Предмет физики пласта

Важное значение в процессе разработки нефтяных и газовых месторождений имеют деформации пород, происходящие в процессе эксплуатации месторождения вследствие изменения пластового давления, которое может уменьшаться со временем и вновь восстанавливаться при искусственных методах поддержания давления в залежи.

Как уже упоминалось, горная порода в пласте находится в сложных условиях напряженного состояния. При этом вертикальные и горизонтальные напряжения в основном не равны между собой. Так как в большинстве случаев истинный характер распределения напряжений в различных направлениях остается неизвестным, напряжения в породе в глубоко залегающих горизонтах оценивают некоторой средней величиной, полагая, что на большой глубине они не зависят от направления. На этом основании средние напряжения в скелете породы оценивают по законам гидростатики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.5

Представим себе элемент породы (рис.1.5), заключенный в непроницаемую эластичную оболочку и испытывающий горное давление с, а в порах пласта, насыщенного жидкостью,-- давление р. До начала эксплуатации залежи пластовое давление жидкости способствует уменьшению нагрузки, передающейся на скелет породы от массы вышележащих отложений (если кровля пласта непроницаема). Тогда давление на скелет породы (эффективное давление)

(1.28)

где р_гор -- горное давление, остающееся постоянным в процессе эксплуатации залежи; р_пл -- пластовое давление.

При извлечении нефти на поверхность пластовое давление падает, и давление на скелет пород р_ск увеличивается. Если затем увеличить р_пл, давление вышележащих пород на скелет пласта уменьшится. Наибольший интерес для разработки и эксплуатации нефтяных месторождений представляет изменение объема порового пространства пласта при уменьшении пластового давления.

Установлено, что при падении пластового давления объем порового пространства пласта уменьшается вследствие упругого расширения зерен породы и возрастания сжимающих усилий, передающихся на скелет от веса вышележащих пород. При этом зерна породы испытывают дополнительную деформацию и пористость среды уменьшается также вследствие перераспределения зерен и более плотной упаковки их и изменения структуры пористой среды.

На величину объема пор оказывают влияние цементирующие вещества породы, обладающие иногда большей упругостью, чем зерна скелета, и участвующие в процессе переукладки зерен породы.

Считается, что основные изменения объема пор при уменьшении пластового давления происходят вследствие возрастания сжимающих усилий, передающихся на пласт от веса вышележащих пород.

Объем V внешнего скелета пористой среды складывается из объемов твердой фазы и порового пространства и поэтому с изменением в породах среднего нормального напряжения и пластового давления происходят упругие изменения всех трех упомянутых величин. Тогда объемная деформация пород при всестороннем сжатии описывается тремя коэффициентами сжимаемости, которые целесообразно определять по следующим соотношениям:

; (1.29)

; (1.30)

, (1.31)

где - коэффициенты сжимаемости породы, пор и твердой фазы.

Индексы при скобках указывают на условия определения частных производных: при постоянном давлении или постоянной разности напряжений .

Объемная деформация коллекторов в реальных условиях при всестороннем сжатии зависит одновременно от разности и от давления в порах . Эффективное напряжение определяет деформацию внешнего скелета породы, а изменение давления в пласте -- деформацию твердой фазы. Тогда, с учетом формул (1.29), (1.30) и (1.31) относительные суммарные упругие деформации скелета, пор и твердой фазы будут определяться соотношениями

; (1.32)

; (1.33)

, (1.34)

где - открытая пористость коллектора.

Между -- существует следующая связь

. (1.35)

Исследования показывают, что для большинства изученных пород нефтяных месторождений уменьшение или увеличение объема пор с изменением пластового давления происходит согласно закону Гука

, (1.36)

где Vо -- объем элемента пласта (или объем исследуемого керна) в м³; ДV_пор -- изменение объема пор этого керна при изменении пластового давления на Др (в Па) в м³; в_С -- коэффициент объемной упругости пористой среды в Па^-1:

Из формулы (1.36) следует, что коэффициент объемной упругости пористой среды характеризует относительное (по отношению ко всему выделенному элементу объема пласта) изменение объема порового пространства при изменении давления на 1 Па.

По лабораторным и промысловым данным для пород нефтесодержащих пластов установлено, что в_С = (0,3 ч 2)10^-10 1/Па.

1.10 Тепловые свойства горных пород

Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими физическими параметрами:

* удельной теплоёмкостью;

* коэффициентом температуропроводности;

* коэффициентом теплопроводности.

Эти параметры необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт и решении термодинамических вопросов, связанных с прогнозированием температуры флюидов на устьях добывающих скважин, оценкой фильтрационных параметров пласта, термической обработкой продуктивных горизонтов.

Свойство горных пород поглощать тепловую энергию при теплообмене характеризуется удельной теплоёмкостью пород.

Удельная теплоёмкость оценивается количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°:

, (1.37)

где M - масса породы; dT - прирост температуры от количества теплоты (dQ), переданной породе.

Теплоёмкость пород зависит от условий их нагревания - при постоянном объеме или при постоянном давлении. При нагревании породы при постоянном объеме все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии тела. При нагревании породы при постоянном давлении часть тепла расходуется на увеличение внутренней энергии тела, а часть идет на расширение породы.

Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Причём, теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов.

Чем больше пористость, температура и влажность горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды.

Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.

Удельная теплоёмкость для горных пород, слагающих нефтяные залежи изменяется в пределах 0,4 - 1,5 кДж/(кг·К).

Коэффициент теплопроводности (л) или удельного теплового сопротивления, характеризует количество теплоты (dQ), переносимой в породе через единицу площади (S) в единицу времени (t) при градиенте температуры (dT/dx), равном единице:

. (1.38)

Коэффициент теплопроводности (табл.) возрастает с увеличением плотности пород и их влажности. С ростом пористости пород теплопроводность их уменьшается. При свободном движении вод, способствующем дополнительному переносу тепла, коэффициент теплопроводности пород возрастает с увеличением проницаемости.

С увеличением нефтенасыщенности пород коэффициент теплопроводности также уменьшается. Он мало зависит от минерализации пластовых вод.

Породам также присуща анизотропия тепловых свойств -- в направлении напластования теплопроводность выше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию.

Рост газонасыщенности пород, также как и уменьшение влажности, сопровождается уменьшением теплопроводности.

Коэффициент температуропроводности (б) горных пород характеризует скорость прогрева пород, изменения температуры пород вследствие поглощения или отдачи тепла, или скорость распространения изотермических границ.

. (1.39)

Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она более низкая, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуропроводность пород почти не зависит от минерализации пластовых вод. Вдоль напластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования.

При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного (б_L) и объёмного (б_V) теплового расширения.

. (1.40)

Величины теплопроводности и температуропроводности горных пород очень низки по сравнению с металлами (табл.). Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счёт конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергают ультразвуковой обработке. Вследствие упругих колебаний среды ускоряется процесс передачи тепла за счёт конвекции.

Наибольшими значениями коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Горная порода	с, кДж/кгК	, Вт/мК	103, м2/с	L105, 1/К
Глина	0,755	0,99	0,97	-
Глинистые сланцы	0,772	154-218	0,97	0,9
Доломит	0,93	1,1-4,98	0,86	-
Известняк кристаллический	1,1	2,18	0,5-1,2	0,5-0,89
Известняк доломитизиро-ванный	1,51	-	-	-
Кварц	0,692	2,49	1,36	1,36
Мергель	0,92-2,18	-	-	-
Песок (сухой)	0,8	0,347	0,2	0,5
Песок с влажностью 20-25 %	-	3,42	-	-
Песчаник плотный	1,27-3,01	0,838	1,39	0,5
Пластовые флюиды: Нефть	2,1	0,139	0,069-0,086	-
Вода	4,15	0,582	0,14	-

Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости, то есть взаимосвязь обратно пропорциональная.

Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.

1.11 Понятие о неоднородности коллекторов и моделях пласта

Одна из основных особенностей нефтегазосодержащих пород -- различие коллекторских свойств (пористости, проницаемости) на отдельных участках пластов. Эту пространственную изменчивость свойств пород-коллекторов нефти и газа называют литологической неоднородностью пластов.

Под геологической неоднородностью изучаемого объекта разработки следует понимать всякую изменчивость характера и степени литолого-физических свойств слагающих его пород по площади и разрезу.

По характеру неоднородности любого изучаемого объекта целесообразно рассматривать два вида: макро- и микронеоднородность.

Макронеоднородность изучаемого объекта характеризуется в разрезе чередованием пород коллекторов с практически непроницаемыми породами. На границе этих пород основные параметры продуктивных пластов будут изменяться резко и скачкообразно.

Микронеоднородность отражает структурные, текстурные и другие особенности строения выделенной для изучения «однородной» породы. Коллекторские свойства в этом случае изменяются более плавно и непрерывно.

Поскольку месторождения в основном многопластовые и, как правило, единый эксплуатационный объект содержит значительное число пластов и пропластков, скоррелированных по площади, то геологическую неоднородность целесообразно изучать по разрезу и по площади. Изучение неоднородности этих видов позволит не только охарактеризовать изменчивость величин параметров по объему, влияющих на распределение запасов нефти в недрах и их выработку, но и увязать эту изменчивость с условиями осадконакопления и последующими геологическими процессами.

Кроме того, при изучении геологической неоднородности весьма важно выделить генетически однородные (с точки зрения геологической истории) объекты исследования, ибо только в этом случае можно объективно оценить как степень неоднородности, так и характер изменчивости основных параметров продуктивных пластов.

Так как на начальных этапах исследования залежи мы не имеем достаточной информации о распределении литолого-физических свойств по резервуару коллектора для предварительных оценочных расчетов реальный пласт заменяется его моделью.

Модель пласта - это система количественных представлений о его геолого-физических свойствах, используемая в расчетах разработки нефтяного месторождения.

Модели пластов с известной степенью условности подразделяют на детерминированные и вероятностно-статистические.

Детерминированные модели -- это такие модели, в которых стремятся воспроизвести как можно точнее фактическое строение и свойства пластов. Другими словами, детерминированная модель при все более детальном учете особенностей пласта должна стать похожей на “фотографию” пласта. Практическое применение детерминированных моделей пластов стало возможным благодаря широкому развитию быстродействующей вычислительной техники и соответствующих математических методов. При расчете данных процессов. разработки нефтяного месторождения с использованием детерминированной модели всю площадь пласта или его объем разбивают на определенное число ячеек, в зависимости от заданной точности расчета, сложности процесса разработки и мощности ЭВМ. Каждой ячейке придают те свойства, которые присущи пласту в области, соответствующей ее положению.

Вероятностно-статистические модели не отражают детальные особенности строения и свойства пластов. При их использовании ставят в соответствие реальному пласту некоторый гипотетический пласт, имеющий такие же вероятностно-статистические характеристики, что и реальный. К числу наиболее известных и чаще всего используемых в теории и практике зработки нефтяных месторождений вероятностно-статистических моделей пластов относятся следующие.

Модель однородного пласта. В этой модели основные параметры реального пласта (пористость, проницаемость), изменяющиеся от точки к точке, осредняют. Часто, используя модель такого пласта, принимают гипотезу и о его изотропности, т.е. равенстве проницаемостей в любом направлении, исходящем рассматриваемой точки пласта. Однако иногда считают пласт анизотропным. При этом принимают, что проницаемость пласта по вертикали (главным образом вследствие напластования) от- чается от eгo проницаемости по горизонтали. Модель однородного в вероятностно-статистическом смысле пласта используют для пластов с действительной небольшой неоднородностью.

Наиболее просты модели однородного пласта в виде толщи горной породы с. одинаковыми во всех точках физическими свойствами. Непроницаемые верхняя (кровля) и нижняя (подошва) границы ее параллельны и горизонтальны.

Свойства пласта в количественном выражении определяют как средневзвешенные по объему величины:

. (1.41)

Чаще используют средневзвешенные по площади залежи величины, которые устанавливают с помощью карт равных значений рассматриваемых параметров:

, (1.42)

где -- параметр, определяемый как средний между двумя соседними линиями равных его значений; -- площадь, образованная двумя соседними линиями с параметрами и ; ; -- общая площадь залежи.

Модель зонально-неоднородного пласта, свойства которого не изменяются по толщине, а на его площади выделяются зоны прямоугольной или квадратной формы с различными свойствами. Каждую зону можно рассматривать как элементарный однородный объем пласта (сторона квадрата) размером больше или равным расстоянию между соседними скважинами.

Модель слоисто-неоднородного пласта представляет собой пласт, в пределах которого выделяются слои с непроницаемыми кровлей и подошвой, характеризующиеся различными свойствами. По площади распространения свойства каждого слоя остаются неизменными. Сумма всех слоев равна общей нефтенасыщенной толщине пласта, т. е. , где n -число слоев.

Модель зонально-неоднородноrо и слоисто-неоднородноrо пласта объединяет характеристики предыдущих двух моделей. Для иллюстрации на рис. изображена схематично модель такого пласта.

Модель пласта с двойной пористостью представляет собой пласт, сложенный породами с первичной (гранулярной) и вторичной (трещиноватой) пористостью. По первичной пористости определяют запасы углеводородов в пласте, поскольку коэффициент пористости на порядок больше коэффициента трещиноватости. Однако гидродинамическое движение жидкостей и газов, вызванное перепадом давления, происходит по системе трещин. Считают, что весь объем пласта равномерно пронизан системой трещин. Расстояния между двумя соседними трещинами значительно меньше расстояния между двумя соседними скважинами.

Модель зонально-неоднородного и слоисто- неоднородного пласта с двойной пористостью объединяет характеристики двух предыдущих моделей и наиболее полно отражает особенности реальных продуктивных пластов. На основе этой модели трудно определять показатели процесса разработки месторождения.

2. Углеводородное содержимое коллекторов. Нефть и газ; их состав и физические свойства

2.1 Физическое состояние нефти и газа при различных условиях в залежи

Углеводороды в зависимости от их состава, давления и температуры могут находиться в залежи в различных состояниях -- газообразном, жидком или в виде газожидкостных смесей.

При большом количестве газ располагается в виде газовой шапки в повышенной части структуры. При этом часть жидких углеводородов нефти в виде паров содержится и в газовой фазе. Под высоким давлением в пласте плотность газа приближается по величине к плотности легких углеводородных жидкостей. В таких условиях некоторое количество углеводородов растворяется в сжатом газе. В результате нефть иногда оказывается в значительной степени растворенной в сжатом газе. Если же количество газа в залежи по сравнению с объемом нефти мало, а давление достаточно высокое, газ полностью растворяется в нефти и тогда газонефтяная смесь залегает в однофазном (жидком) состоянии.

Поэтому в зависимости от условий залегания и количественного соотношения нефти и газа залежи подразделяются на:

1) чистогазовые;

2) газоконденсатные;

3) газонефтяные (с большой газовой шапкой и нефтяной оторочкой);

4) нефтяные (с различным содержанием попутного газа);

5) газогидратные (залежи твердых углеводородов).

В связи с чрезвычайно широким разнообразием сочетания давления, температуры и состава углеводородов природных залежей нефти и газа резко очерченных границ, разделяющих месторождения на отдельные типы, не существует.

В газонефтепромысловой литературе США залежи углеводородов по величине газоконденсатного фактора, плотности и цвету извлекаемых жидких углеводородов иногда условно подразделяют на газовые, газоконденсатные или газонефтяные. Газоконденсатный фактор определяется как отношение количества газа в м³, приходящееся на 1 м³ получаемой жидкой продукции -- конденсата. К газоконденсатным относят залежи, из которых добывают слабоокрашенные или бесцветные углеводородные жидкости с плотностью 740 - 780 кг/м³ с газоконденсатным фактором от 900 до 1100 м³/м³.

Газоконденсатный фактор жирных газов (богатых тяжелыми фракциями) составляет 10 000--18 000 м³/м³, а плотность конденсата -- меньше 740 кг/м³.

Следует отметить, что в 1 м³ нефти содержание растворенного газа может достигать до 1000 м³ и даже более. С этой точки зрения между нефтегазовыми и газоконденсатными месторождениями не существует строгой границы раздела. Поэтому нефтью принято называть все углеводороды, которые в пластовых условиях находятся в жидком состоянии.

Упомянутые выше цвет и плотность конденсата, как определяющие характеристики, необходимо считать условными. По данным А. Г. Дурмишьяна в поровом пространстве многих газовых и газоконденсатных месторождений Советского Союза содержится наряду с остаточной водой также и остаточная нефть. По залежи горизонта VII Карадагского газоконденсатного месторождения, например, количество связанной нефти в газовой части пласта в среднем составляет 12% от объема пор, достигая местами 27%. Поэтому из некоторых скважин, расположенных далеко от нефтяной оторочки, извлекается конденсат с темной окраской, который содержит смолы.

Для более обоснованного подразделения залежей углеводородов на газовые, газоконденсатные или газонефтяные пользуются характеристиками фазовых превращений, протекающих по-разному в зависимости от состава углеводородов и условий в залежи (об этом см. в последующих разделах).

Обычно считалось, что углеводороды находятся в земной коре лишь в свободном, жидком или газообразном состоянии. Из скоплений углеводородов образуются нефтяные, газовые и газоконденсатные залежи.

В последние годы группой советских ученых доказано существование газогидратных залежей, содержащих газ в пластах в твердом (гидратном) состоянии. Наличие такого газа в земной коре обусловлено свойством его при определенных давлениях и температурах соединяться с водой и образовывать гидраты. Газогидратные залежи резко отличны по физическим параметрам от залежей, содержащих углеводороды в свободном состоянии. Поэтому подсчет запасов газа и разработка таких залежей во многом отличаются от применяемых для обычных месторождений природного газа.

В структуре газогидратов молекулы воды образуют ажурный каркас (то есть «решётку хозяина»), в котором имеются полости. Эти полости могут занимать молекулы газа («молекулы - гости»).

Запасы углеводородного сырья в газогидратном виде оцениваются как ~2·10¹⁶ м³, что заметно превышает запасы топлива на Земле во всех остальных видах вместе взятых.

Расположение газогидратных залежей в земной коре определяется термодинамической характеристикой разреза, составом газа и минерализацией пластовых вод.

Районы распространения газогидратных залежей в основном приурочены к зоне распространения вечной мерзлоты. Глубина залегания газогидратных залежей достигает 2 -2,5 тыс. м.

В процессе разработки месторождений физическое состояние и свойства углеводородов с изменением давления и температуры не остаются постоянными. Для правильного установления технологического режима эксплуатации месторождения и систем сбора нефти и газа необходимо знать изменение состояний и свойств углеводородов в широком диапазоне давления и температур.

2.2 Состав нефтей

В тесной связи с химическим составом нефти находятся ее физико-химические свойства в пластовых условиях, которые определяют закономерности движения ее в пласте.

Химическим составом нефти обусловлены некоторые особенности эксплуатации нефтяных месторождений. Например, одни из нефтей содержат больше парафина, смол и поверхностно-активных веществ, другие меньше. В зависимости от этого эксплуатация месторождения будет в той или иной мере осложнена из-за отложения парафина в трубах и образования водонефтяных эмульсий, которые необходимо разрушать. Поэтому химический состав нефти и ее физико-химические свойства необходимо знать с начала эксплуатации залежи.

По элементарному составу многие нефти более чем на 99% состоят из углерода и водорода. В небольших количествах в нефти содержатся кислород, азот, сера и в очень малых количествах хлор, йод, фосфор, мышьяк, калий, натрий, кальций, магний, а иногда радий.

Наиболее широко в нефти представлены углеводороды метанового или парафинового ряда общего состава С_nН_2n+2 и полиметиленовые углеводороды или нафтены (С_nН_2n). Кроме парафинов и нафтенов, одна из постоянных составных частей нефти -- ароматические углеводороды, но они весьма редко бывают главной ее составной частью. Большой интерес для промысловой практики представляют некоторые другие классы органических соединений, на присутствие которых указывает содержание в нефти кислорода, азота, серы и других элементов. Количество этих соединений (нафтеновые кислоты, асфальтены, смолы и т. д.) в составе природных нефтей незначительно. Но кислород и серосодержащие вещества существенно влияют на свойства поверхностей раздела в пласте, на распределение жидкостей и газов в поровом пространстве и, следовательно, на закономерности движения жидкостей и газов. Это обусловливается сравнительно высокой поверхностной активностью большинства кислород- и серосодержащих соединений нефти, так как в результате адсорбции на поверхности поровых каналов и других поверхностях раздела изменяются их свойства. С этими веществами также тесно связаны процессы, имеющие важное промысловое значение -- образование и разрушение нефтеводяных эмульсий, выделение из нефти и отложение парафина в эксплуатационных трубах и в поровых каналах пласта.

Таким образом, в промысловой практике кислород, азот и серосодержащие соединения, а также парафин и церезин имеют особое значение. Рассмотрим эти соединения более подробно.

Парафин

Очищенный парафин представляет собой бесцветную или белую кристаллическую массу, не растворимую в воде. Хорошо растворяется парафин в эфире, хлороформе, бензоле, минеральных маслах.

Плотность чистого парафина колеблется от 907 до 915 кг/м³ при 15° С. Температура плавления парафина ввиду неоднородности его химического состава находится в пределах 40--60° С.

Состав и природа нефтяного парафина очень сложны, и данные о строении и свойствах углеводородов, входящих в его состав, еще далеко не полны. Установлено, что он состоит из двух групп твердых углеводородов, резко отличающихся друг от друга по свойствам, -- парафинов и церезинов.

Парафинами называют углеводороды состава С₁₇ -- С₃₅, имеющие температуру плавления 27--71° С. Нефтяные церезины имеют более высокую относительную молекулярную массу (состав их С_3б--С_5б), а температура плавления их 65--88° С. При одной и той же температуре плавления церезины по сравнению с парафинами имеют более высокую плотность и вязкость. Отличаются они также и по строению кристаллов. Парафины образуют пластинки и пластинчатые ленты, переплетающиеся между собой. Кристаллы легкоплавкого парафина имеют большие размеры, чем тугоплавкого. Церезины же кристаллизуются в виде мелких игл, плохо соединяющихся между собой, и поэтому они не образуют прочных застывающих систем, как парафины. Церезин и парафин обладают различными химическими свойствами.

Предполагается, что парафиновые и церезиновые углеводороды образуют два независимых гомологических ряда состава С_nН_2n+2 причем парафины, по-видимому, обладают нормальным строением. Церезины же относятся к углеводородам, имеющим изостроение, т. е. они представляют собой смесь изопарафинов. Содержание парафинов в нефти иногда достигает 13--14% и больше.

Физические и физико-химические свойства нефтяных парафинов, а также условия их выделения из нефти и отложения в скважинах изучены недостаточно, что задерживает усовершенствование методов борьбы с их отложениями.

Кислородные соединения нефти

Кислород содержится в смолистых и кислых веществах нефти (нафтеновые и жирные кислоты, фенолы).

Нафтеновые кислоты представляют собой производные полиметиленовых углеводородов, содержащие карбоксильную группу с общей эмпирической формулой С_nН_2n+20₂. В некоторых нефтях найдены нафтеновые кислоты -- производные ароматических или нафтеноароматических углеводородов.

Нафтеновые кислоты -- либо жидкие, либо кристаллические вещества, мало растворимые в воде, имеющие высокую плотность.

По химическим свойствам эти кислоты сходны с обычными карбоновыми. Со щелочами они образуют соли (нафтенаты), хорошо растворимые в воде, вступают в реакцию с окислами металлов, также образуя соли. При наличии воды и повышенной температуры нафтеновые кислоты непосредственно реагируют со многими металлами, корродируя оборудование.

Нафтеновые кислоты содержатся во всех нефтях, но содержание их незначительно -- от сотых долей процента до 2%.

Содержание фенолов, жирных кислот и их производных в нефти не превышает 4--10% от содержания нафтеновых кислот, но состав их очень разнообразен. Так, например, в ряде нефтей были найдены жирные кислоты от муравьиной до высших (уксусная, пальмитиновая, стеариновая и др.).

Сернистые соединения нефти

Нефти Российской федерации содержат от долей процента до 5--6% серы. Она присутствует в нефтях и в свободном состоянии и в виде сероводорода, но в основном входит в состав различных сернистых соединений и смолистых веществ.

Из органических сернистых соединений в нефти найдены меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и др.

Для одной из нефтей России получены следующие данные о массовой концентрации различных сернистых соединений в нефти в процентах [29].

Меркаптаны (R-SН) имеют строение, аналогичное спиртам. Метилмеркаптан (СН₃SН) - газообразное вещество (температура кипения 7,6° С). Этилмеркаптан и высшие гомологи при нормальных условиях - жидкости. Со щелочами и окислами тяжелых металлов меркаптаны образуют меркаптиды.

Меркаптаны и сероводород - наиболее активные сернистые соединения нефти кислого характера. Они вызывают сильную коррозию оборудования.

Сульфиды и дисульфиды представляют собой нейтральные жидкие вещества, не реагирующие со щелочами. Считается, что из сернистых соединений известного строения сульфиды наиболее распространены в нефти, а дисульфиды имеют вторичное происхождение и образуются в результате окисления воздухом меркаптанов.

Сернистые соединения -- вредные примеси нефти.

Асфальто-смолистые вещества

Содержание асфальто-смолистых веществ в нефтях РФ колеблется в пределах 1 -40%. Наибольшее количество смол содержится в тяжелых темных нефтях, богатых ароматическими углеводородами.

Асфальто-смолистые вещества -- высокомолекулярные органические соединения, в состав которых входят углерод, водород, кислород, сера и азот.

Основная масса асфальто-смолистых веществ состоит из большого числа нейтральных соединений неизвестного строения и непостоянного состава, что затрудняет их изучение.

Различные составляющие асфальто-смолистых веществ отличаются по физическим свойствам, например, растворимостью в углеводородах. На этой основе асфальто-смолистые вещества делятся на:

1) нейтральные смолы, растворимые в легком бензине (петролейном эфире);

2) асфальтены, не растворимые в петролейном эфире, но растворимые в бензоле;

3) асфальтогеновые кислоты и их ангидриды -- вещества кислого характера, не растворимые в петролейном эфире, но растворимые в бензоле.

Большая часть асфальто-смолистых веществ нефти представлена нейтральными смолами, которые в чистом виде -- жидкие или полужидкие вещества от темно-желтого до коричневого цвета плотностью 1000--1070 кг/м³. Темная окраска нефти обусловлена в основном присутствием в ней нейтральных смол.

К особенностям нейтральных смол относится их способность превращаться в асфальтены. Этот процесс может протекать самопроизвольно просто на свету, а наиболее интенсивно протекает при нагревании с одновременным продуванием воздуха.

Асфальтены по химическим свойствам близки к смолам и являются также нейтральными веществами. Они представляют собой кислородные полициклические соединения, содержащие, кроме углерода и водорода, также серу и азот. При растворении (например, в бензоле) в отличие от нейтральных смол асфальтены набухают с увеличением объема и дают коллоидные растворы. Из этого следует, что в нефтях асфальтены находятся, по-видимому, в виде коллоидных систем.

Асфальтогеновые кислоты -- смолистые вещества кислого характера. В их состав входят углерод, водород, кислород и сера (до 3%). Содержатся они в нефти в небольших количествах. По внешнему виду асфальтогеновые кислоты -- вязкие смолообразные вещества темного цвета плотностью больше единицы. Натровые соли асфальтогеновых кислот, которые могут образоваться при контакте щелочных вод с нефтью, плохо растворимы в воде.

Содержание компонентов нефти выражают массовой (в процентах) или мольной концентрацией (в долях единицы). При этом обычно указывают содержание только газовых и наиболее летучих жидких компонентов (пентана, гексана и др.). Все остальные компоненты рассматривают как тяжелый нелетучий остаток.

2.3 Классификация нефтей

В зависимости от содержания легких, тяжелых и твердых углеводородов, а также различных примесей нефти делятся на классы и подклассы. По количеству серы нефти делятся на три класса: малосернистые (при содержании серы не более 0,5%), сернистые (при содержании серы более 0,5% - 2%) и высокосернистые (более 2%).

По содержанию смол нефти подразделяются на подклассы: малосмолистые (содержание смол ниже 18%), смолистые (от 18 до 35%) и высокосмолистые (выше 35%).

По содержанию парафина (точнее, по застыванию масляных фракций) нефти делятся на три подкласса: малопарафинистые (1,5% по массе) , парафинистые (1,5 - 6%) и высокопарафинистые (более 6%) (при застывании масляной фракции нефти соответственно ниже --15° С, от --15° до +20° С и выше +20° С).

В промысловой практике нефть считается парафинистой при содержании в ней более 2% парафина.

На территории РФ встречаются нефти разнообразного химического состава и свойств. Даже нефти различных пластов одного и того же месторождения могут сильно отличаться друг от друга. Однако нефти каждого района СССР имеют свои особенности.

Так, например, нефти Урало-Волжского района обычно содержат значительное количество смол, парафина и сернистых соединений. В бензиновых фракциях преобладают нафтеновые углеводороды. Бакинский район характеризуется большим разнообразием свойств и состава нефтей. Здесь наряду с бесцветными, состоящими из одних только бензиновых и керосиновых фракций, встречаются тяжелые нефти, не содержащие бензиновых фракций. Имеются нефти высокосмолистые, а также почти совсем не содержащие смол. Многие нефти Бакинского района содержат нафтеновые кислоты и почти не имеют парафина. Нефти Западной Сибири в основном малосмолистые, малосернистые, малопарафинистые.

2.4 Физические свойства нефти

Физические свойства нефти в пластовых условиях значительно отличаются от свойств товарных (дегазированных) нефтей.

Отличия обусловлены влиянием высоких пластовых давлений, температур, содержанием растворенного газа, количество которого может достигать до 400-1000 м³ на 1 м³ нефти.

При проектировании систем разработки нефтяных месторождений, подсчёте запасов нефти и попутного газа, подборе технологий и техники извлечения нефти из пласта, выборе и обосновании оборудования для сбора нефти на промыслах необходимо знать основные свойства нефтей пластовых и дегазированных (поверхностных).

Свойства пластовых нефтей изучаются по глубинным пробам, отбираемым с забоя скважины, поверхностных - по пробам из отдельных аппаратов систем сбора и подготовки. Разберем их подробнее.

2.4.1 Плотность

Плотность характеризует количество массы вещества, в единице объёма [кг/м3; г/см3]:

. (2.1)

Плотность нефтей определяют специальными ареометрами, пикнометрами или весами Вестфаля.

Обычно плотность сепарированной нефти колеблется в пределах 800-940 кг/м³. По величине плотности нефти условно разделяют на три группы: лёгкие (800-860), средние (860-900) и тяжелые с плотностью 900-940 кг/м³.

В пластовых условиях под действием растворенного газа и температуры плотность нефти обычно ниже плотности сепарированной нефти. Известны нефти,

плотность которых в пласте меньше 500 кг/м³ при плотности сепарированной нефти 800 кг/м³.

Не все газы, растворяясь в нефти, одинаково влияют на ее плотность. При повышении давления плотность нефти значительно уменьшается при насыщении ее углеводородными газами (метаном, пропаном, этиленом). Плотность нефтей, насыщенных азотом или углекислотой, несколько возрастает с ростом давления.

Рост давления выше давления насыщения нефти газом также способствует некоторому увеличению ее плотности (рис., правая ветвь кривой). При снижении давления до точки начала выделения газа плотность недонасыщенной нефти уменьшается (правая ветвь кривых).

2.4.2 Вязкость нефти

Вязкость - важнейшее свойство нефтяных систем, определяющее их текучесть. Величины вязкости учитываются при оценке скорости фильтрации в пласте, при выборе типа вытесняющего агента, при расчете мощности насосов, применяемых при добыче нефти и других показателей.

Вязкость - свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц при движении.

Различают динамическую и кинематическую вязкости.

В соответствии с законом Ньютона сила внутреннего трения между слоями пропорциональна площади и градиенту разности скоростей слоев по толщине

(2.2)

За единицу динамической вязкости принимается вязкость такой жидкости, при движении которой возникает сила внутреннего трения в 1Н (Ньютон) на площади 1 м2 между слоями, движущимися на расстоянии 1 м с относительной скоростью 1м/сек.

Размерность динамической вязкости: [µ]=Па·с. (Паскаль-секунда).

Кинематическая вязкость - отношение динамической вязкости к плотности, измеряется в м²/с.

Вязкость пластовой нефти почти всегда значительно отличается от вязкости сепарированной вследствие большого количества растворенного газа, повышенной пластовой температуры и давления. При этом все нефти подчиняются следующим общим закономерноcтям: вязкость их уменьшается с повышением количества газа в растворе, с увеличением температуры; повышение давления вызывает некоторое увеличение вязкости.

Увеличение вязкости нефти с ростом давления заметно лишь при давлениях выше давления насыщения. До этого увеличение вязкости с ростом давления значительно перекрывается понижением ее вследствие влияния растворяющегося газа (рис.2.2).

Зависимость вязкости нефти от количества растворенного газа и температуры для некоторых нефтей показана на рис. 2.3.

Вязкость нефти зависит также от состава и природы растворенного газа. При растворении азота вязкость увеличивается, а при растворении углеводородных газов она понижается тем больше, чем выше молекулярная масса газа. Практически вязкость нефти в пластовых условиях различных месторождений (табл. 15) может изменяться от многих сотен мПа сек до десятых долей мПа* сек (от нескольких пуаз до десятых долей сантипуаза).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.3

2.4.3 Структурно-механические свойства аномально-вязких нефтей

Реологические характеристики нефти в значительной степени определяются содержанием в ней смол, асфальтенов, твердого парафина, порфиринов. Асфальтены за счет плохой растворимости в углеводородах представляют собой коллоидные системы. Мицеллы асфальтенов стабилизируются смолами.

При значительном содержании парафина и асфальтенов вязкость нефти зависит от скорости сдвига, т.е. приобретает свойства неньютоновских жидкостей.

Структурно-механические свойства движущихся неньютоновских жидкостей изучает наука - реология.

Как известно, вязкость ньютоновских жидкостей зависит только от температуры и давления и касательное напряжение , возникающее в движущихся слоях жидкости, пропорционально градиенту скорости :

. (2.3)

Данное уравнение записывается в форме, аналогичной закону Гука, путем следующих преобразований

, (2.4)

где - длина в направлении скорости движения ; - время.

Величина характеризует сдвиг слоев (деформацию), и, следовательно, у ньютоновских жидкостей скорость сдвига пропорциональна касательному напряжению и обратно пропорциональна вязкости жидкости

. (2.5)

Данное уравнение называют реологическим уравнением.

Вязкость неньютоновской жидкости зависит не только от давления и температуры, но и от скорости деформации сдвига и предыстории состояния жидкости (от времени ее нахождения в спокойном состоянии). Свойства этих жидкостей описываются реологическим уравнением другого вида

. (2.6)

В зависимости от вида функции эти жидкости разделяются на три вида:

1) бингамовские пластики;

2) псевдопластики;

3) дилатантные жидкости.

Реологические кривые для различных видов жидкостей приведены на рисунке.

Реологическая кривая 1 относится к бингамовским пластикам. В этом случае нефть проявляет свойства пластической жидкости. В состоянии равновесия нефтяная система ведет себя как пластическая жидкость (рис. 3.26) и обладает некоторой пространственной структурой, способной сопротивляться сдвигающему напряжению (ф), пока величи-на его не превысит значение статического напряжения сдвига (ф_о). После достижения некоторой скорости сдвига нефть способна течь как ньютоновская жидкость.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения аномальной вязкости таких пластичных тел Ф. Н. Шведовым предложено следующее реологическое уравнение:

, (2.7)

где Е -- модуль Юнга;

-- предельное напряжение сдвига;

-- скорость деформации;

- период релаксации (определяет время, необходимое для «рассасывания»

упругих напряжений, возникших в теле при постоянной деформации .

Бингамом аналогичное вязкопластичное течение описывается уравнением:

. (2.8)

Два последних уравнения идентичны и обычно объединяются в одну формулу Шведова - Бингама:

(2.9)

где динамическое напряжение сдвига;

- пластическая вязкость, не зависящая от скорости сдвига и равная угловому

коэффициенту линейной части зависимости .

За эффективную вязкость пластичных тел принимается вязкость некоторой ньютоновской жидкости, величина которой

. (2.10)

Эффективная вязкость пластичных тел является переменной величиной.

Псевдопластики (реологическая кривая 2 на рис. III.26) характеризуются отсутствием предела текучести, а также тем, что эффективная их вязкость понижается с увеличением скорости сдвига. Псевдопластиками такие жидкости называют потому, что в определенном интервале напряжений они подчиняются уравнению Шведова -- Бингама.

Дилатантные жидкости (кривая 4) также относятся к телам, у которых отсутствует предел текучести, однако их эффективная вязкость в отличие от псевдопластиков повышается с возрастанием скорости сдвига. Такой тип течения характерен для суспензий с большим содержанием твердой фазы. Предполагается, что в покое жидкость равномерно распределяется между плотно упакованными частицами и при сдвиге с небольшой скоростью жидкость служит смазкой, уменьшающей трение частиц. При больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается, система расширяется и жидкости становится недостаточно для смазки трущихся поверхностей. Действующие напряжения в таком случае должны быть значительно большими.

Движение псевдопластиков и дилатантной жидкости аппроксимируется степенным законом зависимости касательного напряжения и модуля скорости деформации

2.4.4 Растворимость газов в нефти

От количества растворенного в пластовой нефти газа зависят все ее важнейшие свойства: вязкость, сжимаемость, термическое расширение, плотность и другие.

Распределение компонентов нефтяного газа между жидкой и газообразной фазами определяется закономерностями процессов растворения. Способность газа растворяться в нефти и воде имеет большое значение на всех этапах разработки месторождений от добычи нефти до процессов подготовки и транспортировки.

Сложность состава нефти и широкий диапазон давлений и температур затрудняют применение термодинамических уравнений для оценки газонасыщенности нефти при высоких давлениях.

Процесс растворения для идеального газа при небольших давлениях и температурах описывается законом Генри:

, (2.11)

где Vг - объём растворённого газа при данной температуре;

- коэффициент растворимости газа;

Vж - объём жидкости-растворителя;

Р - давление газа над поверхностью жидкости.

Коэффициент растворимости газа показывает, какое количество газа (Vг) растворяется в единице объёма жидкости (Vж) при данном давлении:

. (2.12)

Коэффициент растворимости зависит от природы газа и жидкости, давления, температуры.

Количество выделившегося из нефти газа зависит не только от его содержания в нефти, но и от способа дегазирования. Различают контактное разгазирование, когда выделившийся газ находится в контакте с нефтью, и дифференциальное разгазирование, когда выделившийся из нефти газ непрерывно отводится из системы.

Однократное стандартное (контактное) разгазирование (ОСР) - процесс характеризуется тем, что образовавшиеся паровая и жидкая фазы находятся в равновесии и не разделяются до окончания процесса, а при достижении конечной температуры их разделяют в один приём, однократно.

При дифференциальном разгазировании часть жирных газов остается растворенным в нефти, чем предотвращаются неоправданные потери ценного углеводородного сырья.

Строгое соблюдение условий дифференциального разгазирования в лабораторных условиях затруднено, поэтому этот процесс заменяют на ступенчатое дегазирование, используя многократное (ступенчатое) разгазирование.

Газовый фактор пластовой нефти

где Vг - объём газа, выделившегося из объема Vн нефти в процессе её изотермического контактного разгазирования. Vн - объём дегазированной нефти, полученный из пластовой в процессе её разгазирования.

Объём выделившегося равновесного нефтяного газа (Vг) приведён к стандартным условиям (давление атмосферное - 100 кПа, температура - 293,15 К) или к нормальным условиям (0,1013 МПа, 273,15 К).

По статистическим данным Г. Ф. Требина из 1200 залежей около 50 % имеют газовый фактор от 25 до 82 м³/м³. То есть в 1 м³ нефти в пластовых условиях растворено от 25 до 82 м³ газа.

Для нефтяных месторождений Западной Сибири величина газового фактора изменяется в диапазоне от 35 до 100 м³/м³, для нефтегазовых залежей величина газового фактора может доходить до 250 м³/м³.

2.4.5 Давление насыщения нефти газом

Давлением насыщения пластовой нефти называют максимальное давление, при котором растворённый газ начинает выделяться из нефти при изотермическом её расширении в условиях термодинамического равновесия. В пластовых условиях до начала разработки залежи давление насыщения может соответствовать пластовому давлению (нефть полностью насыщена газом) или быть меньше его (нефть недонасыщена газом), но не может быть больше пластового давления.

Нефти и пластовые воды с давлением насыщения, равным пластовому давлению, называются насыщенными. Если залежь имеет газовую шапку, то нефти, как правило, насыщенные.

Разница между Р_пл и Р_нас может изменяться в диапазоне от десятых долей до десятков МПа. Пробы нефти, отобранные из одной и той же залежи, имеют разные показатели по величине давления насыщения. Это связано с изменением состава газа и нефти и их свойств в пределах залежи. Давление насыщения зависит от пластовой температуры, соотношения объёмов нефти и растворенного газа, их состава и свойств. С повышением температуры давление насыщения может значительно увеличиваться (рис. 2.4)

С увеличением молекулярной массы нефти (плотности) этот параметр увеличивается при всех прочих равных условиях.

С увеличением в составе газа числа компонентов, относительно плохо растворимых в нефти, давление насыщения увеличивается. Особенно высоким давлением насыщения характеризуются нефти, в которых растворено значительное количество азота.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.4

Большинство месторождений Томской области и в Западной Сибири являются недонасыщенными залежами.

2.4.6 Сжимаемость нефти

Нефть, как и все жидкости, обладает упругостью, то есть способностью изменять свой объём под действием внешнего давления.

Уменьшение объёма нефти при увеличении давления характеризуется коэффициентом сжимаемости (вн) или объёмной упругости:

, (2.13)

где ?V - уменьшение объёма нефти;

V - исходный объём нефти;

?Р - увеличение давления.

Из выражения (2.13) следует, что коэффициент сжимаемости (вн) характеризует относительное изменение единицы объёма нефти при изменении давления на единицу.

Нефти, не содержащие растворённого газа, обладают сравнительно низким коэффициентом сжимаемости (вн ? 0,4-0,7 ГПа-¹), а легкие нефти со значительным содержанием растворенного газа - повышенным коэффициентом сжимаемости (до 14 ГПа-¹, приставка Г - гига > увеличение в 10⁹).

Коэффициент сжимаемости нефти зависит от температуры (рис. 2.5). Возрастание пластовой температуры вызывает увеличение коэффициента сжимаемости (рис. 2.5, 2.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.5 Рис 2.6

С уменьшением пластового давления до давления насыщения коэффициент сжимаемости нефти растёт, и такая закономерность продолжается вплоть до давления насыщения.

Коэффициент сжимаемости нефти зависит от состава нефти и величины газового фактора.

С увеличением плотности нефти коэффициент сжимаемости уменьшается, а с увеличением количества растворенного углеводородного газа в ней коэффициент сжимаемости нефти возрастает.

Высокие коэффициенты сжимаемости свойственны нефтям, которые находятся при пластовых условиях, близких к критическим, в частности нефтям, окаймляющим газоконденсатные залежи.

2.4.7 Объемный коэффициент нефти

С количеством растворённого газа в нефти связана величина объёмного коэффициента (b). Величина которого характеризует соотношение объёма нефти в пластовых условиях и после отделения газа на поверхности при дегазации:

, (2.14)

где V_пл - объём нефти и растворённого в ней газа в пластовых условиях;

V_дег - объём нефти при стандартных условиях после дегазации.

Если в начальный момент времени давление в пласте P₀ = P_пл > P_нас, то при дальнейшей разработке залежи и уменьшении пластового давления объемный коэффициент нефти будет расти за счет упругого увеличения объема, занимаемого нефтью в поровом пространстве пласта. При достижении в определенной части пласта давления насыщения дальнейшее снижение пластового давления приведет к выходу части газа, растворенного в нефти, и, как следствие, к уменьшению V_пл и, соответственно к уменьшению объемного коэффициента нефти (Рис.2.7).

Рис.2.7

Объёмный коэффициент определяется по результатам исследования глубинных проб. Для большинства месторождений величина b изменяется от 1,07-1,3.

Для месторождений Западной Сибири величина объёмного коэффициента нефти b колеблется от 1,1 до 1,2.