Вытеснение нефти водой из пористой среды
Широкое распространение методов заводнения сделало вытеснение нефти водой из пластов основным процессом разработки нефтяных месторождений. Несмотря на кажущуюся простоту этого процесса, его количественное описание вызывает определенные трудности, связанные с необходимостью учета реальных свойств пластов.
Поршневое вытеснение. Согласно этой схеме вытеснение нефти водой из пористой среды представляется происходящим наподобие тому, как вода, подаваемая снизу в вертикально поставленную трубу, замещает находившуюся там ранее более легкую жидкость. Опытные данные по разработке нефтяных месторождений показали, что вытеснение нефти водой даже из однородных пористых сред является неполным. Тем более неполным оказывается вытеснение нефти водой из реальных неоднородных пластов.
Исследования процесса вытеснения нефти водой показали, что при этом процессе нефть и вода движутся в пористой среде совместно. Дже в неоднородной среде не существует четкого разграничения областей движения нефти и воды, имеется как подвижная вода, так и подвижная нефть в определенной части заводненной области.
При изучении совместного движения воды и нефти, нужно знать закон совместного движения – закон фильтрации неоднородных жидкостей. В этом случае выполняется основное положение Дарси о линейной связи скорости фильтрации и градиента давления. При наличии в пористой среде двух несмешивающихся жидкостей «фаз» на скорость фильтрации оказывают влияние не только градиент давления, абсолютная проницаемость и вязкость жидкости, но и величина насыщенности пористой среды одной из движущихся фаз. При наличии в пористой среде не смешивающихся жидкостей, давления в различных жидкостях также различны и под градиентом давления следует понимать градиент давления в соответствующей жидкости.
По одной из схем процесса фильтрации двух несмешивающихся жидкостей, давление в фазах предполагается одинаковым, а проницаемость различной. Согласно этой схеме скорости фильтрации каждой жидкости пропорциональны соответствующим коэффициентам фазовых проницаемостей и обратно пропорциональны их вязкостям.
Фазовые проницаемости считаются зависящими от водонасыщенности пористой среды s. Поскольку в порах содержатся только две фазы, насыщенность пор нефтью равна 1–s.
Удобнее пользоваться понятием относительных проницаемостей, равных отношению соответствующих фазовых проницаемостей к абсолютной проницаемости k. На рисунке 2.2 показаны зависимости относительных проницаемостей от водонасыщенности.
Рис. 2.2. Относительные проницаемости нефти kн и воды kв
На распределение фаз в пористой среде влияют капиллярные силы и градиенты давления жидкости, причем таким образом, что изменение насыщенности пористой среды не вызывает пропорционального изменения фазовой проницаемости.
Если скорости фильтрации и градиенты давления малы по сравнению с капиллярными силами, то фазы в пористой среде распределяются согласно принципу минимума поверхностной энергии системы пористая среда-нефть-вода. Если же скорости фильтрации сравнительно велики, то на распределение фаз в пористой среде влияет параметр поверхностного натяжения и градиент давления.
Следует обратить внимание, что при малой водонасыщенности, вода не передвигается, относительная проницаемость для неё нулевая, движется только нефть. При большой водонасыщенности движется только вода, а нефть неподвижна. Это объяснить тем, что скорость движения воды в области с большей водонасыщенностью намного выше скорости движения воды в области с меньшей водонасыщенностью. Поэтому получается, что в некоторой точке пласта должны существовать как бы две скорости движения воды, одна из которых намного больше другой, что невозможно. В результате вода, поступающая из заводненной области, накапливается, перед незаводненной областью, т. е. образуется скачок водонасыщенности, который распространяется с определенной скоростью.
Рассмотренная схема, учитывая различные фазовые проницаемости для нефти и воды, зависящие определенным образом от капиллярных сил, не позволяет описать такие процессы фильтрации несмешивающихся жидкостей, когда само движение жидкостей обусловливается действием капиллярных сил. Позволяет это сделать другая схема. Согласно этой схеме, в закон движения фаз вводятся два давления – давление в нефти рци давление в воде ру. Принимается, что порода является гидрофильной и разность между давлением в нефти и воде равна капиллярному давлению.
Без представления о капиллярном давлении нельзя объяснить явления противоточной капиллярной пропитки, наблюдающегося в породах-коллекторах нефти. Если образец гидрофильной пористой среды (рис.11.3), первоначально насыщенный нефтью, поместить в воду, то заключенная в его порах нефть начнет замещаться водой. Нефть будет выходить из образца, всплывая на поверхность воды.
Кроме противоточной капиллярной пропитки, может происходить также прямоточная пропитка, когда насыщенный нефтью образец пористой гидрофильной среды впитывает воду с одного конца, а нефть выходит из образца с другого конца.
Рис. 11.3. Противоточная капиллярная пропитка