Несмотря на то, что залежи нефти в трещиноватых породах имеют все большее значение в мировой добыче нефти, исследование особенности движения жидкости и вопросы их разработки изучены все еще недостаточно. В связи с этим разработка гидродинамических основ технологии добычи ньютоновских и неньютоновских нефтей месторождений трещиноватых пород является весьма актуальным.
Опыт разработки нефтегазовых месторождений показывает, что на продуктивные пласты влияют различные факторы, которые осложняют процессы нефтеизвлечения. Оценка степеней влияния этих факторов и разработка мер, безусловно, будет способствовать рациональной разработке залежей нефти. Для рациональной разработки таких месторождений с учетом сведения о процессах, происходящих в трещиноватых коллекторах, необходимо устанавливать влияние раскрытости трещины на реологические свойства как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей. Однако к настоящему времени отсутствует учет в технологии разработки трещиноватых пластов, влияния раскрытости трещин на реологические параметры пластовых жидкостей. В связи с этим при разработке продуктивных пластов с микротрещинными коллекторами большое количество нефти остается неизвлеченным.
В связи с этим нами были проведены комплексы экспериментальных исследований по изучению стационарного и нестационарного движения жидкостей в плоскорадиальных щелях c проявлением начального градиента давления [5, 6]. Также изучены влияния инерционных сопротивлений на форму индикаторных кривых при движении ньютоновских жидкости в радиальных щелях с проявлением начального градиента давления [4].
Выявлено, что раскрытость трещин является одним из основных показателей, характеризующих фильтрационные свойства жидкости в трещиноватых коллекторах. Изучение и оценка влияния раскрытости на свойства жидкостей в плоскорадиальной микротрещине дает возможность научно обоснованно разработать технологию добычи нефти. В этих условиях для более полного извлечения остаточной нефти следует изучить особенности движения ньютоновских и неньютоновских жидкостей в микротрещинах.
Установлено, что при движении ньютоновских жидкостей в тонких щелях проявляются неньютоновские свойства, по мере увеличения раскрытости щели неньютоновские свойства уменьшаются, а при движении неньютоновских жидкостей усиливаются аномальные свойства, которые по мере увеличения раскрытости щели уменьшаются до первоначального значения.
Указанное явление объясняется тем, что при движении жидкостей в тонких щелях с раскрытостью h ≤ hкр под действием поля твердой фазы формируется граничные слои жидкости со свойствами, значительно отличающимся от свойств жидкости в объеме.
Анализ многочисленных индикаторных кривых, полученных при исследовании добывающих и нагнетательных скважин, показал, что движение ньютоновских жидкостей в трещиноватых коллекторах зависит как от фильтрационных параметров самого пласта, так и от физико-химических свойств жидкости [2, 3].
В частности, на форму индикаторных кривых влияет изменение проницаемости среды, вязкости и плотности жидкости, режим фильтрации, режим разработки пласта, неустановившиеся процессы, связанные с проявлением упругости жидкости в пласте, инерционные сопротивления [2, 3] и раскрытость трещин [4].
В данной работе исследованы влияния раскрытости и инерционных сопротивлений на особенности движения неньютоновских жидкости в радиальных щелях с проявлением начального градиента давления. На основе полученных экспериментальных зависимостей качественно оценен характер индикаторных кривых при различных раскрытостях трещин.
С целью изучения влияния инерционных сопротивлений на процесс движения жидкости экспериментальное исследование проводилось в двух сериях. В первой серии моделировалось движение жидкости от скважины к контуру (аналогично процессу при закачке жидкости в пласт), а во второй серии − от контура к скважине (аналогично процессу при добыче жидкости из пласта). В обеих сериях эксперименты проводились стационарном режиме движения жидкости. Экспериментальное исследование проведено на установке, позволяющей создать радиальные щели различной раскрытости. Конструкция щелевой модели, имитирующая плоскорадиальное течение жидкости в недеформируемой среде, представлена в работе [6].
С целью обеспечения недеформируемости щели плит, изготовленных из стали 40Х, имеют после термообработки ТВЧ поверхностную твердость 40–50 единиц по Реквеллу. Внутренняя поверхность плит обработана и отшлифована с точностью, соответствующей 10 классу.
Между плитами с целью получения щели заданной раскрытости были расположены несмачиваемые прокладки размерами 5×7 под углом 120°. Толщина прокладки выбиралась в зависимости от величины требуемой раскрытости щели.
Для контроля распределения движения вдоль радиуса верхней плиты были проделаны по два отверстия под углом 120°. Радиусы окружностей, на которых расположены отверстия, равняются 34 и 57 мм. Кроме того, вблизи этих отверстий на расстояниях 43 мм от центра трещины было расположено еще по одному отверстию.
В процессе опытов создавались различные перепады давления на щелевой модели и при этом замерялись соответствующие объемные расходы жидкости Q. В качестве исследуемой жидкости использовалась высокосмолистая неньютоновская нефть с содержанием 72 % смолы (НГДУ «Ширваннефть»).
На основе экспериментальных данных определено критическое значение раскрытости щели hкр, т.е. установлено, что при h ≥ hкр изменения в реологических свойствах жидкости практически исчезают. Установлено, что при движении неньютоновской нефти в плоскорадиальной, так же как и плоскопараллельной трещинах, с увеличением раскрытости предельное напряжения сдвига и структурная вязкость нефти уменьшаются до определенного значения раскрытости трещины. При значениях раскрытости 180 мк при температуре 303 К как в первых, так и во вторых сериях опытов предельное напряжения сдвига не зависит от h и остается постоянным.
Таким образом, экспериментально установлено, что существует критическое значение величины раскрытости, ниже которого с проявлением граничного эффекта предельное напряжение сдвига увеличивается. На рис. 1 приводятся зависимости Q от ΔР, полученные в первой и второй серии опытов, при значениях раскрытости щели, равных соответственно 90 мкм (кривая 1,1′), 120 мкм (кривая 2.2′), 160 мкм (кривая 3.3′) и 180 мкм (кривая 4,4′). На рисунке кривые 1′, 2′, 3′ и 4′ соответствуют первой серии, а 1, 2, 3 и 4 − второй серии опытов при температуре 303К.
Рис. 1. Зависимость Q от ΔP при плоскорадиальном движении неньютоновской жидкости в тонких щелях при значениях раскрытости, мкм: 90 (кривые 1,1′), 120 (кривые 2,2′),160 (кривые 3,3′) и 180 (кривые 4,4′)
Как видно из рисунка, индикаторные линии, полученные в отборе (кривые 1, 2, 3 и 4) и закачек (кривые 1′, 2′, 3′ и 4′) существенно отличаются друг от друга при больших перепадах давления. Это объясняется влиянием инерционных сил, которые возникают в результате изменения величины скорости жидкости в радиальном направлении и направлении скорости жидкости при нагнетании и отборе.
Отметим, что при нагнетании в пласт заданного количества жидкости требуется значительно меньший перепад давления, чем при отборе из пласта того же количества жидкости.
Такое отличие объясняется возникновением местных сопротивлений и характером потока при нагнетании и отборе.
Для преодоления инерционных сопротивлений необходимо создать дополнительные перепады давления. Направление действия дополнительного перепада давления, возникшего в результате изменения величины скорости, будет зависеть от направления движения жидкости. При движении жидкости от забоя в пласт дополнительный перепад давления будет направляться в сторону приложенного перепада давления и при обратном движении в противоположную сторону.
Дополнительный перепад давления, необходимый для преодоления инерционного сопротивления и возникающий по причине изменения величины скорости жидкости в радиальном направлении, действует в одну сторону с приложенным перепадом давления в случае пробной закачки и в противоположную в случае пробной откачки.
При малых расходах сопротивления трению во много раз больше, чем инерционные сопротивления. Индикаторные кривые при малых расходах имеют одинаковый, а при больших расходах − существенно различный характер.
Обработка результатов экспериментального исследования плоскорадиального движения жидкости в тонких щелях представлены на рис. 2. Как видно из этого рисунка, индикаторные кривые выпрямляются в координатах ΔР/Q и Q. Это указывает на то, что зависимости дебита от перепада давления (h < hкр) носят квадратичный характер, и индикаторные кривые для этих исследований описываются следующими формулами:
в первой
(1)
и во второй серии опытов
(2)
где А – коэффициент гидравлического сопротивления, характеризующий трение; В1 и В2 – коэффициент гидравлического сопротивления, характеризующий соответственно молекулярные взаимодействия и инерционные силы.
Кривые зависимости для различных значений раскрытости щели, соответственно первая и вторая серии опытов, аппроксимированы следующими уравнениями:
Рис. 2. Зависимость ∆P/Q от Q при движении неньютоновской нефти в плоскорадиальной щели:1′‒4′ и 1‒4 соответственно при первой и во второй серии опытов
При h = 90 мкм
y = –3E + 21x + 9E + 13; (3)
y = –5E + 21x + 1E + 14. (4)
При h = 120 мкм
y = –3E + 21x + 7E + 13; (5)
y = –5E + 21x + 1E + 14. (6)
При h = 160 мкм
y = –2E + 19x + 5E + 12; (7)
y = –8E + 19x + 8E + 12. (8)
При h = 180 мкм
y = –3E + 18x + 1E + 12; (9)
y = –2E + 18x + 1E + 12. (10)
Как видно из этих уравнений, коэффициенты А, В1 и В2, полученные при нагнетании и отборе, разные.
Экспериментальные данные были обработаны также согласно формулам, предложенным в работе [1]. В качестве примера на рис. 2. представлены зависимости ΔР/Q от Q, построенные по результатам расчетов при значениях раскрытости щели 160 мкм (кривые 5,5′). Отметим, что отличия кривых 5 и 5′ от экспериментальных 3 и 3′ связаны с тем, что в данных теоретических формулах не учтены силы для преодоления инерционного сопротивления, возникшие при изменении направления скорости жидкости.
Индикаторные линии также снимались в двух отверстиях, просверленных вдоль радиуса под углом 120° верхней плиты щелевой модели.
Результаты опытов в дальнейшем обрабатывались в координатах γ – τ, где γ – средний градиент скорости; τ – касательное напряжение сдвига.
В качестве примера на рис. 3 приведены зависимости γ от τ при движении неньютоновской нефти в трещине с раскрытостью h = 90 мкм, полученные при второй серии опыта.
Как видно из рис. 3, значения этих параметров, определенных в центре (прямая 0), в первом (прямая 1) и втором (прямая 2) отверстиях, расположенных вдоль радиуса радиальных щелей, существенно отличаются друг от друга при всех значениях скоростей сдвига, т.е. не укладываются в одну общую прямую.
Рис. 3. Зависимость γ от τ при движении неньютоновской нефти в трещине с раскрытости h = 90мкм:кривые 0, 1 и 2 ‒ соответственных определенных этих зависимости в центре, в первой и второй отверстиях верхней плиты щелевой модели при второй серии опыта
Это объясняется возникновением инерционного сопротивления в результате сужения потока при движении жидкости в радиальном направлении от контра к центру. Таким образом, исследования показывают, что инерционные сопротивления при движении жидкости в трещиноватой среде могут быть большими. Они в основном должны возникать вблизи скважины. На основе результатов экспериментальных исследований можно придти к выводу, что при разработке месторождений с трещинными коллекторами большой запас нефти может остаться в неподвижном состоянии, если не учесть особенностей движения их в тонких щелях.
Отметим, что влияние инерционного сопротивления на форму индикаторных кривых при плоскорадиальном движении неньютоновской жидкости в трещине особенно характерно при h < hкр.
В зависимости от значения коэффициентов В1 – В2 индикаторные кривые могут иметь различные формы при нагнетании: прямолинейные при В1–В2 = 0; вогнутые к оси перепада давления при В1 ‒ В2 > 0 и к оси расхода при В1 ‒ В2 < 0 [1, 4]. Результаты обработки индикаторных кривых в этих координатах, полученных при движении ньютоновских жидкости в радиальной микротрещине, в первой и второй серии опытов все перечисленные случаи имеют место в работе [4]. Однако при движении неньютоновской жидкости в отличие от ньютоновской жидкости во всех значениях раскрытости трещины значения коэффициентов при первой и во второй сериях опытов получены В1 ‒ В2 < 0. Это, по-видимому, связано с реологическими константами неньютоновских свойств высоковязких жидкостей.
Это указывает на то, что силы, характеризующие молекулярное взаимодействие при всех случаях превосходят силы инерции.
Таким образом, по результатам сопоставления значений коэффициентов А, В1 и В2 найденным при пробной закачке и откачке, а также по знаку величины В1 ‒ В2, полученной при пробной закачке, можно получить информацию о состоянии призабойной зоны скважин и пластов.
Выводы
1. На основе полученных экспериментальных зависимостей качественно оценен характер индикаторных кривых при различных значениях раскрытости трещин.
2. Полученные результаты дают возможность правильно выбирать параметры и направления нагнетания при заводнении продуктивных пластов, состоящих из трещиноватых пород.
3. На основе результатов исследования при пробной закачке и откачке косвенно можно судить о состоянии призабойной зоны, что имеет большое значение для повышения успешности различных методов воздействия на призабойную зону скважины.
Рецензенты:
Мамедзаде А.М., д.т.н., профессор кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений» АГНА, г. Баку;
Гасымлы А.М., д.т.н., ведущий научный сотрудник, НИПИ «Нефть и газ» ГНКАР, г. Баку.
Работа поступила в редакцию 19.11.2012.