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
11
ется изменением её плотности, вязкости, термодинамической устойчивости, влияет на скорость течения в пористой среде и может сопровождаться нарушениями фильтрации. Перестройка внутренней
структуры происходит под влиянием меняющихся температур, давлений, разгазирования и может быть спровоцирована микронеоднородностью пористой среды. С увеличением степени дисперсности
усиливаются молекулярно-кинетические факторы, и седиментационная устойчивость системы возрастает. Таким образом, степень дисперсности является одним из важнейших количественных показателей нефтяных дисперсных систем, определяющих их физикохимические и технологические свойства.
Асфальтены, смолы и парафины по-разному влияют на структурно-механические свойства нефти. Парафины формируют в нефти
прочную объёмную структурную сетку кристаллизационного типа.
Ассоциаты асфальтенов образуют чешуйчато-пластинчатую структуру коагуляционного типа, обладающую тиксотропными свойствами.
В свою очередь, смолы и лёгкие асфальтены обеспечивают стабильность квазисферичных агрегатов (см. рис. 6), поскольку отталкивание
сольватных «оболочек» препятствует стэкинг-взаимодействию.
В работе [6] показано, что при образовании осадка из нефтяных
систем, содержащих два осадкообразующих компонента, присутствие
парафинов оказывает существенное влияние на поведение в процессе
осаждения двух других компонентов – смол или асфальтенов. В смоло-парафиновых модельных смесях смолы проявляют свойства природных поверхностно-активных веществ и замедляют процесс кристаллизации парафинов, тем самым снижая количество образующегося осадка. Асфальтены, напротив, в присутствии твёрдых парафинов
выступают в роли дополнительных центров кристаллизации.
Таким образом, асфальтены, смолы и парафины – это базовые частицы, контролирующие процессы структурообразования в нефти.
Смоло-асфальтеновые вещества играют доминирующую роль при
начальных пластовых условиях и при охлаждении в процессе разработки до тех пор, пока температура пласта превышает температуру
12
насыщения нефти парафином. Влияние структурно-механических
свойств нефти на фильтрацию может быть существенным, если содержание асфальтенов превышает 0,5-1% мас.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Определение граничных градиентов давления и
локализация участков пласта с неблагоприятной
реологической характеристикой
Теоретическая часть
Нано- и микроструктуры разных масштабов, присутствующие в
нефтяных системах, способны взаимодействовать друг с другом и перестраиваться под влиянием внешних факторов. Под действием сдвиговых деформаций и колебаний температуры структурная организация нефтяной системы претерпевает изменения, которые могут приводить к увеличению вязкости, замедлению скоростей фильтрации и
образованию в продуктивном пласте зон с малоподвижными, практически не вырабатываемыми запасами.
Специфика реологически сложного течения обусловлена корреляцией макроскопического реологического параметра вязкости с
микроскопическими характеристиками смоло-асфальтеновых структур. Применительно к разработке нефтяных месторождений реология
рассматривает особенности фильтрации неньютоновских жидкостей,
объединяя физику полимеров, макромолекул, жидких кристаллов,
критических явлений и коллоидов. Стандартные физические характеристики нефти не во всех случаях отражают особенности механизма
фильтрации. Для описания реологически сложного течения жидкостей в пористой среде используются дополнительные параметры и
принимаются во внимание следующие, общие для большинства неньютоновских систем, особенности:
1) они не подчиняются закону вязкого трения Ньютона, который
записывается в виде:
13
dy
dv
, (1)
S
F
где τ – внутреннее касательное напряжение сдвига, Па; dv/dy – градиент скорости в направлении, перпендикулярном направлению течения x (скорость сдвига), с−1; μ – постоянный коэффициент динамиче-
ской вязкости, Па·с;
2) их течение часто характеризуется критическими напряжения-
ми сдвига и, соответственно, критическими градиентами давления;
3) вязкость этих жидкостей переменная, зависит от условий тече-
ния, в частности, от величины градиента давления и называется эффективной вязкостью;
4) при течении таких жидкостей в пористой среде нарушается
линейный закон фильтрации Дарси.
В соответствии с законом вязкого трения (1) касательное напряжение, возникающее в жидкости, пропорционально градиенту скорости в направлении, перпендикулярном вектору скорости и площадке,
по которой оно действует. В капилляре, схематично изображённом на
рис. 7, цилиндрические бесконечно тонкие слои жидкости перемещаются в направлении продольной оси x, совершая «телескопическое» ламинарное движение. Между соседними слоями существует
разность скоростей, из-за чего возникает взаимное скольжение слоёв,
которое приводит к проявлению силы внутреннего трения. Чтобы
слои перемещались, к ним необходимо приложить некоторую силу F,
равную силе сопротивления жидкости в результате внутреннего трения. Отношение этой силы к площади контакта слоёв S в условиях их
затруднённого проскальзывания есть касательное напряжение сдвига:
. (2)
Так как жидкость несжимаема, то скорость v остаётся постоянной
по длине капилляра и зависит только от расстояния y до центральной
оси. Решая уравнение равновесия сил, действующих на цилиндрический объём жидкости длиной l и радиусом R, для ньютоновской жид-
14
кости можно доказать линейность связи между расходом (скоростью)
x
R τ p + Δp
l
dy τ p
жидкости и перепадом давления. В случае нарушения закона вязкого
трения (1) для неньютоновских жидкостей будет существовать ограничение линейности, а по мере усложнения механизма структурообразования связь становится нелинейной в определённом диапазоне
перепадов давления.
Рис. 7. Схема течения вязкой жидкости в капилляре
Все неньютоновские системы, включая высоковязкую нефть и
битум, могут быть разбиты на три больших класса.
I. Стационарно реологические – это системы, для которых скорость сдвига зависит только от величины касательного напряжения.
II. Нестационарно реологические – это системы, для которых
скорость сдвига зависит как от величины касательного напряжения,
так и от времени.
III. Вязкоупругие – это системы, обладающие свойствами как
твёрдого тела, так и жидкости, а также способностью к частичному
упругому восстановлению формы после снятия напряжения.
Следует отметить, что приведённая классификация неньютоновских жидкостей не является универсальной и достаточно условна.
15
Например, процессы разрушения и восстановления структуры всегда
τ
0
0
dy
dv
τ
1
2 3 4
5
τ
r
τ
m
требуют некоторого времени, следовательно, жидкость будет отнесена к первому классу лишь в том случае, если этим временем можно
пренебречь.
Рис. 8. Кривые течения жидкостей:
1 – ньютоновская; 2 – дилатантная; 3 – псевдопластичная;
4 – линейно вязкопластичная; 5 – нелинейно вязкопластичная
Наглядной характеристикой любой жидкости является реологическая кривая (кривая течения), представляющая собой графическую
зависимость между скоростью сдвига dv/dy и касательным напряжением сдвига τ. На рис. 8 показаны типичные кривые течения стационарно реологических жидкостей, динамическое поведение которых
поддаётся математическому описанию в форме, наиболее удобной
для практических расчётов.
16
Нефть с повышенным содержанием парафина обычно относят к
dy
dv
0
0
0
0
0
r
m
0
n
dy
dv
K
o
линейно вязкопластичным жидкостям, течение которых описывается
уравнением Шведова-Бингама:
, (3)
где
Считается, что при
- начальное (предельное, статическое) напряжение сдвига.
жидкость ведет себя, как твёрдое тело, и те-
чение отсутствует. Это объясняется наличием у покоящейся жидкости пространственной жёсткой структуры, сопротивляющейся любому напряжению τ, меньшему
. Когда τ становится больше
, струк-
тура разрушается.
Нефть с повышенным содержанием асфальтенов и смол обладает
свойствами нелинейно вязкопластичных жидкостей. Кривые течения
таких жидкостей предложено характеризовать двумя критическими
напряжениями сдвига [2]:
- это напряжение сдвига, при котором начинается разрушение
структуры;
- это напряжение сдвига, при котором структура разрушается
полностью.
В зарубежной литературе течение нелинейно вязкопластичных
жидкостей часто описывают уравнением Гершеля-Бакли, куда входит
предельное напряжение сдвига
:
. (4)
Здесь n – показатель степени, характеризующий меру отклонения
поведения жидкости от закона Ньютона; K – индекс консистенции,
определяемый экспериментально.
Дилатантные и псевдопластичные жидкости – это жидкости, не
обладающие предельным напряжением сдвига. Они сразу приходят в
движение при приложении к ним силы, превышающей силу трения.
Однако псевдопластичные жидкости при течении как бы разжижают-
17
ся (их эффективная вязкость с увеличением скорости сдвига умень-
n
dy
dv
K
шается), а дилатантные – загустевают (их эффективная вязкость увеличивается).
Реологические кривые таких жидкостей описываются степенной
зависимостью Оствальда-де Ваале:
. (5)
Для псевдопластичных жидкостей n<1, для дилатантных n>1.
Высоковязкая нефть и нефть с повышенным содержанием асфальтенов часто проявляет свойства нелинейно вязкопластичной
жидкости. При фильтрации нелинейно вязкопластичной жидкости в
пористой среде закон Дарси не выполняется. Зависимость скорости
фильтрации v от градиента давления grad P нелинейная, а на соответствующем графике (см. рис. 9) выделяются три участка. Особенности
реологически сложного течения могут быть объяснены конкуренцией
двух противоположных процессов: образования и разрушения внутренней структуры при изменении скоростей сдвига.
Участок ОА – это область, где жидкость фильтруется с малой
скоростью и наибольшей вязкостью µ0 из-за практически не разрушенной структуры, сформированной асфальтенами, и наблюдается
явление ползучести.
Участок АБ – это область, где жидкость фильтруется с переменной вязкостью µэ. Здесь одновременно протекают процессы разрушения и восстановления структуры, а скорость фильтрации быстро увеличивается.
Участок БВ – это область, где жидкость фильтруется с полностью
разрушенной структурой и наименьшей вязкостью µm. Продолжение
участка проходит через начало координат, что свидетельствует о
ньютоновском характере течения.
18
Б
В
А
0
Hr
Hm
H
grad P
v
Б В А
0
τ
r
τ
m
Ө
τ
dy
dv
Б В А
0
gradP
µ
µ
0
µ
э
µ
m
Hr
Hm
Рис. 9. Кривые течения нелинейно вязкопластичной нефти
На графике зависимости скорости фильтрации от градиента давления выделяются два граничных градиента давления:
Н
– градиент давления, определяющий границу прочности прак-
r
тически не разрушенной внутренней структуры;
Н
– градиент давления предельного разрушения структуры.
m
Граничные градиенты давления Нr и Нm отражают основные особенности фильтрации нелинейно вязкопластичной нефти в пористой
среде и имеют большое практическое значение при решении задач
проектирования и анализа разработки нефтяных месторождений.
При отсутствии экспериментальных данных граничные градиенты давления можно определить расчётным путем с помощью извест-
19
ных эмпирических зависимостей [2, 3]. Для расчёта необходимы све-
r
дения о составе и свойствах нефти и попутного газа, фильтрационных
параметрах пласта и термобарических условиях фильтрации нефти.
Вместо первого критического напряжения сдвига
в расчётах,
как правило, используют параметр θ, который в химии является общепринятой характеристикой коллоидных систем. Его называют предельным динамическим напряжением сдвига (ПДНС) и находят, проводя прямую линию по наиболее крутому участку кривой течения до
пересечения с осью абсцисс.
Аналогично вместо Нr удобно использовать параметр H – градиент динамического давления сдвига (ГДДС), который графически
определяется как точка пересечения продолжения практически линейного участка реологической кривой с осью абсцисс, при этом H≈
Н
.
r
Выполняемые расчёты позволяют, во-первых, прогнозировать
влияние реологических факторов на процесс извлечения нефти при
составлении первичных проектных документов на разработку новых
месторождений, а во-вторых, контролировать это влияние на протяжении всей истории разработки залежей. Контроль осуществляется
путём сравнения фактических градиентов пластового давления с граничными значениями и локализации участков, в пределах которых
проявляются структурно-механические свойства нефти.
Практическая часть
Цель работы:
1) определить параметры, характеризующие нефть как сложную
реологическую систему;
2) ранжировать участки реального или виртуального пласта по
степени проявления структурно-механических свойств нелинейно
вязкопластичной нефти;
3) обосновать рекомендации по совершенствованию системы
разработки.
Материалы и оборудование
20
Типовая исходная геолого-технологическая информация, персо-
нальный компьютер и программное обеспечение общего назначения.
Для поиска и систематизации входных данных потребуются:
- таблица «Геолого-физическая характеристика объекта разработки»:
- таблица «Физико-химическая характеристика дегазированной
нефти»;
- таблица «Компонентный состав нефтяного газа, дегазированной
и пластовой нефти»;
- карта изобар с указанием масштаба (при работе с реальным объектом),
Пример. По результатам исследования проб нефти установлено,
что массовое содержание в ней высокомолекулярных компонентов
составляет: асфальтенов - 3,5%; смол - 11,2%. В попутном газе содержится азота 6,12 м3/м3; метана 4,32 м3/м3; этана 7,28 м3/м3.
Средняя температура виртуального пласта постоянна и равна
28оС. Пласт сложен песчаником, средняя проницаемость которого со-
ставляет 0,360 мкм2.
По результатам гидродинамических исследований построены
карты изобар, характеризующие распределение пластового давления
в нефтяной залежи. Изобары проведены через 10 ат (1 МПа), масштаб
карты 1:25000. На картах выделяются участки, в пределах которых
расстояния между соседними изобарами равны 0,8 см, 1,5 см, 2,5 см.
В соответствии с целью работы требуется определить, будут ли
структурно-механические свойства нефти влиять на разработку в
пределах выделенных участков пласта, и предложить мероприятия,
направленные на повышение эффективности разработки.
Последовательность выполнения работы
В ходе учебного исследования требуется выполнить следующее.
1. Обосновать предположение, что подвижная нефть обладает
свойствами нелинейно вязкопластичной жидкости.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]