12 Физические свойства водонефтяных смесей.

Нефть и вода, движущиеся в скважинах, вследствие гидродинамических возмущений потока (переход ламинарного течения к турбулентному, деформация и разрыв поверхности раздела фаз, флуктуация плотности и др.), дисперсную систему различной структурной формы. Область существования

82

дисперсной системы определяется давлением, которое должно быть выше давле­ния насыщения жидкости газом, т.е. р р_нас. Наиболее важными физическими свойствами водонефтяной смеси, необходимость определения которых возникает при решении технологических задач добычи нефти, являются плотность и кажу­щаяся вязкость. Для расчета указанных физических параметров при соответст­вующих термодинамических условиях потока, его расходных характеристиках, структурных особенностях и типа смеси предварительно определяют следующие факторы:

1) Объемная расходная доля воды в смеси β_{в ст} при стандартных услови­ях:

при известных объемных дебетах скважины по жидкости и воде

(12.1)

при известной массовой расходной доле воды в смеси п_ш

(12.2)

где Q_{в ст}, Q_{ж cm} ~ соответственно дебит воды и жидкости при стандартных ус­ловиях, м³/с;

ρ_{в ст,} ρ_нд - соответственно плотность воды и нефти при стандартных ус­ловиях, кг/м³.

2) Объёмные расходы нефти и воды при заданных р и Т

где b_н - объемный коэффициент нефти, определяемый по формуле в разделе 10,

b_в- объёмный коэффициент воды при р и Т, определяемый по (11.4); при­ближённо можно принять Ь_в ~ 1

83

3) Объёмная расходная доля воды в смеси при р и Т

4) Скорость потока водонефтяной смеси в рассматриваемом сечении канала

где F площадь сечения канала.

5) Структура потока. Д;1я водонефтяной дисперсной системы характерны две основные структурные формы / 9 / область существования каждой из кото­рых оценивается по критической скорости смеси

где

= 4·F/p - гидравлический диаметр канала , м;

Р - смоченный периметр поперечного сечения канала.

При ώ_см< ώ_{сы кр} водонефтяной поток имеет капельную структуру: диспер­гированная фаза в виде отдельных капель диаметром 0,5+2 см распределена во внешней, непрерывной фазе.

При ώ_см<ώ_сы поток имеет эмульсионную структуру, диспергированная фаза представлена сферическими капельками диаметром 10^-5 ·10^-3 см. Дис­персную систему такой структуры называют эмульсией .

Капельная структура. Физические свойства водонефтяной смеси рассчитываются после предварительного определения типа водонефтяной смеси. В зависимости от расходной объемной доли воды смесь может быть двух типов:

если β< 0,5, то смесь будет типа вода (дискретная, внутренняя фаза) в нефти (непрерывная, внешняя фаза) (В/Н);

если > 0,5, то смесь будет типа нефть (дискретная, внутренняя фаза) в воде (непрерывная, внешняя фаза) (Н/В).

а) Поверхностное натяжение нефти на границе с водой (сг_т)

где £т„, а_к - соответственно поверхностное натяжение на границах раздела нефть-газ, вода-газ, рассчитываемые по (см.гл.10), (11.17).

б) Истинные объёмные доли фаз в потоке смеси. Для смесн типа (В/Н)

где - приведенная скорость воды,

- соответственно плотность воды и нефти при заданных р и Т, кг/м³ Истинная объёмная доля внешней (непрерывной) фазы (нефти) будет:

Для смеси типа (Н/В)

где

- приведённая скорость нефти,

Истинная объёмная доля внешней фазы (воды) будет:

в) Плотность водонефтяной смеси на основе принципа аддитивности

г) Кажущаяся динамическая вязкость водонефтяной смеси капельной структуры по рекомендации / 9 / принимается равной динамической вязкости внешней фазы (мПа-с):

для смеси типа (В/Н) ,

для смеси типа (Н/В) ,

где

- соответственно вязкости нефти и воды при заданных р и Т.

Эмульсионная структура Физические свойства эмульсии рассчитывают, предварительно определив её тип, который ориентировочно по ' 9 / оценивается по объёмной расходной доле воды Д и критической скорости эмульсии:

Если Д < 0,5 и йУа, > <u,_v - эмульсия типа (В/Н).

Если Д < 0,5 и Ос < ох, или Д > 0,5 - эмульсия типа (Н/В).

а) Истинные объёмные доли фаз в эмульсии. Учитывая, что в потоке эмульсии в силу высокой дисперсности практически отсутствует относительное движение фаз, их истинные объёмные доли принимаются равными расходным объёмным, те.

б) Плотность водонефтяной эмульсии приближённо оценивается по сле­дующей формуле:

в) Кажущаяся динамическая вязкость эмульсин определяется прежде её типом н характером отклонения её течения от ньютоновского, что оценивается по изменению скорости сдвига потока эмульсии. Особую трудность в определе­нии представляет кажущаяся вязкость эмульсии типа (В/Н), которая зависит от вязкости дисперсионной среды (нефти) и_л объемной расходной доли воды Д. скорости сдвига о>и и дисперсности. В зависимости от характера связи вязкости с указанными параметрами ее можно определить различными способами , пред­варительно определив скорость сдвига потока эмульсии при заданных термоди­намических условиях

где

- скорость водонефгяной смеси (12 6), м/с;

гидравлический диаметр трубы, равный ее внутреннему диамет­ру, м.

Методы практической оценки вязкости эмульсии типа (В/Н) с учетов влияния на неё скорости сдвига могут быть как расчетные / 9 ,', так и графиче­ские с использованием реолопччееких кривых / 15 /. Расчётный метод основан ",s использовании некоторого параметра А, учитьшающего влияние скорости сдвиге на вязкость

где В - коэффициент, который 01феделяется в зависимости от параметра А

Графический метод основан на использовании реологической кривой вяз­кости эмульсии в функции массовой доли воды п, (%), скорости сдвига и вязко­сти дисперсионной среды при определённой дисперсности системы (рис. 12.1).

Рисунок 12 1 — Зависимость вязкости водонефтяной эмульсии от обводнённости при скоростях сдвига (с¹), равных 81 (кривые 1-6), 437 (кривые Г-6'), 1312 (кривые 1"-6") и вязкости дисперсионной среды (мПа-с), равных 3 (кривые б, 6', 6"), 5 (кривые 5, 5', 5"), 8 (кривые 4, 4', 4"), 11 (кривые 3, 3', 3"), 15 (кривые 2, 2', 2"), 21 (кривые 1, Г, 1").

График на рис 12.1 может быть использован для ориентировочной оценки кажу­щейся вязкости эмульсии любого типа с дисперсностью порядка 10 мкм (10"^J см) (что характерно для эмульсии, образующейся в фонтанных и газлифтных сква­жинах) при изменении вязкости дисперсионной среды от 3 до 21 мПа-с и скоро­сти сдвига от 80 до 1300 1/с.

Кажущаяся динамическая вязкость эмульсии типа (Н/В) также может быть оценена как расчётным путём 191, так и графически / 15 /. (рис. 12.1, кривая А) с учётом положения точки инверсии фаз эмульсии при соответствующих условиях (геометрическим наложением всех точек инверсии является пунктирная линия).

Расчётный способ определения вязкости эмульсии типа (Н/В) основывает­ся на использовании следующей зависимости:

Задача 12.1 Определить плотность и кажущуюся динамическую вязкость водо-нефтяной смеси, образующейся в процессе фонтанирования скважины. Исход­ные данные для расчетов приведены в табл 12.1:

Наименование параметра	Значение параметра :
	Вариакты заданий
	1	2	3	4	5
1) Пластовое давление pпл (Рпл = Рнас), МПа	9,1	8,7	8,9	9,4	9,0
2) Пластовая температураТпл, К	313	307	299	317	304
3) Дебит скважины при стандартных условиях Qx ст, м3/сут	150	135	97	183	167
4) Массовая расходная доля коды а продукции скважины nв дол.ед.	0,2	0,22	0,19	0,23	0,2
5) Диаметр колонны НКТ Dм м	0,0635	0,0635	0,0635	0,0635	0,0635
6) Плотность нефти при стандартных условиях рн кг/м1	868	872	843	854	869
7) Физические свойства фаз продукции
при заданных р и Т.
7.1) Плотность нефти р„, кг/м''	818,3	819,5	815	812	794
7.2) Плотность воды р„ кг/м'	1089,9	1073	1069	1053	1047
7.3) Вязкость нефти //„, мПа-с	2,84	2,62	2,71	2,53	2,26
7.4) Вязкость воды /	0,96	0,97	0,96	0,95	0,97
7.5) Объемный коэффициент нефти />„ дол.ед.	1,146	1,137	1,142	1,124	1,121
7.6) Объёмный коэффициент воды Ь„ дол.ед.	1,0034	1,0017	1,0324	1,0027	1,0031

Решение. Последовательно определяют:

1) Объёмную расходную долю в смеси при стандартных условиях по

2) Объёмные расходы нефти н воды при заданных р и Т по (12.3) и (12.4):

3) Объёмную расходную долю воды в смеси при заданных р и Т по (12.5):

4) Скорость потока водонефтяной смеси в сечении трубы при р= 9,2 МПа Т=313К по(12 6):

5) Критическую скорость смеси по (12 7):

6) Структуру потока водонефтяной смеси по результатам расчёта е>а, и <Ог_{М кр} и их соотношения.

Так как и > структура потока эмульсионная.

7) Критическую скорость эмульсии по (12.18):

8) Тип водонефтяной эмульсии по результатам расчёта и и их соотношения.

Так как < 0,5 и > эмульсии типа вода в нефти (В/Н).

9) Плотность водонефтяной эмульсин по (12,21).

р_вн = 818.3 (1 -0.148) + 1089,9- 0,148 - 858,5 кг/м³.

10) Скорость сдвига потока эмульсии по (12.22):

11) Параметр А, учитывающий влияние скорости сдвига на кажущуюся вязкость эмульсии по (12.23):

12) Кажущуюся динамическую вязкость, которая при А > 1 определяется по (12.24):

Аналогичный результат получается при графическом методе определения /г, (см рис. 12.1. кривая 6).