Способ определения распределения и профиля загрязнителя в пористой среде

Изобретение относится к способам анализа образцов пористых материалов, в частности, оно может быть использовано для качественного и количественного определения профиля проникновения компонентов бурового раствора и исследования связанного с этим ухудшения свойств околоскважинной зоны нефте/газосодержащих пластов.

Проблема повреждения околоскважинной зоны пласта под воздействием проникших компонентов 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 полимеров, частиц (карбонат кальция, сульфат бария, размером от сотен микрометров до менее одного микрона), глин и других добавок, 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, полимеры и иные компоненты проникают в околоскважинную зону пласта и вызывают значительное снижение ее проницаемости. Кроме того, на стенке скважины формируется внешняя фильтрационная корка, состоящая из отфильтрованных твердых частиц и иных компонентов бурового раствора.

Во время технологической процедуры очистки скважины (путем постепенного вывода на добычу) внешняя фильтрационная корка разрушается, а проникшие компоненты бурового раствора частично вымываются из околоскважинной зоны, и ее проницаемость частично восстанавливается. Тем не менее, часть компонентов остается необратимо 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) (см., например. Longeron D.G., Argillier J., Audibert A. An Integrated Experimental Approach for Evaluating Formation Damage Due to Drilling and Completion Fluids. SPE 30089, или Jiao D., Sharma M.M. Formation Damage due to Static and Dynamic Filtration of Water - Based Muds. SPE 23823).

Описанный метод позволяет измерить только интегральное гидравлическое сопротивление образца керна (отношение текущего перепада давления на керне к текущему расходу), изменение которого обусловлено динамикой роста/разрушения внешней фильтрационной корки на торце керна и накоплением/выносом компонентов бурового раствора в породе.

Однако профиль и распределение компонентов бурового раствора и связанные с ними поврежденная пористость и проницаемость вдоль образца керна (т.е. вдоль оси фильтрации) после закачки бурового раствора (или после обратной прокачки) представляют 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.

Для определения этих параметров требуется привлечение дополнительных методов.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность определения распределения и профиля проникшего загрязнителя в пористой среде с достаточно высокой точностью и высоким разрешением.

В соответствии с предлагаемым способом определения распределения и профиля загрязнителя в пористой среде приготовляют суспензию загрязнителя, содержащего по меньшей мере один твердый компонент и окрашенного по меньшей мере одним катионным красителем. Прокачивают суспензию окрашенного загрязнителя через образец пористой среды, после чего производят раскол образца пористой среды и определяют распределение и профиль проникновения загрязнителя в образце пористой среды по распределению и интенсивности по меньшей мере одного красителя.

Суспензию окрашенного загрязнителя, содержащего один твердый компонент, приготовляют путем добавления в суспензию загрязнителя одного катионного красителя. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения дополнительно по меньшей мере один раз приготовляют суспензию окрашенного загрязнителя путем добавления в суспензию, содержащего один твердый компонент, другого катионного красителя и прокачивают суспензию, окрашенную другим катионным красителем, через образец пористой среды.

Суспензию окрашенного загрязнителя, содержащего несколько твердых компонентов, приготовляют путем окрашивания разных твердых компонентов загрязнителя разными катионными красителями.

В качестве катионных красителей могут быть использованы фуксин, и/или метиленовый голубой, и/или бриллиантовый зеленый. Можно использовать катионные красители со специальными свойствами, например, флуоресцентные красители или красители, содержащие элементы, обеспечивающие возможность достоверного определения распределения загрязнителя путем проведения энергодисперсионного микроанализа в сканирующем электронном микроскопе.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в качестве образца пористой среды может быть использован керн горной породы. При этом в качестве загрязнителя могут быть использованы, например, бентонит или частицы с отрицательно заряженной поверхностью, например, карбонат кальция или сульфат бария.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения после прокачивания суспензии окрашенного загрязнителя через керн горной породы дополнительно прокачивают пластовую жидкость, при этом закачку пластовой жидкости осуществляют с торца керна, противоположного торцу, с которого осуществлялась закачка суспензии окрашенного загрязнителя.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения предварительно на поверхность образца наносят другой катионный краситель, отличный от тех, которые используют для окрашивания загрязнителя.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена слоистая кристаллическая структура монтмориллонита, на фиг.2 - реологические свойства чистого бентонита и бентонита, окрашенного красителем бриллиантовым зеленым в концентрации 0.2-10 мг-экв/100 г, на фиг.3 показана зона проникновения загрязнителя бентонита (1% суспензия в 1.8% растворе NaCl) в песчаник Castlegate, на фиг.4 приведена концентрационная кривая распределения загрязнителя бентонита (1% суспензия в 1.8% растворе NaCl) вдоль оси направления закачки в песчаник Castlegate.

В соответствии с предлагаемым способом проводят контрастирование компонентов проникшего загрязнителя, например, бурового раствора, с помощью катионных красителей, которые за счет катионного обмена и(или) хемосорбции прочно удерживаются в кристаллической структуре компонента и(или) на его поверхности.

В качестве катионных красителей могут быть использованы такие традиционные катионные красители, как фуксин, метиленовый голубой, бриллиантовый зеленый и др. Также могут быть использованы для этой цели катионные красители со специальными свойствами, например, флуоресцентные красители, такие как родамин 6Ж, когда контрастирование и идентификация может осуществляться по интенсивности свечения, или красители, содержащие специфические элементы (например, Alcian Blue 8GX с содержанием меди) для контрастирования по элементному составу с применением энергодисперсионного микроанализа в электронном микроскопе, когда определить цветовой контраст не представляется возможным.

После проведения фильтрации (или фильтрации с последующей очисткой) производят раскол образца в интересующем направлении и изучение распределения интенсивности окраски, связанной с концентрацией проникшего в пористый материал компонента бурового раствора.

Окрашивание разных твердых компонентов загрязнителя разными красителями перед приготовлением суспензии позволяет изучить распределения и профили проникновения каждого компонента в отдельности.

Окрашивание твердых компонентов загрязнителя (одного или нескольких) осуществляют путем нанесения катионного красителя либо на поверхность (например, на частицы карбонатов, сульфата бария и других материалов, несущих отрицательный заряд на поверхности), либо в межслоевое пространство кристаллической решетки глинистых материалов со структурой монтмориллонита (Фиг.1). Кристаллическая решетка монтмориллонита состоит из тетраэдрических слоев (1), окружающих октаэдрические слои (2). Между данными структурами находится пространство (3), заполненное гидратированными катионами, которые могут быть заменены на другие частицы с положительным зарядом, в данном случае катионные красители. В случае с окрашиванием поверхности она обрабатывается раствором красителя, того же, который добавляется в суспензию, или другого, а избыток (при его наличии) удаляется промывкой. В случае с бентонитом используемое количество красителя должно быть меньше емкости катионного обмена глины для обеспечения полного поглощения пигмента и предотвращения содержания свободного красителя в жидкости. Высокая интенсивность окраски пигментов позволяет использовать низкие концентрации красителя и сохранять реологические свойства суспензии глины неизмененными (Фиг.2).

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения осуществляют контрастирование компонентов (например, глинистых материалов) исходной пористой среды путем окрашивания поверхности образца катионным красителем, отличным от тех, которые используют для окрашивания загрязнителя. Это позволит в дальнейшем при микроскопическом исследовании отличить глинистые материалы породы от привнесенного бентонита из бурового раствора.

Последовательная закачка суспензий загрязнителя, окрашенных разными красителями, например, когда через определенные промежутки времени источник суспензии переключается между емкостями с загрязнителями, окрашенными разными красителями, позволит использовать временные метки и наблюдать особенности проникновения частиц на разных стадиях формирования фильтрационной корки и обратной фильтрации (очистке) породы.

В качестве примера 1% суспензия бентонита в 1.8% растворе NaCl при перемешивании окрашивалась 1% спиртовым раствором бриллиантового зеленого (1 мл 1% спиртового раствора на 1 л 1% суспензия бентонита в 1.8% растворе NaCl), что соответствует 0.2 мг-экв (0.1 г) бриллианового зеленого на 100 г бентонита. Полученная суспензия закачивалась в образец песчаника Castlegate (проницаемость 850 мД по 1.8% раствору NaCl) диаметром 30 мм и длиной 60 мм. Обработанный образец породы раскалывался по плоскости, проходящей через ось керна. Изображение скола подвергалось обработке с выделением (по цвету и его интенсивности) участков, содержащих окрашенный бентонит. Это позволило получить распределение загрязнителя (см. Фиг.3, где показаны зона проникновения и распределение загрязнителя бентонита (1% суспензия в 1.8% растворе NaCl) в песчанике Castlegate (керн: 30 мм диаметр, 60 мм длина), раскол по диаметру образца вдоль оси керна) и рассчитать его концентрационный профиль вдоль оси керна (см. Фиг.4, где приведена концентрационная кривая распределения загрязнителя бентонита (1% суспензия в 1.8% растворе NaCl) вдоль оси направления закачки в песчаник Castlegate (керн: 30 мм диаметр, 60 мм длина), построенная по интенсивности распределения пигмента бриллиантового зеленого).

1. Способ определения распределения и профиля загрязнителя в пористой среде, в соответствии с которым:
- приготовляют суспензию загрязнителя, содержащего по меньшей мере один твердый компонент и окрашенного по меньшей мере одним катионным красителем,
- прокачивают суспензию окрашенного загрязнителя через образец пористой среды,
- производят раскол образца пористой среды и
- определяют распределение и профиль проникшего загрязнителя в образце по распределению и интенсивности по меньшей мере одного красителя.

2. Способ по п.1, в соответствии с которым суспензию окрашенного загрязнителя, содержащего один твердый компонент, приготовляют путем добавления в суспензию загрязнителя одного катионного красителя.

3. Способ по п.2, в соответствии с которым дополнительно по меньшей мере один раз приготовляют суспензию окрашенного загрязнителя путем добавления в суспензию, содержащую один твердый компонент, другого катионного красителя и прокачивают суспензию, окрашенную другим катионным красителем, через образец пористой среды.

4. Способ по п.1, в соответствии с которым суспензию окрашенного загрязнителя, содержащего несколько твердых компонентов, приготовляют путем окрашивания разных твердых компонентов загрязнителя разными катионными красителями.

5. Способ по п.1, в соответствии с которым в качестве катионных красителей используют фуксин, и/или метиленовый голубой, и/или бриллиантовый зеленый.

6. Способ по п.1, в соответствии с которым в качестве катионных красителей используют катионные красители со специальными свойствами.

7. Способ по п.5, в соответствии с которым в качестве катионных красителей со специальными свойствами используют флуоресцентные красители.

8. Способ по п.5, в соответствии с которым в качестве катионных красителей со специальными свойствами используют красители, содержащие элементы, позволяющие определить распределение загрязнителя путем проведения энергодисперсионного микроанализа в сканирующем электронном микроскопе.

9. Способ по п.1, в соответствии с которым в качестве образца пористой среды используют керн горной породы.

10. Способ по п.9, в соответствии с которым в качестве загрязнителя используют бентонит.

11. Способ по п.9, в соответствии с которым в качестве загрязнителя используют частицы с отрицательно заряженной поверхностью.

12. Способ по п.9, в соответствии с которым после прокачивания суспензии окрашенного загрязнителя через керн дополнительно прокачивают пластовую жидкость, при этом закачку пластовой жидкости осуществляют с торца керна, противоположного торцу, с которого осуществлялась закачка суспензии окрашенного загрязнителя.

13. Способ по п.1, в соответствии с которым предварительно на поверхность образца наносят катионный краситель, отличный от тех, которые используют для окрашивания загрязнителя.