СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛИНИСТОГО МАТЕРИАЛА В ОБРАЗЦЕ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ
METHOD TO MEASURE WEIGHT CONCENTRATION OF CLAY MATERIAL 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 околоскважинную 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), 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 ее 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%.
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 5253719 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 перечисляются рентгеноструктурный анализ (XRD), локальный рентгеноспектральный анализ, сканирующая электронная микроскопия (SEM), электронная микроскопия обратного рассеяния, петрографический анализ, оптическая микроскопия.
Согласно стандартной методике рентгеноструктурный анализ (XRD) выполняется на измельченном в порошок кусочке образца керна весом 1 грамм. Целью данного метода является идентификация типов и измерение относительного количества минералов, представленных в образце керна. Керн может быть разделен на несколько сегментов, нумеруемых, например, в порядке удаления от ствола скважины вглубь пласта. В этом случае относительное количество минералов в каждом сегменте, измеренное с помощью рентгеноструктурного анализа (XRD), может быть использовано для определения типа и степени повреждения пласта, а также глубины зоны повреждения.
Однако перечисленные в указанном выше патенте методы не применимы для измерения концентрации глины малого содержания (менее 1% весовой концентрации). Рентгеноструктурный анализ (XRD), выполненный в соответствии со стандартной методикой, не позволяет измерить малую весовую концентрацию глины, когда эта величина не превышает 1% по весу.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, состоит в обеспечении возможности измерения малой весовой концентрации глинистого материала, проникшего в поровое пространство в ходе закачки глиносодержащего раствора.
В соответствии с предлагаемым способом определения весовой концентрации глинистого материала в образце пористой среды прокачивают раствор глинистого материала через образец, после окончания прокачки измельчают по меньшей мере часть образца в порошок, производят отмучивание из образовавшегося порошка глинистой фракции, осуществляют рентгеноструктурный анализ отмученной глинистой фракции и определяют весовую концентрацию глинистого материала.
Предпочтительно часть образца пористой среды для измельчения отделяют от образца вблизи торца, в который осуществлялась закачка раствора глинистого материала.
Отделяемая для измельчения часть образца пористой среды должна иметь вес не менее 1 грамма.
В качестве примера реализации способа было проведено измерение весовой концентрации бентонитовой глины, проникшей в пористый образец после прокачки через него 2% раствора данной глины.
После приготовления 2% водного раствора бентонитовой глины с добавлением хлорида натрия (18 г/л) был произведен фильтрационный эксперимент по закачке подготовленного 2% глинистого раствора в образец пористой среды. Было прокачано девять поровых объемов (отношение объема закачанного раствора к объему порового пространства образца), после чего из-за значительного падения проницаемости фильтрация практически прекратилась, и эксперимент был остановлен.
От образца пористой среды вблизи входного торца (т.е. торца, в который осуществлялась закачка раствора глины) с помощью разлома была отделена часть весом 20 грамм, эта часть образца была измельчена (предпочтительно отделяемая и измельчаемая часть должна быть не менее 1 грамма) и помещена в воду для отмучивания (разделение твердых частиц, используя различие скоростей их падения в жидкостях) мелкой фракции. Путем отмучивания в воде из всей совокупности частиц выделен 1 грамм мелкой фракции с размером, меньшим 4 мкм.
Согласно общепринятой методики (см., например, Пущаровский Д.Ю. Рентгенография минералов. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2000, 292 с. или Шлыков В.Г. Рентгеновский анализ минерального состава дисперсных пород. М.: Геос. 2006, стр.76-102) был проведен рентгеноструктурный анализ (XRD) мелкой фракции для определения ее минерального состава. Весовую концентрацию определяют по стандартной методике (Шлыков В.Г. Рентгеновский анализ минерального состава дисперсных пород. М.: Геос. 2006, стр.76-102; Шлыков В.Г. Рентгеновские исследования грунтов. Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1991, 184 с.).
Весовая концентрация бентонитовой глины, измеренная с помощью рентгеноструктурного анализа отмученной мелкой фракции, пересчитана относительно массы исходной измельченной части образца.
Окончательная величина весовой концентрация бентонитовой глины в образце пористой среды после прокачки 2% раствора бентонитовой глины равна 1.6%.