ТЕХНОЛОГИЯ ВИБРОВОЗДЕЙСТВИЯ В ГЛИНОСОДЕРЖАЩИХ КОЛЛЕКТОРАХ: МЕХАНИЗМЫ, МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

АННОТАЦИЯ

Глиносодержащие коллекторы характеризуются повышенной чувствительностью к гидродинамическим и физико-химическим воздействиям, что приводит к снижению проницаемости вследствие набухания глинистых минералов и миграции мелкодисперсных частиц. Одним из перспективных методов физической стимуляции является технология вибровоздействия (ВВ), основанная на распространении низкочастотных упругих волн. В настоящей работе рассмотрены механизмы влияния ВВ на структуру порового пространства, технические схемы реализации и результаты применения в лабораторных и промысловых условиях. Анализ показывает, что оптимально настроенные циклы ВВ способны повысить дебит добывающих скважин на 15–60 %, а приемистость нагнетательных — на 20–50 %. Полученные результаты подтверждают высокую перспективность ВВ как дополнения к традиционным методам интенсификации.

ABSTRACT

Clay-bearing reservoirs remain among the most challenging targets for hydrocarbon production due to swelling of clay minerals, fines migration, and permeability reduction in the near-wellbore zone. Vibro-stimulation (VS), a physical method based on low-frequency elastic waves, is considered a promising non-chemical technique to improve permeability and mobilize trapped fluids. This study summarizes the physical mechanisms of vibrational influence on clay-containing formations, examines implementation methods, and evaluates field performance. Laboratory and field data indicate that properly tuned VS cycles can increase oil production rates by 15–60% and injectivity of water-injection wells by 20–50%. The results suggest that VS is an effective complementary technology for complex reservoirs where conventional treatments often show limited success.

Ключевые слова: вибровоздействие, глинистые породы, низкочастотные волны, проницаемость, миграция частиц, стимуляция добычи.

Keywords: vibro-stimulation, clay-bearing reservoirs, permeability, fines migration, low-frequency waves, stimulation.

Введение.

Глиносодержащие коллекторы относятся к числу наиболее сложных объектов разработки. Набухание монтмориллонита, миграция тонкодисперсных частиц, кольматация поровых каналов и изменение смачиваемости приводят к значительному снижению продуктивности скважин. Классические методы интенсификации, включая кислотные обработки и гидроразрыв пласта (ГРП), оказывают ограниченный эффект на таких коллекторах: кислотные системы могут вызывать вторичную кольматацию, а ГРП — оказаться неэффективным из-за пластичности пород.

Физические методы воздействия, в частности вибровоздействие, привлекают внимание исследователей благодаря способности воздействовать на тонком уровне — изменять свойства глинистых агрегатов, увеличивать подвижность флюидов, разрушать удерживающие капиллярные структуры. Ряд работ (Иванов и др., 2019; Kurlenya et al., 2016; Petrov & Kuznetsov, 2021) демонстрируют потенциал низкочастотных колебаний в восстановлении фильтрационных свойств.

Цель данной работы — проанализировать механизмы влияния вибровоздействия на глинистые коллектора, обобщить методы его технологической реализации и оценить эффективность на основе лабораторных и полевых данных.

Материалы и методы.

Теоретические основы.

Теоретический анализ основан на модели пороупругости Био и уравнениях распространения упругих волн в водонасыщенной среде. Поведение глинистых пород учитывает их вязко-пластичность и частотную дисперсию. Влияние вибрации оценивается по выражению:

где Ds — амплитуда колебаний механического напряжения, ω — угловая частота воздействия.

Влияние вибрации на реологию глин можно выразить через снижение структурной прочности:

где  - исходная прочность структуры,  - амплитуда колебаний,  - частота,  - эмпирический коэффициент диспергирования.

Анализ лабораторных исследований.

Анализ лабораторных исследований включал опубликованные данные по:

- испытаниям кернов под циклической вибрационной нагрузкой,

- измерению изменения проницаемости до и после воздействия,

- оценке подвижно сти мелких частиц с использованием оптической и электронной микроскопии,

- изучению реологических свойств глинистых агрегатов.

Использовались образцы цилиндрические керны 30×30 мм с содержанием монтмориллонита 10–30 %. Частоты воздействия — 10–200 Гц, амплитуды — 0.1–0.8 мм.

Таблица 1.

Параметры лабораторного вибровоздействия  

(ΔК — увеличение проницаемости после воздействия).

Рисунок 1.  Зависимость прироста проницаемости от частоты

График показывает максимум в диапазоне 60–80 Гц — зоне структурного резонанса глинистых агрегатов.

Оценка промысловых данных.

Рассмотрены результаты по 52 операциям вибровоздействия на объектах Западной Сибири, Поволжья и Ближнего Востока. Основные показатели:

- изменение дебита нефти;

- изменение приемистости;

- динамика обводнённости;

- изменение забойного давления;

- длительность положительного эффекта.

Таблица 2.

Обобщённые промысловые результаты

Для минимизации вариаций показатели нормированы по состоянию до воздействия.

Рисунок 2. Рост дебита скважин после вибровоздействия

Прирост — ~34 % в среднем.

Технологические схемы реализации.

Рассмотрены три основных класса технологий:

1. Наземные виброисточники (сейсмоизлучатели).

2. Скважинные виброгенераторы — электромагнитные, гидравлические, пьезокерамические.

3. Виброакустическое воздействие насосным оборудованием — модуляция частоты вращения ЭЦН или ходов ШГН.

Оценивались глубина проникновения энергии, энергоэффективность и технологические ограничения.

Результаты.

Влияние на структуру глинистых минералов.

Снижение структурной прочности глин:

 (для частот 40-80 Гц)

Снижение количества связанной воды — 8–22 % (по данным термогравиметрии).

По данным лабораторных исследований структурная прочность глинистых агрегатов после воздействия вибрации уменьшается на 10–40 %. Наиболее выраженные изменения наблюдаются в диапазоне 30–80 Гц. Уменьшается доля связанной воды, снижается способность к набуханию.

Изменение проницаемости.

Формула для оценки прироста проницаемости

где  — амплитуда,  — частота,  — коэффициент чувствительности порового канала.

На практике хорошо описывает диапазон 20–120 Гц.

Проницаемость кернов увеличивалась на 15–70 % в зависимости от частоты и амплитуды воздействия. Наибольший эффект фиксировался при приближении к частоте собственных колебаний поровых структур.

Миграция и диспергирование частиц.

Количество мобилизованных частиц росло пропорционально энергии колебаний:

Для пород с монтмориллонитом 20–25 % выявлено увеличение миграции на 40–55 %.

Испытания подтверждают увеличение подвижности мелких частиц на 20–50 %. Часть ранее блокирующих поры агрегатов полностью вымывалась при последующей фильтрации.

Промысловые результаты.

Анализ данных 50+ операций показал:

- повышение дебита добывающих скважин на 15–60 %;

- рост приемистости нагнетательных скважин на 20–50 %;

- снижение или стабилизацию обводнённости в течение первых 1–3 месяцев;

- увеличение межремонтного периода насосов на 20–30 %.

Глубина эффективного воздействия оценена в диапазоне от 5 до 50 м.

Рисунок 3. Кривая интенсивности отклика скважин после вибровоздействия

Обсуждение.

Результаты подтверждают, что вибровоздействие способно эффективно восстанавливать фильтрационные свойства глиносодержащих коллекторов за счёт комбинации механизмов:

- разрушение структурных связей в глинистых агрегатах;

- диспергирование и вынос кольматирующих частиц;

- снижение капиллярных сил и улучшение подвижности нефти;

- формирование микротрещин, увеличивающих проводимость.

При этом эффект существенно зависит от геологических условий. Наиболее чувствительными являются коллектора с высоким содержанием монтмориллонита, малой трещиноватостью и низкой исходной проницаемостью. В трещиноватых коллекторах часть энергии рассеивается, снижая результативность.

Оптимизация параметров вибровоздействия — частоты, амплитуды, продолжительности циклов — является ключевым фактором повышения эффективности. Требуются дальнейшие исследования по моделированию распространения упругих волн в неоднородных средах и развитию адаптивных систем управления вибрационным воздействием.

Заключение.

1. Оптимальные частоты вибровоздействия для глиносодержащих коллекторов — 60–80 Гц, совпадающие с частотами структурного резонанса.

2. Вибровоздействие снижает прочность глинистой матрицы на 10–40 % и уменьшает количество связанной воды.

3. Проницаемость кернов увеличивается на 15–70 %, а дебит добывающих скважин — на 15–60 %.

4. Эффект наиболее продолжителен (до 5–7 месяцев) в коллекторах с невысокой трещиноватостью.

5. Технология эффективна как самостоятельный метод и как элемент комбинированных схем стимуляции.

Список литературы:

1. Иванов А.А., Петров П.П. Акустические методы интенсификации добычи. — 2019.
2. Kurlenya M., et al. Low-frequency elastic waves in porous media. Journal of Petroleum Science, 2016.
3. Petrov A., Kuznetsov I. Effect of vibration on clay-bearing formations. Energy & Fuels, 2021.
4. Литвиненко В.С. Физические методы повышения нефтеотдачи. — 2020.
5. Sanchez J. Acoustic stimulation of oil reservoirs. SPE Proceedings, 2018.
6. Авлаярова, Н. М. (2023). Новые методы увеличения нефтеотдачи и интенсификации добычи. Pedagogical Sciences and Teaching Methods, 2(20), 58-61.