ПРОЦЕССЫ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

57.Буевич Ю. А., Леонов А. И. Автоколебания в куэттовском течении не- сжимаемой максвелловской жидкости // ПМТФ. – 1966. – № 2. –

С. 305–311.

58.Каракин А. В., Леонов А. И. Об автоколебаниях при истечении поли- мерных растворов из капилляра // ПМТФ. – 1968. – № 3. – С. 110–114.

59.Pearson J. R. A., Petrie C. J. S. On the melt flow instability of extruded polymers // Proceeding of the 4-th Interational Cоngress on Rheology. Providence. R.I. – 1963. Part 3. – P. 205–211.

60.Overdiep W. S., Van Vrevelen D. W. Studies of non-newtonian flow. 1. Criterian of flow instability // J. of applied polimer science. – 1965. V. 9, № 8. – P. 302–311.

61.Столин А. М., Худяев С. И. Образование пространственно неоднород- ных состояний структурированной жидкости при аномалии вязкости //

ДАН СССР. – 1981. – Т. 260, № 5. – С. 1180–1184.

62.Шустер Г. Детерминированный хаос. – М.: Мир, 1988. – 240 с.

63.Хасанов М. М., Валеев М. Д., Уразаков К. Р. О характере колебаний дав-

ления жидкости в НКТ глубиннонасосных скважин // Изв. вузов. Сер.

Нефть и газ. – 1991. – № 11. – С. 32–36.

64.Справочное пособие по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти / Под ред. Ш. К. Гиматутди-

нова. – М.: Недра, 1983. – 455 с.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Глава 4 ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ

В ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ ВБЛИЗИ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ

Полезно время от времени ставить знак вопроса на вещах, которые тебе давно

представляются несомненными.

Б. Рассел

Теории приходят и уходят, а экспериментальные факты остаются.

Из научного фольклора

Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в последнее время с газосодержащими жидкостями, показали, что в предпе- реходных условиях (т. е. в области давлений, превышающих давление на- сыщения, но близких к нему) реологические и релаксационные свойства газожидкостных систем во многом определяются наличием «микрозаро- дышей» – мельчайших газовых пузырьков, кооперативное действие кото- рых проявляется при приближении к давлению насыщения. Существова- ние подобных образований предполагают также в теории кавитации, чтобы объяснить резкое уменьшение реальной кавитационной прочности по сравнению с теоретической [1–3]. Некоторые оценки характеристик мик- розародышей получены в опытах по изучению скорости и коэффициента

поглощения звука, кавитационных шумов [3] и дифракции лазерного пуч- ка.

Предпереходные явления могут быть объяснены в рамках теории Я. И. Френкеля, в соответствии с которой вблизи давления насыщения в жидкости имеется динамическая «популяция» зародышей, образованная гетерофазными флуктуациями плотности газа.

Однако ряд опытов говорит о существовании стабильных пузырьков. Возможные причины существования стабильных пузырьков, рассматри- ваемые в литературе, требуют наделения газожидкостных систем некото- рыми дополнительными свойствами. Гарвей и др. предположили, что ядра нерастворенного газа могут существовать в субмикроскопических гидро- фобных трещинах, имеющихся на стенках сосудов или на поверхности примесных твердых частиц [1, 2]. Ряд авторов считает, что существование стабильных зародышей газа связано со следами ПАВ, которые адсорбиру- ются на поверхности пузырька и создают пленку, упругость которой пре-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пятствует его схлопыванию [1, 3]. В работе [4] предполагается, что стаби- лизация пузырьков обеспечивается выделением на их поверхности пленок ПАВ с отрицательным поверхностным натяжением. Однако в рамках этой модели возникает проблема устойчивости поверхности раздела относи- тельно малых отклонений от сферической формы. П. Айзенберг связывает стабилизацию пузырьков со взаимодействием между ионами, адсорбиро- ванными на поверхности пузырька, и свободными ионами, находящимися в объеме жидкости [1].

Несмотря на обилие предположений, следует признать, что причины, ведущие к образованию зародышей, и механизмы, обеспечивающие их стабильное существование, к настоящему времени до конца не выяснены.

Ясно одно: в «чистых» жидкостях существование стабильных мик- розародышей газа невозможно.

Естественно предположить, что зародыши новой фазы образуются не только в жидкостях с растворенным газом. В данной главе приведены результаты лабораторных исследований, которые показывают, что заро- дышеобразование имеет место и в газоконденсатных смесях: при прибли- жении к давлению выпадения конденсата образуются зародыши жидкой фазы, существенно влияющие на фильтрационные характеристики порис- тых сред.

4.1. Исследование реологических свойств газожидкостных систем вблизи давления насыщения акустическими методами

Фильтрация газожидкостных систем в пористой среде вблизи давле- ния насыщения сопровождается неравновесными эффектами [1, 2]. С це- лью детального изучения реологических свойств растворов газов в жидко- сти при давлениях, близких к давлению выделения газа, была выполнена серия экспериментальных исследований.

В пористой среде с проницаемостью 35 10−15 м2, представленной

смесью кварцевого песка со средним размером частиц 10− 4 м и монтмо- риллонита, размещенной в термостатируемой медной трубке длиной 6 м и

диаметром 10−2 м, исследовалась фильтрация растворов углекислого газа в широком интервале концентраций и температур при давлениях, близких к давлению насыщения.

В результате проведенных работ обнаружен эффект, состоящий в значительном, более чем в 2–3 раза, увеличении удельного расхода флюи- да вблизи давления насыщения. На рис. 4.1 приведена зависимость удель- ного расхода раствора углекислого газа в н-гексане концентрацией 0,225 мольных долей при температуре 298 К от перепада давлений ∆p в начале и в конце образца пористой среды.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

q, 10–3 см3/с

100

50

Рис. 4.1. Зависимость удельного расхода раствора углекислого газа в н-гексане концентрацией 0,225 мольных долей при температуре 298 К от перепада давлений ∆Р

При давлениях, значительно превышающих давление насыщения, удельный расход раствора пропорционален перепаду давления в соответ- ствии с законом Дарси. При некотором давлении ps , характеризующемся резким возрастанием затухания ультразвуковых колебаний, наблюдается увеличение удельного расхода, продолжающееся при снижении давления до достижения давления насыщения (появления в объеме раствора пу- зырьков газа). Значения этих давлений для данной системы соответственно равны 3,8 и 3,2 МПа. Таким образом, изменение перепада давлений на 0,6 МПа в окрестности фазового перехода в этой системе приводит к воз- растанию расхода более чем в 2,5 раза. Активное выделение газа при дав- лении 3,2 МПа вызывает быстрое снижение расхода вследствие уменьше- ния проницаемости пористой среды для двухфазной системы «газ– жидкость».

При давлении, равном ps , имеет место значительное уменьшение вязкости раствора и резкое возрастание поглощения звука. В табл. 4.1 при- водятся результаты измерения вязкости η (мПа с) данной системы для других концентраций С при различных температурах Т (К) и давлени- ях p (МПа). Во всех рассмотренных случаях отмечается существенное снижение вязкости растворов вблизи давления насыщения. Этот факт мо- жет служить объяснением обнаруженного эффекта увеличения удельного расхода газожидкостных растворов в окрестности давления насыщения при фильтрации их в пористых средах.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таблица 4.1 Вязкость раствора при различных значениях давления и температуры

Уменьшение вязкости и рост поглощения звука в растворах в облас- ти давления насыщения могут быть удовлетворительно объяснены в рам- ках теории предпереходных давлений [6]. Однофазный раствор газа в жид- кости рассматривается как гетерогенная дисперсная система, состоящая из раствора и микронеоднородностей в виде зародышей газа, расположенных на расстояниях, малых по сравнению с длиной волны. Статистическое рас- пределение рассеивателей (зародышей газа) характеризуется функци- ей Nn , равной числу зародышей в единице объема, содержащих n молекул.

Полный термодинамический потенциал такой системы можно записать в виде [6]

F = Nl + ∑Nnn ,

Принимая, что зародыши новой фазы в процессе изменения внешних параметров (например, давления) изменяют свой радиус от некоторого

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

значения r до rk при давлении насыщения и an2 / 3 ≈ 4πr2γ , преобразуем соотношение (4.2) к виду

Из (4.3) следует, что при увеличении размеров зародышей, вызван- ном снижением давления в системе, число их Nn уменьшается. Описывая

Выражение (4.4.) справедливо при r < rk , когда вязкость уменьшает- ся при приближении к давлению насыщения, и при r > rk , когда в системе появляются пузырьки газа и вязкость увеличивается. Такое поведение вяз- кости характерно и для нефти с растворенным газом. В табл. 4.2 приведе-

При снижении давления от 11 МПа до давления насыщения (8,4 МПа) вязкость пластовой нефти уменьшается на 11%.

Увеличение проницаемости пористой среды в предпереходных усло- виях может быть объяснено не только уменьшением вязкости флюида. При

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

244 Глава 4

приближении к давлению насыщения возможно образование стабильных микрозародышей, которые адсорбируются на поверхности пористой сре- ды. Появление этого слоя приводит (вследствие эффекта «газового под- шипника») к снижению фильтрационных сопротивлений и росту расхода флюида, который достигает своего максимума при давлении, немного пре- вышающем давление насыщения. В непосредственной близости от давле- ния насыщения увеличение размеров зародышей приводит к возникнове- нию дополнительных гидравлических сопротивлений за счет закупорива- ния микропор, поэтому расход флюида начинает уменьшаться. При сни- жении давления до уровней, меньших pн , выделяется свободный газ, что ведет к резкому увеличению фильтрационных сопротивлений.

Отметим, что во всех исследованных газожидкостных системах плотность и скорость звука не имеют особенностей в окрестности давле- ния насыщения.

Возрастание поглощения звука в области давления насыщения обу- словлено, по-видимому, следующим. Распространение звука в среде с микронеоднородностями в виде зародышей новой фазы сопровождается рассеянием мощности изучения W на длине x [7]

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

родышей в окрестности давления насыщения превалирует над влиянием уменьшения их числа Nn , что и обуславливает возрастание поглощения звука.

4.2. Изучение свойств газожидкостных смесей в предпереходных состояниях

Эффекты зародышеобразования наиболее отчетливо проявляются при фильтрации многокомпонентных сред в пористых средах. Экспери- ментальное исследование этих эффектов затрудняется отсутствием надеж- ных методов, позволяющих напрямую диагностировать наличие зароды- шей новой фазы.

Так, оптический метод [8] не применим для газожидкостных систем, находящихся в пористой среде. Ультразвуковой метод [9, 10] очень чувст- вительный и тонкий, однако сложность реализации не способствует его широкому распространению.

Впрактике наибольшее применение нашел объемный метод [11], со- гласно которому о начале зародышеобразования судят по изменению угла

наклона графика зависимости изменения объема системы от изменения давления.

Как известно, для бинарных систем объемный метод дает хорошие результаты, но при определении давления зародышеобразования в много- компонентных системах, каковыми являются нефти, фазовые превращения происходят не при фиксированном значении давления, а в некоторой об- ласти, что сильно снижает точность метода.

Отмеченное обусловило необходимость создания способа более на-

дежного и достоверного определения момента зародышеобразования в бомбе PVT и в пористых средах.

Впроведенных нами экспериментах появление зародышей фиксиро- валось по изменению разности потенциалов. Лабораторная установка (рис. 4.3) состояла из фильтрационной колонки 1, потенциометра с высо-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ким входным сопротивлением URV-2M, электромагнита со специальным наконечником 3, реостата 4, выпрямителя типа УСА-4Л (5), амперметра 6, бомб высокого давления PVT 7 и 12, образцовых манометров 8, бачка для

продавочной жидкости 9, измерительных прессов 10 и 13, ультратермоста-

та 11.

В бомбе PVT и фильтрационной колонке с помощью термостата поддерживалась постоянная температура, равная 313 К.

Эксперименты проводились следующим образом.

Фильтрационная колонка заполнялась пористой средой, после чего производилась вертикально-вибрационная трамбовка с периодическим до- бавлением новых порций пористой среды.

Рис. 4.3. Схема экспериментальной установки

Объем пор определялся как весовым способом, так и закачкой в по- ристую среду воздуха. Проницаемость пористой среды по воздуху опреде- лялась по известной методике. Через пористую среду прокачивалось пять– семь поровых объемов негазированной жидкости. При этом, с целью луч- шей очистки пористой среды от защемленных пузырьков воздуха, произ- водилась попутная барообработка, заключающаяся в периодическом уве- личении давления в фильтрационной колонке с последующим резким сни- жением давления на ее выходе. Избавление от пузырьков воздуха проис- ходит за счет частичного их растворения при повышении давления и про- скальзывания воздуха при создании больших перепадов давления между входом и выходом колонки.