Лекции по физики нефтяного пласта

Значительное влияние  на структурно-механические свойства нефтей оказывают состав, свойства и строения пористой среды. При перемешивании  прочность пространственных структур аномально-вязких нефтей уменьшается, а в покое возрастает.

Вязкость μ ньютоновских жидкостей зависит только от температуры и давления и касательное напряжение τ, развивающееся в движущихся слоях жидкости, пропорционально градиенту скорости            dυ/dy, т. е.                       

 τ = - μ (dυ/dy)                                                 (1) 

или     τ = - μ (dυ/dy) = μ d/dt (-dx/dy)                      (2)  

х – длина пути в направлении  скорости движения υ; t -             время. Величина dx/dy характеризует сдвиг у слоев.

У ньютоновских жидкостей  скорость сдвига пропорциональна касательному напряжению и обратно пропорциональна  вязкости жидкостей: 

dγ/dt = τ/μ                                                                   (3)

Уравнение типа (3) устанавливающее  связь между напряжением и  скоростью сдвига, называется реологическим  уравнением.

Вязкость неньютоновской жидкости зависит не только от давления и температуры, но и от скорости деформации сдвига и истории состояния жидкости (от времени ее нахождения в спокойном  состоянии).

В зависимости от вида функции  f(τ) эти жидкости разделяются обычно на три вида: бингамовские пластики, псевдопластики и дилатантные жидкости.

Для определения аномальной вязкости η_а таких пластичных тел Ф.Н. Шведовым предложено следующее реологическое уравнение: 

 

η_а = Еλ+ τ₁/υ, 

где Е – модуль Юнга; τ₁ – динамическое напряжение сдвига;  λ – период релаксации.

μ = μ/Е

Эффективная вязкость пластичных тел — величина переменная.

Псевдопластики характеризуются  отсутствием предела текучести, а также тем, что эффективная  их вязкость понижается с увеличением  скорости сдвига. Теоретические кривые псевдопластиков обычно имеют две области, в которых эффективные вязкости постоянны. Пластическая вязкость η системы в интервале между η_min и η_max постоянна. Эффективная вязкость убывает с увеличением скорости сдвига до тех пор, пока сохраняется возможность ориентации частиц и молекул высокополимеров вдоль линий тока.

Дилатантные жидкости также  относятся к телам, у которых  отсутствует предел текучести, однако их эффективная вязкость в отличие  от псевдопластиков повышается с  возрастанием скорости сдвига.

За эффективную вязкость  пластичных  тел принимается вязкость некоторой ньютоновской жидкости: 

 

η_эф = τ/(dγ/dt)                                                                 (4) 

 

Тип течения характерен также  для суспензий с большим содержанием твердой фазы. Предполагается, что в покое жидкость равномерно распределяется между плотно упакованными частицами и при сдвиге с небольшой скоростью жидкость служит смазкой, уменьшающей трение частиц.

Движение псевдопластиков  и дилатантной жидкости аппроксимируется степенным законом зависимости касательного напряжения и модуля скорости деформации

τ = K (dγ/dt)ⁿ                                                                                    (5)

где К  -  мера консистенции жидкости (с увеличением вязкости возрастает); n <1 соответствует псевдопластикам; n<1—дилатантной жидкости. 

 

Вопросы для самопроверки: 

 

1.      Какие нефти называются аномально-вязкими?

2.      Объясните сущность ньютоновских и неньютоновских жидкостей

3.      Приведите график линии консистентности.

4.       Какие типы аномально-вязких жидкостей существует?

5.      Напишите реологическое уравнение жидкости.

6.      какие жидкости относятся к дилатантным? 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Раздел IV. Фазовые состояния углеводородных систем. 

 

Лекция 9. 

 

Тема: Схема фазовых  превращений углеводородов. Поведение  бинарных и многокомпонентных систем в критической области.

Теорией фазовых изменений  пользуются для расчета количества и состава газа, выделяющегося  из нефти при различных давлениях  и температурах, количества и состава  бензиновых фракций, содержащихся в  газе и т.д.

Схема фазовых превращений  однокомпонентных систем. Опыт показывает, что объем углеводородных газов, меняется в зависимости от температуры  и давления примерно в соответствии с графиками, приведенными на рис. Как  видно, каждая из кривых соответствует  фазовым изменениям однокомпонентного  газа при постоянной температуре  и имеет три участка. Отрезок  справа от пунктирной линии соответствует  газовой фазе, горизонтальный участок  под пунктирной линией - двухфазной газожидкостной области и слева  от пунктирной линии жидкой фазе. Отрезок  пунктирной кривой вправо от максимума  в точке С называется кривой точек  конденсации (точек росы), а влево  от максимума- кривой точек парообразования. В точке С кривые парообразования  и конденсации сливаются. Эта  точка называется критической. Значения давления и температуры, соответствующей  критической точке С, также называются критическими. Другими словами, критической  называется такая температура, выше которой газ не может быть превращен  в жидкость ни при каком давлении. Критическим давлением называется давление, соответствующее критической.

 

 

Не останавливаясь на подробностях, следует отметить, что критическая  температура смеси находится  между критическими температурами  компонентов, а критическое давление смеси всегда выше, чем критическое  давление любого компонента. На рис.б. видно, что путем соответствующих  изменений давлений и температуры  можно перевести из парообразного  состояния в жидкое, минуя двухфазного. Действительно, газ, Характеризующийся  параметрами в точке А, можно  путем изобарического нагрева довести  до температуры в точке В, а  затем, повысив давление в системе  при постоянной температуре, перевести  вещество в область (точка Д) выше критической точки С, и далее  в область точки Е. Свойства системы  при этом изменяются непрерывно и  разделения углеводорода на фазы не произойдет. При дальнейшем охлаждении системы (от точки Д до точки Е), а затем и при снижении давления до значения в точке F вещество приобретает свойства жидкости минуя область двухфазного состояния вещества. Поведение бинарных и многокомпонентных систем в критической области. Если давление несколько меньше Р`, но больше, чем критическая Рс в системе появляется газовая фаза, находящаяся в равновесии с жидкой. Это относится ко всей области АДСА. Точно также в области CNBC существуют одновременно две фазы несмотря на то, что при этом температура в системе выше критической Тc. Наибольшее давление (Р` на рис.) при котором жидкость и пар могут существовать в равновесии, принято называть криконденбар. Наивысшая температура (Т на рис.) при которой жидкость и пар существуют в равновесии называется крикондентерм. Рассмотрим изобарическое расширение насыщенной газом жидкости по линии EF (рис.) Вследствие повышения температуры от Т1 до ТЗ. В точке Е с увеличением температуры жидкость закипает. По мере увеличения температуры в начале объем газовой фазы увеличивается, с дальнейшим повышением температуры объем газовой фазы, достигнув максимума, очевидно, вновь начинает уменьшаться, так как в точке F, так же как и в точке Е лежащей на кривой начала парообразования, содержание паровой фазы в системе равно нулю.

Рассмотренные необычные  процессы фазовых превращений двух и многокомпонентных систем в  области выше критической называются процессами обратного или ретроградного  испарения и конденсации. 

 

Схематически изотермы многокомпонентных  углеводородных смесей вблизи критической  области показаны на рис.

Вопросы для самопроверки.  

 

1. Объясните схему фазовых  превращений двух и многокомпонентных  систем.

2. Поведение бинарных  и многокомпонентных систем в  критической области.

3. Как определяется коэффициенты  сжимаемости газов.

4. Охарактеризуйте сущность  критической температуры и критического  давления многокомпонентных систем.  

 

Раздел IV. Фазовые  состояния углеводородных систем.

Лекция 10. 

 

Тема: Характеристика газогидратных залежей. Газоконденсатная характеристика залежи. Расчет фазовых  равновесий углеводородных смесей.

В определенных термодинамических  условиях природный газ в земной коре вступает в соединение с пластовой  поровой водой, образуя твердые  соединения- гидраты газов, крупные  скопления которых образуют газогидратные  залежи. Процесс образования гидрата  определяется составом газа, состоянием воды, внешним давлением и температурой. Условия образования гидратов выражаются диаграммой гетерогенного состояния  в координатах Р-Т. Газогидратные  залежи (ГГЗ) характеризуются рядом  особенностей: объем газа, содержащегося  в единице объема гидрата, практически  не зависит от состава газа; гидратонасыщенность  порового пространства определяется давлением, температурой составом поровой воды и газа - гидратообразователя; формирования ГГЗ может происходить из недонасыщенных газом пластовых вод; для формирования и сохранения ГГЗ не нужны литологические покрышки; ГГЗ являются непроницаемыми экранами, под которыми могут накапливаться  залежи свободного газа и нефти. Газоконденсатная характеристика залежи определяются следующими параметрами

1. Состав пластового газа  и содержание в нем конденсата.

2. Давление начала конденсации  углеводородов в пласте и давление  максимальной конденсации.

3. Фазовое состояние газоконденсатной  системы в пластовых условиях.

4. Изотермы конденсации  пластового газа.

5. Количества и состав  конденсата выделяющегося из 1 м³ газа при различных давлениях и температурах.

6. Потери конденсата (углеводороды, остающиеся в пласте) при разработке  залежи без поддержания давления  в зависимости от степени падения  пластового давления и за весь  срок эксплуатации месторождения.

7. Количества конденсата (и его состав), извлекаемого из  газа по мере падения давления  в залежи в процессе ее эксплуатации. Кроме того, могут быть фазовые  превращения и свойства газоконденсатных  смесей в условиях скважин,  газосепараторов и газопроводов.

Расчет фазовых  равновесий углеводородных смесей.

Для прогнозирования фазовых  превращений углеводородов при  проектировании разработки газоконденсатных и газонефтяных месторождений и  процессов переработки газа и  конденсата используются приближенные методы расчета.

Расчетные методы оценки фазового состояния углеводородов основаны на законе Дальтона-Рауля.

PУi= Xi Qi                       (IV.8)

Где Р - общее давление смеси; Уi и Xi - молярные концентрации (доли) компонентов в паровой и жидкой фазах; Qi - давление насыщенных паров компонентов смеси в чистом виде; PУi- парциальное давление 1-го компонента в паровой фазе; XiQi - парциальное давление того же компонента в жидкой фазе.

Очевидно, что                            

         ni``                                

                        Уi=                            

 i = m        

 Σni``         

i=1 

 

 

                                     

ni`

                        Xi=                            

i = m        

 Σni`         

i=1 

 

 

 

Здесь ni`` и ni`; - число молей i-го компонента соответственно и газовой и жидкой фазах; m- общее число компонентов.

Зная температуру и  давление, при которых находится  смесь по концентрации компонента в  одной фазе можно определить ее концентрацию в другой.

Действительно, пусть дан  состав жидкой фазы

Х1+Х2+....+ Хm =1

Где Xl,X2 ... Хm - молярная концентрация соответствующих компонентов, доля единицы.

Пусть давление насыщенных паров компонентов при данной температуре равно Ql ,Q2,.... Qm. Давление паров такой смеси по закону Рауля               

 P = Pl+ P2 + ...+Pm = XlQl +X1Q2 +.... XmQm              

 i—m 

Или Р=   Σ          XiQi                                                                ( IV.9)             

 i =1

Уравнение называется уравнением начала однократного (контактного) испарения.

Где Pi , P2 .. .Pm - парциальное давление компонентов в жидкой фазе.

Если известен состав паровой  фазы, то состав жидкости, находящейся  в контакте с газом, можно также  определить.

Для каждого компонента напишем

У1P=XlQl;                     Х1 = У1Р1/Q1

У2Р = Х2Q2;                 Х2 = У2Р2/Q2                        (IV.11) 

 

 

 

 

 

Суммируя концентрации компонентов  в жидкой фазе получим: