2. Физические свойства нефти и газа в пластовых условиях

Находящаяся при пластовых температурах и давлениях сложная смесь углеводородов, которую мы называем нефтью, значительно изменяет физические свойства после снижения давления температуры до нормальных. Это связано с термическим расширением нефти, ее сжимаемостью и, в первую очередь, с переходом части углеводородов в газообразное состояние.

Компоненты нефти, переходящие в нормальных условиях в газообразное состояние, называют нефтяным газом, а содержание их — газосодержанием нефти. Главные компоненты нефтяного газа — легкие углеводороды (метан и этан). По сравнению с газами из чисто газовых месторождений нефтяные хяяы. содеР_: жат значительно больше пропан-бутановой Фракции, поэтому их иногда называют жирными газами..Относительная плотность нефтяных газов обычно больше единицы.

Количество растворенного в нефти газа характеризуют газосодержанием нефти, под которым подразумевают объем газа, выделившийся из единицы объема пластовой нефти при снижении давления и температуры до стандартных условий (давление 0,1 МПа и температура 20 °С). Объем выделившегося газа также должен быть приведен к стандартным условиям. Если из нефти, занимающей в пластовых условиях объем V_H, выделился объем газа V_T, то газосодержание G рассчитывают по следующему соотношению:

G = V_T/V_H. (3.8)

Газосодержание выражают в м³/м³. Оно изменяется обычно от 25 до 100 м³/м³, но иногда может достигать нескольких сотен кубометров газа в кубометре нефти.

Степень насыщения нефти газом характеризуют, используя понятие давления насыщения, под которым понимают максимальное давление, при котором газ начинает выделяться из нефти при ее изотермическом расширении.

Первоначально нефть находится под действием пластового давления. Расширение ее возможно лишь при снижении давления. По мере снижения давления уменьшается количество газа, которое может быть потенциально растворено в данном объеме нефти. При определенном давлении газ, содержащийся в нефти, уже не может быть в ней полностью растворен и избыточная его часть переходит в свободное газообразное состояние. Это дав

ление и принимается за давление насыщения нефти газом. По мере дальнейшего снижения давления объем выделившегося газа будет расти вплоть до полной дегазации нефти.

Давление насыщения нефти газом может равняться пластовому или быть ниже его. В первом случае нефть в пласте полностью насыщена газом, во втором — недонасыщена. Разница между давлением насыщения и пластовым может колебаться от десятых долей до десятков мегапаскалей.

Знание давления насыщения позволяет прогнозировать условия, при которых происходит переход нефти в двухфазное состояние при движении ее по пласту, в скважине и коммуникациях на поверхности.

Давление насыщения нефти газом зависит от состава пластовой нефти, пластовой температуры и определяется закономерностями растворения газов в жидкостях. При больших давлениях растворимость газов в жидкости, в том числе и нефти подчиняется закону Генри. Согласно этому закону количество газа У_г, растворяющегося при данной температуре в объеме жидкости У_ж, прямо пропорционально давлению газа р над поверхностью жидкости:

]/_г = арУ_ж, (3.9)

где а— коэффициент растворимости газа 1/Па.

Коэффициент растворимости показывает какое количество газа растворяется в единице объема нефти при увеличении давления на единицу. Коэффициент растворимости газа в нефти — величина непостоянная. В зависимости от компонентного состава нефти и газа, температуры и других факторов он изменяется от 0,4-10^-5 до 5-10~⁵ 1/Па.

В наибольшей степени на растворимость газа в нефти влияет состав самого газа. Легкие газы (азот, метан) хуже растворимы в нефтях, чем газы с относительно большей молекулярной массой (этан, пропан, углекислый газ). В нефтях, содержащих большее количество легких углеводородов, растворимость газов выше по сравнению с тяжелыми нефтями. С ростом температуры растворимость газов в нефти уменьшается.

Из закона Генри следует, что чем больше коэффициент растворимости, тем при меньшем давлении в данном объеме нефти растворяется один и тот же объем газа. Поэтому у нефтей с большим содержанием метана, находящихся при высоких пластовых температурах, обычно высокие давления насыщения, а у тяжелых нефтей с малым содержанием метана при низких пластовых температурах — низкие.

С количеством растворенного газа связано различие физических свойств нефти в пластовых условиях и на поверхности.

Изменение объема нефти в результате действия пластового давления, температуры, растворенного газа, характеризуется объемным коэффициентом и усадкой нефти. Объемный коэффициент b — это отношение объема нефти в пластовых условиях У_пл к объему этой же нефти после отделения газа на поверхности Удег-:

b = V_nJV_Mr. (3.10)

Объем нефти в пластовых условиях превышает объем дегазированной нефти в связи с повышенной пластовой те.мперату- рой и содержанием большого количества растворенного газа. Однако высокое пластовое давление обусловливает некоторое снижение объема нефти вследствие ее сжимаемости. Поэтому при снижении давления от пластового до давления насыщения происходит увеличение объема нефти. При[_достижении давле- ния насыщения из нефти начинает^- выделяться растворенный Т^ааГчтсГведет к уменьшению ее объёма. НгРуменьшение объема яефти влияет и снижение температуры от пластовой до температуры на поверхности. При расчете объемного коэффициента объем дегазированной нефти определяется в стандартных условиях (атмосферное давление и температура 20°С). Объемный коэффициент обычно изменяется от 1,05 до 1,4. Однако известны нефти, у которых объемный коэффициент достигает 3 и более.

Усадка нефти характеризует разницу между объемом пластовой и дегазированной нефти, отнесенную к объему нефти в пластовых условиях. Усадка нефти однозначно связана с объемным коэффициентом

C/ ₌ Ks2^Zser— (З.Ц)

* пл ®

Для некоторых нефтей усадка может превышать 50%, поэтому учет ее обязателен при пересчете объема нефти, измеренного на поверхности в групповых замерных установках, на пластовые условия.

При давлениях выше давления насыщения, когда весь газ находится в растворенном состоянии, влияние давления на изменение объема нефти характеризуют коэффициентом сжимаемости нефти:

<^ЗЛ2>

где р_н — коэффициент сжимаемости нефти, 1/Па; AV — изменение объема нефти V при изменении давления.

Коэффициент сжимаемости дегазированных нефтей составляет 4-10—7 -10^-10 1/Па. Более высокие значения, достигающие 1-10^-8 1/Па, характерны для легких, газонасыщенных нефтей.

С изменением объема нефти связано и различие плотностей пластовой и дегазированной нефти (рис. 3.2). Вследствие рас

ширения нефти ее плотность снижается при уменьшении давления от пластового до давления насыщения. При давлениях ниже давления насыщения по мере выделения растворенного газа плотность нефти значительно возрастает. Известны нефти, имеющие в пластовых условиях плотность менее 500 кг/м³, а в поверхностных после дегазирования — более 800 кг/м³.

Вязкость нефти в пластовых условиях всегда значительно ниже вязкости дегазированной нефти. Наиболее сильно на вязкость нефти влияют наличие в ней растворенного газа и пластовая температура. Чем выше газосодержание нефти и чем больше в газе содержание высокомолекулярных компонентов, тем ниже ее вязкость. Уменьшается вязкость нефти и с ростом температуры (рис. 3.3). Повышение давления, если оно не сопровождается ростом газосодержания, вызывает рость вязкости нефти, но незначительный. За счет растворенного газа и высокой пластовой температуры вязкость пластовой нефти может в десятки раз быть меньше вязкости дегазированной нефти, измеренной в нормальных условиях. Знание физических свойств пластовой нефти необходимо при проектировании разработки месторождения для гидродинамических расчетов, выбора методов повышения нефтеотдачи пластов и повышения продуктивности скважин. Работы по определению характеристик пластовых нефтей выполняются научно-исследовательскими лабораториями промышленных предприятий и институтов.