СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛИНЫ В ОБРАЗЦЕ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА
METHOD TO MEASURE WEIGHT CONCENTRATION OF CLAY IN SAMPLE OF POROUS MATERIAL

Изобретение относится к способам неразрушающего анализа образцов пористых материалов, в частности, оно может быть использовано для количественного исследования ухудшения свойств нефте/газосодержащих пластов ("повреждения пласта") из-за проникновения в процессе бурения глинистых материалов, содержащихся в буровом растворе.
Проблема повреждения пласта под воздействием бурового раствора (или промывочной жидкости) является очень важной, особенно для длинных горизонтальных скважин, т.к. заканчивание большинства из них производится в необсаженном состоянии, т.е. без цементированной и перфорированной эксплуатационной колонны.
Буровые растворы представляют собой сложные смеси глины, мелких частиц (размером от нескольких миллиметров до менее одного микрона) и органических добавок (полимеры, поверхностно активные вещества и т.д.), содержащихся в "несущей" жидкости - "основе" бурового раствора, в качестве которой может выступать вода, нефть или какая-либо синтетическая жидкость.
В процессе бурения под воздействием избыточного давления фильтрат бурового раствора, а также содержащиеся в нем мелкие частицы и глина, проникают в околоскважиную зону пласта и вызывают значительное снижение ее проницаемости (для характеризации этого явления обычно используется термин "повреждение призабойной зоны пласта" или просто "повреждение пласта").
Во время технологической процедуры очистки скважины (путем постепенного вывода на добычу) эти компоненты частично вымываются из околоскважинной зоны и ее проницаемость частично восстанавливается. Тем не менее часть компонентов остается удержанной в поровом пространстве породы (адсорбция на поверхности пор, захват в поровых сужениях и т.д.), что приводит к существенному различию между исходной проницаемостью и проницаемостью, восстановленной после проведения технологической процедуры очистки (обычно восстановленная проницаемость не превышает 50-70% от начальной).
Общепринятым лабораторным методом проверки качества бурового раствора является фильтрационный эксперимент по его закачке в образец керна с последующей обратной прокачкой (т.е. вытеснения проникшего бурового раствора исходной пластовой жидкостью путем ее закачки с противоположного торца керна), в ходе которого замеряется динамика ухудшения / восстановления проницаемости как функция от количества закачанных поровых объемов флюидов (буровой раствор или пластовая жидкость).
Однако концентрация глины и других компонентов бурового раствора, удерживаемых в поровом пространстве после обратной прокачки, представляет собой важную информацию для понимания механизма повреждения пласта и выбора соответствующего метода повышения коэффициента продуктивности скважины (минимизации повреждения призабойной зоны пласта). Данные параметры не замеряются в рамках указанной выше традиционной процедуры проверки качества бурового раствора.
Количественный анализ механизмов повреждения пласта, связанных с проникновением в процессе бурения глинистых материалов, представляет наибольший интерес в силу широкого распространения буровых растворов на глинистой основе.
Весовая концентрация глины, проникшей в поровое пространство в ходе воздействия бурового раствора, обычно мала (не превышает 1-1,5% по весу). Тем не менее в силу высокого коэффициента разбухания глины и пористости такая малая весовая концентрация приводит к значительному (5-20 раз) снижению проницаемости породы.
Техническая проблема связана с трудностью измерения малой весовой концентрации глины в пористой среде, поскольку рентгеноструктурный анализ и рентгеновская компьютерная микротомография не обеспечивают достаточного разрешения для весовой концентрации материала  <1%.
Глина имеет слабый контраст к рентгеновскому излучению и не может быть пространственно разрешена с требуемой точность.
В патентах США №4540882, а также №5027379 заявляются методы определения глубины проникновения бурового раствора при помощи рентгеновской компьютерной томографии керна с добавлением контрастного агента. Но использование контрастного агента, растворимого в "несущей жидкости", не позволяет оценить глубину проникновения и концентрацию глины и иных слабоконтрастных добавок, содержащихся в буровом растворе, поскольку глубина проникновения фильтрата бурового раствора и указанных добавок в общем случае различна.
В патенте США 5,253,719 предлагается метод диагностирования механизмов повреждения пласта путем анализа радиально ориентированных образцов керна, отобранных из скважины. Образцы керна анализируются с помощью набора различных аналитических методов для определения типа и степени повреждения пласта, а также глубины зоны повреждения. Среди аналитических методов перечисляется рентгеноструктурный анализ (XRD), локальный рентгеноспектральный анализ, сканирующая электронная микроскопия (SEM), электронная микроскопия обратного рассеяния, петрографический анализ, оптическая микроскопия.
Однако перечисленные в указанном выше патенте методы не применимы для измерения малой весовой концентрации глины (менее 1% весовой концентрации).
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, состоит в обеспечении возможности измерения малой весовой концентрации глины, проникшей в поровое пространство образца в ходе закачки глиносодержащего раствора.
+
-
+
2+
2+
+
+
-
n
n
n
4
В соответствии с заявленным способом определения весовой концентрации глины в образце пористой среды выбирают водорастворимую соль металла, вступающую в селективную ионно-обменную реакцию с глиной, с общей формулой RM, где металл R выбирают из группы {Ba; Sr; Tl; Rb…}, М выбирают из группы {Cl; NO; OH; CH3COO, SO;…} в соответствии с таблицей растворимости неорганических веществ в воде. Маркируют глину путем смешивания глины с водным раствором выбранной соли металла, затем удаляют остатки соли металла, не провзаимодействовавшей с глиной. Проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию маркированной глины и образца пористого материала и определяют соотвественно содержание металла в маркированной глине и естественное содержание металла в образце. Затем приготавливают раствор маркированной глины требуемой концентрации путем смешения маркированной глины с водой и прокачивают приготовленный водный раствор маркированной глины через образец пористого материала. Образец высушивают, снова проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию образца пористого материала и определяют содержание металла в образце, после чего рассчитывают весовую концентрацию глины в образце пористого материала как
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>η</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Σ
гл
n
где η - содержание металла в образце пористого материала после прокачки через образец водного раствора маркированной глины, η - содержание металла в маркированной глине, η - естественное содержание металла в образце пористого материала.
+
-
+
2+
2+
+
+
-
n
n
n
4
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения выбирают водорастворимую соль металла, вступающую в селективную ионно-обменную реакцию с глиной, с общей формулой RM, где металл R выбирают из группы {Ba; Sr; Tl; Rb…}, М выбирают из группы {Cl; NO; OH; CH3COO, SO;…} в соответствии с таблицей растворимости неорганических веществ в воде. Маркируют глину путем смешивания глины с водным раствором выбранной соли металла, затем удаляют остатки соли металла, не провзаимодействовавшей с глиной. Проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию маркированной глины и образца пористого материала и определяют соотвественно содержание металла в маркированной глине и естественное содержание металла в образце. Приготавливают раствор маркированной глины требуемой концентрации путем смешения маркированной глины с водой и прокачивают приготовленный водный раствор маркированной глины через образец пористого материала. Образец высушивают и разделяют по меньшей мере на два сегмента. Проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию каждого сегмента, определяют содержание металла в каждом сегменте и рассчитывают весовые концентрации глины, удерживаемой в каждом сегменте образца пористого материала как
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>η</mi><mi>Σ</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>η</mi><mi>Σ</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
гл
n
где
- весовая концентрация глины в i-ом сегменте,
- содержание металла в i-ом сегменте, η - содержание металла в маркированной глине, η - естественное содержание металла в образце пористого материала.
Остатки соли металла, не провзаимодействовавшие с глиной, могут быть удалены путем отжима и последующего высушивания маркированной глины.
2
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведены данные компьютерной рентгеновской микротомографии водного раствора исходной глины и водного раствора глины, смешанной с водным раствором выбранной соли металла (BaCl).
Способ измерения весовой концентрации глины в пористом материале реализуется следующим образом.
Предварительно глина "маркируется" путем смешивания с водным раствором соли специального металла-маркера. Для маркировки глины используют растворимую соль металла, вступающую в селективную ионно-обменную реакцию с исследуемой глиной. В результате ионно-обменной реакции ионы металла-маркера аккумулируются на глине, "маркируя" ее.
+
-
+
-
+
2+
2+
+
+
-
n
n
n
4
В общем виде формула для водорастворимой соли металла может быть записана в виде: RM, где вещества R и M выбираются в соответствии с таблицей растворимости неорганических веществ в воде: R - металл {Ba; Sr; Tl; Rb…}; М - вещество {Cl; NO; OH; CH3COO, SO;…}.
Затем путем отжима и последующего высушивания маркированной глины (или иным возможным способом) удаляют остатки соли металла-маркера, не провзаимодействовавшей с глиной.
гл
n
Проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию (согласно общепринятой методике, см., например, Верховодов П.А. Рентгеноспектральный анализ: Вопросы теории и способы унификации. Киев: Наукова думка, 1984, 160 с. или Афонин В.П., Гуничева Т.Н. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ горных пород и минералов. Новосибирск: Наука, 1977, 256 с.) маркированной глины для измерения содержания металла η. Проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию представительной части исходного образца пористого материала для измерения естественного содержания металла η.
Приготавливают раствор маркированной глины требуемой концентрации путем смешивания маркированной глины с водой.
Σ
Осуществляют прокачку водного раствора маркированной глины через образец пористого материала, после чего проводят рентгенофлуоресцентную спектрометрию представительной части образца пористого материала для определения содержания металла η.
Весовая концентрация глины определяется в соответствии с формулой
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>η</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
Данная формула для расчета весовой концентрации маркированной глины в пористом материале следует из условия аддитивности возрастания содержания металла-маркера в образце пористого материала при увеличении концентрации (по массе) маркированной глины:
<mrow><msub><mi>n</mi><mi>Σ</mi></msub><msub><mi>m</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><msub><mi>m</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
n
n
гл
гл
Σ
Σ
где m и η - масса металла и содержание металла в образце пористого материала до прокачки глиносодержащего раствора; m и η, - масса металла и содержание металла в маркированной глине; m и η - масса металла и содержание металла в образце пористого материала после прокачки раствора маркированной глины.
Комбинация соотношения (1) с балансом массы
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
гл
n
гл
Σ
позволяет определить весовую концентрацию глины n в образце при известных η, η и η:
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>η</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В качестве примера рассмотрим использование предлагаемого способа для расчета весовой концентрации глины, удерживаемой в поровом пространстве после цикла прямая - обратная закачка модельного бурового раствора (1% водного раствора бентонитовой глины) через образец пористого материала.
2
4
10
2
2
2
Принимая во внимание состав бентонитовой глины Al[SiO](OH)·nHO и следуя стандартной таблице растворимости неорганических веществ в воде, в качестве соли металла был выбран BaCl.
2
Водный раствор выбранной соли металла-маркера был смешан с исходной бентонитовой глиной. Путем отжима и последующего высушивания маркированной глины произведено удаление остатков соли металла-маркера, не провзаимодействовавшей с глиной. Для иллюстрации на фиг.1 приведены данные компьютерной рентгеновской микротомографии водного раствора исходной (не маркированной) глины и водного раствора маркированной глины (т.е. глины, подвергшейся ионно-обменной реакции с солью BaCl).
гл
n
Была проведена рентгенофлуоресцентная спектрометрия маркированной глины для измерения содержания η металла-маркера (Ba) и также рентгенофлуоресцентная спектрометрия представительной части исходного образца пористого материала для измерения естественного содержания η металла-маркера (Ba).
Приготовлен 1% водного раствора маркированной глины путем смешивания последней с водой в соответствующей пропорции.
Проведен фильтрационный эксперимент по прокачке 1% водного раствора маркированной глины через образец пористого материала и последующей обратной прокачке (т.е. вытеснение проникшего глинистого раствора исходной пластовой жидкостью путем ее закачки с противоположного торца керна).
Затем образец пористого материала был разделен (путем раскола, распила или иных способов резки) на четыре сегмента и была осуществлена их последовательная нумерация, начиная с торца, в который осуществлялась закачка 1% водного раствора маркированной глины.
<mrow><msubsup><mi>η</mi><mi>Σ</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
Была проведена рентгенофлуоресцентная спектрометрия представительных частей каждого сегмента образца пористого материала для определения содержания
металла-маркера (Ba) в каждом i-м сегменте (i=1,…, 4).
гл
n
<mrow><msubsup><mi>η</mi><mi>Σ</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
Используя измеренные на предыдущих этапах содержания металла в маркированной глине η, в исходном образце пористого материала η, а также в каждом i-м сегменте
образца пористой среды после закачки 1% раствора маркированной глины и последующей обратной прокачке рассчитаны весовые концентрация
глины, удерживаемой в каждом i-м сегменте образца пористого материала по формуле, аналогичной формуле (3)
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>η</mi><mi>Σ</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>η</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>η</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
Зная весовые концентрации
глины в каждом i-м сегменте и его расстояние от входного торца (в который осуществлялась закачка 1% водного раствора маркированной глины), можно получить распределение весовой концентрации глины, удерживаемой в поровом пространстве после фильтрационного эксперимента.