Капиллярные явления

    Многие  исследователи считают, что во  всех случаях воды с высокими  значениями

величин a cos Э, т. е. развивающие повышенные капиллярные давления в пористой среде, более предпочтительны для заводнения нефтяных залежей. Но вывод о благоприятном влиянии капиллярных процессов перераспределения жидкостей в зоне контакта нефти и воды на величину нефтеотдачи неоднородного пласта, в котором трещиноватость пород развита слабо, не подтверждается практическими данными эксплу-атации ряда нефтяных месторождений, приуроченных к зерни-стым коллекторам. Известно, что валежи, 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 фактических данных  результаты опытов, полученные на  однородных пористых средах,

двух- и многослойных моделях пластов, состоящих из однородных пропластков различной проницаемости, нельзя полностью переносить на природные пласты.

    Естественные  отложения, по-видимому, обладают  дополнительными специфическими  особенностями, значительно изменяющими характер проявления капиллярных сил. Одной из таких особенностей естественных пластов может быть сложный характер неоднородности

физических  свойств пород. В этих условиях и  закономерности проявления капиллярных  сил должны быть более сложными. Представление о благоприятной роли процессов капиллярного проникновения воды в нефтяную часть пласта возникло, по-видимому,

из-за упрощенного  моделирования неоднородных пластов.

     Естественные  коллекторы нефти обладают неоднородностью  физических свойств пород одновременно по площади залегания и по вертикали. В результате местной неоднородности пород возникает неровный (≪рваный≫) водо-нефтяной 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 водо-нефтяные 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. В результате, как показывают данные опытов, из нефтенасыщенных образцов при погружении их в воду вытесняется не более 30—

40% (редко 50% и  больше) 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 по вертикали,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 величину капиллярных сил так же, как и многие другие задачи физики вытеснения, 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 водо-нефтяных 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. Использование теории капиллярных явлений для установления зависимости нефтеотдачи от различных факторов

     Нефтеотдача пластов зависит от многочисленных свойств пород, пластовых жидкостей и условий вытеснения. Влияние всех этих факторов на нефтеотдачу можно установить различными методами. Например, можно систематически анализировать большой экспериментальный материал, накопившийся при изучении физики и физико-химии вытеснения нефти из пористых сред. Однако такой метод связан с очень большими трудностями, возникающими при сравнении результатов экспериментов различных авторов, вследствие несопоставимости условий, в которых исследователи проводили опыты,

и вследствие противоречивости их результатов. Зависимости нефтеотдачи от различных факторов можно установить, если отыскать в механизме вытеснения 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 Г. А. Бабаляном. По результатам его исследований на нефтеотдачу существенно влияют некоторые элементы кинетики вытеснения — механизм разрушения аномального слоя нефти на поверхности породы, диспергирование и коалесценция нефти в поровом пространстве, процессы отрыва и прилипания нефти к твердой поверхности породы. С другой стороны, интенсивность и закономерности течения 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 течения 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. Балаляна получила другое направление развития. В предыдущем разделе было показано, что на процесс формирования результатов вытеснения нефти водой (и на нефтеотдачу) значительно влияют капиллярные силы, процессы перераспределения нефти

и воды в пористой среде и формирование водо-нефтяных смесей. Капиллярные процессы, таким  образом, являются важным элементом  механизма вытеснения нефти водой  из пласта.

    Вместе с тем известно, что 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 как бы суммарный результат физических свойств и физико-химических характеристик пласта, горных пород и пластовых жидкостей. Это обстоятельство 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-хи-

мии 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. Если, например, процессы капиллярного пропитывания и перераспределения жидкостей на водонефтяном контакте отрицательно влияют на нефтеотдачу пластов, то лучший результат можно получить при вытеснении нефти водами, развивающими на контакте с нефтью низкое капиллярное давление, т. е. водами, обладающими значением a cos 9 (натяжение смачивания), приближающимся к нулю. Следовательно, если это предположение справедливо, то лучшая нефтеотдача может быть достигнута при вытеснении нефти из гидрофильных пород водами с низкими значениями поверхностного натяжения и т. д. Поэтому 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. Следует, однако, отметить, что заметная роль капиллярных процессов не означает того, что можно тем или иным ходом их течения объяснить все многообразие явлений, происходящих в пористой среде при вытеснении нефти водой. Для этого необходимо использовать обширный опыт, накопленный в области физики и физико-химии многофазного потока. Процессы капиллярного впитывания и перераспределения жидкостей в поровом пространстве следует рассматривать лишь как суммарное следствие многочисленных свойств пластовой системы. Изучение этих процессов позволяет объединить в связанную систему все факторы, одновременно влияющие на нефтеотдачу и на интенсивность проявления капиллярных сил.

4. Зависимость нефтеотдачи от скорости вытеснения нефти водой

     Анализ  результатов большого числа исследований, посвященных этой проблеме, позволяет  сделать вывод о наличии связи  между капиллярными свойствами  пластовой системы и характером  зависимости нефтеотдачи от скорости  вытеснения нефти водой. Во  всех случаях, 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 давления). Когда капиллярные силы ослаблены (вследствие низких значений поверхностного натяжения, большой проницаемости пород — 20—100 м к м 2 и т. д.), скорость вытеснения нефти водой не влияет на величину нефтеотдачи.

   Рассмотрены результаты опытов, скорость вытеснения нефти в которых была по величине сравнимой с естественными скоростями продвижения водонефтяных контактов (до 2—3 м/сутки). Аналогичный результат получен исследователями, опыты которых проводились в условиях активного проявления капиллярных сил (например, при вытеснении неполярных углеводородных жидкостей с малой вязкостью хорошо смачивающей породу водой). В таком случае процессы пропитки водой пород пласта идут приблизительно одинаково при различных (в пределах, встречающихся на практике) скоростях вытеснения и поэтому нефтеотдача модели пласта не изменяется от скорости вытеснения неполярной жидкости водой. В моделях пластовых систем, в которых капиллярные процессы впитывания и перераспределения жидкостей в порах пласта и пере-

токов из одного пропластка в другой под влиянием капиллярных сил способствуют повышению эффективности вытеснения нефти водой, нефтеотдача с увеличением скорости продвижения водо-нефтяного контакта уменьшается в связи с соответствующим сокращением благоприятного проявления капиллярных сил. Такой вывод получен в опытах с моделями трещиноватых коллекторов и слоистых пластов, сложенных однородными пропластками различной проницаемости. Для моделей неоднородных пористых сред, строение которых характеризуется изменением физических свойств по вертикали и по плоскости напластования, в зависимости от начальных физико-химических характеристик пластовой системы возникают различные по виду зависимости нефтеотдачи неоднородной среды от скорости  вытеснения. Например, при вытеснении нефти собственной пласто-

вой водой, обладающей нейтральной смачиваемостью, оказалось, что нефтеотдача слабо зависит  от скорости вытеснения. Из модели неоднородной пористой среды нефть лучше вытесняется  с увеличением скорости продвижения  водо-нефтяного контакта, если замедление процесса сопровождается активизацией капиллярных сил. Такие условия возникают при использовании щелочных, пресных вод при контакте их в пористой среде с малополярными нефтями (типа татарских и башкирских нефтей). Возможность возникновения различных видов зависимости нефтеотдачи от скорости продвижения водо-нефтяного контакта и в условиях реальных коллекторов подтверждается промысловой практикой. Например, анализ результатов эксплуатации уже выработанных месторождений Самарской Луки, проведенный Б. Ф. Сазоновым, В. И. Колгановым и А. Л. Капишниковым, показал отсутствие влияния на нефтеотдачу темпа отбора жидкости (при изменении скорости вытеснения от 2 до 20 м/год). Нефть из этих залежей вытеснялась высокоминерализованной водой с нейтральными смачивающими свойствами, т. е. процесс ее вытеснения протекал в этих залежах при слабой активности капиллярных сил.

Однако следует учитывать, что упомянутый вывод получен  в условиях залежей с относительно однородным строением пород при  значительной их проницаемости (0,5—1 м к м 2). На практике часто встречаются залежи нефти, чрезвычайно разнообразные по степени неоднородности пород и строению пластов. В этом случае на зависимость нефтеотдачи от депрессии давления (от скорости вытеснения) оказывают влияние, кроме физико-химических свойств пластовой системы, многие другие факторы. Например, известны факты включения в работу в ряде случаев дополнительных пропластков с увеличением депрессии, которые раньше (при меньших перепадах давления) не участвовали в притоке нефти. С возрастанием депрессии перераспределяются давления в пласте при соответствующих изменениях геометрии потока, охватывающего дополнительные участки пласта, ранее мало отдававших нефть. Существуют и другие факторы, влияющие на результаты вытеснения нефти водой из естественных пластов и на зависимость нефтеотдачи от величины депрессии. Поэтому в реальных условиях возможны их различные виды независимо от физико-химических свойств пласта. По результатам наблюдений многих исследователей повышение градиентов давлений в пласте оказывает благоприятное влияние на нефтеотдачу залежей нефти, приуроченных к неоднородным коллекторам

5. Структурные  модели пористых материалов
1. Структура пористых сред

    Общие представления о пористых материалах. Структура пористых материалов чрезвычайно разнообразна. Существует интуитивное представление о том, что в пористых телах помимо твердой фазы имеется система пустот. Твердую фазу называют скелетом или каркасом пористого тела, а систему пустот — пространством пор. Объем пустот, отнесенный к единице объема или массы тела, называют пористостью. Поверхность пустот называют внутренней поверхностью, а ее величину, отнесенную к единице объема или массы тела, — удельной поверхностью.

Такое представление  о пористой среде весьма наглядно, но оно теряет смысл, когда размер пустот соизмерим с размером молекул. Примером таких материалов служат цеолиты, синтетические и природные алюмосиликаты, различные полимерные мембраны. В этом случае материалы причисляют к пористым не столько по геометрическим свойствам структуры, сколько по их физическим свойствам, а именно по способности поглощать и удерживать в макроскопических количествах различные вещества. Количество удерживаемого в равновесных условиях вещества пропорционально не внешней поверхности пористого материала, а его объему. При этом с внутренней поверхностью и пористостью можно связать измеряемые физические величины.