§ 18. Фотоколориметрия нефти

Физические свойства нефти и ее состав в пределах одного и того же пласта не остаются постоянными. Одним из методов исследования изменения свойств нефти по залежи является фотоколориметрия, которая основана на определении степени поглощения исследуемым раствором (интенсивности окраски его) с использованием фотоэлементов и гальванометра.

Колориметрические свойства нефти зависят от содержания асфальто-смолистых веществ. Вместе с изменением содержания последних в нефти изменяются ее вязкость, плотность и другие свойства. Поэтому по изменению колориметрических свойств нефти можно судить и об изменении других ее параметров.

Если световой поток падает на кюветку с раствором, то часть потока поглощается жидкостью, а другая проходит через кюветку. П. Бугером и И. Лам­бертом установлен закон, со­гласно которому слои веще­ства одинаковой толщины при прочих равных условиях всегда поглощают одну и ту же часть падающего из них светового потока. Это озна­чает, что при прохождении светового потока, например, с начальной интенсивностью в 100 единиц последовательно через несколько слоев рас­твора одинаковой толщины с потерей каждый раз поло­вины интенсивности из пер­вого слоя выйдет поток интен­сивностью 50 единиц, из второго— 25 единиц и т. д. Следовательно, графическая зависи­мость между интенсивностью светового потока, прошедшего через слои различной толщины, и размерами этих слоев имеет вид, представленный на рис. III.37.

Уравнение этой линии будет I_t=I₀e^-Kl, (III. 112)

где I_t — интенсивность светового потока после прохождения че­рез раствор; I_о — интенсивность падающего светового потока; l — толщина слоя; К — коэффициент поглощения.

Р ис. 111.37. Зависимость интенсив­ности прошедшего через раствор светового потока от толщины погло­щающего слоя

Из (III.112) следует, что отношение интенсивности свето­вого потока, прошедшего через слой раствора, не зависит от абсолютной интенсивности падающего светового потока.

По закону Бера коэффициент К пропорционален концентра­ции поглощающего вещества К=К_спС, (III.113)

где К_сп - коэффициент светопоглощения; С - концентрация ве­щества.

С учетом формул (III.112) и (III.113) уравнение основного закона колориметрии — закона Бугера — Ламберта — Бера за­пишется в виде I_t=I_О . (III.114)

Отношение интенсивности I_t прошедшего светового потока к интенсивности I₀ падающего потока характеризует прозрач­ность τ или светопропускание среды.

(III.115)

Величина τ, отнесенная к толщине слоя в 1 см, называется коэффициентом светопропускания.

Логарифмы величины, обратной светопропусканию, называ­ются оптической плотностью D: D = lgL/τ = lgI₀/I_t (III.116)

или D = 0,4343lnI₀/I_t (III. 117)

Из (III.114) и (III.117) Получим , (III.118)

т. е. размерность коэффициента светопоглощения K_сп=см^-1

Единицу светопоглощения можно определить из соотноше­ния (III. 118)

.

При С=1 и l=1 см 1(К_сп) = lnI₀/I_t или I₀/I_t=е.

Следовательно, за единицу K_сп принимается коэффициент светопоглощения такого вещества, при пропускании света через слой в 1 см которого интенсивность светового потока уменьша­ется в 2,718 раза.

Коэффициент светопоглощения является параметром, не зависящим от толщины слоя раствора. Он представляет собой постоянную величину, которая зависит от длины волны падающего света, природы растворённого вещества и температуры раствора. К_сп нефтей быстро уменьшается с увеличением длины волны света.

Коэффициент светопоглощения определяется при помощи фотоколориметра. На рис. 111.38 приведена схема светоколориметра ФЭК, принцип действия которого основан на уравни­вании двух световых пучков при помощи переменной щелевой диафрагмы. Поток света от лампы Л, пройдя светофильтры С₁ и С₂, кюветки A₁ и А₂, попадает (отразившись от зеркал З₁ и З₂) на фотоэлементы Ф₁ и Ф₂, включенные по дифференциальной схеме, «компенсирующей ток». При равенстве освещенностей обоих фотоэлементов токи от них в цепи гальвано­метра компенсируются и стрелка стоит на нуле. Для усиления или ослабления ос­вещенности, фотоэлемента Ф₂ используется щелевая диа­фрагма Д, ширина которой меняется во время вращения связанного с ней барабана, а для изменения освещенно­сти фотоэлемента Ф₁ приме­няется фотометрический ней­тральный клин К. С диафраг­мой соединены два отсчетных барабана, имеющих по две шкалы — коэффициента свето­пропускания τ и оптической плотности D. При опытах из­меряется оптичес кая плотность чистого растворителя и исследуемого раствора нефти в бензоле, толуоле, четыреххлористом углероде или керосине. Практически для определения оптической плотности раствора измеряется интенсивность I_о светового потока, прошедшего че­рез кюветку длиной l с чистым растворителем, и интенсивность I_t потока, прошедшего через кюветку той же длины l с раство­ром нефти. Уравнивание фототоков осуществляется по показа­нию гальванометра Г изменением ширины щели диафрагмы, со­единенной с отсчетными барабанами, градуированными в еди­ницах оптической плотности и процентах светопропускания.

Рис. 111.38. Схема фотоколориметра ФЭК

Концентрацию нефти в растворителе выбирают равной 0,5— 1,5% с учетом толщины кюветки l таким образом, чтобы обес­печивались наименьшие погрешности при определении оптиче­ской плотности на фотоколориметре D= 0,3—0,7).

Как уже упоминалось, коэффициент светопоглощения зави­сит от содержания асфальтенов и смолистых веществ в нефти. В свою очередь от концентрации последних зависят плотность, вязкость и другие свойства нефти. Это означает, что по коэф­фициенту светопоглощения нефтей различных скважин можно судить о степени неоднородности свойств нефти в залежи.

По изменениям K_сп со временем удается получить данные о процессах, происходящих в пласте при его разработке. На­пример, систематические результаты измерения K_сп можно ис­пользовать для решения геолого-промысловых задач: определе­ния направления и скорости перемещения нефти в залежи; оценки дебита отдельных пластов в скважинах, вскрывших одним фильтром несколько пластов, определение пласта, в ко­тором образовалась трещина при гидроразрыве; контроль за эф­фективностью дострела новых пластов; проверка результатов ремонтных (изоляционных работ); выявление изменений в ра­боте отдельных пластов при изменении режима работы сква­жин и т. д. Методика этих исследований подробно описана в специальной литературе.

Фотоколориметрические исследования быстро развиваются и совершенствуются.

Предложен способ измерения K_сп неразбавленных пластовых нефтей. Для этой цели используется инфракрасная область спектра, так как известно, что чем больше длина волны, тем меньше оптическая плотность D.