Поверхностные явления на стенках поровых каналов карбонатных коллекторов

Состояние поверхности твердой фазы коллектора играет важную роль при выборе воздействия на карбонатный пласт. Поверхностные явления на контакте породы с нефтью различного состава изучались: К.Б. Ашировым, Ш.А. Гафаровым, В.В. Девликамовым, Ю.В. Зейгманом, М.М. Кабировым, И.Л. Мархасиным, А.Х. Мирзаджанзаде, М.К. Рогачевым, З.А. Хабибуллиным, Н.Ш. Хайрединовым и другими исследователями. Карбонатные матрицы поровой части коллектора обычно обладают гидрофобной поверхностью и смочены нефтью [5]. При незначительном снижении температуры и давления ниже давления насыщения в гидрофобизированных матрицах пласта начинается процесс разгазирования нефти. Выделяющийся газ в свободной фазе влияет на состав остаточной нефти, в ней увеличивается концентрация тяжелых углеводородов, что приводит к увеличению плотности, вязкости нефти и росту толщины граничных гидрофобных слоев на стенках поровых каналов, что дополнительно усиливает гидрофобизацию поверхности порового пространства. Известно, что граничные слои образуются вследствие действия ориентационных сил на жидкость: кристаллическая структура поверхности твердой фазы ориентирует определенным образом молекулы жидкости. Получается структурированная в приповерхностном слое фаза, так называемый граничный слой [4]. Процессы образования граничных слоев идут в основном в порах призабойной зоны скважин и околоскважинном пространстве, где процессы фильтрации и снижения температур происходят наиболее интенсивно.

Граничный слой состоит из высокомолекулярных соединений нефти, которые обладают сильными адсорбционными свойствами. Структура и реология граничных слоев обусловлена физико-химическими свойствами образующих ее веществ. В межмолекулярных взаимодействиях основную роль играет форма молекул и их локальные микрополя. Межмолекулярные силы в полимолекулярных граничных слоях в большинстве случаев имеют физическую природу. Процессы адсорбции высокомолекулярных компонентов на поверхности поровых каналов объясняются наличием у них заряда, сопряженных связей и других свойств. Молекулы активных компонентов нефти, имеющие противоположный заряд заряду молекул твердой поверхности ориентируются к ее поверхности, притягиваются и образуют полимолекулярный граничный слой. Первоначально граничный слой образуется толщиной в молекулу активного компонента нефти. Затем толщина слоя увеличивается в процессе последующей ориентации молекул, они притягиваются к уже образовавшемуся полимолекулярному слою, тем самым формируя граничный слой. Образование граничных слоев происходит до тех пор, пока силы адгезии активных компонентов к полимолекулярным слоям или к поверхности поровых каналов будут больше фильтрационных сил заставляющих двигаться их в общем фильтрационном потоке.

В результате адсорбции активных компонентов на поверхности поровых каналов формируются аномальные нефтяные слои. По мере возрастания толщины граничного слоя происходит затухание скорости фильтрации в пористой среде. Уменьшение скорости фильтрации с течением времени может происходить на 15 – 20%. Поэтому толщина аномального граничного слоя оказывает значительное влияние на процесс фильтрации. Карбонатные коллектора характеризуются значительной макро- и микронеоднородностью [13]. Средний радиус пор микронеоднородных матриц пласта составляет крайне малую величину. Так, для девонских пластов месторождений запада Башкортостана он составляет 7 - 12 - 15 мкм [65]. При радиусе поры 10 мкм, толщине граничного слоя 2 мкм примерно 40% нефти будет сосредоточено в этом слое, а при радиусе 5 мкм количество нефти, сосредоточенной в граничном слое, превысит 60% общего объема. Граничные слои будут оказывать влияние на укрепление структуры нефти по всему объему. Могут образовываться застойные зоны, в которых нефть не будет принимать участие в общем движении жидкости. Поэтому применение методов, позволяющих увеличить радиус пор и разрушить образовавшуюся структуру, обеспечит фильтрацию нефти из матриц в более крупные поры и трещины.

Толщина и сдвиговая прочность граничного слоя нефти зависит от ее химического состава, смачиваемости твердой [13] и является функцией градиента давления вытеснения и радиуса пористой среды. При формировании пленочной нефти происходит фракционирование смол и асфальтенов по их молекулярным весам. Наибольщей поверхностной активностью обладают асфальтены с наименьшим молекулярным весом, адсорбционная активность которых зависит от содержания в них металлопорфириновых комплексов [4].

Прочность граничного слоя уменьшается по мере удаления от твердой поверхности, а также при тепловом и физико-химическом воздействии на гранично-связанную нефть. Дегазация нефти, наоборот, упрочняет структуру гранично-связанной нефти [4]

Исследованиями [5] было установлено, что в зависимости от природы твердой подложки и компонентного состава нефти толщина граничного слоя может достигать 2 - 5 мкм. Чем скорость фильтрации меньше, тем больше толщина граничного слоя. Граничные слои на поверхности поровых каналов могут приводить к уменьшению сечения фильтрационных каналов и как следствие к снижению проницаемости пород ПЗП и продуктивности добывающих скважин.