Систематизация геодинамических явлений в литосфере и астеносфере «твердой» Земли

С учетом отмеченного выше масштаба геодинамических явлений, их причинно-следственных связей, а также характера волновых процессов могут быть выделены следующие иерархические уровни организации геосреды: гипер-уровень, мега-уровень, макро-уровень, мини-уровень, микро-уровень и нано-уровень.

Динамические явления гипер-уровня носят планетарный характер и связаны с циклическими изменениями напряженно-деформированного состояния (НДС) земной коры в соответствии с лунно- солнечным циклом. С энергетической точки зрения эти процессы могут быть отнесены к экзогенным. Эффекты гравитационного взаимодействия в системе Луна-Земля вызывают возникновение твердотельных приливов и отливов, связанных с вариациями гравитационного потенциала на поверхности Земли. Изменение гравитационного потенциала влияет на изменение вертикального и горизонтального векторов напряжения. Результатом этого является изменение трещиноватости геосреды, которое проявляется в увеличении или сокращении раскрытое™ трещин. При этом, общее увеличение трещиновастости происходит в фазе твердотельного отлива, когда Луна находится в надире (с противоположной стороны Земли), и уменьшением трещиноватости (смыкание трещин) при переходе Луны из надира в зенит.

Сейсмическая активность в виде акустической эмиссии, возникающей при твердотельных приливах-отливах, характеризуется её циклическим повышением и спадом.

График изменения нормированных значений энергии эмиссии (Е) приведен на рисунке 2.1 для Росташинского месторождения (Оренбургская область) по календарным периодам [4].

5000

1000

О

23.09.05 24.09.05 25.09.05 26.09.05 27.09.05 28.09.05 29.09.05 30.09.05

Рисунок 2.1 - График изменения энергии сейсмической

Эмиссии [О.Л.Кузнецов, 2007) ] .

Следует отметить, что наиболее интенсивное изменение сейсмической активности при твердотельных приливах и отливах происходит в тектонически активных зонах (разломы), где наблюдается так же максимальная концентрация очагов сейсмических событий [10].

Динамические явления мега-уровня принадлежат к классу эндогенных, т.е. связанных с внутренними процессами в земной коре и верхней мантии «твердой» Земли.

Таблица 2.1 - Схема верхних геосфер «твердой» Земли

Слои /границы

Нкм

Геосферы / слои

подразделения

Граница Конрада

20

Осадочный слой

Земная

кора

Литосфера

40

Гранитный слой

Граница Мохоровичича

70

Базальтовый слой

100

субстрат

Верхняя

мантия

400

Астеносфера

(слой Гутенберга)

900

Слой Голицына

Как известно, «твердая» Земля включает следующие геосферы: земная кора, мантия, ядро. В свою очередь, земная кора включает: осадочный слой (чехол), базальтовый и гранитный слои. Мантия Земли подразделяется на верхнюю и нижнюю мантию, а ядро - на внешнее ядро и субядро. Верхняя мантия содержит несколько подразделений: субстрат, астеносферу (слой Гутенберга) и слой Голицына. Базальтовый и гранитный слой разделены поверхностью Конрада, а земная кора отделена от нижележащей мантии поверхностью Мохоровичича. Земная кора и субстрат образуют литосферу.

Из совокупности динамических явлений в верхних геосферах могут быть выделены движения материков, автоколебания участков суши (геосейши), а так же процессы, инициируемые глубинными разломами (линеаментами).

Накопление упругих напряжений при надвигах материков и их разрядка инициируют глобальные волновые явления в земной коре, сопровождающиеся землетрясениями и цунами. Эти процессы отражаются так же и на локальной геодинамике месторождений.

Геосейши представляют собой стоячие волны большого периода - до нескольких часов и даже суток, возникающие в замкнутой гидродинамической системе пласта при сейсмических событиях гипер-и мегауровне (рисунок 2.2). При геосейшах происходит колебательное движение всей массы насыщающих пласт флюидов амплитудой от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.

1 - узловые точки, 2 - граница массивной залежи, 3 - кровля пласта, ВНК -водо-нефтяной контакт.

Рисунок 2.2 - Геосейши в а) массивной и б) пластовой залежах.

Геосейши образуются в пограничном с ВНК (ГВК) слое вследствие интерференции прямой и обратной волн, возникающих под действием внешней силы (в частности, при изменении давления в пласте при упругих приливах).

При сейшах происходит колебательное движение газожидкостного порозапол-иителя, при этом существует одна или несколько уровневых линий. В узловых областях, образующих т.н. узловые линии, амплитуда колебаний не меняется. Из-за отсутствия свободной границы раздела сред сейши в насыщенных пористых средах являются волнами давления (напряжения - деформации). Поскольку стоячая волна не переносит энергию (количество движения) и характеризуется лишь обменом энергии между соседними областями пучностей и узлов, то в пласте возникает, в общем случае, несколько замкнутых (конгруэнтно контуру месторождения) линий, являющихся геометрическим местом узлов (узловых линий). Узлы напряжения (давления) в слабозатухающих сейшах обеспечивают «проталкивание» по пласту газо- жидкой компонент при смене фазы стоячей волны.

Другим типом «длинных волн» являются «уединенные» волны (рисунок 2.3). Распространение упругих волн в насыщенных пористых средах (НПС) имеет свои весьма существенные особенности, вытекающие как из общих свойств волн в жидкости, так из частного, но весьма характерного для нефтегазоконденсатных месторождений, случая воли в тяжелых жидкостях. При этом возникает задача определения установившихся волновых движений в такого рода жидкостях [6J. В рамках данной задачи рассматривается движение жидкости в канале, аппроксимирующем продуктивный пласт. Решение волнового уравнения при данной скорости распространения волнового движения и данном периоде в линейном случае зависит только от одного параметра - амплитуды волны. В нелинейном случае амплитуда смещения Q зависит при фиксированной скорости от периода Т, что соответствует условиям месторождения. Как следствие, при увеличении амплитуды величина Т неограниченно растет и периодическое решение вырождается в линию с единственным максимумом. Такое апериодическое решение носит название уединенной волны, кривизна которой в вершине всегда больше, чем во впадине. Решение волнового уравнения в канале (пласте) так же формально соответствует волне Лапласа в однородной среде. Природа этой волны рассматривается в разделе 3. Очевидно, что оба эти решения волновых уравнений - волна Лапласа и уединенная волна, не находящие применения в практической промысловой акустике, могут иметь существенное значение при анализе волновых уравнений движения пластовых жидкостей.

Уединенная волна

Рисунок 2.3 - Уединенная волна

Газосистемной особенностью нефтегазоконденсатных месторождений является наличие граничной поверхности раздела несмешивающихся жидкостей (ГВК или ВНК). На такой поверхности раздела возникают и распространяются волны особого типа. Они возникают под влиянием внешнего воздействия, в результате которого поверхность раздела фаз выводится из равновесного состояния.

В качестве естественных, природных сил внешнего воздействия выступают упругие лунно-солнечные приливы. Волны на поверхности раздела фаз возникают так же при техногенных воздействиях, вызывающих начальные отклонения отдельных участков поверхности от равновесного положения: волновое сейсмоакустиче-ское или гидродинамическое воздействие, гидроразрыв, торпедирование и др. При этом возникают силы, восстанавливающие равновесие: силы поверхностного натяжения и силы тяжести.

В зависимости от природы восстанавливающих сил волны на граничной поверхности подразделяются на два типа:

  • - капиллярные волны, если преобладают силы поверхностного натяжения;
  • - гравитационные волны, если преобладает сила тяжести.

В том случае, когда совместно действуют силы тяжести и силы поверхностного натяжения, развиваются гравитационно-капиллярные волны. Характер проявления этих сил зависит от длины волны: для волн малой длины наиболее существенно влияние сил поверхностного натяжения, при больших длинах волн подавляющее значение имеют гравитационные силы.

Скорость распространения волн на поверхности раздела зависит от длины волны. При возрастании длины волны скорость распространения гравитационно-капиллярных волн убывает до минимального значения.

Сп = ^4д8/р, (2.1)

где Сп - скорость волны;

д - ускорение силы тяжести;

р - плотность УВ -фазы;

8 - поверхностное натяжение.

Этому значению С п соответствует длина волны:

Яп = 2пу]8/др (2.2)

При некоторой длине волны Л > Л скорость её распространения зависит преимущественно от силы тяжести, и при Л < Л - от силы поверхностного натяжения.

Волны на граничной поверхности и сейши могут существенно усиливать техногенный эффект волнового воздействия Существенным элементом литосферы, определяющим её геодинамику, являются линеаменты.

Линеаменты представляют собой линейные дизъюктивные нарушения массивов геосреды, имеющие длину в сотни (тысячи) километров и прослеживающиеся на глубину до 500-700 км. Большая часть глубинных разломов затухает в верхней мантии (до астеносферы). Глубинные разломы служат зонами повышенной проницаемости земной коры и верхней мантии, вследствие чего здесь концентрируются источники магматической деятельности. С ними связаны также очаги мегасейсмической динамики, прежде всего, землетрясений.

В результате ряда исследований [10J на востоке Восточно - Европейской платформы установлено существование регматической сети, которую во многих случаях наследуют региональные разломы. По-видимому, происхождение этой сети носит планетарный характер, связанный с силами ротации Земли. С региональными разломами такого происхождения сопряжены валы в осадочном чехле. Они образованы в результате более поздних горизонтальных движений как надразломные складки по тектонически ослабленным зонам.

По мнению ряда исследователей (Г.Н. Гогоненков, А.Г. Соколов) существуют зарождающиеся горизонтальные зачаточные сдвиги в горных породах, вызывающие разрывы растяжения в осадочном чехле, с которыми, в свою очередь, связаны мощные вертикальные каналы миграции углеводородов из глубоко залегающих материнских пород в расположенные выше ловушки.

Создание глобальных вертикальных каналов перетока мантийных флюидов подтверждает возможность омоложения (реанимации) разломов древнего заложения. С этим связано, в частности, выделение глубинных газов в разломных зонах: водорода, гелия, углекислого газа, метана при землетрясениях, так как известно, что водород в свободном состоянии выделяется лишь из кристаллического фундамента и мантии Земли.

Астеносфера верхней мантии и земная кора являются важнейшими элементами, определяющими в целом геодинамику «твердой» Земли.

Астеносфера, представляющая собой слой ослабленных вязких горных пород, является как-бы буфером между породами земной коры и областью внешнего ядра. В силу своих особых физических свойств астеносфера представляет собой мощный мегаволновод.

Астеносфера контролирует особый вид дизъюнктивных нарушений, т.н. ли-стрические разломы, имеющие специфическое происхождение и конфигурацию. Плоскости листрических разломов отходят от поверхности астеносферы под очень острым, нулевым углом и постепенно увеличивая угол падения, выходят снизу вертикально к земной поверхности (рисунок 2.4).

1 - астеносфера, 2- литосфера, 3 - листрический разлом

Рисунок 2.4 - Глубинная геодинамическая схема

Система взаимосвязанных динамических структур астеносферы и листриче-ских разломов проявляется в динамической жизни земной коры, обеспечивая концентрацию углеводородов в тектонически и литологически экранированных залежах, флюидообмен и перетоки жидкой и газовой компонент по зонам, примыкающим к листрическим разломам. Это относится также и к магматическим месторождениям, образующимся в результате подъёма магмы по таким разломам и внедрения её в окружающие горные породы.

Динамические явления макро-уровня связаны с наличием в осадочном слое т.н. трансседиментационных зон открытой трещиноватости горных пород [4], а также слоистых и насыщенных пористых сред (НПС).

Закономерности пространственного распределения трещиноватости горных пород осадочного слоя определяются характером напряженно-деформированного состояния геосреды. Существует достаточно большое число факторов, определяющих закономерности формирования глобальных и локальных зон напряженно-деформированного состояния, и моделей, описывающих системы деформаций и трещиноватости. В рамках данной работы наиболее адекватной является модель глубинного разлома (рисунок 2.5). Доминантой этой модели являются листрические разломы.

1 - астеносфера, 2 - литосфера, 3 - листрический разлом, 4 - магматический шток, 5- оперяющие трещины, 6 — трещины разгрузки

Рисунок 2.5 - Схема образования зон НДС и трещиноватости

Глубинный листрический мега-разлом образует в земной коре мощную зону хрупкого разрушения горных пород и зоны оперяющих разлом трещин. Кроме того, под действием вертикальных и тангенциальных сил, возникающих при внедрении по мега разлому магматических масс из литосферы, образуются радиально-концентрические системы разгрузочной трещиноватости.

Макроструктура трещиноватости находится, в целом, в состоянии неустойчивого равновесия. Под действием гипер-и мегафакторов периодически изменяется НДС геосреды, что приводит к автоколебательному процессу изменения (раскрывания и схлопывания) трещиноватости. Эти процессы оказывают весьма существенное влияние на динамическое состояние горных пород осадочных бассейнов и находящихся здесь нефтегазоконденсатных месторождений, которое выражается, в частности, в периодическом колебании пластового давления, производительности, приемистости скважин, и др.

Зоны открытой трещиноватости могут иметь значительное кросспластовое вертикальное развитие и захватывать осадочные комплексы различного строения и генезиса. Это порождает возникновение принципиально нового типа трансседиментационного трещиноватого резервуара. В связи с этим, разрабатываемые сейчас сейсмо-акустические методы выявления и исследования таких зон [4] могут обеспечить инновационный подход к проектированию разработки месторождений, состоящий в отказе от геометрической (равномерной) сетки добывающих и нагнетательных скважин и в переходе на системы, учитывающие кольцевые (концентры) и линейные (линеа-менты) зоны трещиноватости. Размещение добывающих скважин преимущественно в этих зонах обеспечивает их высокий дебит, повышение КИН и рентабельности.

Крупнейшим геодинамическим элементом макро-уровня являются субвертикальные кольцеобразные чередующиеся зоны повышенных и пониженных механических напряжений и деформаций, контролирующие области разуплотнения (трещиноватости) и уплотнения (консолидации) горных пород, характеризующихся различными фильтрационно-ёмкостными свойствами и интенсивностью тепло-массопере-носа. Нижним уровнем этой геодинамической структуры являются поля напряжений и деформаций, образующихся в процессе эволюции месторождений.

Выделение кольцеобразных зон разнонапряженного состояния горных пород имеет чрезвычайно важное значение в отношении локализации мест повышенной трещиноватости и выделения трещиноватых резервуаров принципиально нового транспластового типа.

Следует отметить, что работы последних лет дают основание предполагать наличие более глубоких корней субвертикальных структур не только в осадочном чехле, но и в целом в литосфере, возможно до астеносферы. Это позволяет отнести процессы в гидродинамических зонах макроуровня к разряду пограничных с явлениями мега-уровня.

Характер волновых явлений макро-уровня определяется неоднородностью горной среды, вызываемой, прежде всего, её слоистостью. Слоистость горных пород осадочного чехла вносит принципиальные изменения как в физическую картину наблюдаемых в таких средах динамических (волновых) явлений, так и в методы исследования этих явлений, а так же в процессы разработки УВ-месторождений с расчлененными коллекторами.

При этом выделяется широкий класс «нетипичных» продуктивных объектов, требующий создания специальных методов их инициирования. Прежде всего, к ним относятся пелитолиты и флишоиды. Пелитолиты являются газоносными и нефтеносными глинисто-кремнистыми коллекторами с матричной ёмкостью и трещинной проводимостью с горизонтально-сланцевой структурой (до листоватости и чешуйчато-сти). К числу таких коллекторов принадлежат породы баженовской свиты («баже-ииты»).

Флишоиды достаточно полно изучены, в частности, в нижнепермских отложениях восточного борта в южной части Предуральского прогиба. Они сложены переслаивающимися песчаниками, алевролитами и аргиллитами с наличием грубозернистых песчаных разностей. Мощность изменяется от 300 м в центре прогиба и замещением на западном борту. Оценка минимальных запасов газа составляет 500 млрд м3.

Предполагается, что нефтегазоносность флишоидов обусловлена интенсивными потоками глубинных углеводородов, контролируемых разломами зоны сочленения Предуральского прогиба и складчатого Урала.

Слоистость горной среды контролирует широкий класс динамических волновых явлений в осадочном слое земной коры. Среди них можно выделить те, которые имеют наибольшее значение в практике разработки месторождений. Прежде всего, это каналовые и стоячие упругие волны.

Каналовые волны образуются в слое, достаточно резко отличающемся по своим динамическим свойствам от выше и нижележащих отложений. Такими свойствами и такими условиями залегания характеризуется большинство пластовых нефтегазоконденсатных месторождений. В этом случае возбужденная в пласте упругая волна, пе-реотражаясь от кровли и подошвы пласта, распространяется в нём на большие расстояния (десятки, а в морских волноводах сотни и тысячи километров) без существенной потери (затухания) энергии. Инициирование удаленных от добывающих скважин зон продуктивного пласта при волновом воздействии в значительной степени обязано свойству дальнего переноса упругой энергии каиаловыми волнами.

Равными по значению каналовым волнам в отношении реализации волнового воздействия являются стоячие волны. Они образуются вследствие интерференции волн, отраженных от кровли и подошвы пласта, (т.е. распространяющихся навстречу друг другу) при определенных соотношениях между длиной возбуждаемой в пласте волны и мощностью пласта. Стоячие волны образуют в пласте области пучностей (максимального смещения и минимального напряжения) и области узлов (минимального смещения и максимальной деформации, или напряжения). Стоячие волны, в общем случае, не переносят энергии. В них осуществляется только обмен энергии в объёме, равном четверти длины волны, между пучностью и узлом. Однако, это условие не является столь жестким для пласта. В силу анизотропии его свойств амплитуды прямой и отраженной в пласте волн не равны. В связи с этим, стоячая волна характеризуется коэффициентом бегучести, равным отношению этих амплитуд. Вследствие этого, в пласте, наряду со стоячей волной, образуется так же и бегущая волна, т.е. дальний перенос энергии в пласте имеет место при любых условиях образования стоячей, энергетически консервативной волны.

Акустические свойства продуктивных пластов как анизотропных систем, ограниченных резкими границами, обеспечивают возникновение в этих пластах специфических явлений. Одно из них связано со свойством самофокусирования энергии. В связи с увеличением акустической жесткости в приграничных областях пласта его упругие свойства как бы распределяются по гиперболической индикатрисе, в фокусе которой концентрируется энергия упругих волн, возбуждаемых в пласте.

С акустическими свойствами пласта связано так же и другое явление, известное в акустике как эффект «шепчущих» галерей, получивший это название из-за свойств дальнего распространения слабых звуков в галереях одного из монастырей на севере Италии. Применительно к разработке, дальнее распространение упругих волн в приграничных областях продуктивных пластов связано с увеличением плотности потока упругой энергии вблизи этих границ.

Совершенно очевидно, что явление самофокусировки энергии в пласте и увеличение её плотности на границах волновода имеет важное значение при разработке технологии волнового воздействия.

Наличие достаточно резких границ раздела в слоистых средах приводит к тому, что на плоских границах при падении на них упругих волн в силу интерференционных явлений образуются так называемые зоны Френеля, - зоны чередующихся колец полуволновой ширины. При этом, основная энергия сосредоточена в первой зоне Френеля, радиус которой зависит от геометрических и физических параметров среды.

Слоистость геосреды оказывает существенное влияние также и на газогидроди-намику продуктивных слоёв, определяя характер фильтрационных потоков в последних. При этом могут быть выделены следующие виды течений нефти и газа в пластах:

  • - ламинарное;
  • - турбулентное;
  • - пограничное;
  • - вихревое;
  • - возвратное;
  • - отрывное.

Ламинарное - стационарное течение облекания с перемещением слоёв жидкости относительно друг друга.

Турбулентное течение - неупорядоченное перемещение вихрей и струй. Высокая скорость перемещения вызывает увеличение переносимого количества движения. Турбулизация пограничного слоя способствует повышению продуктоотдачи.

Пограничное происходит в пограничном тонком слое, ограниченном значением скорости течения V=0 на стенке (границе) при некоторой Vcp в потоке.

Вихревое течение - образование вихрей в пограничном слое как при турбулентном, так и ламинарном течении, возникающее за счет ускорения верхних слоёв по отношению к пограничным, где V=0; последнее вызывает для вязких жидкостей прилипание.

Возвратное течение - при УпОгР-* 0 кинетической энергии в пограничном слое не хватает для преодоления давления, которое концентрируется в потоке, что приводит к возвратному движению флюида.

Отрывное течение - при возвратном движении увеличивается толщина пограничного слоя и возникает его отрыв, так же как и при изгибах границы.

При волновом воздействии характер водонефтяного потока в слое изменяется, и ламинарное течение может быть осложнено турбулентностью и микровихревыми течениями, возникающими в приграничных слоях. Пограничное течение в тонком слое, как отмечалось выше, характеризуется нулевым значением скорости у стенок каналов. Это приводит к уменьшению объёмов фильтрующейся жидкости, а для вязких жидкостей и газоконденсата — к прилипанию их к стенкам каналов. Кроме того, при нулевой скорости пограничного потока кинетической энергии в пограничном слое не хватает для преодоления давления в потоке, и возникает возвратное течение. При возвратном течении происходит отрыв пограничного слоя и возникает отрывное течение. Преодоление негативных застойных явлений и адгезии в приграничном течении возможно лишь путем турбулизации потока, осуществляемой за счет возбуждения поляризованных волн при волновом воздействии, в том числе, за счет применения в волновых источниках вихревых преобразователей.

К динамическим явлениям мини-уровня относятся физические процессы, развивающиеся преимущественно в призабойной зоне пласта (ПЗП), в трещиноватых насыщенных пористых средах (НПС) прискважинной зоны, а так же процессы на фазных поверхностях раздела (в частности, на плоскости ВНК, ГВК).

Принципиальной особенностью строения геосреды в области нефтегазоконденсатных месторождений является наличие в продуктивных отложениях водо-нефтегазовых компонентов и разделяющих их поверхностей. При волновом воздействии на поверхностях раздела несмешивающихся жидкостей под действием внешних сил возникают особые вязкие гравитационно-капиллярные волны. Акустические импульсы упругих волн, распространяющиеся по поверхностям раздела и создающие эти волны, обеспечивают повышение подвижности нефтяной фазы в наиболее консервативной пограничной зоне.

Другой принципиально важной особенностью продуктивных пластов как объекта разработки является наличие весьма специфических нефтегазогидродинамических объектов - призабойной зоны пласта (ПЗП). Призабойная зона находится в ме-тастабильном, неравновесном состоянии, характеризующимся интенсивным энергообменом и массопереносом. Состояние ПЗП - трещиноватость, пористость, приёмистость, ряд других параметров, обобщенно характеризуемых т.н. скин-эффектом, в значительной степени определяет производительность скважины. В связи с этим, особую важность приобретает исследование динамических процессов в ПЗП и способов их инициирования.

В процессе вскрытия скважиной продуктивного горизонта происходит перераспределение упругих напряжений и в горных породах прискважинной зоны образуется концентрическая область дилатации (разуплотнения). Литологически она не отличается от основного массива и выделяется только по каротажу плотности (НГК) уменьшением значения этого параметра. Наличие этой зоны, наряду с другими вторичными изменениями вскрываемых пород, определяет характер упругого поля в ПЗП.

Обычно для насыщенной пористой среды рассматриваются два разных волновых процесса: волна давления и волна переупаковки, обладающих разной скоростью, хотя они имеют общий источник и распространяются в одной и той же среде. Этот подход к анализу процессов в ПЗП связан с высокочастотными волнами и никак не объясняет осциллирующий характер наведенных акустическим полем микро течений. По-видимому, более продуктивным является низкочастотный подход, основанный на предположении, что в среде распространяется единая волна сжатия-растяжения с одной и той же фазовой скоростью. Такой подход позволяет определить касательные напряжения, создаваемые волной на стенках пор, благодаря которым осуществляется очистка ПЗП от асфальта-смолистых и парафиновых отложений. Под действием касательных напряжений возникают сдвиговые упругие деформации, обеспечивающие разрушение адгезионного контакта со стенками порового канала. Это определяет важность применения источников волнового поля, обеспечивающих создание сдвигового осциллирующего акустического течения и турбулизацию потока.

Распространение волны сжатия-растяжения сопровождается амплитудной модуляцией давления в жидкости, которая усиливается эффектом гидравлического удара, возникающего при закупорке поры загрязняющими агентами, в результате чего происходит их разрушение.

Разрушение адгезионного контакта может быть связано с возникновением равновесных зародышей - газовых пузырьков на контакте жидкой среды со стенкой канала. Этот процесс будет рассмотрен ниже с точки зрения наноразмерных эффектов.

Динамические явления микро-уровня связаны с процессами в поровых и тре

щиноватых коллекторах. Граница между процессами микро- и нано-уровней зачастую носит условный характер. Процессы микро-уровня так же как и нано-уровня относят к динамике дисперсных сред. Обычно процессы микро-уровня связывают с явлением, характеризующимся взаимодействием частиц пространственного масштаба от 1 до 100 мкм, к которым относятся капли и пузырьки, в зависимости от характера субстрата.

Наиболее важными процессами, напрямую связанными с фильтрацией в пористых средах, являются процессы движения частиц микро-уровня при течении через капилляры. Показано, что такие частицы в вязкой среде (сдвиговом потоке) испытывают действие силы перпендикулярно направлению потока с вектором, направленным в область более высокой скорости движения жидкости. При наличии пограничных эффектов, этот вектор направлен от стенок капилляра, где сосредоточены малоподвижные частицы. Такой характер отрывного движения частиц усиливается действием касательных напряжений и сдвиговых деформаций, возникающих на стенках капилляров при распространении упругой волны и в особенности вихревой компоненты поля.

Исследование дисперсных систем в нефтенасыщенных пластах очень важно в отношении разработки методов повышения нефтеотдачи. Законтурная вода и вода, нагнетаемая в пласт при операциях по поддержанию пластового давления, в смеси с нефтью образует водонефтяные эмульсии. При этом вокруг капель воды в составе эмульсии образуется бронирующая оболочка из поляризованных частиц нефти, которые препятствуют коагуляции капельной воды.

С целью разрушения таких эмульсий осуществляется волновое воздействие на пласт. Под действием акустического поля давления в порах пласта формируются ос-цилляционные микротечения, приводящие к возникновению сил Бьёркнесса, которые, в свою очередь, вызывают взаимное притяжение, коагуляцию капель и образование кластеров.

Возникновению кластеров как самоорганизующихся пузырьковых систем способствуют стоячие волны, а так же эффекты акустической кавитации, возникающей при волновом воздействии и разрушающей бронирующие оболочки.

Акустические поля, создающиеся при волновом воздействии, способствуют интенсификации другого весьма важного явления - эффекта эластической турбулентности, возникающей при медленных течениях вязкой нефти через капилляры переменного сечения.

Динамические явления нано-уровня относятся к дисперсным системам с пространственным масштабом от 1 до 100 нм. Среди динамических явлений этого иерархического уровня особую важность по отношению к исследованию и интенсификации течения углеводородных газожидкостных потоков в пористых средах имеют нанопузырьковые процессы.

В течение последних 10-15 лет достаточно интенсивно исследуется характер взаимодействия водной фазы пластового флюида с поверхностью поровых каналов. Причем эти исследования проводятся как на мини-уровне, так и в наноразмерном масштабе.

Исследованиями на мини-уровне установлены особенности фильтрации газа в условиях проявления начального градиента давления. В этих условиях фильтрация газа происходит лишь после создания каким-либо способом градиента давления, превышающего градиент начального давления (ГНД). В пористых средах с ГНД часть поровых каналов перекрыта водными барьерами, представляющими собой пузырьки на гидрофобных поверхностях, обычно в поровых каналах глинизированных коллекторов. Эти барьеры газ преодолевает лишь после их разрушения импульсами давления и осциллирующими микротечениями, создаваемыми при волновом воздействии.

Микропузырьковые эффекты, рассматриваемые на нано-уровне, связаны с образованием пузырьков диаметром около 100 нм на твердых гидрофобных поверхностях. Существование таких пузырьков, как и в случае мини-уровневых пузырьковых эффектов, приводит к ухудшению условия капиллярной пропитки в коллекторе. Технология борьбы с этим явлением путем разрушения пузырьков за счет применения фемтолазерных ударно-волновых систем, предлагаемая при некоторых исследованиях, труднореализуема в промысловых условиях. Кроме того, волны, вызываемые взрывающимися пузырьками, могут привести к разрыву струйного течения в капиллярах. С другой стороны, ударные волны могут вызвать явление акустической кавитации, в результате которой образуются кавитационные пузырьки, самоорганизующиеся в ветвящиеся пузырьковые кластеры, что может создать положительный эффект для слияния капельной нефти в струйные потоки.

По-видимому, определенный эффект может быть получен при волновом воздействии на капельные и пузырьковые среды за счет нестационарных осцилляцион-ных микротечений, а также микроволновых гидроударов, стимулируемых акустическими полями. Наряду с пузырьками на гидрофобных поверхностях возникают равновесные зародыши - газовые полости на границах «жидкая среда-стенка капилляра». Контактная поверхность при фильтрации имеет энергетически неоднородную мозаичную структуру, представляющую чередование лиофобных и лиофильных участков. Из-за малых размеров зародышей их конфигурация может быть аппроксимирована минитрещиной. При этом, вблизи концов трещины при волновом воздействии происходит концентрация напряжений. При многократном наложении волновых импульсов уровень сконцентрировавшихся напряжений на концах трещины начинает превосходить силы сцепления на границе со стенкой, и происходит отрыв и разрушение зародыша.

Проведенная типизация геодинамических явлений в верхних сферах «твердой» Земли с учетом фрактальности свойств геосреды ни в коей мере не исчерпывает всего многообразия этих явлений. Здесь приведены лишь те, которые наиболее отчетливо обнаруживают взаимосвязь не только в отношении причинно-следственной зависимости, но и по взаимной коррелируемости, т.е. однотипной реакции на внешние источники возмущения.

Несмотря на свою разномасштабность, геодинамические явления образуют единую цепь взаимосвязанных процессов. В частности, связь динамических явлений, относящихся к разным иерархическим уровням, позволяет объяснить видимую несоразмерность мощности воздействия и мощности отклика среды на эти воздействия. Смещение среды в полях упругих волн на мини-уровнях приводят к значительным откликам (изменение дебита и др.) на макро-уровнях. Это связано с нелинейностью и динамической неравновесностью систем, находящихся на разных иерархических уровнях.

Один из примеров трансгрессивной связи явлений мега- и макро-уровней, осуществляемой по субвертикальным кольцевым зонам описан ранее (см. стр. 17-18).

Приведенная здесь схема иерархической организации геосреды на принципах геодинамики в сочетании с анализом упорядоченных глобальных и локальных ритмов и режимов колебаний в литосфере, с учетом наложения и разрядки упругих напряжений может быть использована при оптимизации геотехнологических комплексов разведки и разработки месторождений. Такая оптимизация реализуется, в частности, путем синхронизации процессов воздействия на геосреду и естественных геоциклов. Например, эффективность инициирования продуктивных пластов может быть существенно повышена, если она будет осуществляться в период лунных отливов, вызывающих возникновение растягивающих сил и напряжений, увеличение раскрытое™ трещин и проницаемости коллектора. В свою очередь, операции воздействия на макро- и миниуровнях должны использовать данные о капиллярной структуре и микротечениях в коллекторе, полученные при исследованиях на микро- и наноуровнях.

Выводы ко второму разделу

  • 1. Динамические явления, в частности, упругие волны различного типа, сопровождающие процесс разработки нефтегазовых месторождений, связаны с техногенными воздействиями на геосреду, а также являются откликом на сложнейшие гео-динамические процессы, развивающиеся в земной коре и верхней мантии Земли. Интерференция полей этих типов может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на интенсивность разработки месторождений нефти и газа.
  • 2. Характер развивающихся геодинамических процессов определяется многофакторностью влияния внешних сил на устойчивость трехфазных пластовых систем (жидкой и газо-конденсатной), что предопределяет применение при анализе методов теории деформации твёрдых тел и газо-гидродинамики.
  • 3. Несмотря на свою разномасштабность, геодинамические явления образуют единую цепь взаимосвязанных процессов, относящихся к различным иерархическим уровням.

4. Предлагаемая схема иерархической организации геосреды на принципах геодинамики может быть использована при оптимизации геотехнологических комплексов разведки и разработки месторождений У В.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >