В настоящее время механические свойства жидкостей исследуются в трубах различного размера. Имеются исследования, в которых утверждается, что в трубах малых размеров сопротивление движению жидкости увеличивается по сравнению с расчетными формулами, и это явление объясняется различными качественными факторами.
В настоящее время накоплен значительно больший материал по изучению движения жидкостей в щелях, проведены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования [1–3] и т.д. При этом нет единого мнения о проявлении аномального поведения жидкостей в микротрещинах. Учитывая это положение в области механики жидкостей, нами были проведены эксперименты в специально разработанной установке с различными жидкостями: водой, вязкой и аномальной нефтью [4, 5]. Найденный в ходе проведенных исследований эффект «микротрещина – жидкость» будет учитываться в практике нефтедобычи при извлечении нефти из трещинных пластов и при увеличении коэффициента нефтеотдачи.
Раскрытость трещин характеризует коэффициент трещинной пористости и их фильтрационные свойства. Уменьшение раскрытости трещин значительно ухудшает фильтрационные характеристики ПЗС, что приводит к снижению производительности скважин. Поэтому предварительное определение раскрытости трещин позволяет повысить эффективность воздействия на призабойную зону, а также избежать проведения необоснованных мероприятий.
Целью работы является исследование эффекта «микротрещина – жидкость» при движении жидкостей в трещинах с микронной раскрытостью и в низкопроницаемых пористых средах, и попытка использования эффекта в различных областях техники и технологии.
Материалы и методы исследования
Ниже представлены результаты исследования влияния раскрытости трещин на реологические свойства ньютоновских и неньютоновских жидкостей при движении в плоскопараллельных и плоскорадиальных трещинах с микронной раскрытостью.
Сделано обобщение результатов экспериментальных исследований движения вязких жидкостей в плоскопараллельных и плоскорадиальных микротрещинах [4, 5].
Экспериментальные исследования проведены на установках с плоскопараллельными и плоскорадиальными трещинами с различной раскрытостью h [4, 5].
Конструкция плоскорадиальной трещинной модели представлена на рис. 1. Верхняя и нижняя границы являются плитами диаметром 168 мм (6 и 2), зажатыми между фланцами 1 и 7. Под действием перепада давления исследуемая жидкость через штуцер 4 поступает во втулку 5, герметизирующую резиновыми уплотнениями 3 кольцевую полость, затем в трещину между плитами и далее в систему для замера протекающей жидкости в штуцер 8.
Трещины заданной толщины были получены установкой между плитами несмачиваемых прокладок размерами 5×7 мм, которые расположены в точках плоскорадиальной трещины с центральными углами 120o. Толщина прокладок выбиралась в зависимости от величины, требуемой толщины трещины. При этом погрешность определения величины раскрытости равна 0,1 мкм.
Для контроля деформации трещины использовался индикатор часового типа, причем в процессе эксперимента деформация отсутствовала.
С целью контроля распределения давления по длине по радиусу верхней плиты, кроме отверстия в центре, в контуре также были просверлены отверстия. Отметим, что длина трещины равна 84 мм.
Плоскопараллельная трещина, имитирующая трещиноватый коллектор, представляет собой две пластины толщиной 4·10-2 м, каждая из которых изготовлена из нержавеющей стали. Между плитами укладывается несмачиваемая прокладка, вырезанная так, что она, во-первых, служит для герметизирующей модели, а во-вторых, образует прямоугольную трещину размером 0,3×4·10-2 м.
Экспериментальные исследования в плоскопараллельных и плоскорадиальных трещинах проводились на модели, находящейся в термованне при установившемся режиме движения жидкости в изотермических условиях. Постоянство температуры поддерживалось ультратермостатом, снабженным контактным термометром, установленным непосредственно в термованне. Для исключения различных эффектов насыщение трещины исследуемой жидкостью производилось под небольшим давлением с одновременным вакуумированием.
Рис. 1. Модель плоскорадиальной трещины
Исследованы особенности движения жидкости в микротрещине различной раскрытости, создавались различные перепады давления с использованием образцовых манометров с погрешностью δ = (0,2÷0,35) % и по достижению установившегося режима фильтрации замерялись соответствующие объемные расходы жидкости Q.
Массовый расход жидкости определялся на электронных весах с точностью 0,001 мг. При определении полной относительной погрешности для градиента скорости и предельного напряжения сдвига с толщиной трещины 10÷240 мкм составляют соответственно γ = (2÷3) % и τ = (0.2÷1.2) %.
В качестве исследуемых жидкостей применялись вода, вязкая и аномальная нефть.
Результаты исследования и их обсуждение
Проводились эксперименты по описанной выше методике при разных перепадах давления. По полученным данным строился график зависимости Q = Q(ΔP).
Обработка экспериментальных данных заключается в определении зависимости между средним градиентом скорости γ и касательным напряжением сдвига τ. Такое построение целесообразно с точки зрения выявления особенностей поведения исследуемых жидкостей в микротрещинах.
Зависимость между средней скоростью сдвига и напряжением сдвига на стенках трещины применительно к условиям радиального течения и имеет вид [6]:
(1)
(2)
(3)
Известно, что расход жидкости в плоскопараллельной трещине записывается в следующем виде:
(4)
(5)
(6)
где l, h и F – соответственно длина, ширина, раскрытость и площадь поперечного сечения трещины.
Для сопоставительного анализа эти кривые были аппроксимированы моделью Шведова – Бингама и определены применения в данном диапазоне градиента скоростей значения предельного напряжения сдвига τ0 и структурной вязкости µ.
Экспериментальное исследование показывает, что предельное напряжение сдвига при движении различных сред в микротрещинах зависит от раскрытости трещины и свойства жидкостей.
По результатам экспериментальных исследований воды, вязкой и аномальной нефти в микротрещинах выявлен новый эффект – критическая раскрытость микротрещины hkp, так называемый эффект «микротрещина -жидкость», без которого невозможно осуществить технологические расчеты для различных процессов промышленности, медицины и т.д.
Установлено, что при движении вязкой однопараметрической жидкости в каналах с раскрытостью меньше критической h < hkp, вязкая жидкость ведет себя как аномальная, т.е. становится двухпараметрической, а при движении в каналах h ≥ hkp жидкость становится однопараметрической. Для аномальных жидкостей в каналах h < hkp реологические параметры жидкости усиливаются, а в каналах h ≥ hkp остаются без изменений.
Отмеченное приводит к тому, что в реальных трещиноватых пластах большая часть нефти, находящаяся в микротрещинах, либо вообще не течет при градиентах вытеснения разрабатываемого пласта, либо создает добавочное сопротивление фильтрации в пласте нефти. В конечном счете следствием этого является значительное увеличение количества остаточной нефти и естественно, уменьшение конечной нефтеотдачи пласта.
Определено критическое значение раскрытости трещин hkp, т.е. установлено, что при h ≥ hkp при движении жидкостей влияние эффекта «микротрещина – жидкость» практически отсутствует. С установлением этих факторов создается новый раздел в механике жидкости, газа и плазмы «механика жидкости в микротрещинных каналах», который позволит создать новые технические и технологические процессы.
Опытные данные пересчитанного по формулам (2), (3) при движении воды в плоскорадиальных и (5), (6) вязкой нефти в плоскопараллельных микротрещинах при различной раскрытости трещины и температуре 303 К построены графики зависимости γ = f(τ), приведенные соответственно на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Зависимость γ от τ при движении воды в плоскорадиальных микротрещинах при значениях раскрытости, мкм: 10 (кривая 1), 15 (кривая 2), 20 (кривая 3), 30, 35 (прямая 4, 5), Т = 303 K
Рис. 3. Зависимость γ от τ при движении вязкой нефти в плоскопараллельных микротрещинах при h = 130 (кривая 1, при h < hkp) и 160 мкм (прямая 2, при h = hkp), T = 303 K
Как видно из этих рисунков, при плоскорадиальном, а также и при плоскопараллельном течении исследованных жидкостей микротрещины имеет место проявление предельного напряжения сдвига. При раскрытости h < 30 и h < 160 мкм кривые течения соответственно для воды (рис. 2, кривые 1–3) и вязкой нефти (рис. 3, кривая 1) описываются нелинейными уравнениями, которые характерны для неньютоновских систем. А зависимости γ = f(τ), построенные по данным, раскрытостью h ≥ hkp, описываются линейными уравнениями, проходящих через начало координат. При h ≥ hkp для различных величин раскрытости трещины все точки зависимостей γ = γ(τ) для воды (рис. 2, прямые 4 и 5) укладываются на одной прямой. Это доказывает достоверность установленных критических значении раскрытости трещины.
Проявление эффекта «микротрещина – жидкость» можно было бы объяснить, как аналогию эйлеровой устойчивости стержня. В трещине микронной толщины система «жидкость – трещина» под действием сил, приложенных на концах щели в условиях сравнительно малых средних скоростей сдвига, жидкость может вести себя как сжатый устойчивый стержень и имеет в щели известную форму равновесия. Устойчивая стержневая форма равновесия жидкости зависит от толщины щели. Если толщина тонкой щели невелика, то приложенные на концах щели силы прижимают жидкий стержень к стенкам трещины. Происходят изменения в свойствах жидкой струи за счет изменения его структуры и сил трения по стенкам. По мере увеличения толщины трещины микротрещинный эффект исчезает. Между этими двумя состояниями равновесия существует так называемое критическое равновесие, при котором жидкость может сохранить первоначальное свойство.
Нашими исследованиями установлено, что освоение запаса нефти в дренажной зоне скважин происходит в два этапа: первый этап – освоение нефти из активной зоны (ПЗС) скважин, это составляет примерно 30÷33 % запаса ПЗС, а вторым этапом является потенциально активная зона нефти в (ПЗС) скважине. В этой потенциально активной зоне скважин, в микротрещинных каналах, а также в сильно малопроницаемых пористых средах содержится изолированная нефтяная область, около 70 %.
Отметим, что существующими технологическими методами осваивать это не представляется возможным. Нужны новые технологические процессы.
Наиболее эффективным направлением следует считать воздействие на ПЗС и на пласты мощных физических энергетических полей [7, 8] и т.д.
Результаты проведенных исследований требуют учета трещинного эффекта, при оценке параметров системы технологических процессов и технических устройств «микротрещина – жидкость», что имеет научное и практическое значение для различных областей промышленности, машиностроения, приборостроения, химической технологии и в медицине.
Установлено, что вязкие жидкости (вода и нефть) при движении в трещинах, размеры которых h < hkp, приобретают характер аномальных жидкостей, а аномальные жидкости еще более усиливают реологические параметры. При движении этих жидкостей в трещинах, размеры которых h ≥ hkp, их реологические параметры не меняются. Эти явления подтверждены и при движении вязких и аномальных жидкостей в последовательно соединенных каналах с различными микроразмерами.
Изменение механических свойств жидкостей при движении в каналах, размеры которых h < hkp, и их восстановление при движении в каналах, размеры которых h ≥ hkp, представляют собой эффект «микротрещина – жидкость». Следовательно, для активизации движущихся и покоящихся жидкостей в микротрещинах необходимо размеры каналов из состояния h < hkp привести к состоянию h ≥ hkp. Это достигается путем использования сильных физических полей.
Выводы
1. На основе экспериментальных и теоретических обобщений о движении различных жидкостей в трещинных каналах разработаны основы «механики жидкостей и газов микротрещинных каналов в сверхмалопроницаемых пористых средах» и применение их в различных отраслях промышленности.
2. Экспериментально установлено, что при движении вязких жидкостей в трещине с раскрытостью h < hkp в системе «микротрещина – жидкость» проявляются неньютоновские свойства, а для аномальных жидкостей усиливаются неньютоновские свойства; указанные эффекты имеют место в системе «микротрещина – жидкость» только при h < hkp, а при h ≥ hkp указанные эффекты отсутствуют.
3. Результаты проведенных исследований требуют учета трещинного эффекта при оценке параметров системы технологических процессов и технических устройств «микротрещина – жидкость», что имеет научное и практическое значение для различных областей промышленности, машиностроения, приборостроения, химической технологии и в медицине.
4. В нефтяной промышленности возможно добиться максимального увеличения нефтеотдачи (средний коэффициент нефтеотдачи по миру около 30 %) за счет привлечения в разработку нефти из малопроницаемых зон пластов.