Поверхностно–молекулярные свойства системы пласт–вода–нефть–газ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Поверхностно-молекулярные свойства системы пласт-вода-нефть-газ

Роль поверхностных явлений в фильтрации

Нефтяной пласт представляет собой залежь осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Поверхность поровых каналов в 1 м³ породы может составлять несколько гектаров. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и её вытеснения из пористой среды зависят также и от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

На формирование залежей углеводородов оказывает влияние количество остаточной воды в залежи (остаточная водонасыщенность, S_B), которая в свою очередь зависит от свойств воды и углеводородов и от природы поверхности горной породы.

Под природой поверхности понимаются гидрофильность - способность вещества смачиваться водой и гидрофобность - способность вещества не смачиваться водой.

Физико-химические свойства поверхностей раздела фаз, и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей - поверхностным натяжением на границе раздела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой адгезии и когезии, теплотой смачивания.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение связано с такими понятиями как свободная энергия поверхностного слоя жидкости, работа поверхностного натяжения, сила поверхностного натяжения и

Поверхностное натяжение (у) характеризует избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз:

Е = у S

где у - поверхностное натяжение;

S - суммарная поверхность двух фаз.

Поверхностное натяжение характеризует работу, образования 1 см² новой поверхности в изотермических условиях:

A = у S

Поверхностное натяжение характеризует силу, действующую на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):

F=у l

где l - линия смачиваемости.

Физический смысл величины поверхностного натяжения характеризует меру некомпенсированности молекулярных сил.

По величине поверхностного натяжения пластовых жидкостей на различных модельных поверхностях (аналогичных пластовым) можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.

Коэффициент поверхностного натяжения у зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.

Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение у можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.

С увеличением давления 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 (газом) уменьшается.

Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением температуры и давления для нефти такой же, как и у воды (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского месторождения от давления на границе с метаном: 1. - Т = 20?С; 2. - Т = 60?С; 3. - с этан-пропановой смесью

Однако, количественные изменения зависят от многих дополнительных факторов: химического состава нефти, состава газа (рис. 1, кривая 3), количества растворенного газа, количества и природы полярных компонентов и др.

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

Поведение величины у жидкости на границе с жидкостью зависит во многом от полярности жидкостей.

Поверхностное натяжение малополярных нефтей на границе с водой в пределах давлений, встречаемых в промысловой практике, мало зависит от давления (рис. 2) и температуры. Это объясняется относительно небольшим и примерно одинаковым изменением межмолекулярных сил каждой из жидкостей с увеличением давления и температуры, так что соотношение их остаётся постоянным.

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения нефти Туймазинского месторождения на границе с водой от давления при Т = 20?С

поверхностный молекулярный пласт вода

Для высоко-полярных нефтей её поверхностное натяжение на границе с водой может увеличиваться с ростом давления и температуры.

Сложный характер имеет зависимость поверхностное натяжение на границе с водой от давления и температуры в условиях насыщения нефти газом (рис. 3). Это обусловлено изменением концентрации полярных компонентов в поверхностном слое нефти при растворении в ней газа.

Величина у по ряду месторождений в зависимости от насыщения нефти газом может быть значительной: 3-6 мН/м при изменении давления от 0 до 26,5 МПа.

Поверхностное натяжение на границе раздела между газом и жидкостью, двумя жидкостями можно измерить, то поверхностное натяжение на границе раздела порода-жидкость, порода-газ измерить трудно.

Рис. 3. Зависимость поверхностного натяжения нефти Небитдагского месторождения от давления на границе с водой при Т = 20?С: 1. - при насыщении обеих фаз метаном; 2. - при насыщении обеих фаз

Поэтому для изучения поверхностных явлений на границе порода-жидкость пользуются косвенными методами изучения поверхностных явлений: измерением работы адгезии и когезии, исследованием явлений смачиваемости и растекаемости, изучением теплоты смачивания.

Смачивание и краевой угол

Смачиванием называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие - не смешиваемые 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.

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. 4).

Рис. 4. Форма капли, обусловленная поверхностными натяжениями на различных границах соприкасающихся фаз

Краевой угол И измеряется в сторону более полярной фазы (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 - углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 - твёрдое тело.

Предполагая, что краевой угол И отвечает термодинамическому равновесию, получим уравнение, впервые выведенное Юнгом:

у_2,3 = у_1,3 +у_1,2 · cosИ (1)

откуда получим выражение для краевого угла И:

Если у_2,3 > у_1,3, то 0 < cosИ < 1, из чего следует, что угол И - острый (наступающий), а поверхность - гидрофильная. Если у_2,3 > у_1,3, то -1 < cosИ < 0, из чего следует, что угол И - тупой (отступающий), а поверхность - гидрофобная.

Существуют также переходные поверхности (амфотерные), которые хорошо смачиваются как полярными, так и неполярными системами.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям - парафины, жиры, воск, чистые металлы.

Краевой угол смачивания зависит от строения поверхности, адсорбции жидкостей и газов, наличия ПАВ, температуры, давления, электрического заряда.

Метод капиллярной пропитки

Этот способ связан с явлением самопроизвольного впитывания смачиваемой фазы, причём содержащийся в образце воздух выходит в окружающую среду.

Пропитка может быть:

По скорости пропитки мы можем оценить характер смачивания.

В зарубежной практике используется методика, которая фигурирует показателем Амотта. Сущность метода заключается в капиллярном вытеснении воды из полностью водонасыщенного керна посредством углеводородной жидкости. В ходе эксперимента выполняют ряд взвешиваний образца и, затем, определяют параметры избирательной смачиваемости образца и рассчитывают специальные показатели смачиваемости. Далее, высушенный и насыщенный дистиллированной водой образец погружают на 20 минут в керосин, в керосине проводят центрифугирование. Следующим этапом является опускание образца на 20 часов в дистиллированную воду и центрифугирование в воде. В ходе эксперимента определяют такие параметры как:

S m_{1 -} вес образца, насыщенного водой;

S m₂ - вес, образца после пребывания в керосине;

S m₃ - вес образца после центрифугирования в керосине;

S m₄ - вес образца после пребывания в воде;

S m₅ - вес образца после центрифугирования в воде;

S m₆ - вес сухого образца в воздухе;

S m₇ - вес водонасыщенного образца в воздухе.

При этом показатель степени гидрофобности определяется по формуле:

М=(m₂ - m₃)/(m₅ - m₄)

А сам показатель гидрофобности:

Р=(m₂ - m₃)/(m₅ - m₄)

Параметр М характеризует отношение объёма керосина, вытесненного при капиллярной пропитке водой до центрифугирования, ко всему объёму керосина, вытесненного в результате центрифугирования в воде.

Для полностью гидрофобной поверхности М = 1, для полностью гидрофобной - М = 0.

Параметр гидрофобности Р характеризует отношение объёма воды, вытесненной при центрифугировании в керосине, к объёму керосина, вытесненного при центрифугировании в воде.

Для полностью гидрофобной поверхности Р=1, для полностью гидрофильной - Р=0.

Попутно с этим экспериментом определяют коэффициент остаточной водонасыщенности:

k_о.в=1 - _в(m₁ - m₃)/((_в - _к)(m₇ - m₆))

Этот коэффициент является проверочным для оценки правильности эксперимента.

Одним из основоположников методов оценки смачиваемости был профессор Кусаков, его дело продолжил Гиматудинов.

Наиболее распространён подход к уменьшению влияния флюида в околоскважинной зоне - снижение капиллярного давления.

Р_к

S

Это возможно реализовать путём обработки ПАВ околоскважинной зоны, но можем произвести снижение капиллярного давления и более радикально - гидрофобизовать капиллярную зону. Если будет накапливаться несмачивающая фаза, то будет расти пропускная способность пласта.

Размещено на Allbest.ru