21. Розрахунки та моделювання фізичних властивостей вуглеводнів у пластових умовах

Принцип моделювання пластових процесів

Моделювання – це сукупність методів побудови моделей та вивчення реально існуючих предметів та явищ на них. Модель – це зразок об’єкта, що моделюється.

Моделлю може бути:

зразки якого-небудь виробу серійного виробництва, наприклад муфта для з’єднання насосних штанг або труб;

зразки якої-небудь конструкції, наприклад, пакер, газліфт ний клапан;

відтворення предметів у зменшеному або збільшеному вигляді, наприклад макет верстата-гойдалки, фонтанної арматури;

зразки предметів, що використовуються для виготовлення форми при відливанні;

схеми, зображення або описи явища або процесу у природі, суспільстві (наприклад структурна карта родовища, карта місцевості).

Під час проведення досліджень процесів розробки нафтових і газових родовищ, видобутку нафти і газу, нафтогазопромислового обладнання інколи доцільно замінити існуючі об’єкти їх моделями або використати метод моделювання.

Процес моделювання охоплює такі етапи: визначення задачі, створення або вибір моделі, дослідження моделі, перенесення знань із моделі на оригінал.

Основним етапом без якого не можливий весь процес, є створення або вибір моделі. Здійснення цього етапу можливе лише за дотримання законів подібності. Фізичні явища /чи процеси/ називають подібними, коли відповідні безрозмірні комплекси для них збігаються, хоча явища відрізняються числовими значеннями розмірних визначаючих параметрів.

Розрізняють фізичне і математичне моделювання. У разі фізичного моделювання на моделі, яка є натурним або масштабно зменшеним взірцем оригіналу (лабораторне устаткування), відтворюють і досліджують процеси, однакові з процесами, які протікають у реальному об’єкті. У нафтовій і газовій промисловості фізичне моделювання використовується під час проектування багатьох технологічних процесів для вивчення на відповідних моделях тих чи інших показників або властивостей.

Математичне моделювання полягає в дослідженні процесів шляхом складання і розв’язування системи математичних рівнянь, які відносяться до процесу.

Математична модель базується на спрощенні складного реального процесу. Для її створення природні умови відповідним чином диференціюють, виділяють серед них головні, визначальні чинники і подають їх у тому вигляді, який забезпечує можливість досягнення мети. При цьому нафтоносний пласт розглядають як єдину гідродинамічно зв’язану систему. Переміщення флюїдів всередині цієї системи визначаються початковими (до початку розробки) і граничними умовами (на поверхнях, які обмежують пласт із зовнішніх сторін.

Граничні умови задають у вигляді шуканої функції (тиск, витрата рідин)., її похідної (градієнт тиску, швидкість) або в мішаному вигляді (граничні умови першого, другого чи третього роду).

Системи математичних рівнянь розв’язуються аналоговим та обчислювальними методами.

Аналоговий метод математичного моделювання базується на подібності явищ і процесів різної фізичної природи.

Електричне моделювання процесу розробки базується на електрогідродинамічній аналогії ЕГДА, тобто на аналогії між рухом електричного струму в провідному середовищі і фільтрацією рідин у пористому середовищі.

Обчислювальні методи поділяються на аналітичні, чисельні і статистичні.

З практики гідродинамічних розрахунків процесу розробки родовищ відомо, що за систему визначальних параметрів приймають:

У найпростішому вигляді співвідношення подібності можна записати так

- подібні чинники процесів та елементів системи; коефіцієнт подібності.

У пластових умовах газ, нафта, вода і їх суміші залежно від їх складу, температури і тиску можуть перебувати в газоподібному, рідкому стані або у вигляді газорідинних сумішей. Газ у великій кількості, а також частина рідких вуглеводнів у вигляді пари можуть перебувати у верхній частині структури.Високі тиску збільшують щільність газу, і в стиснутому газі створюються умови для розчинення нафти. При значній кількості газу вся нафта може виявитися розчиненої. Якщо ж газу мало в порівнянні з обсягом нафти, то при досить високому тиску газ може повністю розчинитися в нафти, утворюючи однофазну (рідку) суміш. Тому газонафтові поклади поділяються на чисто газові, газонафтових (з газовою шапкою і нафтовою облямівкою), нафтові (з різним вмістом попутного газу) і газоконденсатні.У пластових умовах фізико-хімічні властивості нафт визначаються їх хімічним складом, що обумовлює деякі особливості експлуатації нафтових родовищ (наявність парафіну, смол, ПАР і т.д.).За елементарним складом більшість нафт більш ніж на 99% складаються з вуглецю і водню. Присутні також кисень, азот, сірка (іноді у великих кількостях), в дуже малих кількостях хлор, йод, фосфор, миш'як, калій, натрій, кальцій, магній.У нафтах найбільш широко представлені вуглеводні метанового або парафінового ряду (СпН2п +2) і поліметіленовимі вуглеводні або нафтени (СпН2п). Майже завжди в нафтах присутні ароматичні вуглеводні. Кількість нафтенових кислот, асфальтенів, смол незначно. На властивості поверхонь розділу в шарі і на розподіл рідин і газів в поровом просторі пласта суттєво впливають наявність кисню і сірковмісні речовини, що обумовлюється високою поверхневою активністю більшості кисень-і сірковмісних сполук нафти.Парафін не розчиняється у воді, але розчиняється в ефірі, хлороформі, бензолі, мінеральних маслах. Щільність чистого парафіну коливається від 907 до 915 кг/м3 при температурі 15 ° С.Парафін мають склад С \ 7 - С35 з температурою плавлення 27 - 71 ° С. Нафтові церезини мають склад С36 - C55l температура їх плавлення 65 - 88 ° С. Церезин і парафін мають різні хімічні властивості. У нафтопромислової практиці відомо кілька різних способів передбачається-прежденія відкладень парафінів на стінках труб і боротьби з цим ускладненням.Кисень міститься в смолистих і кислих речовинах нафти (нафтенові і жирні кислоти, феноли). Нафтенові кислоти (їх вміст у нафтах не перевищує 2%) мають загальну емпіричну формулу CnH2n_2O2. Вони являють собою або рідкі, або кристалічні речовини, мало розчинні у воді і мають високу щільність. У присутності води при підвищеній температурі нафтенові кислоти викликають корозію обладнання.Вміст фенолів, жирних кислот і їх похідних в нафти не перевищує 5 - 10% від вмісту нафтенових кислот.Нафти СНД містять сірку в кількості від часток відсотка до 5 - 6%. Вона входить до складу різних сірчистих сполук, але зустрічається і у вільному стані. З органічних сірчистих сполук у нафтах виявлені меркаптани (R = SH), сульфіди, дисульфіди та ін Всі ці сполуки в нафті - шкідливі домішки.Асфальтосмолисті речовини нафти в нафтах містяться в межах від 1 до 40%. Це високомолекулярні органічні сполуки, до складу яких входять вуглець, водень, кисень, сірка і азот. Складові асфальтосмолисті речовин різняться за фізичними властивостями. Щільність асфальтосмолисті речовин нафти коливається від 1000 до 1070 êã/ñì3.За змістом сірки нафти діляться на два класи: малосірчисті (при вмісті сірки не більше 0,5%) і сірчисті (вміст сірки перевищує 0,5%).Нафта має пружністю, тобто здатністю змінювати свій об'єм під дією зовнішнього тиску. Вона визначається коефіцієнтом стисливості рн (м2 / Н):Рн V Ар 'де V - вихідний об'єм нафти, м3; AV - зміна обсягу нафти, м3; Ар - зміна тиску, Н/м2.Коефіцієнт стисливості залежить від складу нафти, температури і абсолютного тиску. Нафти, що не містять розчиненого газу, мають низький коефіцієнт стисливості (4 -7) -10 ~ 10 м2 / Н. Нафти зі значним вмістом розчиненого газу характеризуються підвищеним коефіцієнтом стисливості.В'язкість нафт зменшується зі збільшенням кількості газу, температури; збільшення в'язкості нафти з ростом тиску помітно лише при тисках вище тиску насичення. Практичні значення в'язкості нафт в пластових умовах різних родовищ змінюються в широких межах: від багатьох сотень мН-с/м2 до десятих часток мН-с/м2 (від декількох пуаз до десятих часток сантіпуаз).Гази. У нафтовому родовищі спільно з нафтою міститься газ; він може бути в розчиненому стані або у вигляді вільного газу. Ці гази називаються попутними (нафтовими). Вуглеводневі гази, що залягають в пластах, що не містять нафту, називають природними (вільними), а родовища - чисто газовими.

Або можна з лаби

визначення тиску насичення нафти газом, об`ємного коефіцієнту, густини та усадки нафти.

Тиск насичення пластової нафти газом - тиск, при якому газ починає виділятися з нафти. Залежить від співвідношення об`ємів нафти і розчиненого газу та пластової температури. За рівних інших умов в більш густих нафтах тиск насичення зростає. Так само Рнас збільшується, якщо в газі, який під тиском розчинється в нафті, є значний вміст слаборозчинних компонентів, особливо азоту. В природних умовах тиск насичення дорівнює пластовому або нижче. В першому випадку нафта насичена газом, в другому буде недонасичена. Різниця таких тисків може досягати десятків МПа. [1].

З кількістю розчиненого газу в нафті також пов'язаний об'ємний коефіцієнт b, що характеризує співвідношення обсягів нафти в пластових умовах і після відділення газу на поверхні при дегазації:

b = V_пл/V_дег

де Vпл - обсяг нафти в пластових умовах;