - песчаника

Таблица 2 Статистические данные исследуемого образца

Класс породы	Количество пор	Минимальный размер частиц, мм	Максимальный размер частиц, мм	Площадь, занимаемая частицами, %
<0,01	0	-	-	0,00
0,01-0,05	3035	0,015	0,05	23,78
0,05-0,10	1008	0,050	0,100	37,34
0,10-0,50	305	0,100	0,445	38,88
0,5-1,00	0	-	-	0,00
>1,0	0	-	-	0,00
Всего	4348	0,015	0,445	100,00

Как видно из таблицы наибольшую долю площади шлифа 38,88% занимают частицы размером 0,1-0,445 мм.

Площадь зоны, адсорбированной молекулами нефти, определим как площадь треугольника ABC, со сторонами 2х и (b-а), рис. 3.

(1)

где: - толщина полимолекулярного слоя, нм., может принимать значения от до ;

Поскольку нефть, являющаяся природным продуктом, имеет достаточно разнородный состав, о процентном соотношении тех или иных химических элементов в ней можно говорить весьма условно. Тем не менее, отметим, что в различных типах нефти основными составляющими элементами являются углерод, водород и сера, реже - кислород и азот.

Наименьший размер имеет молекула метана. Наиболее крупные молекулы характерны для асфальтенов, с молекулярной массой сто тысяч и более. Между этими двумя крайними соединениями располагаются другие структуры, имеющие свои размеры в широком диапазоне от 0,01 до 10 нанометров [10].

По мере того как возрастают размеры молекул в ряду углеводородов-гомологов, газы сменяются жидкостями, а эти последние - твердыми веществами. Нефти основных продуктивных отложений в Волгоградской области по существующей классификации относятся к легким, маловязким, парафинистым, малосолистым и малосернистым. По своему групповому составу они имеют парафиновую природу. С учетом проведенного описания природы нефти можно констатировать интервал размеров основных групп соединений в пределах 0,1 - 2,2 нанометра.

- радиус пятна контакта взаимодействия сферических сегментов может быть найден из условия их взаимодействия [11].

До вскрытия месторождения скважинами все физические параметры пласта - температура, давление, распределение нефти, воды и газа в залежи - находятся в состоянии, установившемся в течение геологических периодов, прошедших с момента формирования залежи. С вскрытием пласта и началом его эксплуатации эти установившиеся условия нарушаются, и наступает динамический период в истории залежи, сопровождающийся изменением свойств пластовых жидкостей, их движением и перераспределением в пористой среде.

Породы пластов в естественном состоянии находятся в упруго-сжатом состоянии под действием веса вышележащих отложений. При проведении горных выработок это состояние всестороннего сжатия нарушается, и создаются условия «вытекания» пород в выработку. При этом в районе скважины в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий [12].

Согласно, работы [13], область влияния скважины на прилежащие горные породы не превышает 2 м в одну сторону. С учетом градиента пластового давления на скважинах Левобережной площади, равного 1,13 кг/см2 на 10 м (на глубине отбора керна 4000 м), усилие, действующее на частицы песчаников составит (1,13/10)*2м=0,226кг/см2 (0,02МПа), отсюда радиус пятна контакта взаимодействующих поверхностей:

(2)

где: - усилие прижима контактирующих поверхностей; - приведенный радиус кривизны сферических сегментов; - эффективный модуль упругости сжимаемых тел.

- радиус пятна контакта с учетом адсорбированного слоя, При незначительных деформациях угол принимаем в несколько градусов (1-3 град.).

Минимальная возможная площадь зоны полимолекулярных слоев на выбранном месторождении

Максимальная возможная площадь зоны полимолекулярных слоев на выбранном месторождении

Результаты расчетов для приведенной пористой структуры сведены в таблицу 3.

Табл. 3 Исходные данные и результаты расчета площади зоны, образованной полимолекулярными слоями

x - толщина полимолекулярного слоя, нм		b - радиус пятна контакта с учетом адсорбированного слоя, нм	a - радиус пятна взаимодействия сферических сегментов, нм	Sadc - площадь зоны, адсорбированной молекулами, нм.
xmin	xmax	b	a
0,4	110	3146	2500	258	71060

Принимая во внимание, что в зоне контакта сферических сегментов площадь зоны адсорбированной молекулами удваивается, определим общую площадь зоны в пределах шлифа:

, (3)

Общая площадь пор в модели грунта для сечения шлифа:

, (4)

Относительное уменьшение площади эффективного сечения поровых каналов при движении по ним пластового флюида составит:

, (5)

Полученный результат можно сравнить с исследованиями в работе [9, с. 63], посвященной движению жидкости через пористую среду, где автор обосновывает уменьшение пористости среды на 5% влиянием существования жидкой пленки, приводящей к образованию «мертвых зон» около частиц грунта.

Выводы

Наличие полимолекулярных слоев нефти в пределах контакта частиц грунта горной породы создает дополнительное сопротивление перемещению частиц жидкости в горной породе. Установлено, что площадь зоны адсорбированной молекулами нефти зависит как от физико-химических свойств нефти, так и от свойств и условий залегания горной породы.

Полимолекулярные слои из адсорбированных молекул, обладая высокой механической прочностью, создают «застойные зоны» в горной породе, тем самым уменьшая эффективное сечение поровых каналов. Моделирование течения жидкости через фиктивный (корпускулярный) грунт с учетом конкретных условий месторождения показывает, что разрушение зон адсорбированных молекул, позволило бы увеличить сечение поровых каналов на выбранном месторождении на 6%, что соответственно увеличивает коэффициент извлечения нефти (КИН) и дебит скважины.

Одним из эффективных способов разрушения полимолекулярных слоев, принимая во внимание наличие сил межмолекулярного взаимодействия притяжения и отталкивания между молекулами - сил Ван-дер-Ваальса, является воздействие электромагнитного поля на адсорбированные молекулы, более подробно [6]. Изменение направления поля вызывает изменение положения диполя

(молекулы), в результате меняется ориентационное взаимодействие между диполями (молекулами), исключаются «зоны застоя» при перемещении частиц жидкости в поровом пространстве горной породы.

Автор: Шмелев Валерий Александрович, Сердобинцев Юрий Павлович