Экспериментальные исследования фильтрационных процессов и релаксационных явлений

В НЕФТЕВОДОНАСЫЩЕННЫХ

КОЛЛЕКТОРАХ ПРИ ВИБРОВОЛНОВОМ

ВОЗДЕЙСТВИИ

Недостаточная обоснованность режимов обработок сква­жин с использованием воздействия упругими колебаниями обусловливает значительный интерес к экспериментальным исследованиям закономерностей влияния упругих волн на фильтрационные процессы и другие явления, имеющие место в продуктивных пластах при волновом воздействии и связан­ные как с энергетическими и частотными параметрами самих колебаний или импульсов, так и с особенностями структуры и поверхности пористой среды, свойствами насыщающих флюидов и кольматантов, а также термодинамическими усло­виями.

В гл. 3 приведены результаты лабораторных исследований фильтрационных процессов фазового вытеснения и декольма-тации под воздействием низкочастотных упругих колебаний с использованием искусственных пористых сред и естественно­го кернового материала.

3.1. ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ В ПОЛЕ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ

Основная часть описанных в литературе эксперименталь­ных исследований, касающихся изучения влияния упругих ко­лебаний на насыщенные пористые среды, посвящена модели­рованию ультразвуковых полей в образцах искусственных или реальных сред [8, 31, 40, 44, 54, 57, 76, 86, 92, 94, 109, 112, 113,140,146,163,187].

Влияние же колебаний низкочастотного диапазона (1-1000 Гц) исследовано слабо, несмотря на предпочтительность по­добного воздействия на ПЗП и пласт, обеспечивающего суще­ственно большую глубину распространения колебательной энергии и проявление новых, представляющих практический интерес, эффектов.

Для экспериментального лабораторного исследования по­добных эффектов необходимо достаточно полно имитировать пластовые условия колебательного воздействия, что является гораздо более сложной задачей для низкочастотных полей, когда длины волн в средах сопоставимы или превышают раз­меры лабораторных установок. Например, для воссоздания условий, соответствующих условиям ПЗП, в лабораторных моделях необходимо имитировать условия свободного акусти­ческого поля. Определенные трудности представляет вопрос качественного измерения параметров низкочастотного колеба­тельного поля.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ ОБРАЗЦОВ

ПОРИСТОЙ СРЕДЫ

Для исследования процессов фильтрации жидкостей в мо­делях пласта при воздействии упругими низкочастотными ко­лебаниями была разработана специальная лабораторная уста­новка.

В качестве модели пласта использовали специальные про­зрачные пластинчатые пористые среды, позволяющие осущест­влять визуальное наблюдение и фото- или видеофиксацию фильтрационных процессов. Данная модель (рис. 3.1.1) пред­ставляет собой пластины из прозрачного оргстекла, узкая щель между которыми заполнена мелкозернистым песком. Песок сцементирован клеем во избежание переупаковки песчинок под влиянием фильтрации и упругих волн.

Для изучения фильтрационных процессов были изготовле­ны по специальной методике модели пласта с различными проницаемостями от 0,09 до 0,4 мкм². Пористые среды моде­лей имели следующие размеры: длину 0,2 м, ширину 0,02 м и толщину 0,5-1,0 мм.

A-A

Рис. 3.1.1. Схема кернодержателя с пластинчатой моделью пласта:

1 — крышка задняя; 2 — кожух; 3 — кассета с пористой средой; 4,8 — герметик; 5 — крышка передняя; 6 — компенсационная про­кладка; 7 — корпус; 9 — пружина; 10 — сферический пьезодатчик

Разработанная методика формирования пластинчатых об­разцов позволяет моделировать помимо однородных также неоднородные пористые среды. Были изготовлены мо-дели с сформированным в них участком, проницаемость которого заметно (в 2-3 раза) отличалась от основной. Проницаемость основной пористой среды 0,3 мкм², длина неоднородного уча­стка 5 см, ширина 1 см.

В дальнейших исследованиях в целях более адекватного мо­делирования реальных скважинных условий основной элемент установки - модель пористой среды видоизменяли: применяли специальные кернодержатели для цилиндрических образцов пористых сред (искусственных и вырезанных из кернов пород-коллекторов различных месторождений).

Основным элементом установки (рис. 3.1.2) является кер-нодержатель с пластинчатой моделью пласта 4 и излучателем упругих колебаний 6. Кернодержатель через систему пластин 3 жестко закреплен на уходящем в грунт бетонном фундамен­те 1. Фундамент 1 вместе с пластинами согласования волно­вых сопротивлений 3 служит для отвода энергии упругих ко­лебаний и имитации свободного акустического поля в модели пласта. С помощью размещенных в модели и фундаменте дат­чиков 2 осуществляются замеры интенсивности проходящей акустической волны. Один из датчиков также размещен на торце излучателя б. Жидкость подается в пористую среду с помощью плунжерного насоса постоянного расхода 17 с ис­пользованием разделительной колонки-мерника 14, а выходя­щая из модели жидкость собирается в буферном мернике 11, подключенном к баллону 10 для создания статического давле­ния в пористой среде, которое имитирует давление в пласте. Колонка 22 служит для создания гидравлической поддержки (обжима) кассеты с пористой средой. Перепад давления изме­ряется с помощью дифференциального манометра 15 типа "Сапфир-22Д", сигнал с которого записывается на самописце 16 типа КСУ-2. Для фиксирования визуальных картин служит фото- или видеокамера, установленная на подвижной линейке. Для питания излучателя служит звуковой генератор 8 с высо­ковольтным усилителем мощности 7. Частота колебаний фик­сируется по шкале звукового генератора или более точно час­тотомером 9. Термостатирующий диск 5 с термостатом служат для предохранения щелевидной модели от нагрева излучате­лем.

r\ X—i

-

-

18

Рис. 3.1.2. Схема установки с пластинчатой моделью пласта:

I — грунтовой акустический волновод-поглотитель; 2 — датчики упругих колебаний; 3 — пластины согласования волновых сопротивле­
ний; 4 — кернодержатель с пластинчатой моделью пласта; 5 — диск термостатирующий; 6 — излучатель упругих колебаний; 7 — высоко­
вольтный усилитель; 8 — генератор электрических сигналов; 9 — частотомер; 10 — баллон с газом для создания статического давления;

II —мерник; 12 — термостат; 13 — манифольд; 14 — разделительная колонка (вода — масло); 15 — дифференциальный манометр; 16 —
самописец; 17 — плунжерный насос постоянного расхода; 18 — информационно-измерительная система; 19 — вентилятор; 20 —
фотокамера; 21 — фильтр; 22 — колонка гидростатической поддержки; 23 —

вибродатчик

Для генерации амплитудных упругих колебаний с возмож­ностью вариации в широком спектре низких частот был разра­ботан специальный излучатель на основе пьезокерамических дисков из керамики ЦТС-19 диаметром 40 мм и толщиной 11 мм. Излучатель выполнен в виде пакета дисков.

Схема пьезокерамического излучателя-преобразователя электрической энергии в энергию упругих колебаний пред­ставлена на рис. 3.1.3. Преобразователь состоит из пакета пье­зокерамических пластин 3, излучающей накладки 1 (крышка кернодержателя) и тыльной накладки 5. Пьезокерамические пластины склеиваются электропроводящим клеем. Электроды пластин соединены параллельно монтажными проводами 4 и подключены к разъему 9. Накладки также приклеиваются к торцам пакета. Для увеличения прочности на растяжение сек­ционированных активных элементов при использовании про­дольного пьезоэффекта в них предварительно создаются сжи­мающие напряжения. Чтобы поддержать эти напряжения в те­чение всего срока эксплуатации, активные элементы армиру­ются. Пьезокерамический пакет стягивается через диск 7 с уп­ругим элементом 6 шпильками 2 и гайками 8. Подобное вы­полнение пьезокерамического излучателя позволяет существен-

3 4 5 6

12 13

Рис. 3.1.3. Схема пьезокерамического излучателя-преобразователя элек­трической энергии в энергию упругих колебаний

но увеличить мощность, излучаемую на низких частотах воз­буждения, несмотря на то что пик акустического излучения отдельно взятого активного пьезоэлемента приходится на ре­зонансную частоту порядка 100 кГц. Добавочное увеличение излучаемой низкочастотной мощности достигается возбужде­нием в активных элементах последовательного электрического низкочастотного резонанса. Задающий низкочастотный сигнал от звукового генератора 13 (ГЗ-33) через усилитель 12 (100У-101 или ТУ-600) поступает на низкочастотный трансформатор 11 и далее через ряд последовательно подключенных дроссе­лей 10 - на разъем 9 преобразователя. Подбором дросселей возбуждается последовательный электрический резонанс и поднимается на два порядка излучаемая на низких частотах мощность, что контролируется с помощью вольтметров и мил­лиамперметра.

Вся лабораторная установка была размещена в специальном термостатируемом шкафу, где температура воздуха поддержи­вается постоянной (рис. 3.1.4).

С целью достоверного воспроизведения особенностей ис­следуемых процессов при получении большого объема ин­формации с различных участков установки использована ин­формационно-измерительная система К200. Схема автомати­зации сбора информации на лабораторной установке показана на рис. 3.1.5.

Информационно-измерительная система К200 может вы­полнять опрос одновременно 100 различных источников ин­формации. Система может работать в одном из трех режимов: непрерывном, циклически непрерывном и адресном, что по­зволяет в любой момент получать всю информацию о текущем процессе.

Основными измеряемыми параметрами, характеризующими
условия возбуждения упругих колебаний и распределение ко­
лебательного поля в различных точках лабораторной модели,
являются частота, интенсивность, колебательное смещение и
виброскорость. Эти параметры в разработанной установке из­
меряли с помощью ряда сферических пьезодатчиков диамет­
ром 5 мм, которые при их установке в различные точки моде­
ли не искажают текущие фильтрационные процессы и картину
колебательного поля. Кроме того, важное достоинство их и в
том, что они не

Рис 3.1.4. Установка для исследования фильтрационных явлений на плас­тинчатой модели пласта в поле упругих колебаний

обладают направленностью, а в диапазоне частот ниже основ­ного резонанса имеют линейную характеристику чувствитель­ности от частоты. Микродатчик выполняется в виде зонда. Это позволяет легко размещать его в заданном месте и обеспечи­вать герметизацию места ввода. На одном конце тонкой труб­ки из нержавеющей стали припаивается сферический микро-пьезоэлемент, а на другом - миниатюрный разъем СРГ50-263Ф со сточенным выступом. Для возможности осуществле­ния измерений в условиях высокого внешнего давления внут-

Uf-

>'

>'

77

____ J

Рис З.1.5. Схема автоматизации сбора информации при проведении исследо­ваний на лабораторной установке:

1 — вибродатчик ДН-4; 2 — измеритель шума и вибрации ВШВ-003; 3 — пьезоэлектри­ческие датчики; 4 — вольтметр ВЗ-56; 5 — тензодатчик давления; 6 — усилитель селек­тивный У2-8; 7 — дифманометр тензометрический "Сапфир-22Д"; 8 — система тензо-метрическая СИИТ-3; 9 - блок питания 22БП-36; 10 - самописец КСУ-2; 11 — мерник ультразвуковой; 12 — информационно-измерительная

система К200; 13 - принтер ЭЦМ-23

ренняя полость пьезоэлемента заполняется твердеющим мате­риалом, например эпоксидной смолой или сплавом Вуда.

Градуировка одного из таких зондов-датчиков была произ­ведена в Институте метрологии (ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева (г. Санкт-Петербург). Его чувствительность составила 17,4 мкВ/Па при линейности характеристики в широком диапазоне низких частот. В дальнейшем новые датчики градуировались методом сравнения по чувствительности с эталонным.

Микродатчики устанавливаются на входе в пористую среду, внутри нее, на выходе из нее и в фундаменте- поглотителе, а затем подключаются к измерительным приборам ВЗ-56 и У2-8. Виброскорость измеряется акселерометром ДН-4, подключен­ным к измерительному прибору ВШВ-003.

Гидродинамическими измеряемыми параметрами являются давление на входе в пористую среду и выходе из нее, перепад давления в пористой среде. Перепады давления замеряются дифференциальным манометром типа "Сапфир-22Д". Кроме

того, перепад давления оценивается специально разработан­ным датчиком, построенным на основе тензодатчиков давле­ния с жесткой мембраной, который позволяет осуществлять исследования при повышенных перепадах давления и имеет существенно меньшую инерционность реагирования на изме­нение перепада давления по сравнению с дифманометром "Сапфир-22Д" с гофрированной мембраной. Параметры дав­ления контролируются тензодатчиками Д16, подключенными к измерительной тензометрической системе СИИТ-3.

Для подсветки пористой среды при визуальном наблюдении и фотографировании исследуемых фильтрационных процессов используется осветитель типа ОВС-1 с двумя гибкими воло­конными световодами, позволяющими просвечивать пластин­чатые модели пористой среды значительной толщины.

Вся информация с вышеописанных приборов обрабатыва­ется системой К200 и через установленные промежутки вре­мени выводится в память компьютера или на принтер.

Однофазная фильтрация

На лабораторной установке с пластинчатой моделью пласта воспроизводили однофазную фильтрацию различных жидко­стей, а также фильтрацию фазы одной жидкости в пористой среде с малым содержанием защемленной остаточной фазы другой жидкости.

В качестве флюидов использовали дистиллированную во­ду и модели нефти из чистого керосина, из смесей керосина с вазелиновым маслом или нефтью Югомашевского мес­торождения АНК "Башнефть". Керосин очищали фильтраци­ей через силикагель и активированный сульфоуголь.

Насыщение пористой среды остаточной малой фазой осу­ществлялось вытеснением одной фазы другой из модели пла­ста в течение длительного времени до полного прекращения появления вытесняемой фазы на выходе из пористой среды.

Моделировали фильтрацию жидкостей при постоянном расходе в условиях отсутствия вибрации и при наложении по­ля упругих колебаний с различными амплитудно-частотными характеристиками. Частота упругих колебаний изменялась в диапазоне 5 0-10⁴ Гц, интенсивность колебательного поля - от 1 до 500 Вт/м².

Через пористую среду задавали постоянный расход фильт­руемой жидкости. После установления постоянного перепада давления по длине модели включали воздействие упругими колебаниями различной частоты и интенсивности. Изменения

характера фильтрационного процесса при этом отслеживались по показателям опытов - по перепаду давления на модели пла­ста, а также по появлению следов малой фазы на выходе из модели.

Результаты исследований показали, что наложение упругих колебаний используемого диапазона изменения их амплитуд­но-частотных характеристик не оказывает влияния на фильт­рацию воды или моделей нефти по пористой среде при отсут­ствии в ней следов противоположной остаточной фазы. Об этом свидетельствует постоянство перепада давления в тече­ние продолжительного времени всех режимных наблюдений фильтрации.

При наличии в пористой среде остаточной защемленной фазы включение упругих колебаний вызывало заметные изме­нения наблюдаемых показателей опытов, что свидетельствует о происходивших изменениях характера фильтрационного процесса.

На рис. 3.1.6 показаны изменения перепада давления Ар, возникающие под действием упругих колебаний при фильтра­ции объемов воды V/V_nop в пористой среде с остаточной неф-тенасыщенностью.

Пористую среду насыщали нефтью вязкостью 4,2 мПа-с, после чего производилось вытеснение нефти водой до полного прекращения регистрации следов нефти на выходе из модели пласта и стабилизации перепада давления между входом и вы­ходом модели. Включали поле упругих колебаний, при этом энергетический уровень воздействия, характеризующийся со­отношением его параметров - колебательно­го ускорения ^ ^и смещения £, по мере фильтрации опреде­ленных объемов жидкости ступенчато изменялся.

Полученные результаты оказались несколько неожиданны­ми. Анализ изменения перепада давления показал, что харак­тер фильтрации зависит от уровня производимого колебатель­ного воздействия, но степень его изменения определяется не столько интенсивностью колебательного поля, сколько соот­ношением его колебательных параметров ускоре-

о

Ар, кПа

50

Включение / излучателя

о

VV

о

о ■■■-

"Я*

N

Выключение V излучателя

40

уХХХХлХХХХХХ, ХХХХХХХХХХХ/^ кдДдлЛДДлДлД-

■■/у 5с

лх> :<> О

■ ■

о О <:; о

КХЯЯХХ*

>

ц

30

:х: •\.л

>v<

О л.

<;

Ш8$

t;-;!;:;:

1 1

:>С .. о

х> <> <>

о 6 ,:■,

О О <:;

§§888 Й§§И

20

ЦххххххххххЯ КххххххххххЯ

кЯ

,<>: ■■/■■■■ <>

>..... < > ■ ■■■■

в

t

1 1 1 !

В888Й888888

к:.' о

V/V

^г' 'пор

Рис. 3.1.6. График изменений перепада давления в модели пласта, возникающих под действием упругих колебаний при фильтрации воды в пористой среде с оста­точной нефтенасыщенностью. Уровни колебательного воздей­ствия:

1 -/= 91 Гц, J= 0,5Вт/м²; % = 0,5 м/с², % = 1,5мкм; 2 -/=356 Гц, J= = 0,1Вт/м², '% = 0,8 м/с², £ =0,16 мкм; 3 -/=331 Гц, J= 0,3Вт/м², г; = =1,3 м/с², £ = 0,3мкм; 4 -/=178 Гц, J= 13,5 Вт/м², | = 1,5 м/с², £ = 1,2мкм

ния ^ и смещения ^. Причем по проявлению фильтрационных

эффектов вибрации определяются пороговые значения данных параметров. Последовательное наложение упругих колебаний первых двух уровней не вызывало заметных изменений пере­пада давления в ходе фильтрации воды. Упругие

колебания с параметрами ^ = 1,3 м/с², ^ = 0,48 мкм приво­дили к заметному увеличению перепада давления. При этом на выходе из модели начинали наблюдаться следы нефти в воде. Очевидно, колебательное воздействие с данными параметрами изменяет подвижность защемленной в пористой среде оста­точной нефти, нефть вовлекается в фильтрацию, что вызывает соответствующее повышение перепада давления на модели пласта. Интенсивность J = = 0,3 Вт/м² колебательного поля здесь меньше, чем интенсивность колебательного поля пер­вого уровня J= = 0,5 Вт/м², не вызывавшего вибрационных измене- ний фильтрации. Дальнейшее повышение значений па­раметров

4 и £ (см. рис. 3.1.6, четвертый участок фильтрации) вызы­вало добавочное увеличение и перепада давления, и вытесне­ния нефти в ходе фильтрации воды. Затем, по мере выхода ос­таточной нефти из модели пласта, перепад давления умень­шался и постепенно стабилизировался при значении ниже пер­воначального значения, соответствующего фильтрации воды до включения вибрации.

Полученные результаты дают основание полагать, что воз­действие на фильтрационные процессы проявляется по дости­жении определенных значений параметров поля - коле­бательного ускорения 4 и колебательного смещения £. Целе­сообразно выражать эти параметры относительно значения ускорения свободного падения g и характерного диаметра по-ровых каналов среды d.

Изменения характера однофазного фильтрационного про­цесса при наличии в пористой среде остаточной защемленной фазы наблюдались при наложении колебательного поля с

параметрами | > 0,5д и ^ > O^d .