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 [1].

Для определения величины адсорбции органических реагентов рассчитывается безразмерный температурный показатель (при температуре от 20 до 100 C) [2].

(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 [1].

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 [2].

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 [1].

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.

Список использованной литературы

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.