Mass-Based Modeling of Submicron Particle-Induced Clogging in Porous Media

Water injection into hydrocarbon reservoirs is routinely accompanied by the entrainment of suspended solids, and the most problematic fraction is sub-micron (<1 μm) particulate matter that is difficult to remove by conventional gravity treatment and can progressively impair injectivity by clogging pore constrictions. We investigated nanoparticle-driven permeability degradation using vertical quartz sand packs (column diameter 24 mm, height 0.20 m) with two sand fractions (0.316–0.20 and 0.20–0.10 mm) and two particle types: TiO₂ (≈200 nm) and WO₃ (≈80–100 nm). Permeability was evaluated from Darcy’s law and analyzed as a function of cumulative injected mass, including the specific injected mass (mass per cross-sectional area). Across all runs, k(m) exhibits a rapid, quasi-linear decline at low mass followed by a weak-sensitivity plateau at late stages, indicating progressive redistribution of flow pathways and approach to a dynamic deposition–release regime. Finer sands clogged at substantially lower cumulative mass than coarser sands, consistent with smaller characteristic throat radii, whereas the smaller WO₃ particles required a larger specific mass to reach comparable permeability loss, reflecting deeper penetration. Post-experiment sectioning revealed strongly inlet-biased retention profiles with maximum deposit load in the upper centimeters. A discrete 5-mm layered model was developed, coupling layer-wise retention, porosity loss, and a Kozeny–Carman closure with hydraulic resistances in series; parameters were identified by simultaneously matching permeability–mass curves and retained-mass profiles. The resulting framework provides a mass-based scaling variable for transferring laboratory clogging trends to near-wellbore impairment in injection and recharge wells.

Моделирование кольматации пористой среды субмикронными частицами

Закачка загрязненных вод в нефтегазовые пласты воды с целью поддержания пластового давления может сопровождаться поступлением в пласт взвешенных механических примесей. Наиболее проблемной является субмикронная фракция (менее 1 мкм), которая трудно удаляется стандартными методами подготовки и способна вызывать прогрессирующее снижение приемистости нагнетательных скважин за счет закупоривания пор. В работе исследовано снижение проницаемости, обусловленное задержанием субмикронных частиц, на вертикальных кварцевых песчаных моделях пористой среды (диаметр 24 мм, высота 0,20 м) при использовании двух фракций песка (0,316–0,20 и 0,20–0,10 мм) и двух типов частиц с характерным размером около 100 и 200 нм. Проницаемость определяли по закону Дарси и анализировали в зависимости от накопленной массы закачанных частиц. Установлено, что на начальном этапе закачки проницаемость снижается быстро, после чего процесс переходит в стадию слабой изменчивости, что соответствует формированию устойчивых путей фильтрации и приближению системы к динамическому равновесию между задержанием и выносом частиц. Для более мелкой фракции песка снижение проницаемости наступает при меньшей накопленной массе, что согласуется с меньшими характерными размерами пор. Для более мелких частиц сопоставимое снижение проницаемости достигается при большей накопленной массе, что указывает на более глубокое проникновение и распределение частиц в объеме модели. Профили распределения удержанной массы по длине характеризуются максимальной концентрацией частиц в начале модели. Для интерпретации результатов разработана дискретная послойная модель с шагом 5 мм, учитывающая задержание частиц по слоям, уменьшение пористости и связь между пористостью и проницаемостью по уравнению Козени — Кармана при последовательном суммировании гидравлических сопротивлений слоев; параметры модели определяли по согласованию экспериментальных зависимостей проницаемости от накопленной массы и профилей удержанной массы. Полученные результаты могут быть использованы для оценки снижения приемистости при закачке загрязненных вод.