Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Определение параметров фильтрационного течения нелинейно вязкопластичной нефти в условиях скважинной добычи. Методические указания к лабораторным рабо
.pdf
1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Самарский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)
Кафедра «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ФИЛЬТРАЦИОННОГО ТЕЧЕНИЯ НЕЛИНЕЙНО
ВЯЗКОПЛАСТИЧНОЙ НЕФТИ В УСЛОВИЯХ
СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ
Методические указания
к лабораторным работам
Самара
Самарский государственный технический университет
2019
2
Печатается по решению учёного совета СамГТУ
(протокол № 9 от 27.04.2018 г.)
УДК 622.276 (075.8)
Определение параметров фильтрационного течения нелинейно вязко-
пластичной нефти в условиях скважинной добычи: метод. указ. к лабора-
торным работам. / Сост. В.А.Ольховская. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2019.
- 57 с.: ил.
Рассмотрена последовательность выполнения лабораторных работ по
разделам курса «Подземная гидромеханика углеводородов», в которых изучаются реологические свойства неньютоновских жидкостей и аналитические модели фильтрации нелинейно вязкопластичной нефти. Целью работ является
определение параметров, характеризующих структурно-механические свойства
нефти, граничных градиентов давления, положения участков пласта с неблагоприятной реологической характеристикой, дебита скважины для условий радиального притока, а также подготовка к анализу материалов стандартных лабораторных исследований, промысловых экспериментов и геологического изучения пласта. В теоретической части методических указаний уделено внимание
способам приближённого математического описания фильтрации реологически
сложных жидкостей. В практической части изложен алгоритм содержательной
интерпретации исходной информации, приведены требования к оформлению
отчётов и контрольные вопросы.
Методические указания предназначены для студентов нефтегазовых
высших учебных заведений и факультетов, обучающихся по направлению
21.03.01 «Нефтегазовое дело», профиль «Эксплуатация и обслуживание объектов добычи нефти».
Р е ц е н з е н т – канд. геол.-минер. наук А.В. Песков
© В.А. Ольховская, 2019
© Самарский государственный
технический университет, 2019
3
Введение
Пластовая нефть представляет собой сложную смесь углеводо-
родных и неуглеводородных соединений, а также содержит попутный
газ, механические примеси и находится в постоянном контакте с водой и веществом горных пород. Нерастворимые компоненты нефти –
асфальтены, смолы и твёрдые парафины наряду с дисперсными частицами горных пород относят к механическим примесям. Таким образом, нефть представляет собой полигетерогенную дисперсную систему типа золя или суспензии.
Дисперсное состояние является характерным для нефтяных си-
стем как в процессах добычи, транспортировки, переработки, так и
при нахождении их в пласте. Под влиянием внешних воздействий в
пластовых углеводородных системах могут происходить фазовые переходы, которыми сопровождаются адсорбционные и массообменные
процессы [5]. Коллоидно-дисперсным строением нефтяных систем
определяются такие практически важные их свойства, как устойчивость, структурно-механические и реологические характеристики.
В углеводородной части нефти присутствуют алифатические (ал-
каны) и циклические (циклоалканы, арены) углеводороды, а также
углеводороды смешанного или гибридного строения. Есть сведения о
наличии в нефти алкенов. Схематично состав углеводородной части
представлен на рис. 1.
Алканы и циклоалканы относятся к насыщенным предельным соединениям, молекулы которых образованы углеводородами соответственно с открытой цепью и в виде циклических структур. Алканы
могут иметь прямую (н-алканы) или разветвлённую (изоалканы) цепь
атомов. Начиная с бутана, возможна их структурная изомерия. Циклоалканы (или нафтены) подразделяются на моно-, би-, три и полициклические алканы в зависимости от величины цикла, числа циклов
и способов их соединения. Для них характерны три вида изомерии:
структурная, геометрическая, конформационная.
4
а)
б)
Рис. 1. Общая классификация органических соединений
(соединений углерода)
Алканы метанового ряда, в молекулах которых содержится более
16 атомов углерода (С16Н34 + высшие), относятся к твёрдым парафиновым углеводородам. Они находятся в нефти в растворённом или
взвешенном кристаллическом состоянии. В парафинистой и высокопарафинистой нефти их содержание может достигать 30%. Молекулы
парафинов имеют цепную зигзагообразную форму, что отражено на
рис. 2.
Рис. 2. Изображения участков образца парафина, полученные
методом электронной просвечивающей микроскопии:
а – разрешение 0,5 мкм; б – разрешение 0,2 мкм
Тепловое движение молекул инициирует образование поворотных изомеров, которые при высокой температуре приобретают слож-
5
ную конфигурацию наподобие клубка нитей. С понижением температуры молекула парафина приобретает всё более вытянутую форму.
Этот процесс сопровождается усилением взаимодействия между молекулами и образованием пространственной структуры, которая тем
более устойчива, чем ниже температура. Дальнейшее охлаждение ведёт к образованию твёрдой фазы – к кристаллизации парафина.
В неуглеводородной части нефти присутствуют гетероциклические соединения. К ним относятся смоло-асфальтеновые вещества
(САВ), которые концентрируются в тяжёлых нефтяных остатках –
мазутах, гудронах, битумах и др. Их содержание в нефти изменяется
в пределах от долей процента до 45%. САВ делятся на: а) смолы конденсированные циклические соединения с длинными алифатическими боковыми цепями (молекулярная масса 600-1500); б) асфальтены - полициклические ароматические сильно конденсированные
системы с короткими алифатическими боковыми цепями (молекулярная масса 2000-10000 и выше). САВ представляют собой сложную
многокомпонентную полидисперсную смесь высокомолекулярных
углеводородов и гетеросоединений, включающую кроме углерода и
водорода серу, азот, кислород и металлы (ванадий, никель, железо,
молибден и прочие). Характерными особенностями САВ являются
полярность, парамагнетизм, высокая склонность к ассоциации и проявление выраженных коллоидно-дисперсных свойств.
В процессе развития представлений о строении и природе нефтяных САВ выделяют два основных этапа, связанных общей идеей о
коллоидно-дисперсном строении, но различающихся методологическим подходом к оценке строения единичного элемента коллоидной
структуры [1, 7, 8, 10].
На первом этапе применялся стандартный химический подход,
используемый для идентификации строения неизвестного соединения, суть которого заключалась в создании модели, наилучшим образом соответствующей по свойствам (молекулярной массе, элементному составу) исходному объекту. Пример такой гипотетической модели представлен на рис. 3.
6
Рис. 3. Гипотетическая химическая модель строения
молекулы САВ (по Залке)
Как отмечает автор [10], «общими недостатками подобных химических моделей является допущение о том, что частица с экспериментально измеренной массой - это единая частица, все фрагменты
7
которой соединены между собой ковалентными связями, и не учёт
возможности их ассоциации в условиях измерения молекулярных
масс».
Второй этап связан с развитием физических (инструментальных)
методов исследования фазовых переходов в растворах и поверхностных слоях углеводородных жидкостей. С появлением методов рентгеноструктурного микроанализа, диэлектрической спектроскопии,
ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного
резонанса (ЭПР) и других начали развиваться физико-механические
представления о строении САВ и причинах, обусловливающих их
склонность к ассоциации.
Так, методом рентгеноструктурного анализа было обнаружено,
что асфальтены имеют незначительные признаки кристаллического
строения. В 1961 г. Йен предложил модель строения асфальтенов, в
основу которой положена принципиальная возможность плоскопараллельной ориентации полиароматических фрагментов разных молекул - ароматических пластин, образующих первичные стэкингструктуры. Конденсированные ароматические полиядерные слои
имеют диаметр 0,9-1,7 нм и отстоят друг от друга на расстоянии 0,36
нм. Размер стэкинг-структур по нормали к плоскости ароматических
пластин достигает 1,6-2,0 нм. В первичную стэкинг-структуру асфальтенов может входить порядка 4-5 упорядоченно расположенных
слоёв, вследствие чего её иногда называют «пачкой» или кристаллитом (см. рис. 4).
К примеру, в центре изображённой на рис. 5, б физикомеханической модели молекулы находится двухслойное ароматическое ядро с несколькими нейтрализованными кольцами вблизи верхнего левого угла, а по бокам - обособленные короткие цепи.
8
б
а
I
II
Рис. 4. Пачечная модель строения асфальтенов
(по Йену):
I – асфальтеновые пластины;
II – первичная стэкинг-структура
Рис. 5. Физико-механическая модель асфальтеновой молекулы:
а – вид сбоку; б – вид сверху
Склонность к ассоциации предполагает несколько уровней структурной организации асфальтенов (см. рис. 6): молекулярнодиспергированное состояние (I), в котором асфальтены находятся в
виде отдельных слоев; коллоидное состояние (II), являющееся ре-
9
зультатом образования частиц с характерными размерами; дисперс-
I
II
IV
III
седиментация
ное кинетически устойчивое состояние (III), возникающее при агрегировании частиц, и дисперсное кинетически неустойчивое состояние
(IV), сопровождающееся выделением осадка [9, 10].
Рис. 6. Уровни структурной организации асфальтенов
В последнее время всё более доминирует мнение, что частицы
дисперсной фазы в нефтяных системах имеют фрактальное строение,
а нефть как нелинейная динамическая система обнаруживает масштабную инвариантность (фрактальность) пространственных и временных свойств [11].
Для фрактальных структур характерен механизм неупорядоченного роста с образованием кластеров – объектов, имеющих неплотное, сильно разветвлённое строение с радиально-лучевой симметри-
10
ей. Структура образующегося вещества обычно не образует плотной
упаковки и наилучшим образом описывается с помощью аппарата
фрактальной геометрии. Мерой упорядоченности для кластера выступает фрактальная размерность d, которая физически может быть
определена соотношением М~Rd, где М – масса кластера, R – его радиус.
Коллоидно-химические особенности разрозненных микроструктур порождают способность системы в целом образовывать заданную
пространственную структуру. Вместе с тем из-за различия физикохимических свойств, состава и поведения структурных микрообластей нефтяные системы отличаются от истинно коллоидных. В этом
проявляется их способность к самоорганизации и возникновению
свойств, которыми ни одна из подсистем не обладает. Особенностями
макромолекулярной самоорганизации и многообразием видов надмолекулярных структур обусловлены нелинейные эффекты при фильтрации нефтяных дисперсных систем [9].
В работе [4] описана модель для определения структурных характеристик нефтяных дисперсных систем методом ЯМР. Экспериментально установлено, что условный радиус асфальтенового ядра изменяется от 27 до 106 нм, толщина адсорбционно-сольватного слоя из
смол составляет 8–55 нм. Основная роль в формировании надмолекулярных структур принадлежит слабым водородным связям, которые
обусловливают зарождение в дисперсной системе фрактальных агрегатов с переменной плотностью от центра к периферии комплекса.
Чем больше при этом линейные размеры конечных агрегатов, тем
ниже энергия связи. Если рассматривать дисперсную частицу как
сферический комплекс, то её радиус из опытов с природными нефтяными системами изменяется в пределах 27-106 нм, при этом радиус
асфальтенового ядра 9-58 нм и толщина адсорбционно-сольватного
слоя 8-55 нм. Расчёт фрактальной размерности асфальтеновых кластеров показал, что она составляет 1,739 ед.
Изменение концентрации и структурной организации компонентов нефти, в первую очередь, твёрдых парафинов и САВ сопровожда-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]