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. Например, согласно Государственному Стандарту Российской Федерации ГОСТ 25795-83, для приготовления буровых растворов рекомендуется использовать бентонитовые глины.
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, даже 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 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.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, состоит в обеспечении возможности измерения малой весовой концентрации глинистого материала, проникшего в поровое пространство в ходе прокачки глиносодержащего раствора.
гл
В соответствии с заявленным способом определения весовой концентрации глинистого материала в образце пористой среды измеряют удельную активную поверхность глинистого материала и начальную удельную активную поверхность образца пористой среды, прокачивают водный раствор глинистого материала через образец, измеряют удельную активную поверхность образца пористой среды после прокачки и рассчитывают весовую концентрацию n глинистого материала в образце как
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
- удельная активная поверхность образца пористой среды после прокачки водного раствора глинистого материала,
- начальная удельная активная поверхность образца пористой среды,
- удельная активная поверхность глинистого материала.
Перед измерением удельной активной поверхности образца пористой среды после прокачки водного раствора глинистого материала образец может быть высушен.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показана зависимость удельной активной поверхности смеси бентонитовой глины и мелкой фракции песка от содержания глины (по массе).
Физическая основа данного метода обусловлена аддитивным возрастанием удельной активной поверхности образца пористой среды с увеличением содержания глины (по массе) в ее поровом пространстве:
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><msub><mi>m</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><msub><mi>m</mi><mi>п</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><msub><mi>m</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
п
гл
∑
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
где m и
- масса и удельная активная поверхность образца пористой среды до прокачки глиносодержащего раствора; m и
- масса и удельная активная поверхность глины, используемая для приготовления глиносодержащего раствора; m и
- масса и удельная активная поверхность образца пористой среды после прокачки глиносодержащего раствора.
Комбинация соотношения (1) с балансом массы
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mi>п</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
гл
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
позволяет определить весовую концентрацию глины n, в образце при известных
,
и
:
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
Поскольку глины характеризуются высокой удельной активной поверхностью, то даже малое содержание глины в порах проявляется в резком увеличении удельной активной поверхности образца пористой среды.
Была проведена серия специальных метрологических экспериментов по измерению удельной активной поверхности смеси бентонитовой глины и мелкой фракции песка с целью проверки аддитивности возрастания удельной активной поверхности смеси при увеличении содержания глины (по массе).
Стандартным методом сорбции азота, основанным на теории Брунауэра, Эммета и Теллера (БЭТ) (см., например, Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. М.: Высшая школа, 1991, стр.172-176), были измерены удельная активная поверхность бентонитовой глины и удельная активная поверхность мелкой фракции песка. Была приготовлена смесь мелкой фракции песка и бентонитовой глины с заданной весовой концентрацией глины и стандартным методом сорбции азота (БЭТ) была измерена удельная активная поверхность приготовленной смеси бентонитовой глины и мелкой фракции песка. Измерения были повторены для смесей мелкой фракции песка и бентонитовой глины с различной весовой концентрацией глины. Полученные экспериментальные точки для удельной активной поверхности смеси бентонитовой глины и мелкой фракции песка при различном содержании глины (по массе) представлены на фиг.1. Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются линейной зависимостью, что подтверждает гипотезу об аддитивности возрастания удельной активной поверхности.
В качестве примера реализации изобретения было проведено определение весовой концентрации бентонитовой глины, проникшей в пористый образец в ходе прокачки через него 1% раствора данной глины.
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>32.85</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mi>г</mi></mrow>
Стандартным методом сорбции азота, основанным на теории (БЭТ), была измерена удельная активная поверхность бентонитовой глины:
и приготовлен 1% (что близко к концентрации глины в реальных буровых растворах) водный раствор данной глины с добавлением хлорида натрия (18 г/л).
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>п</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1.27</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mi>г</mi></mrow>
Стандартным методом сорбции азота, основанным на теории БЭТ, была измерена начальная удельная активная поверхность образца пористого материала до прокачки глиносодержащего раствора:
Затем была произведена закачка подготовленного 1% глинистого раствора в данный образец пористого материала. Прокачано семь 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.
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mi>Σ</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1.38</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mi>г</mi></mrow>
Образец пористой среды был высушен и стандартным методом сорбции азота, основанным на теории БЭТ, была измерена удельная активная поверхность того же самого образца пористого материала после прокачки семи поровых объемов 1% глинистого раствора:
гл
Используя формулу (3) и измеренные на предыдущих этапах удельные активные поверхности глины, а также образца пористой среды до и после прокачки глиносодержащего раствора, рассчитана весовая концентрация бентонитовой глины, проникшей в пористый образец: n≈0-35%.