Предмет физики пласта

В области выше критической с изменением температуры и давления в многокомпонентной системе происходят необычные фазовые превращения. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим изобарическое расширение насыщенной газом жидкости по линии EF (рис. 3.5) вследствие повышения температуры от Т₁ до Т₃. В точке Е с увеличением температуры жидкость закипает. По мере увеличения температуры вначале объем газовой фазы увеличивается. Однако с дальнейшим повышением температуры объем газовой фазы, достигнув максимума, очевидно, вновь начинает уменьшаться, так как в точке F₁, так же как и в точке Е, лежащей на кривой начала парообразования, содержание паровой фазы в системе равно нулю.

Необычные процессы испарения и конденсации возможны также и при температурах выше критических -- в области CNBC. Например, при изотермическом расширении от точки Н до М, расположенных на линии точек начала конденсации, система проходит двухфазную область. Причем количество конденсата в ней вначале увеличивается. После достижения максимума жидкая фаза далее в точке М исчезает. Аналогичные явления в области выше критических р_с и Т_с наблюдаются не только при изотермическом или изобарическом расширении и сжатии смеси, но также и при осуществлении процесса по любой другой кривой.

Рассмотренные необычные процессы фазовых превращений двух и многокомпонентных систем в области выше критической называются процессами обратного или ретроградного испарения и конденсации.

Фазовая диаграмма, приведенная на рис. 3.5, типична для многих систем. Однако условия возникновения ретроградных явлений и вид PVT-диаграммы (V -- удельный объем, р -- давление и Т -- абсолютная температура) в области критических точек могут быть в зависимости от состава углеводородных смесей другими. Так, например, на рис. 3.6 показаны фазовые диаграммы в координатах Р -Т (давление - температура), построенные для других условий возникновения ретроградных явлений. Диаграмма (рис. 3.6, а) аналогична зависимости р -V, приведенной на рис. I5.5. Здесь в области BCN возникают процессы обратной изотермической конденсации, а в области ACD -- процессы обратного изобарического испарения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.6 Различные виды фазовых диаграмм 1 - кривая точек парообразования; 2 - кривая точек конденсации

Если критическая область характеризуется диаграммой (рис. 3.6,б), где критическая точка С существует при давлении и температуре ниже максимальных р' и Т', лежащих на кривой парообразования, то изотермическое обратное испарение происходит в области CBN, а изобарическое ретроградное испарение -- в области ACND.

Обычно критическая точка находится справа от максимального давления, при котором могут одновременно сосуществовать жидкая к газовая фазы, когда в углеводородной смеси массовая концентрация гептана и более тяжелых фракций высокая, а метана низкая (см. рис, 3.4).

Ретроградные явления характеризуются диаграммой вида (рис. 3.6, в), когда максимальное давление р' находится на кривой точек конденсации, а критическое давление -- между р' и давлением, соответствующим крикондентерме Т'. Изотермическая ретроградная конденсация возникает тогда по любой вертикальной линии в области BCDN. В области CAD могут происходить явления обратной изобарической конденсации. Такие диаграммы характерны для жирных и конденсатных газов.

Из рис. 3.5 и 3.6 следует, что изотермические ретроградные явления происходят только при температурах выше критической и ниже максимальной двухфазной температуры (крикондентермы). Изобарические процессы испарения и конденсации наблюдаются между критическим и максимальным двухфазным давлением (криконденбарой).

Ретроградные процессы испарения и конденсации сопровождаются непрерывным изменением состава и объемного соотношения жидкой и паровой фаз. Например, по диаграмме (рис. 3.7), соответствующей фазовой диаграмме, приведенной на рис. 3.6,в, можно проследить за течением процессов обратного испарения и конденсации.

На рис. 3.7 нанесены дополнительные кривые, характеризующие количество (в процентах) углеводородов в системе, находящихся в жидком состоянии при различных давлениях и температурах. По изотерме (допустим, AM) от давления начала конденсации до области более высоких давлений можно проследить за характером ретроградного процесса. При давлении, соответствующем точке О, молекулы приблизятся друг к другу достаточно, чтобы силы притяжения начали действовать между тяжелыми молекулами; образуется жидкая фаза, состоящая в основном из тяжелых углеводородов. Этот процесс будет происходить до давления р_к. При этом давлении выделяется максимальное количество жидкой фазы и называется оно давлением максимальной конденсации. С дальнейшим повышением давления притяжение между легкими молекулами, оставшимися в газе, до этого слабое станет более эффективным из-за большей близости молекул. С этого момента молекулы сконденсировавшихся углеводородов начинают вновь втягиваться в паровую фазу. С увеличением давления выше р_к взаимодействие молекул в жидкости также несколько уменьшается вследствие растворения в ней легких углеводородов. Относительная плотность газовой фазы увеличивается, и компоненты жидкой фазы начинают все более и более растворяться в плотной газовой фазе до тех пор, пока не закончится процесс ретроградного испарения. Из сказанного следует, что процесс ретроградного испарения можно упрощенно рассматривать как процесс растворения тяжелых компонентов в плотной паровой фазе подобно тому, как тяжелые фракции нефти растворяются в легком бензине.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.7 Фазовая диаграмма вблизи критической точки 1 - кривая точек парообразования; 2 - кривая точек конденсации

Описанные явления обратной конденсации часто встречаются в природных условиях. Залежи, которым свойственны ретроградные явления, называются газоконденсатными.

4. Пластовые воды и их физические свойства

В большинстве месторождений вместе с нефтью и газом в пласте залегает вода. Она обычно занимает пониженные зоны нефтяных и газовых пластов, а иногда в разрезе продуктивной пачки выделяются самостоятельные водоносные горизонты.

Различают следующие виды пластовых вод (рис.4.1):

* краевые воды, заполняющие поры вокруг залежи - 1;

* подошвенные воды, заполняющие поры коллектора под залежью - 2;

* остаточные воды, оставшиеся со времён образования залежи - 3;

* промежуточные воды, расположенные между продуктивными пропластками, приуроченные к водоносным пропласткам, залегающим в нефтяном пласте - 4;

* верхние - 5;

* нижние - 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1

Подошвенными или краевыми принято называть воды, заполняющие поры коллектора под залежью и вокруг нее. Иногда краевые воды находятся и в верхних размытых сводовых частях антиклинальных складок или в головных частях моноклинально залегающих нефтеносных пластов. Промежуточными называют воды, приуроченные к водоносным пропласткам, залегающим в самом нефтеносном пласте.

Верхние и нижние воды приурочены к чисто водоносным пластам, залегающим выше и ниже нефтеносного пласта.

В продуктивных пластах нефтяной и газовой частей залежи также содержится вода. Эту воду, оставшуюся со времени образования залежи, называют остаточной. Связанные водоносные и продуктивные части пластов представляют единую гидродинамическую систему и различные изменения пластового давления и свойств пластовых жидкостей при эксплуатации месторождения происходят не без влияния водоносной части резервуара, окружающей залежь. Пластовая вода часто является агентом, вытесняющим нефть из пласта. Ее свойства, следовательно, будут влиять на количество вытесняемой из пласта нефти, так как некоторые воды лучше отмывают нефть, другие хуже. Поэтому свойства пластовых вод имеют большое значение в промысловой практике.

4.1 Состояние остаточной (связанной) воды в нефтяных и газовых коллекторах

Состояние остаточной воды и начальное распределение нефти, газа и воды в пористой среде пласта определяются многочисленными свойствами пористой среды и пластовых жидкостей - структурой пор и составом пород, физико-химическими свойствами пород и пластовых жидкостей, количеством и составом остаточной воды и т. д.

Начальное распределение нефти, остаточной воды и газа в пористой среде пласта влияет на процессы движения нефти в пористой среде и вытеснения ее водой из пласта. В зависимости от количества, состава и состояния остаточных вод находится молекулярная природа поверхности нефтяного коллектора. Если остаточная вода в пласте в виде тонкой пленки покрывает поверхность поровых каналов, то поверхность твердой фазы остается гидрофильной. Если же пленка воды отсутствует, то нефть непосредственно соприкасается с твердой поверхностью и вследствие адсорбции поверхностно-активных веществ нефти поверхность нефтяного коллектора становится в значительной степени гидрофобной. Следовательно, формы существования остаточной воды необходимо учитывать во всех процессах, в которых молекулярная природа поверхности твердой фазы имеет существенное значение. Это необходимо учитывать при изучении нефтеотдачи пласта.

Распределения остаточной воды в поровом пространстве существенно влияют на фазовые проницаемости породы для нефти, воды и газа. Многие другие характеристики пласта: смачиваемость пород вытесняющими жидкостями, интенсивность капиллярных процессов, количество нефти, остающейся в поровом пространстве пласта после истощения пластовой энергии и др., также зависят от первоначального распределения жидкостей в пласте.

По распространенной гипотезе о происхождении нефтяных месторождений предполагается, что породы большинства нефтяных и газовых коллекторов были вначале заполнены и смочены водой, а нефть, по-видимому, появилась в пласте в более поздний период. Вода, первоначально заполнявшая породу, не могла быть удалена полностью из пласта при образовании залежи. Часть ее осталась в виде погребенной воды.

По вопросу о виде остаточной воды, находящейся в пористой среде и других дисперсных телах, различные исследователи высказывают не одинаковое мнение. Однако большинство из них приходит к заключению о существовании:

1) капиллярно связанной воды в узких капиллярных каналах, где интенсивно проявляются капиллярные силы;

2) адсорбционной воды, удерживаемой молекулярными силами у поверхности твердого тела и прочно связанной с частицами пористой среды; при этом молекулы адсорбированной воды ориентированы (свойства адсорбированной воды значительно отличаются от свойств свободной);

3) пленочной воды, покрывающей гидрофильные участки поверхности твердой фазы;

4) свободной воды, удерживаемой капиллярными силами в дисперсной структуре (ограничивается менисками на поверхностях раздела вода - нефть, вода - газ).

При анализе кернового материала в образце породы обычно определяется общее количество остаточной воды без количественной оценки различных ее видов. Это объясняется неопределенностью условий существования и классификации остаточной воды и сложностью раздельного ее определения по видам.

Состояние остаточной воды в нефтяном и газовом пластах определяется физико-химическими свойствами жидкостей. Чаще всего сплошная пленка воды между нефтью и твердой фазой отсутствует и большая часть остаточной воды находится в капиллярно удержанном состоянии. При этом от свойств воды в большой степени зависит состояние связанной воды. С увеличением концентрации солей в минерализованной остаточной воде, первоначально заполнявшей керн, в последующем увеличивается степень гидрофобизации твердой фазы нефтью вследствие десольватирующего (т. е. разрушающего сольватные соли) действия ионов солей. Устойчивые пленки воды на поверхности твердого тела возникают только при очень низком значении поверхностного натяжения между водой и нефтью, при слабой минерализации воды. На этом основании можно предполагать, что в пластах, содержащих высокополярные нефти и слабо минерализованные сильно щелочные остаточные воды, последние находятся в капиллярно удержанном и пленочном состоянии.

Общее количество различных форм остаточной воды в породе зависит также от состава и физических свойств пород и пластовых жидкостей. На рис. 4.2 приведена зависимость остаточной водонасыщенности пород от проницаемости кернов [15].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4.2 Зависимость остаточной водонасыщенности пород от их проницаемости 1- мелкозернистые пески; 2-среднезернистые пески; 3 - крупнозернистые пески, известняки и доломиты; 4 и 5 - песчаники различных участков Туймазинского месторождения; 6 - известняки Новостепновского месторождения; 7 - известняки Карташевского месотрождения

Приведенные кривые не универсальны. Для пород с иной структурой пор и содержащих другие количества глинистого материала зависимость остаточной водонасыщенности от проницаемости может количественно отличаться от приведенных. Однако характер зависимости в большинстве случаев тот же - с увеличением проницаемости количество остаточной воды в породе уменьшается.

4.2 Состояние переходных зон нефть - вода, нефть - газ и вода - газ

Водо-нефтяной контакт в пласте представляет собой различной мощности переходную зону от воды к нефти. Строение этой зоны и распределение в ней воды и нефти определяются в основном гравитационными и капиллярными силами. Последние находятся в сложной зависимости от свойств и состава пород и физико-химических свойств пластовых жидкостей. Большое многообразие свойств пород обусловливает значительные изменения мощности переходной зоны в одной и той же залежи. В песчаниках высокой проницаемости, отличающихся отсортированностью зерен, мощность переходной зоны не превышает нескольких десятков, сантиметров. В мелкозернистых песчаниках с плохо отсортированными зернами ее мощность достигает 6 - 8 м.

Состояние свободной и связанной воды и нефти в переходной зоне также определяется свойствами всех фаз системы и степенью водонефтенасыщенности пород. В лаборатории физики нефтяного пласта МИНХ и ГП установлено, например, что в песчаниках Зольненского месторождения проницаемостью 0,350 мкм² при водонасыщенности 35 - 40% поровые каналы заполнены смесью нефти и воды, в которых нефть не представляет собой сплошной фазы. При проницаемости 0,650 мкм² сплошность нефти нарушается при 28 - 30% водонасыщенности. Практически безводный приток нефти из песчаников Бавлинского и Туймазинского месторождений получают при водонасыщенности их до 32 - 35% от объема пор.

Для оценки величины и строения переходной зоны, кроме геофизических методов, иногда используют экспериментальные усредненные зависимости водонасыщенности от капиллярного давления (рис. 4.3), полученные путем вытеснения воды нефтью.

Рис. 4.3. Схема изменения водонасыщенности пород по вертикали.

По этим зависимостям можно приближенно определить распределение нефти и воды по вертикали, а также среднюю водонасыщенность переходной зоны пласта. При этом предполагают, что под действием капиллярных сил вода в поровых каналах пласта проникла до высоты, на которой капиллярное давление уравновесилось гидростатическим столбом воды, т. е. справедливо соотношение

, (4.1)

где - капиллярное давление;

- соответственно плотности пластовой воды и нефти;

- ускорение силы тяжести;

- высота над уровнем 100% насыщения пласта водой.

Отсюда

. (4.2)

Так как капиллярное давление - функция водонасыщенности , тогда

. (4.3)

Эта зависимость отличается от только постоянным множителем и, следовательно, кривая, выражающая зависимость водонасыщенности от высоты над уровнем воды, и зависимость будут одинаковыми, если на оси ординат вместо отложить в необходимом масштабе соответствующее данному значению расстояние от водо-нефтяного контакта . Используя эту кривую (рис. 4.3), где капиллярное давление преобразовано в высоту столба , которым уравновешивается данное капиллярное давление можно приближенно оценить распределение воды и нефти по вертикали в переходной зоне, а также среднее содержание воды по всей мощности пласта. Так, например, среднее содержание воды в порах пласта в интервале от до

. (4.4)

Величина интеграла в этой формуле определяется площадью под кривой между соответствующими значениями и .

Следует учитывать, что в практических условиях распределение нефти и воды в переходной зоне может быть значительно сложнее вследствие большого многообразия свойств пород пластовой системы. Поэтому при использовании осредненных кривых зависимости «капиллярное давление -- водонасыщенность», полученных по результатам усреднения большого числа анализов, получаем сугубо приближенное представление о распределении воды и нефти в переходной зоне и по вертикали в пласте в целом. Одна из причин этого обусловлена, вероятно, влиянием капиллярного гистерезиса на высоту капиллярного поднятия и распределения воды в пластовых условиях.

М. М. Кусаков и Д. Н. Некрасов установили, что в капиллярах переменного сечения может существовать несколько равновесных высот подъема (капиллярный гистерезис) в зависимости от формы капилляра.

Действительно, для капилляра с профилем, приведенным на рис. 4.4, существует несколько высот капиллярного подъема жидкости, для которых соблюдается условие, определяющее равновесную высоту подъема :

, (4.5)

где - потенциальная энергия смачивающей жидкости в капилляре:

. (4.6)

Рис.4.4 Схематический график функции для капилляра «синусоидальной» формы

Здесь - капиллярное давление, выраженное в тех же единицах, что и давление столба жидкости высотой ; - объем жидкости в капилляре.

Для пористых сред, состоящих из бесконечно большого числа капилляров различного сечения сложной формы и сообщающихся друг с другом, капиллярный гистерезис может выражаться большим числом равновесных высот капиллярного подъема.

Еще более сложное строение водо-нефтяного контакта возникает при вытеснении нефти водой в процессе эксплуатации залежи: кроме проницаемости, капиллярного подъема и физико-химических свойств жидкости, на строение водо-нефтяной зоны влияют динамические факторы - градиенты давлений, фазовые проницаемости системы и т. д.

Иногда этот контакт имеет наклонное положение, что связывается с движением подземных вод, характером проницаемости коллектора и другими специфическими факторами в строении залежи. На газо-нефтяном контакте также имеется переходная зона от нефтяной до чисто газовой части пласта. Строение этой части залежи также определяется равновесием гравитационных и капиллярных сил, а также физическими и физико-химическими свойствами системы нефть - порода - газ.

Если не учитывать влияние третьей фазы (остаточной воды), то уравнения, аналогичные (4.1) и (4.2), можно использовать для приближенной оценки распределения нефти и газа в переходной зоне. Следует, однако, учитывать, что фактический характер распределения нефти и газа осложняется присутствием остаточной воды. Капиллярный подъем жидкости в условиях трехфазной системы недостаточно исследован. Из уравнения (4.2) все же следует, что высота переходной зоны нефть -- газ должна быть меньше высоты водо-нефтяной переходной зоны, так как разница плотностей между нефтью и газом больше, чем между водой и нефтью, а поверхностное натяжение нефти на границе с водой и на границе с газом могут быть близкими по значению.

4.3 Минерализация пластовых вод

Минерализация вод нефтяных месторождений колеблется от нескольких сотен г/м³ в пресной воде до 300 кг/м³ в концентрированных рассолах. Основные минеральные вещества, входящие в состав пластовых вод, представлены солями натрия, калия, кальция, магния и некоторых других металлов. Основными солями пластовых вод являются хлориды, карбонаты щелочных металлов и бикарбонаты щелочей и щелочноземельных металлов. Вблизи нефти сульфаты встречаются редко. Многие пластовые воды отличаются повышенным содержанием йода, брома и NH₄. Из газообразных веществ в пластовых водах содержатся углеводородные газы, а иногда и значительные количества сероводорода. Например, в водах горизонта Б₂ месторождения Зольное содержится до 20 г/м³ сероводорода.

По степени минерализации пластовые воды делятся на четыре группы:

*рассолы (Q > 50 г/л);

*солёные (10 < Q < 50 г/л);

*солоноватые (1< Q < 10 г/л);

*пресные (Q <1 г/л).

Минерализация пластовой воды растёт с глубиной залегания пластов. Минерализация вод нефтяных месторождений колеблется от нескольких сотен г/м³ в пресной воде до 300 кг/м³ в концентрированных рассолах.

Состав пластовых вод определяется многими факторами: минеральным составом пород пласта, характером его гидрогеологического режима, возрастом пластов, температурными условиями, величиной пластового давления и т. д.

Исследования показывают, что состав связанной воды может быть иной, чем пластовой. Так, например, среднее содержание хлора в связанной воде ярегского песчаника (по С. Л. Заксу) оказалось в 2,5 раза выше, чем в воде, добываемой вместе с нефтью. Содержание хлора в связанной воде доломитов Новостепановского месторождения изменяется от 19 до 335 кг/м³ при среднем содержании хлора в водах этого месторождения около 100 кг/м³.

Еще плохо изучены органические вещества пластовых вод. Установлено, что в большинстве из них содержатся анионы и мыла нафтеновых и жирных кислот, фенолы и азотсодержащие кислоты. Общее содержание органических анионов достигает иногда 5 кг/м³. В жестких водах, содержащих большие количества кальция, нафтенаты выпадают из раствора в виде кальциевых мыл. Предполагается, что часть веществ, относимых в минерализованных водах к нафтеновым кислотам, представляет собой фенолы и их производные (феноляты). Все упомянутые органические составляющие перешли в воду из нефти, и они влияют на нефтевымывающие свойства вод при вытеснении нефти из пласта.

Нефтяные залежи, имеющие промышленное значение, находятся в большинстве случаев в зоне затрудненного водообмена. Однако присутствие в некоторых пластах пресных вод обусловлено гидродинамической связью, существующей между нефтеносными пластами и поверхностными областями питания. Имеется много месторождений, где нефть залегает вместе с пресной водой или с водами, характеризующимися низкой концентрацией солей. Поэтому наличие гидродинамической связи нефтяного пласта с поверхностными источниками питания не всегда сопровождается вымыванием нефти из ловушек и разрушением залежи.

4.4 Тип пластовой воды

По типу растворённых в воде солей различают хлоркальциевые (хлоркальциево-магниевые) и гидрокарбонатные (гидрокарбонатно-натриевые, щелочные) пластовые воды. Тип пластовой воды определяется анионом.

Гидрокарбонатный тип воды определяется солями угольной кислоты, обусловленный наличием карбонат-анионов ( ), или бикарбонат-анионов ( ). Соли всех остальных кислот относятся к хлоркальциевому типу. В основном это соли соляной или серной кислот и тип воды, обусловленный их наличием, характеризуется присутствием хлор-анионов (Cl-) и сульфат-анионов ( ).

4.5 Жёсткость пластовых вод

Соли пластовых вод влияют и определяют её жёсткость. Жёсткостью называется суммарное содержание растворённых солей двухвалентных катионов: кальция, магния и железа.

Жёсткость различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную). Временная жёсткость или карбонатная (Ж_к) обусловлена содержанием в воде карбонатов или гидрокарбонатов двухвалентных металлов: кальция, магния, железа.

Постоянная жёсткость или некарбонатная (Ж_нк) обусловлена наличием в воде сульфатов или хлоридов (или соли других кислот) двухвалентных металлов: кальция, магния, железа.

Общая жёсткость воды определяется как сумма карбонатной и некарбонатной:

Ж_о = Ж_к + Ж_нк . (4.1)

Жёсткость воды оценивается содержанием в ней солей в миллиграмм эквивалентах на литр .

Ж_к, Ж_нк оценивают как сумму жесткостей всех i-ых ионов (?g_i): Ж_-о = g_i.

Жесткость иона оценивается отношением массы иона к его эквиваленту:

, (4.3)

где m_vi - концентрация i-го иона в воде (мг/л); э_i - эквивалент i-го иона.

Эквивалент иона оценивается отношением молекулярной массы иона (М_I) к его валентности (n):

, (4.4)

где М_i - молекулярная масса иона; n - валентность иона.

Природные воды в зависимости от содержания в них двухвалентных катионов кальция, магния, железа подразделяются на следующие группы:

· очень мягкая вода - до 1,5 мг-экв/л;

· мягкая вода - 1,5-3,0 мг·-экв/л;

· умеренно жёсткая вода - 3,0-6,0 мг-экв/л;

· жёсткая вода - более 6 мг-экв/л.

Жесткость пластовой воды и группа пластовой воды по жесткости определяются экспериментально-расчётным путём.

Временную (карбонатную) жёсткость можно устранить термическим методом, длительным кипячением или химическим методом - добавлением гидроксида кальция Са(ОН)₂. В обоих случаях выпадает в осадок карбонат кальция СаСО₃.

Постоянную жёсткость устраняют химическим способом с помощью добавления соды или щёлочи.

4.6 Физические свойства пластовых вод

4.6.1 Плотность

Плотность пластовых вод сильно зависит от минерализации, то есть содержания растворённых в ней солей. В среднем плотность пластовых вод изменяется в диапазоне 1010-1210 кг/м³.

Однако встречаются и исключения, например плотность пластовых вод может достигать величины 1450 кг/м³.

Пластовые воды месторождений нефти Томской области имеют небольшую плотность, они - слабоминерализованы. Величина их изменяется в интервале:

· для мезозойских залежей 1007-1014 кг/м³;

· для палеозойских 1014-1048 кг/м³;

· для сеноманского горизонта 1010 -1012 кг/м³.

4.6.2. Вязкость

Вязкость воды в пластовых условиях зависит от температуры и минерализации. С возрастанием минерализации пластовых вод вязкость их возрастает.

Наибольшую вязкость имеют воды хлоркальциевого типа воды. Вязкость их приблизительно в 1,5-2 раза больше вязкости чистой воды (рис. 4.2). С возрастанием температуры вязкость пластовых вод уменьшается. Влияние давления на величину вязкости пластовых вод проявляется двояко.

В области низких температур (0-32^оС) с возрастанием давления вязкость уменьшается, а в области температур выше 32 ^оС возрастает.

Рис. 4.2. Зависимости вязкости различного типа вод от температуры по В.И.Сергеевич и Т. П. Жузе: 1 - вода Каспийского моря при 29,4 МПа; 2,3 - хлоркальциевый тип воды Туймазинского месторождения при 19,6 МПа и 29,4 МПа; 4 - чистая вода при 29,4 МПа

4.6.3 Сжимаемость

Коэффициент сжимаемости пластовой воды характеризует относительное изменение объёма воды при изменении давления на единицу:

Вода - слабо сжимаемая система. Коэффициент сжимаемости воды изменяется для пластовых условий от 3,7·10-¹⁰ Па-¹ до 5,0·10-¹⁰ Па-^1.

При наличии растворённого газа величина коэффициента сжимаемости пластовой воды увеличивается. Коэффициент сжимаемости воды, насыщенной газом (в_вг) можно приближённо оценивать по формуле

_вг = _в (1 + 0,05Г),

где _в - коэффициент сжимаемости чистой воды, Па-¹.

Г - количество газа, растворённого в воде, м³/м³.

5. Молекулярно-поверхностные свойства системы нефть - газ - вода - порода

Нефтяной пласт представляет собой огромное скопление капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Мы уже видели, что иногда поверхность поровых каналов 1м³ нефтесодержащих пород составляет несколько гектаров. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и ее вытеснения из пористой среды наряду с объемными свойствами жидкостей и пород (вязкость, плотность, сжимаемость и др.) во многом зависят от свойств пограничных слоев соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

Более интенсивное проявление свойств пограничных слоев по мере диспергирования (дробления) тела обусловлено возрастанием при этом числа поверхностных молекул по сравнению с числом молекул, находящихся внутри объема частиц. В результате с ростом дисперсности системы явления, происходящие в поверхностном слое, оказывают все большее влияние на движение воды и газа в нефтяных и газовых коллекторах.

Поверхностные явления и поверхностные свойства пластовых систем, по-видимому, сказались также и на процессах формирования нефтяных и газовых залежей. Так, например, степень гидрофобизации поверхности поровых каналов нефтью, строение газо-нефтяного и водо-нефтяного контактов, взаимное расположение жидкостей и газов в пористой среде, количественное соотношение остаточной воды и нефти и некоторые другие свойства пласта, обусловлены поверхностными и капиллярными явлениями, происходившими в пласте в процессе формирования залежи.

Очевидно также, что важнейшую проблему увеличения нефтеотдачи пластов нельзя решить без детального изучения процессов, происходящих на поверхностях контакта минералов с пластовыми жидкостями и свойств тонких слоев жидкостей, соприкасающихся с породой.

5.1 Капиллярные силы

Молекулярные силы взаимодействия между различными веществами, насыщающими горные породы, играют важную роль в процессах извлечения нефти и газа из недр. Капиллярные силы представляют собой одну из форм проявления межмолекулярных сил.

Характер молекулярного взаимодействия зависит от природы вещества. При нормальных расстояниях между молекулами вещества (при нормальных давлении и температуре) взаимодействие молекул выражается в притяжении их друг к другу. При сильном сближении молекул возникают силы отталкивания.

Сила взаимодействия молекул Fo сильно зависит от расстояния г между молекулами при малых г.

Функция Fo (r) для простых молекул, имеющих сферическую форму, имеет вид, показанный на рис. 5.1. Представим себе две жидкости А и В, настолько диспергированные одна в другой, что их молекулы равномерно распределены в объеме, который занимают эти жидкости.

Рис. 5.1

Пусть молекулы жидкости В сильнее притягиваются к молекулам жидкости А, чем между собой. Тогда любое случайное скопление молекул В (рис. 35) окажется недолговечным -- молекулы жидкости А «растащат» молекулы жидкости В. Жидкость В является в данном случае полностью растворимой в жидкости А.

Если же взаимное притяжение молекул жидкости В намного больше притяжения молекул жидкости В к молекулам жидкости А или если между этими разносортными молекулами существуют силы отталкивания, то скопление молекул жидкости В, находящихся в жидкости А, будет устойчивым. Такие жидкости называются взаимно нерастворимыми или несмешивающимися. Следовательно, характер взаимодействия молекул различных веществ определяет их взаимную растворимость.

Рассмотрим схематично молекулы двух взаимно нерастворимых веществ, находящихся в соприкосновении друг с другом (рис. 5.2). Будем считать, что молекулы жидкостей А и В испытывают взаимное отталкивание, причем силы отталкивания действуют в направлении, перпендикулярном поверхности раздела жидкостей. Молекулы А и В испытывают также притяжение в сторону той жидкости, которой они принадлежат. Допустим теперь, что молекулы жидкости В, находившиеся первоначально в сильно диспергированном состоянии в жидкости А, собрались в одну каплю. В том случае, когда молекулы жидкости В были сильно диспергированы в жидкости А, они обладали большей потенциальной энергией, чем когда собрались в каплю. Чтобы диспергировать жидкость В в жидкости А, нужно затратить дополнительную работу. Если не прилагать к системе, состоящей из жидкости А с диспергированной в ней жидкостью В, никакой дополнительной энергии, то молекулы жидкости В будут уменьшать свою потенциальную энергию, сливаясь в более крупные скопления. В конце концов жидкость В соединится в одну каплю. Эта капля будет иметь форму шара, если пренебрегать действием силы тяжести, поскольку потенциальная энергия молекул жидкости В в данном случае примет наименьшее значение. Следует заметить, что самопроизвольное соединение капель жидкости В будет происходить не во всех случаях. Если, например, на внешней оболочке капель присутствуют вещества, вызывающие отталкивание капель, то это будет приводить к образованию стойкой эмульсии жидкости В в жидкости А.

Итак, молекулы жидкости В, находящиеся на границе с жидкостью А, будут испытывать отталкивание от молекул жидкости А и притяжение со стороны молекул жидкости В (см. рис. 5.2). Таким образом, возникнет состояние, аналогичное тому, как будто бы капля жидкости В сжимается упругой оболочкой. В результате ( давление внутри капли не будет равно давлению в жидкости А, окружающей каплю.

Рис.5.2 Взаимное притяжение молекул А и В

Рассматривая поверхностные силы, действующие на границе раздела двух жидкостей в капле, содержащей большее число молекул, можно уже не учитывать взаимодействие отдельных молекул, а перейти к использованию понятий, свойственных механике сплошных сред. Учитывая это, рассмотрим участок поверхностей, разделяющих две жидкости в капле (рис. 5.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5.3 Действие усилий на элемент поверхности раздела жидкостей А и В.

Верхний элемент поверхности относится к жидкости А, а нижний -- к жидкости В; dl₁ и dl₂ -- длины дуг поверхности, имеющие радиусы R₁ и R₂, a б -- угол между соответствующими направлениями радиуса. Из равновесия этого участка поверхностей вытекает, что к единице длины сечения внешней оболочки капли должны быть приложена сила у_а, а к внутренней оболочке - сила у_в.

Условие равновесия поверхностей раздела двух жидкостей выражается формулой Лапласа

(5.1)

Величина у называется поверхностным натяжением на границе раздела двух жидкостей. Поверхностное натяжение имеет размерность силы, отнесенной к расстоянию. Его можно определить также как энергию, приходящуюся на единицу поверхности раздела между двумя жидкостями.

Если капля жидкости В имеет форму шара, то R₁ = R₂, и из формулы (5.1) получаем формулу Кельвина

. (5.2)

Поверхностное натяжение (у) характеризует избыток свободной энергии, сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз или работу образования новой поверхности в изотермических условиях:

. (5.3)

Величину коэффициента поверхностного натяжения можно определить как величину работы, необходимой для образования 1 см² новой поверхности (Дж/м², Н/м).

Поверхностное натяжение является свойством не отдельно взятого вещества, а свойством поверхности контакта двух или большего числа веществ. Можно говорить, например, о поверхностном натяжении воды на границе с воздухом или на границе с нефтью, однако без указания контактирующего с водой вещества понятие поверхностного натяжения теряет смысл. Одно и то же вещество может иметь различные величины поверхностного натяжения на границе с различными веществами. Так, вода на границе с воздухом имеет поверхностное натяжение 75·10^~3Н/м, а на границе с нефтью - около 30·10^~3Н/м.

По поверхностному натяжению пластовых жидкостей на различных поверхностях раздела можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, о закономерностях взаимодействия жидких и твердых тел, о процессах адсорбции, о количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, об интенсивности проявления капиллярных сил и т. д. Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение жидкостей можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения (у) зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов. Поверхностное натяжение с увеличением давления понижается, тем сильнее, чем ниже температура. Поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры. Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением давления (рис. 5.4) и температуры для нефти такой же, как и у воды.

Влияние этих факторов на величину поверхностное натяжение (у) можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения. С увеличением давления величина (у) жидкости на границе с газом понижается. С повышением температуры происходит ослабление межмолекулярных сил и величина поверхностного натяжения чистой жидкости (чистой воды) на границе с паром уменьшается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.4 Зависимость поверхностного натяжения небитдагской нефти от давления 1 - на границе с метаном (при t = 20°С); 2 - на границе с метаном (при t = 60°С); 3 - на границе с этан-пропановой смесью.

С увеличением количества растворенного газа в нефти величина поверхностного натяжения нефти на границе с газом уменьшается, а на границе с водой возрастает.

Количественные изменения величины поверхностного натяжения зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, состава газа (рис. 5.4, кривая 3), количества растворенного газа, количества и природы полярных компонентов и других факторов.

Поверхностное натяжение нефти на границе с водой или другой жидкостью зависит от следующих факторов.

1. От количества имеющихся в ней поверхностно-активных компонентов: асфальтенов, смолистых веществ, нафтеновых кислот. Нефть, содержащая наименьшее количество указанных веществ, имеет наибольшую величину поверхностного натяжения на границе с водой. Наоборот, нефти, содержащие наибольшее количество поверхностно-активных веществ, имеют наименьшую величину поверхностного натяжения на границе с водой. Эта закономерность объясняется физическим смыслом величины поверхностного натяжения.

2. От природы другой жидкости, с которой нефть соприкасается. Например, при соприкосновении с водой в большинстве случаев поверхностное натяжение нефти меньше, чем при соприкосновении с воздухом. Чем выше плотность нефти, тем больше ее поверхностное натяжение на границе с воздухом и тем меньше на границе с водой.

Поверхностное натяжение большинства пластовых вод гидрокарбонатного типа (воды щелочные) на границе с некоторыми нефтями весьма невелико, от 1 до 7,5 мН/м (идёт диспергирование фаз).

Хлоркальцевый тип вод (жесткие пластовые воды, кислые по природе) имеет более высокие значения величин поверхностного натяжения на границе с пластовой нефтью, от 7 до 14 мН/м.

Морская вода на границе с нефтью продуктивной толщи Апшеронского полуострова имеет также высокое поверхностное натяжение, от 14 до 23 мН/м.

5.2 Смачивание и краевой угол

Величину поверхностного натяжения твердого тела непосредственно измерить трудно. Поэтому для исследования процессов взаимодействия твердых тел с жидкостями и газом пользуются косвенными методами изучения поверхностных явлений, протекающих на контактах между твердыми и жидкими телами. К таким методам относятся измерение работы адгезии (Адгезия измеряется работой, которую надо затратить, чтобы оторвать твердое тело от жидкости в направлении нормали к поверхности раздела), исследование теплоты смачивания и углов избирательного смачивания и т. д.

Смачиванием называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие - несмешиваемые жидкости или жидкость и газ.

Капля жидкости может растекаться по поверхности, если поверхность хорошо смачивается, а если поверхность плохо смачивается, то капля растекаться не будет (рис. 5.5).

Гидрофильная Гидрофобная Нейтральная

Рис. 5.5

Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания И, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 5.5, 5.6). Краевой угол (И) измеряется в сторону более полярной фазы, в сторону воды. Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 - углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 - твёрдое тело.

Рис. 5.6

Из условия равновесия векторов (предполагая, что краевой угол И отвечает термодинамическому равновесию) получим

у_2,3 = у_1,3 + у_1,2·cosИ (5.4)

откуда получается выражение для краевого угла (И):

cos = (у_2,3 - у_1,3)/ у_1,2.. (5.5)

В этих уравнениях величины у_3,2 и у₁₃ практически неизвестны. Поэтому о соотношении поверхностных натяжений у_3,2 и у₁₃ (т. е. о процессах, происходящих на границе твердого тела с другими фазами) судят по углу , который служит мерой смачивания жидкостями поверхности твердого тела и, следовательно, представляет косвенную характеристику взаимодействия твердого тела с другими фазами.

Величина , если исключить влияние силы тяжести, не зависит от размеров капли и определяется лишь молекулярными свойствами поверхности твердого тела и соприкасающихся фаз. Поэтому, исходя из теории поверхностных явлений, можно установить связь краевого угла смачивания с поверхностным натяжением между твердым телом и жидкостью. Например, поверхность должна лучше смачиваться той жидкостью, которая обладает меньшей разностью полярностей между твердым телом и жидкостью, т. е. меньшей величиной поверхностного натяжения на их разделе (рис. 5.5).

Высокополярные жидкости, т. е. жидкости с высоким поверхностным натяжением, хуже смачивают твердую поверхность, чем жидкости малополярные (т. е. обладающие меньшим поверхностным натяжением). Например, такая высокополярная жидкость, как ртуть, смачивает только некоторые металлы; вода - жидкость, менее полярная, чем ртуть, поэтому вода смачивает, кроме металлов, многие минералы и кристаллические соли; малополярные масла смачивают на границе с воздухом все известные твердые тела.

По величине угла избирательного смачивания, образующегося при контакте воды, нефти и породы, наряду с другими параметрами можно судить о качестве вод и их отмывающей и нефтевымывающей способности. Лучше отмывают нефть воды, хорошо смачивающие породу. Поэтому изучению явлений смачивания в нефтепромысловом деле уделяется очень большое внимание.

5.3 Адгезия и теплота смачивания

Кроме измерения углов смачивания, взаимодействие жидких и твердых тел может быть исследовано путем изучения работы адгезии и теплот смачивания.

Адгезия - слипание поверхностей двух соприкасающихся разнородных твердых или жидких тел (в физике).

Когезия (от лат. cohaesus - связанный, сцепленный) -- сцепление друг с другом частей одного и того же тела (жидкого или твердого). Обусловлена химической связью и межмолекулярным взаимодействием.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

Wa = у_1,2 + у_2,3 - у_1,3,, (5.6)

где у₁₂ -- поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом;

у₃₂ и у₃₁ -- поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом и с жидкой фазой.

Неизвестные величины у₃₂ и у₃₁ из уравнения (5.6) можно исключить, если использовать соотношение (5.4) и (5.5). Подставляя в уравнение Дюпре вместо у₃₂ и у₃₁ их значения из (5.4), получим уравнение Дюпре -- Юнга

(5.7)

Из соотношения следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твердого тела уменьшается на . Величину принято называть натяжением смачивания.

Из уравнения (5.7) следует, что на отрыв жидкости от поверхности твердого тела при полном смачивании, когда , затрачивается работа , необходимая для образования двух жидких поверхностей.

Это значит, что при полном смачивании жидкость отрывается не от поверхности твердого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т. е. при полном смачивании .

Для гидрофобных поверхностей характерно соотношение , т. е. жидкость может отрываться от поверхности. При = 180°, т. е. при полной несмачиваемости жидкостью поверхности твердого тела, работа адгезии равна нулю. Следовательно, работа адгезии может служить показателем смачиваемости или прилипаемости жидкостей к поверхности твердого тела.

Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, количество которого зависит от природы поверхности и смачивающих её жидкостей.

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твердого тела и природу его поверхности. Большее количество тепла выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твердую поверхность. Поэтому отношение теплот смачивания жидкости может служить термической характеристикой смачиваемости этой поверхности.

Более определенно степень гидрофильности или гидрофобности поверхности горных пород оценивают путем сравнения теплоты смачивания керна водой с теплотами смачивания полностью гидрофобизованной и гидрофилизованной породы. Среднее значение теплот смачивания нефтенасыщенных кернов ряда нефтяных месторождений Западной Сибири колеблется от 6,3 до 24,4 кДж/кг.

Поверхность горных пород отличается значительной неоднородностью по смачиваемости. Это можно объяснить многими причинами. Большое влияние на свойства поверхностей оказывают процессы адсорбции, которые зависят от большого многообразия факторов, связанных как с составом пластовых жидкостей и пород, так и с условиями их контакта в пласте. Свойства поверхности минералов, кроме явлений адсорбции, зависят и от процессов химического взаимодействия жидкостей и минералов, ионного обмена, растворения и электрокинетических явлений. Значительно влияет на эти процессы сложное строение самой поверхности минералов. Вследствие влияния на свойства поверхности горных пород большого числа факторов, избирательная смачиваемость их пластовыми жидкостями может изменяться в широких пределах. Некоторые породы, по-видимому, полностью гидрофобизованы нефтью. Большинство же исследованных коллекторов газовых месторождений сложены гидрофильными породами.

6. Режимы работы залежей

Режимом работы залежи называется проявление преобладающего вида пластовой энергии в процессе разработки.

6.1 Источники и характеристики пластовой энергии

Энергия - это физическая величина, определяющая способность тел совершать работу. Работа, применительно к нефтедобыче, представляется как разность значений энергии или освободившаяся энергия, необходимая для перемещения нефти в пласте и дальше на поверхность. Различаем естественную и, в случае ввода извне, с поверхности, искусственную пластовую энергию. Они выражаются в виде потенциальной энергии как энергии положения и энергии упругой деформации.

Потенциальная энергия положения

, (6.1)

где - масса тела (пластовой или закачиваемой с поверхности воды, нефти, свободного газа); - ускорение свободного падения; - высота, на которую поднято тело по сравнению с произвольно выбранной плоскостью начала отсчета (для жидких тел - это гидростатический напор).

Поскольку масса тела , , то энергия положения равна произведению объема тела V на создаваемое давление :

, (6.2)

где - плотность тела. То есть чем больше масса тела и высота его положения (напор) или объем тела и создаваемое им давление, тем больше потенциальная энергия положения.

Потенциальная энергия упругой деформации

, (6.3)

где - сила, равная произведению давления на площадь ; - линейная деформация (расширение).

Так как приращение объема , то

. (6.4)

Приращение объема при упругой деформации можно представить, исходя из закона Гука, через объемный коэффициент упругости среды

, (6.5)

то

. (6.6)

Следовательно, чем больше упругость и объем среды (воды, нефти, газа, породы), давление и возможное снижение давления , тем больше потенциальная энергия упругой деформации. Количество пластовой воды и свободного газа определяется соответственно размерами водоносной области и газовой шапки, а количество растворенного в нефти газа - объемом нефти и давлением насыщения нефти газом (по закону Генри) или газосодержанием (газонасыщенностью) пластовой нефти (объемное количество растворенного газа, измеренного в стандартных условиях, которое содержится в единице объема пластовой нефти):

, (6.7)

где - коэффициент растворимости газа в нефти.

Отсюда следует, что основными источниками пластовой энергии служат:

- энергия напора (положения) пластовой воды (контурной, подошвенной);

- энергия напора (положения) нефти.

- энергия расширения свободного газа (газа газовой шапки);

- энергия расширения растворенного в нефти газа;

- энергия упругости (упругой деформации) жидкости (воды, нефти) и породы;

Эти виды энергии могут проявляться в залежи совместно, а энергия упругости нефти, воды, породы наблюдается всегда. В нефтегазовых залежах в присводовой части активную роль играет энергия газовой шапки, а в приконтурных зонах - энергия напора или упругости пластовой воды. В зависимости от темпа отбора нефти добывающие скважины, расположенные вблизи внешнего контура нефтеносности, могут создавать такой экранирующий эффект, при котором в центре залежи действует в основном энергия расширения растворенного газа, а на периферии - энергия напора или упругости пластовой воды.

На основании изложенного можно сказать, что значение пластовой энергии зависит от давления, упругости жидкости (нефти, воды) и породы, газосодержания, объемов воды и газа, связанных с нефтяной залежью. Искусственная энергия вводится в пласт при закачке в нагнетательные скважины воды, газа, пара и различных растворов.

Пластовая энергия расходуется на преодоление разного рода сил сопротивления, гравитационных, капиллярных сил при перемещении нефти и проявляется в процессе снижения давления, создания депрессии на пласт-коллектор (разности между пластовым и забойным давлениями).