книги из ГПНТБ / Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти

чем морской водой. Отмыв нефти с пластинки полевого шпата по­ лучается наименьшим. Это объясняется меньшей степенью гидрофильностн его поверхности по сравнению с мрамором и стеклом. Вместе с тем следует отметить, что количества нефти, отмытой с полевого шпата и мрамора, в случае применения щелочной и жесткой вод близки по величине.

Возрастание скорости разрыва пленки и количества отмытой нефти при добавке ПАВ в указанные воды дает основание исполь­ зовать этот эффект для различных технологических процессов до­ бычи нефти.

Были проведены исследования с целью установления влияния на отмыв пленки нефти температуры и скорости движения по ней воды. Цилиндры из стекла и кварца с пленкой нефти Арланского месторождения на наружной поверхности приводили во вращение в пресной воде и водных растворах ОП-Ю и углекислого газа при различных температурах. С увеличением скорости вращения ци­ линдра отмыв возрастал. Наилучшие результаты были получены при применении раствора углекислого газа. Замечено, что отмыв нефти с поверхности цилиндра происходит в значительно меньшей степени, чем с плоской. Значительное повышение окружной ско­ рости вращения цилиндра существенного увеличения отмыва с поверхности не'дает.

Г л а в а VIII

КАПИЛЛЯРНОЕ ВПИТЫВАНИЕ

Одним из основных факторов, определяющих процесс вытесне­ ния нефти водой из пористой среды, является капиллярное впи­ тывание. Роль этого фактора особенно сильно проявляется при вытеснении нефти водой из неоднородных пластов, содержащих включения малопроницаемых пород или же состоящих из много­ численных пропластков с проницаемыми границами раздела. В практике разработки нефтяных залежей возможны случаи, ког­ да вода капиллярно впитывается в нефтенасыщенную, нефте-га- зонасыщенную, нефте-водонасыщенную или же нефте-водо-газо- насыщенную породы. Исследования в области капиллярного впитывания достаточно подробно описаны [5, 93].

диусу капилляра (R = r). Высота поднятия более полярной жид­ кости в капилляре, содержащем менее полярную жидкость или газ, определяется формулой

170

где ут и уг— плотность соответственно жидкости и газа или более и менее полярной жидкости.

Так как разница между плотностями жидкости и газа большая, то капиллярное впитывание воды в породу при прочих равных условиях больше при наличии в породе газа, а не нефти.

Капиллярное впитывание воды в нефтенасыщенную породу мо­ жет происходить только при убыли поверхностной энергии систе­ мы порода — вода — нефть, так как процесс впитывания является самопроизвольным. Убыль поверхностной энергии возможна при разрыве пленки нефти на твердой поверхности.

Если капиллярное впитывание веды не наблюдается при отсут­ ствии ее в нефтенасыщенной породе, то оно вполне возможно при ее наличии, так как процесс проникновения воды в породу будет

коактивной нефти приводит к такой гидрофобизации поверхности песка, при которой впитывание воды оказывается невозможным. С повышением содержания остаточной воды в породе, насыщен­ ной керосином, высота капиллярного впитывания воды и скорость впитывания убывают; в породе же, насыщенной высокоактивной нефтью (бакинские нефти), содержащей нафтеновые кислоты, а также нефтью, содержащей асфальтены и смолы (нефти восточных районов), возрастают.

При отсутствии остаточной воды в песке, насыщенном кероси­ ном, значения скорости и высоты впитывания в этот песок различ­ ных по химическому составу вод (дистиллированная, пластовая отложений девона и карбона) практически одинаковы,’ при нали­ чии ее— различны.

Нефтерастворнмые ПАВ гидрофобизируют поверхность песча­ ника и таким образом снижают, а в некоторых случаях доводят до нуля впитывание в него воды.

Были проведены опыты и с дегазированной девонской нефтью. Установлено, что гидрофобизирующие свойства нефти проявляются полностью после длительного контакта ее с поверхностью песчани­ ка (более 15 сут): капиллярная пропитка отсутствует.

Большое влияние на капиллярное впитывание воды оказывает температура. Опыты с арланской нефтью карбона показали, что впитывание начинается с 35° С и интенсивно возрастает с увеличе­ нием температуры до 80° С.

Исследования проводились с образцами песчаников этого же месторождения, отобранными при бурении на безводном извест­ ковобитумном растворе. Образцы экстракции не подвергали, но донасыщали керосином для сохранения условий, близких к естест­ венным. Образцы были загерметизированы сразу после подъема на

171

можность увеличения охвата залежи водой при заводнении, ско­ рость вытеснения и расход воды для извлечения нефти. С ухуд­ шением капиллярного впитывания эти показатели ухудшаются. Капиллярное впитывание ухудшается с повышением активности нефти, уменьшением содержания в пласте погребенной воды и смачиваемости пород водой.

Чем более неоднороден пласт, тем больше вследствие отсут­ ствия капиллярного впитывания снижается нефтеотдача из-за оставления многочисленных целиков при продвижении воды по пласту. При отсутствии погребенной воды процесс вытеснения неф­ ти водой должен сопровождаться непрерывным повышением по­ верхностной энергии системы порода — нефть — вода и ухудше­ нием в связи с этим условий вытеснения.

Г л а в а I X

ВЫДЕЛЕНИЕ И РАСТВОРЕНИЕ ГАЗА

I. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВ

Во многих случаях добыча нефти сопровождается выделением и растворением газа (процессы разработки нефтяных залежей, лифтирования нефти, транспортирования ее и т. д.). В связи с этим важно выяснить механизм образования и растворения газа, кинетику этих процессов.

Размер зародыша пузырька, образующегося в растворе при падении в нем давления ниже давления насыщения, или, что то же, при пересыщении раствора определяется равенством

путем добавки в раствор ПАВ. Наиболее эффективны для этой цели водорастворимые ПАВ, гидрофобизирующие породу и обла­ дающие высокой скоростью диффузии.

Величина работы Wit необходимой для образования пузырь­ ка газа на твердой поверхности, определяется равенством

некоторой функцией краевого угла смачивания [52].

Зависимость Кі от Ѳ представлена на рис. 93. Из этого графи­ ка и равенства (2) следует, что с уменьшением ожг и увеличением Ѳ значение Wі уменьшается.

173

Работа, необходимая для образования пузырька газа, ограни­ ченного со всех сторон жидкостью

Отношение W2/W\ также является функцией Ѳ.

При равенстве объемов образующихся пузырьков зависимость W2/Wl от Ѳ определяется кривой, приведенной па рис. 94.

/V

IV, J w 1

.зависимости. Кинетика растворения пузырьков для раствора, под­ чиняющегося закону Генри, определяется уравнением:

- f - = 4лR*n ^8яЯо-жг —/ j , ' (5)

174

ность же раздела вода — газ в квадрате. Поэтому с уменьшением Ämin скорость растворения возрастает. Добавление ПАВ в воду уменьшает Дт 11 и увеличивает соответственно скорость растворе­ ния газа. Принимая указанную выше зависимость между R и /г, можно для каждого значения R определить скорость растворения газа dC/dt, если известны все остальные члены уравнения (5).

Вместе с тем скорость растворения увеличивается и с увели­ чением объема жидкости, с которой соприкасаются пузырьки. Уве­ личение этого объема может быть достигнуто перемешиванием. Интенсивное перемешивание пузырьков с жидкостью возникает при переходе от ламинарного движения к турбулентному. Скорость растворения отдельных газов примерно пропорциональна их раст­ воримости. Так, если принять скорость растворения азота за еди­ ницу, то скорость растворения кислорода составит 2,1, а углекис­ лого газа — 71. Аналогичная закономерность установлена и для скорости выделения газа. В первую очередь выделяется газ, имею­ щий наибольшее парциальное давление.

При прочих равных условиях скорость выделения из раствора больше для того газа, который имеет большую растворимость.

Для повышения степени дисперсности пузырьков газа можно применить ПАВ, сильно снижающие ажг, гидрофобизирующие по­

с увеличением гидрофобное™ поверхности и уменьшением поверх­ ностного натяжения на границе нефть — газ аИг, то давление, при котором выделяется газ, соответственно увеличивается. Действи­ тельно, газ выделяется из раствора в пористой среде при меньших снижениях давления, чем в бомбе РѴТ [87, 105]. Так, различие в давлениях насыщения составляет для яринской нефти 4—5 кгс/см2, для системы изооктан — углекислый газ 2 кгс/см2 [87].

Исследования проводились на образцах песка и кернах той или иной степени очистки от гидрофобизирующих поверхность веществ. В работе [77] поверхность заранее гидрофобизировали нефтью, в работе [87], хотя и применяли неполярную жидкость, уверен­ ности в чистоте поверхности песка не было. По степени гидрофиль­ ное™ песков образцы сцементированных пород неоднородны. Одна часть поверхности хорошо смачивается водой, другая — нефтью. Помимо этого, сами частицы, слагающие пористую среду, неоди­

175

наковы по форме и шероховатости поверхности. Таким образом, в условиях пористой среды нельзя определить, какой из перечис­ ленных факторов оказывает наибольшее влияние на выделение газа и поэтому процесс изучали в капиллярах, где можно достичь высокой степени чистоты и гладкости поверхности стенок. В опы­ тах использовали капилляры из термического стекла № 16 диамет­ рами от 30 до 600 мк.

Исследования проводили со смесями изооктана с углекислым газом (соответственно 60 и 40% вес.) и этана с пропиленом, эти­ леном и пропаном (соответственно 88,4, 10,9, 0,5 и 0,2%).

Физические свойства системы изооктан — углекислый газ (дав­ ление насыщения, относительный объем, коэффициент сжимае­ мости при различных концентрациях СОг) были определены на установке по исследованию растворимости газов в нефтях [69]. Пробы из бомбы РѴТ переводили в предварительно заполненный ртутью капилляр при давлении на 20—25 кгс/см2 больше, чем давление насыщения рщз, определенное в бомбе РѴТ.

Начало выделения газа характеризовалось мгновенным обра­ зованием одного или двух пузырьков. Пузырьки быстро приобре­ тали цилиндрическую форму с поперечным сечением, близким к сечению капилляра. Первые пузырьки газа, как правило, возника­ ли на ртутных менисках, т. е. на более гидрофобной поверхности. При дальнейшем разгазировании пузырьки появлялись в середине капилляра, а не на поверхности ртути. При отсутствии ртути пер­ вые пузырьки возникали при меньших давлениях, однако в обоих случаях давление было ниже рав. На рис. 96 приводится измене­ ние отношения объема выделившегося из изооктана углекислого

176

личных промежутках времени t дегазации и растворения (капил­ ляр диаметром 600 мк, температура 297°К). Аналогичные данные были получены при /?Нб= 55 кгс/см2 и температурах 308 (табл. 43) и 323° К.

Рис. 96. Зависимость отношения объема вы­ делившегося углекислого газа Ѵг к общему объему пробы V от давления дегазации и растворения газа при t, мин; а — 8; 6 — 30;

в— 60; г — 120.

/— дегазация; 2 — растворение.

м г/ ѵ , %

Рис. 97. Зависимость величины гистерезиса - — , %, от времени де­

газации при Г=323° К и давлениях, кгс/см2:

/ — 51: 2 — 56.

Объем выделившегося газа не совпадает с объемом растворив­ шегося, наблюдается гистерезис. Чем больше t, тем при более вы­ соком давлении начинается выделение пузырьков. Это указывает на то, что в условиях капилляра необходимо достаточно большое время на образование и формирование пузырька в жидкости. Ве­ личина гистерезиса плавно убывает с увеличением t (рис. 97).

177

Исследования со смесью этана с этиленом, пропаном и пропи­ леном проводились в капиллярах диаметрами 30, 48, 96, 200 и 600 мк при температурах 293, 297 и 303° К, меньших критической для чистого этана (304°К). Зависимость давления начала выделе­ ния газа от температуры при времени выдержки на каждом дав­

рд, игс/см2

Величина давления начала выделения газа резко убывает, на­ чиная с диаметра 96 мк. Отношение поверхности к объему для этого капилляра равно 4/с- Уменьшение диаметра с 600 до 96 мк уменьшает это отношение более чем в 6 раз, при уменьшении диа­ метра до 30 мк — до 20 раз.

В результате, чем меньше диаметр капилляра, тем меньше ока­ зывается газонасыщенность жидкости и больше необходимое для выделения газа снижение давления.

Таким образом, выделение газа из неполярной углеводородной жидкости в капилляре в рассматриваемых условиях опытов про­ исходит при давлениях меньших, чем в бомбе РѴТ как при гидро­ фобной поверхности (ртуть), так и при гидрофильной (отсутствие ртути.). При гидрофобной поверхности требуется меньшее сниже­ ние давления для выделения газа.

В процессах выделения и растворения газа наблюдается гисте­ резис. С увеличением времени дегазации и растворения гистерезис убывает.

178

С уменьшением диаметра капилляра давление начала выделе­ ния газа уменьшается, т. е. газонасыщенность жидкости при за­ данном снижении давления возрастает.

Зависимость между давлением начала выделения газа и тем­ пературой в капилляре сохраняется линейной — такой же, как и для бомбы.

3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ПАВ

При исследовании процесса выделения газа в электрическом поле пробу помещали между двумя параллельными пластинами,

В опытах с раствором углекислого газа в изооктане при наличии электрического поля число пузырьков и давление начала выделе­ ния газа увеличивались.

В опытах со смесью углеводородов число одновременно возни­ кающих пузырьков в электрическомполе увеличивалось до пяти вместо одного или двух при отсутствии поля. При этом давление начала выделения газа не менялось, хотя объем выделенного газа увеличивался в 4,3 раза.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности при­ менения электрического поля для повышения интенсивности выде­ ления газа из нефти в призабойной зоне. В частности, этот эффект может быть использован для увеличения к. п. д. подъемника, для чего необходимо усилить процесс выделения газа из нефти.

Таким образом, приложение электрического поля способствует более полному использованию энергии растворенного газа для подъема нефти и вытеснения ее из порового пространства газом.

Для изучения влияния поверхностно-активных веществ на про­ цесс выделения газа к раствору углекислого газа в изооктане до­ бавляли нефтерастворимое ПАВ ОП-4 и нафтеновую кислоту.

Добавка ПАВ (0,03% вес.) увеличивала объем выделившегося газа на первой ступени дегазации при 297° К с 2,5 до 3,7% объемн., на второй ступени (0,01% вес.) при 308°К — с 5,5 до 8,8% объемн. Газ в присутствии ПАВ выделялся при более высоком давлении (на 0,5 кгс/см2). Число пузырьков оказывалось большим в 2 раза на последующих ступенях дегазации.

При добавке нафтеновой кислоты (0,5% вес.) давление, при котором начиналось выделение газа, оказалось на 1,2 кгс/см2 выше. В этом случае объем выделившегося газа при 308° К на первой ступени дегазации увеличился с 5,5 до 9,4% объемн., при этом число пузырьков было то же, что при отсутствии нафтеновой кис­ лоты и возрастало на последующих ступенях дегазации до 2 раз.

Параллельно были проведены исследования и в бомбе РѴТ. Предполагалось, что выделение газа в процессе дегазации прекра­ щается при стабилизации давления. Результаты опытов представ­ лены на рис. 100. Из кривых 1 и 2 видно, что добавка ОП-4 значи­

179