Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Физико-химические свойства нефти и воды
Лекция № 4 Нефть - жидкий каустобиолит, первый представитель ряда нафтидов, способный к перемещению в недрах и поверхностных условиях. Генетически нефть – это обособившиеся в самостоятельные скопления подвижные жидкие продукты преобразования рассеянного органического вещества (РОВ) в зоне катагенеза. В химическом отношении нефть - сложная смесь УВ и гетероатомных (серо-, кислород и азот содержащих) органических соединений, хорошо растворимая в органических соединениях. В физическом отношении - это коллоидно-дисперсная сложноорганизованная система. Свойства: вращает плоскость поляризации вправо, молекулярная масса соединений от 100 до 40 000 (средняя 220-300). Молекулярный состав: C-82-87%, H-11-14% O2-0, 7%, N2-0, 3%. Углеводороды нефти представлены: алканами(0-93%), цикланами (1-80%) и аренами (3-35%) на дистальную часть. Алканы(метановые, алифатические или парафиновые углеводороды) - класс предельных или насыщенных УВ с открытой цепью Cn H2n+2. Углеводородный скелет представляют линейные нормальные (n-алканы) или разветвленные цепи метиленовых групп (-СН2-) – изоалканы (и-алканы), основная масса которых представлена УВ с одной короткой боковой ветвью – метилалканами.
Алканы C-C4 - газообразные вещества – единственный углеводородный компонент горючих газов; C5-C15 – жидкие углеводороды; далее - твердые. Нормальные n-алканы C18 - и выше называют парафинами. В природных аэробных условиях n-алканы легко окисляются, поэтому нефти с высоким их содержанием в зоне гипергенеза отсутствуют. Часть алканов средних и высших фракций нефти связана с хемофоссилиями, т.е. химическими соединениями близкими по структуре к некоторым биологическим веществам. Метановые УВ присутствуют во всех нефтях. Если их содержание больше 50%, то такие нефти называют метановыми. В легких нефтях обычно в максимальных концентрациях присутствуют n-алканы С5-С10. В тяжелых - их максимум сдвинут в область С18-С20. Отношение количества нечетных алканов к четным характеризует степень зрелости нефти. Цикланы – ( циклоалканы, циклопарафины, нафтены, полиметиленовые УВ) – класс насыщенных циклических УВ. Циклы построены из трех и более метиленовых групп (-СН2-). Наиболее устойчивые циклы из 5-ти (циклопентаны) и 6-ти (циклогексаны) метиленовых групп. Цикланы бывают с одним циклом в молекуле (моноциклические) и нескольким (полициклические). Общая формула моноциклических цикланов - CnH2n, бициклических - CnH2n-2. Полицикланы (типа стеранов, гопанов, терпанов) имеют биологическое происхождение. По многим химическим свойствам цикланы подобны алканам. Почти все нефти с высоким содержанием цикланов связаны с бассейнами молодой альпийской складчатости.
Арены – ароматические УВ-класс углеводородов общей формулы Cn H2n-p (p = 6, 12, 14, 18, 20…36), содержащие циклы с ароматическими связями. В нефтях и битумоидах моноциклические арены представлены бензолом и его гомологами, бициклические – нафталином и бифелином, полициклические – фенантреном, антраценом, периленом и др. По физическим свойствам, арены
Нефть представляет собой в основном смесь УВ метанового (парафинового) и нафтенового рядов. Она характеризуется фракционным составом: кипящие фракции до 1000С - бензин; до 1100С - бензин специальный; до 1350С – бензин 2-го сорта; до 2700С - керосин и остаток - мазут, из которого при подогреве до 400-4200С отбирают масляные фракции. По содержанию фракций различают нефти легкие (бензиновые, масляные) и тяжелые (топливные, асфальтовые и др.). Качество нефти зависит также от содержания в ней примесей: парафина, серы, смолистых веществ и т.п. Бензин и керосин характеризуются величиной октанового числа - характеризующего детонационную стойкость топлива. Она зависит от содержания изооктана и гептана. Физические свойства нефти определяются при t = 200C. К ним относятся: Плотность нефти по воде - соотношение массы единиц объема нефти и воды, взятых при одинаковых Р и Т. Для различных нефтей относительная плотность нефти по воде колеблется в пределах 0, 78-0, 93. Вязкость или внутреннее трение. Физическое определение вязкости нефти совпадает с определением вязкости для газов. Как и для газов для нефти различают динамическую (m) и кинематическую (n) вязкости. Единицы измерения: [m]СИ = Па× с; [m]СГСЕ = ; 1 Па = 10 Пуаз. Вязкость нефтей колеблется в широких пределах и зависит от пластового давления, температуры и растворимого в ней газа. С увеличением температуры и растворимого газа она заметно падает. Вязкость нефти играет большую роль при движении ее по пласту. От нее зависит также динамика обводнения залежи и условия эффективной ее добычи. Поверхностное натяжение (s) заключается в противодействии нормальным силам, приложенным к ее поверхности и стремящимся изменить ее форму. Поверхностное натяжение существует на границе раздела 2-х любых фаз. На границе с воздухом поверхностное натяжение нефти составляет 2.5¸ 3.5 н/м2, на границе с водой - 7.2¸ 7.6 н/м2. Это свойство имеет существенное значение при движении нефти в пористой среде. Чем больше поверхностное натяжение, тем больше расходуется пластовой энергии на движение нефти, т.к. сечения каналов переменные и капля жидкости меняет свою формулу. Как правило, чем больше плотность нефти, тем больше ее поверхностное натяжение; оно уменьшается с увеличением растворенного газа и повышением температуры. Движение нефти в пласте зависит от пластовых условий ее физических свойств и наличия растворенного газа, который в процессе снижения пластового давления выделясь изменяет свойства нефти - она становится более вязкой из-за потери газа. Таким образом, пластовая нефть представляет собой смесь жидких и газообразных УВ, которые могут находиться в однофазном (нефть с растворенным газом), либо в двухфазном (газовая нефть и свободный газ) состоянии. Изучение свойств пластовых нефтей проводят на основе глубинных проб отобранных из скважин. Их отбирают пробоотборниками через так называемые фонтанные (насосно-компрессорные) трубы. Связанная вода в нефтяных пластах. Не все поровое пространство заполнено нефтью и газом; часть его занято связанной водой, которая удерживается в мелких порах и трещинах капиллярными силами. Поэтому содержание нефти и газа в пласте, когда их нельзя определить раздельно, характеризуется коэффициентом нефтегазонасыщенности , где: Vнг - объем нефти и газа в порах; Vn - объем пор. Кнг обычно вычисляют через коэффициент водонасыщенности (Кв), выражающий отношение объема связанной воды по всему поровому пространству: Кнг = 1 - Кв. Содержание связанной воды в пласте обычно тем больше, чем меньше проницаемость породы и размеры поровых каналов, а также чем больше этих каналов. Коэффициент Кв определяется лабораторным путем по образцам керна из глубоких скважин, а также по данным промысловой геофизики, используя петрофизическую зависимость: где: Pн - параметр насыщения; а -- коэффициент; n -- показатель степени, зависящий от структуры порового пространства; rn -- сопротивление пласта; rвп -- сопротивление пласта, полностью насыщенного водой. Схема определения коэффициента Кнг, следующая: - измеряют сопротивление пласта rn в контуре и rвn в законтурной части залежи и вычисляют параметр насыщения ; - по найденному параметру насыщения определяют значение Кв по имеющейся петрофизической зависимости ; - вычисляют Кn = 1- Кв. Если значение rв× n измерить не удается, то его вычисляют через параметр пористости, а последний определяют, используя петрофизическую зависимость параметра пористости (Pп) от пористости: , где: P п -- параметр пористости; rв× n- - сопротивление водяного пласта; r в- - сопротивление воды; b -- коэффициент; Кn -- коэффициент пористости; m -- показатель степени, зависящий от структуры порового пространства.
Подземные воды нефтяных и газовых месторождений . Подземные воды встречаются в большинстве нефтяных и газовых месторождений и являются обычными спутниками нефти и газа. Часто воды находят- ся в тех же пластах (коллекторах), что нефть и газ, и в этом случае занимают пониженные части пласта. Отметим некоторые физические свойства воды. Плотность (r) – масса единицы объема воды, зависит от минерализации, т.е. количества растворимых солей. Температура (Т) – определяется в соответствии с геотермической ступенью данной местности и глубиной залегания пластовой воды. Электропроводность (g) – зависит от минерализации. Вязкость воды (m) значительно меньше, чем у нефти, а поэтому она обладает большей подвижностью. Поверхностное натяжение (s) – также ниже, чем у нефти, поэтому она обладает большей способностью промывать пески и вытеснять из пласта нефть. Растворимость газов (d) в воде значительно ниже, чем у нефти. Пластовые воды являются одним из основных энергетических источников фильтрационных процессов на месторождениях УВ. В рамках промысловой классификации они подразделяются на грунтовые (безнапорные), пластовые напорные и воды тектонических трещин. Грунтовые воды залегают на сравнительно небольшой глубине от поверхности, и их режим зависит в основном от гидрометеорологических условий. Пластовые напорные воды по отношению их залегания к нефтяному пласту подразделяются на: 1) нижние краевые (контурные), залегающие в пониженных частях нефтеносного пласта и подпирающие нефтяную залежь; 2) подошвенные, залегающие в подошвенной части нефтяного пласта в пределах всей структуры; 3) промежуточные, находящиеся в внутри нефтяного пласта; 4) верхние и, приуроченные к чисто водяным пластам, залегающих выше нефтяного пласта; 5) нижние,, приуроченные к чисто водяным, залегающие ниже нефтяного пласта (рис. 4.4). Краевые воды залегают в пониженных частях нефтеносного пласта и подпирают нефтяную залежь. Подошвенные залегают в подошвенной части нефтяного пласта в пределах всей структуры. Промежуточные воды находятся внутри нефтяного пласта. Верхние и нижние, приурочены к чисто водяным пластам и залегают соответственно выше и нефтяного пласта (рис. 4.4). Наиболее типичным является строение месторождения, когда залежь подпирается нижними краевыми водами. В этом случае выделяют внешний водонефтяной контакт (1), приконтурную зону (4), внутренний водонефтяной контакт (2) и нефтяную зону (3) (рис.4.5).
Рис.4.4
Наиболее типичным является строение месторождения, когда залежь подпирается нижними краевыми водами. В этом случае выделяют внешний водонефтяной контакт (1), приконтурную зону (4), внутренний водонефтяной контакт (2) и нефтяную зону (3). В приконтурной зоне часть пласта содержит нефть, а другая часть воду. В нефтяной зоне весь пласт нефтяной. В процессе добычи нефти происходит равномерное продвижение (сжатие) контура нефтеносности. При неравномерном продвижении контура могут появиться «языки» обводнения, приводящие к появлению разрозненных целиков нефти, которые трудно извлечь (рис.4.5).
Рис. 4.5
Неравномерность продвижения зависит от неоднородности пласта и темпа отбора нефти. При наличии месторождения с подошвенными водами целики образуются за счет конусов заводнения, если скважины вскрывают подошвенную воду (рис. 4.6). Рис. 4.6
Борьба с конусами заводнения ведется путем цементирования участков затрубного пространства скважин в зоне подошвенных вод.
1.4. Энергетические свойства нефтегазоносных пластов Лекция № 5 Основными источниками энергии в пластах являются: напор краевой или подошвенной воды и газовой шапки; давление растворимого газа в нефти в момент выделения газа из раствора; упругость пласта и насыщающих его флюидов; сила тяжести флюида. Эти силы могут проявляться отдельно или совместно. Энергетические ресурсы нефтеносного пласта характеризуются существующим в нем пластовым давлением. Чем выше пластовое давление, тем больше при прочих равных условиях запасы энергии и тем полнее могут быть извлечены запасы нефти. Разность в давлениях на забое скважины и в пласте является той силой, которая продвигает нефть и газ по пласту к скважинам. Пластовое давление . Различают следующие виды давлений: 1) начальное пластовое давление – давление флюидов в пласте, замеренное в первой скважине до нарушения статического равновесия, существующего в пласте; 2) пластовое давление – давление в некоторой точке пласта, не затронутой воздействием воронок депрессии соседних работающих скважин; 3) текущее статическое пластовое давление – статическое забойное давление, замеренное в скважине, после того как в ней установилось статическое равновесие с пластовым давлением (давление в остановленной скважине); 4) динамическое пластовое давление – забойное давление в работающей скважине. Это давление меньше пластового. В нефтегазопромысловой практике изменение (уменьшение) забойного давления в скважине по отношению к пластовому является основным приемом вызова притока и регулирования добычи (дебита) пластовых флюидов. Управление забойным давлением и регулирование дебитов осуществляется посредством изменения уровня промывочной жидкости и ее плотности после перфорации продуктивного пласта, спуска в скважину насосно-компрессорных труб (НКТ) и установке на их выходе штуцеров- специальных насадок с калиброванными отверстиями различного диаметра. Для реализации рациональной системы разработки необходимо систематическое изучение пластовых давлений во всей зоне отбора УВ.
Единицы пластового давления. [Р]СИ = 1Па = 1н/м2 = 10-6 МПа; [Р]СГСЕ =1ат = 1кг/см2 = 1кг× 9, 8м/с2× см2 ~ 10 Н/см2 = 105 Н/м2 = 105 Па = 0, 1 МПа; (1кг = 1 кг 9, 8 м/с2 = 9, 8 Н). Пластовое давление на большинстве месторождений нефти и газа пропорционально глубине залегания залежи и увеличивается на 0, 08-0, 1, 2 МПа на каждые 100 м глубин. (Вв среднем это 0, 1 MПа/100 м), что соответствует гидростатическому давлению водяного столбаводы высотой 100 м. Нормальным гидростатическим давлением в пласте на определенной глубине залегание Н, отсчитываемой от пьезометрической поверхности, считается давление водяного столба аналогичной высоты. Это давление подсчитывается по формальной формуле , где: H-высота столба, м; rвв =1– относительная плотность воды по воде. Отметим, что эта формула справедлива для расчета давления столба любого флюида, если применяется его относительная плотность по воде rфв Однако есть месторождения с аномально высокими давлениями. Причинами аномально высокого пластового давления могут быть: 1. Тектонические особенности геологического строения месторождения, когда рост складок приводит к уменьшению глубины залегания пласта. 2.Связь вышележащего пласта-коллектора по тектоническим трещинам с нижележащим газоносным пластом, обладающим более высоким пластовым давлением. 3. Большая высота газовой залежи. В последнем случае давление в ее головной части определяется величиной давления в подошвенной части. Это происходит потому, что из-за малого веса газа он создает в своем столбе незначительное противодавление и пластовое давление в его нижней части передается в верхнюю часть практически неизмененным. Следствием этого является аномально высокое пластовое давление в “голове” газовой залежи. Покажем это на примере модели нефтегазовой залежи (рис. 5.1): Давление на контуре водонефтяного контакта (ВНК): , где: Рвнк – пластовое давление на водонефтяном контакте; Н, м – глубина контакта в м; rвв – относительная плотность воды. Чтобы получить нормальное гидростатическое давление в МПа в любой точке водяного пласта на контуре ВНК нужно разделить глубину его залегания (м) на 100 м (столб жидкости, создающий давление 1 МПа). . Давление на контуре газонефтяного контакта (ГНК) Давление на газонефтяном контакте будет равно давлению на водонефтяном контакте минус противодавление столба нефти, равное высоте его столба
Чтобы получить нормальное гидростатическое давление в МПа в любой точке водяного пласта на контуре ВНК нужно разделить глубину его залегания (м) на 100 м (столб жидкости, создающий давление 1 МПа). . Давление на контуре газонефтяного контакта (ГНК) Давление на газонефтяном контакте будет равно давлению на водонефтяном контакте минус противодавление столба нефти, как произведение его высоты DH=200 м, умноженной на плотность нефти по воде и деленное на 100. , где: rвн=0, 8 – средняя плотность нефти по воде. Давление в головной части газовой залежи на отметке – 1500 м найдем как разность пластового давления на ГНК (на нижней границе газовой залежи) минус противодавление столба газа, равное его высоте DH=300 м, умноженной на плотность газа по воде и деленное на 100: В то время как гидростатическое давление на этой глубине должно Таким образом, в верхней части газовой залежи имеет место аномально высокое пластовое давление (АВПД). Для расчетов плотности газа по воде, не зависящей от пластового давления, используют равенство , где: Н – высота газового столба; 7734 – высота столба газа, создающее давление 1 МПа; rг =0.7– средняя плотность газа по воздуху при атмосферных условиях; rг(в) – плотность газа по воде; Р – пластовое давление. Отсюда: . Замеры пластовых забойных давлений производят в скважине проводят глубинными манометрами, а также расчетным путем, используя данные статических уровней жидкости в остановленных скважинах: , где: hн, hв – высота столбов нефти и воды; а rвн и rвв - их соответствующие относительные плотности по воде. Кроме того, Ппластовое давление определяют с помощью опробывателя пластов на кабеле (ОПК), а также приближенно вычисляют, используя данные пробных откачек при испытании скважины: где: Q – дебит жидкости в скважине; Кпр – коэффициент продуктивности скважины; Рпл – пластовое давление; Рзаб –давление на забое скважины; n»1 для линейной функции. Делая пробные откачки нефти (газа) при различных Рзаб, получают: , , отсюда: , где: Р (1)заб и Р (2)заб – соответственно, забойное давление при 1-й и 2-й откачках. Для скважин, работающих газом, пластовое Забойное давление газа можно определить также по измерению его манометром на устье закрытой скважины. , где: Р плзаб – пластовое давление на забое скважины; rr – плотность газа по воздуху; Н – глубина скважины; Рм – показания манометра на устье закрытой скважины.
Распределение пластовых давлений на структуре газонефтяного месторождения. Пьезометрическая поверхность – это поверхность, на которой Р = 0; она совпадает с положением уровня источника питания пласта. Рассмотрим скважину, вскрывающую водяной пласт. В зависимости от положения устья скважины относительно пьезометрической поверхности (выше, совпадает, ниже) жидкость будет не заполнять, заполнять скважину полностью или переливать из нее (рис. 5.2). Определим теперь давления и статические уровни флюида в 5-ти скважинах на газонефтяном месторождении, представленном на рисунке 5.3. Скважина 1. Скважина вскрыла пластовую воду в точке Б. Забой скважины на глубине Н = 950 м, а статический уровень на глубине 50 м от устья. Тогда пластовое давление в точке Б: Определим теперь давления и статические уровни флюида в 5-ти скважинах на газонефтяном месторождении, представленном на рисунке 5.3. Скважина 1. Скважина вскрыла пластовую воду в точке Б. Забой скважины на глубине Н = 950 м, а статический уровень на глубине 50 м от устья. Тогда пластовое давление в точке Б: (90 атм.),
Рис. 5.2 Н- глубина скважины; Н/ - статический уровень воды в ней; h = H-H/ - глубина, равная сумме модуля абсолютной отметки и альтитуды скважины
(90 атм.), Скважина 2. Скважина на крыле антиклинальной структуры в точке C вскрыла нефть на отметке - 500 м от уровня моря, а общая глубина скважины 750 м. МПа.
Рис. 5.3
Статический столб нефти должен уравновесить пластовое давление, поэтому ; Значит, з нефть будет переливать из устья на h = 900-750=150 м. Скважина 3. Давление на забое в точке Д будет . В скважине будет отмечено аномально высокое пластовое давление (АВПД), т.к. статическое давление на этой глубине должно быть 4 МПа. Скважина 4. Забой скважины в точке Е находится на границе водонефтяного контакта на абсолютной отметке – 600 м, что на 100 м выше, чем в скважине 1. Давление в этой точке РЕ= РБ -1МПА = 8МПа. Высота статического столба нефти , т.к. глубина скважины значительно меньше, то нефть будет фонтанировать из скважины. Скважина 5. Забой на отметке 700 м. Давление на забое скважины равно давлению в скважине 1; глубина скважины 700 м и вода будет переливать из скважины.
Раздел 2. Закон Дарси в задачах подземной гидравлики Общие положения Лекция № 6 Одними из основных фильтрационных характеристик являются объемный расход флюида (Q) вектор скорости фильтрации . Объемный расход-это объем флюида, проходящего в единицу времени через произвольную площадку DS. Определим скорость фильтрации как вектор, проекция которого на любое направление, равна отношению объемного расхода (потока) флюида к площадке DS, перпендикулярной к этому направлению.
Поэтому, различают еще одну скоростную характеристику – среднюю скорость фильтрации. Она получается путем деления расхода не на всю площадь, а на суммарную площадь активных пор: , отсюда = mVn, где m – пористость. Поскольку m< 1, следует, что Vn> . Основное соотношение теории фильтрации - закон фильтрации. Закон устанавливает связь между скоростью фильтрации и тем полем давления, которое вызывает фильтрационное течение. Первые экспериментальные наблюдения за движением воды в трубах, заполненных песком, провели французские инженеры Дарси и Дюпюи. Этими работами положено начало теории фильтрации. Именем Дарси назван линейный закон фильтрации, который он установил, создавая первую совершенную систему водоснабжения в Европе. В результате тщательно проверенных экспериментов установлена, получившая широкую известность, экспериментальная формула, имеющая несколько форм (вариантов) записи: ; где: Кф – коэффициент, названный коэффициентом фильтрации, зависящий от структуры пористости и свойств флюида; Н1 и Н2 – напоры воды на верхнем и нижнем сечениях трубы; Q - объемный расход жидкости; i – градиент напора; L - длина и S - площадь сечения трубы с песком (рис. 6.2). Последняя формула читается так: скорость фильтрации пропорциональна градиенту напора.
Рис.6.2
где: P*1 и P*2 – приведенные давления, обычно равные соответственно P1 и P2 при малых rgZ. Коэффициент фильтрации Кф используют обычно в гидротехнических расчетах, где приходится иметь дело с одной жидкостью - водой. При исследовании фильтрации сложных флюидов (смеси нефти, газа и воды) необходимо разделить влияние свойств пористой среды и флюида, заключенных в Кф. Поэтому используют формулу Дарси в несколько ином виде, где вместо Кф фигурирует k - коэффициент проницаемости, зависящий только от структуры пористой среды, а свойства жидкости задаются динамически вязкостью (m) и плотностью (r) Другая, более распространенная, или вторую формау записи уравнения Дарси, , где: m - коэффициент вязкости; Р* = rgH = Р+rgz - приведенное давление, совпадающее с истинным при z = 0; k - коэффициент проницаемости, который не зависит от свойств жидкости и характеризует пористую среду. Он имеет размеренность площади [k]си = м2. При этом проницаемость большинства горных пород выражается весьма малыми числами. Так, например: проницаемость крупнозернистых песчаников составляет 10-12-10-13 м2 (1-0, 1 мкмм2); проницаемость плотных песчаников 10-14-10-15м2. [k]си = м2 – очень крупная единица измерения проницаемости. Распространена единица Дарси 1D = 1.02× 10-12 м2. Размерность [Кф]си - м/с Размерность [m]си= Далее будем считать, что приведенное давление совпадает с истинным, тогда 1-я и 2-я формулы уравнения Дарси запишутся: В последней формуле Сскорость фильтрации прямо пропорциональна проницаемости и градиенту давления и обратно пропорциональна вязкости жидкости. Закон Дарси можно записать еще в 3-ей форме выражения Закон читается так: потеря давления при фильтрации идет на преодоление сил вязкого трения и пропорциональна скорости фильтрации w. В лабораторных условиях коэффициент фильтрации Кф или проницаемости k определяют при помощи пермеаметра – прибора, похожего на установку Дарси (рис. 6.3). Зная параметры установки (S, L), поддерживая постоянный расход Q и измеряя разность напоров DН, вычисляют: ; . В природных условиях коэффициент k определяют в результате исследования скважин путем установления зависимости между изменением давления в скважине и ее дебитом. Рис.6.3 Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-08; Просмотров: 689; Нарушение авторского права страницы