§71. Роль капиллярных процессов, происходящих на водонефтяном контакте при вытеснении нефти водой из однородных и неоднородных пористых сред

Многочисленные лабораторные исследования показывают, что разница в величине нефтеотдачи одной и той же породы при вытеснении нефти водами различного состава с большим диапазоном скоростей продвижения водонефтяного контакта изменяется в 'пре­делах от 0 до 10—15%, а иногда и больше. Ранее были приведены общие причины весьма низкой нефтеотдачи естественных коллекто­ров. Но как объяснить упомянутую разницу в величине нефтеот­дачи одной и той же породы при вытеснении из нее нефти различными по свойствам водами и почему условия вытеснения (например, ско­рость продвижения водонефтяного контакта) оказывают влияние на количество вытесняемой нефти из породы? Какие воды при каких условиях вытеснения и почему обладают лучшими нефтевытесняющими свойствами? Выяснить это чрезвычайно важно — при этом открылись бы научно обоснованные пути весьма значительного по­вышения нефтеотдачи пластов за счет правильного подбора вод и выбора режима их нагнетания.

Некоторые исследователи считают, что разница в величине неф­теотдачи при вытеснении нефти из одной и той же породы водами различного состава возникает вследствие неодинакового характера течения и интенсивности капиллярных процессов в зоне водонефтя­ного контакта [31, 38, 39, 50, 51].

Поровое пространство нефтесодержащих пород представляет со­бой огромное скопление капиллярных каналов, в которых движутся несмешивающиеся жидкости, образующие мениски на разделах фаз. Поэтому капиллярные силы принимают многостороннее уча­стие в процессах вытеснения нефти. В области водонефтяного кон­такта давление, развиваемое менисками, способствует возникнове­нию сложных процессов капиллярного пропитывания и перераспре­деления жидкостей, если среда гидрофильна.

Как мы уже видели, позади водонефтяного контакта мениски создают многочисленные эффекты Жамена и препятствуют вытесне­нию нефти. Механизм проявления капиллярных сил в этой области был рассмотрен в главе V.

В области водонефтяного контакта капиллярные силы проявляют себя сложным образом. Поскольку поровое пространство пород сложено порами различного размера, капиллярное давление, разви­ваемое менисками в капиллярах малого сечения, больше, чем и по­рах большого размера. Это обстоятельство способствует возникнове­нию в гидрофильных средах процессов проникновения воды в неф­тяную часть пласта не только под действием внешнего перепада давления, но и под действием капиллярных сил. Природа и значе­ние этого явления недостаточно исследованы. Поэтому необходимо прежде всего выяснить, способствуют или препятствуют капилляр­ные явления, происходящие на водонефтяном контакте, вытеснению нефти из пластов. Решение этой задачи даже в такой простой форме позволяет определить, как будет изменяться нефтеотдача в зави­симости от многочисленных факторов, влияющих на ее величину.

Действительно, допустим, что процессы пропитывания нефтенасыщенных пород водой и перераспределение жидкостей в пори­стых средах под действием капиллярных сил на водонефтяном кон­такте, а также всякие другие проявления капиллярного давления приводят в конечном счете к уменьшению нефтеотдачи пластов при вытеснении нефти водой.

Вместе с тем известно, что величина, 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 представляет 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-химии вытеснения нефти из пористых сред. Следовательно, если процессы капиллярного пропитывания и перераспределения жидкостей на водонефтяном контакте отрицательно влияют на нефтеотдачу пластов, то лучший результат может быть достигнут при вытеснении нефти водами, развивающими на контакте с нефтью низ­кое капиллярное давление, т. е. водами, обладающими значением σ·соs θ (натяжение смачивания), приближающимся к нулю. Следо­вательно, если это предположение справедливо, то лучшая нефте­отдача может быть достигнута при вытеснении из гидрофильных пород водами, обладающими 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.

В гидрофобных пластах, где мениски в каналах противодействуют вытеснению нефти водой, капиллярные силы вредны, так как нефтеот­дача пластов уменьшается, и поэтому лучший результат может быть получен при вытеснении нефти водой с низкими значениями меж­фазного натяжения при повышенных градиентах давлений.

Значительно труднее определить роль капиллярных сил и ме­ханизм их проявления в гидрофильных породах (опыты по капиллярному пропитыванию водой естественных кернов, заполненных нефтью, показывают, что большинство природных коллекторов нефти и той или иной степени избирательно лучше смачивается водой). В последнее время различные исследователи пришли к выводу, что роль капиллярных процессов на водонефтяном контакте про­является по-разному в зависимости от геометрии потока и строения пород.

Из результатов опытов многих исследователей, проводивших эксперименты с гидрофильными пористыми средами, следует, что капиллярные силы в определенных условиях могут благоприят­ствовать вытеснению нефти водой из однородных пластов.

Например, нефтеотдача однородных пористых сред при малой скорости вытеснения нефти водой, т. е. когда капиллярное давление имеет положительный знак и относительно велико, оказывается значительно больше, чем при повышенной скорости вытеснения. При этом предполагается, что капиллярные силы способствуют вытеснению нефти из капилляров малого сечения в капилляры боль­шого сечения, увеличивая нефтеотдачу. Значительное увеличение скорости вытеснения нефти водой сопровождается уменьшением интенсивности проявления капиллярных сил вследствие гистерезисных явлений и падением нефтеотдачи. Чтобы представить себе более ясно этот процесс, рассмотрим схему вытеснения нефти во­дой из элементов однородной гидрофильной пористой среды.

Простейшим элементом микронеоднородной пористой среды мо­гут служить сдвоенные поры (рис. 98), состоящие из двух соеди­ненных капилляров малого и большого диаметра. Поровое простран­ство однородных по проницаемости нефтяных пластов как бы состоит из большого числа таких простейших элементов, связанных между собой. Поэтому упрощенно механизм проявления капиллярных сил может быть рассмотрен на простейшем элементе микронеоднородной пористой среды.

Из рис. 98 следует, что «безводная» нефтеотдача при вытеснении нефти из малого и большого капилляров будет определяться коли­чеством вытесненной нефти из обоих капилляров к моменту прорыва воды в область В. В обоих капиллярах мениски будут двигаться с разной скоростью, так как капиллярные силы и силы вязкого со­противления в них не одинаковы. К моменту прорыва воды в область В в капилляре малого сечения останется некоторое количество обой­денной водой нефти. При движении воды дальше аналогичные явле­ния будут происходить во всех элементах пористой среды.

Пусть расход жидкости через рассматриваемый элемент равен q, а q₁ и q₂ — соответственно расходы жидкости через малый и большой капилляры. Потери напора в капиллярах на преодоление сил вяз­кого трения согласно закону Пуазейля соответственно будут равны

, (7.2)

, (7.3)

где r₁ и r₂ — средние радиусы малого и большого капилляров; μ— динамическая вязкость нефти и воды (принята одинаковой); L — длина капилляров.

Скорость движения менисков в обоих капиллярах будет зависеть также от давления, развиваемого менисками:

и (7.4)

где σ— межфазное натяжение и θ— угол избирательного смачи­вания стенок капилляров водой (приближенно примем, что θ в обоих капиллярах одинаковы).

Перепад давления в обоих капиллярах будет равен алгебраиче­ской сумме капиллярного давления и потерь напора на преодоление сил вязкого трения в каждом из них. И так как каналы соединены друг с другом в области А (а также и в области В), в обоих капилля­рах будет одинаковое давление и для потерь напора в них будет спра­ведливо соотношение

, (7.5)

Учитывая, что q=q₁+q₂ и используя уравнения (7. 2)—(7.5), можно определить расходы жидкости через каждый капилляр:

, (7.6)

, (7.7)

Однако нас интересуют не расходы жидкости, а механизм влияния капиллярных сил и других факторов на величину нефтеотдачи пла­ста. Поскольку количество жидкости, остающейся в капилляре малого сечения в момент прорыва воды в область В по каналу с боль­шим диаметром, зависит от соотношения скоростей перемещения раз­дела нефть — вода, «нефтеотдача» за безводный период этого эле­мента пласта будет также определяться соотношением скоростей движения менисков

, (7.9)

Разделив уравнения (7. 6) и (7. 7) на площадь сечения капилля­ров я r₁ и π r₂, после преобразований и упрощений получим

, (7.8)

Несмотря на ряд приближений и условностей, допускаемых при выводе уравнения (7. 8), оно может быть использовано для изучения зависимости «нефтеотдачи» простейшего элемента, а в конечном счете и однородного пласта от капиллярных сил и других факторов. Допустим, что угол смачивания равен 90° и величиной капиллярного давления можно пренебречь. Тогда уравнение (7. 8) будет иметь вид:

, (7.9)

т. е. соотношения скоростей движения менисков будут пропорцио­нальны квадратам радиусов и, следовательно, к моменту прорыва воды по каналу крупного сечения в капилляре с малым диаметром остается большое количество нефти (рис. 98, а). Так будет происхо­дить во всех аналогичных элементах пористой среды, и безводная нефтеотдача будет малой. То же будет, если пренебречь величиной капиллярного давления вследствие высокой вязкости нефти.

Когда же капиллярные силы по сравнению с силами, затрачен­ными на преодоление вязкого трения, велики, как это часто свойственно гидрофильным естественным пластам, скорость потока может оказаться больше в капиллярах малого сечения.

Для иллюстрации рассмотрим пример. Пусть r₁ = 1 мкм, r₂= 2 мкм, L = 5 мкм, σ = 30 мн/м, соз θ = 1 и μ = 1 мн • сек/м². Расчеты по приведенным уравнениям показывают, что при этих условиях при расходах q, меньших 1,6 • 10^-5 см³/сек, поток под действием капиллярных сил будет иметь большую скорость в кана­лах малого сечения. Аналогичные расчеты, проведенные для других условий, также показывают, что чаще всего в гидрофильных пори­стых средах вода проходит в капилляры малого сечения быстрее, чем в каналы более крупного размера (рис. 98, б).

Таким образом, капилляр­ные силы — весьма важный элемент механизма вытеснения нефти водой. Теория капилляр­ных явлений позволяет обосно­вать влияние скорости вытесне­ния, поверхностного натяже­ния, вязкости, угла смачивания и других свойств пород на нефтеотдачу пористых сред (об этом см. гл. VIII).

Все сказанное о роли капил­лярных процессов относится к однородным пористым средам. Разнообразие неоднородности строения и физических свойств ес­тественных пластов очень большое. Поэтому представляют интерес исследования роли капиллярных процессов при вытеснении нефти водой из неоднородных коллекторов.

Лабораторные исследования показывают, что если «пласт» сложен однородными пропластками различной проницаемости, то и капил­лярные процессы пропитывания также способствуют увеличению нефтеотдачи пластов в безводный период. Фронт воды (рис. 99) быстрее продвигается по более проницаемому пласту 2. При этом вода под действием капиллярных сил и вертикального градиента давлений проникает в малопроницаемый пласт, вытесняя часть нефти из него, что способствует увеличению нефтеотдачи пласта по край­ней мере в безводный период.

В последнее время вывод о благоприятном влиянии капилляр­ных процессов перераспределения жидкостей в зоне контакта нефти и воды на величину нефтеотдачи пласта подвергается серьезной, критике, так как он не согласуется с практикой эксплуатации неф­тяных месторождений. Известно, например, что залежи, содержа­щие щелочные воды с низким поверхностным натяжением на границе-с нефтью (т. е. когда капиллярное пропитывание и перераспределение и значительной степени ослаблены), характеризуются высокими коэффициентами нефтеотдачи. Все большее количество фактов подтверждает, что 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, которые значительно изме­няют 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 по площади залегания и по вертикали одно­временно. В результате местной неоднородности пород возникает неровный («рваный») водонефтяной контакт и появляются в различ­ные моменты времени зоны и небольшие участки, обойденные фрон­том воды. В этих условиях в пограничных областях охваченных водой участков происходит интенсивное образование водонефтяных смесей 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 опыты, при погружении нефтенасыщенных образцов в воду из них вытесняется не более 30—40% (редко 50% и больше) нефти даже при очень длительном пребыва­нии их в воде. 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.

Следует отметить, что при заводнении трещинных коллекторов иногда вода легко прорывается по трещинам в эксплуатационные скважины и при этом не создается достаточного перепада давления на блоках, необходимого для вытеснения из них нефти. Некоторое количество ее может быть вытеснено из малопроницаемых блоков в окружающие трещины, если использовать способность вод, раз­вивающих высокое капиллярное давление, проникать в пористую нефтесодержащую среду под действием капиллярных сил.

Использование приведенной схемы зависимости нефтеотдачи от капиллярных явлений позволяет определить пути увеличения неф­теотдачи неоднородных пластов. Из этой схемы, в частности, следует, что для заводнения залежей, например, при их разрезании необхо­димо использовать воды с низким значением натяжения смачивания σ·соз θ.

Исходя из учета роли капиллярных процессов в пористой среде, аналогично можно определить зависимость нефтеотдачи от многих других пластовых факторов, таких, как количество и состав оста­точной воды, физические свойства нефти и пластовых вод, режим вытеснения нефти водой и т. д. Для этого необходимо прежде всего определить, как анализируемое свойство пласта, жидкостей или всей системы влияет на интенсивность и направление действия капиллярных сил.

Весьма большая роль капиллярных процессов при вытеснении нефти водой не означает, что теорией капиллярности можно объяс­нить все многообразие явлений, происходящих в пористой среде при движении нефти и воды. Теорию капиллярности следует рас­сматривать как стержень, который позволяет внести некоторую стройность в физико-химические основы вытеснения нефти водой из пористых сред путем объединения через капиллярные процессы всех факторов, одновременно влияющих на нефтеотдачу и на интен­сивность проявления капиллярных сил. Механизм вытеснения нефти из пласта очень сложен, и только капиллярными процессами пропитки всесторонне он не может быть объяснен. Другие капиллярные явления, происходящие в пористой среде, также имеют большое значение. Изучая механизм нефтеотдачи, некоторые исследователи пришли к вы­воду, что вытеснение нефти водой сопровождается диспергированием нефти в поровом пространстве и что это явление в значительной степени определяет показатели процесса вытеснения и его кине­тику [30].