Лекции по физики нефтяного пласта

3. Какие вещества в  нефти являются поверхностно-активными?

4. Как и почему изменяется  поверхностное натяжение нефти  на границе раздела с водой  и газом от давления и температуры?

 

Раздел. VIII. Физические основы вытеснения нефти водой и газом из пористых сред.

Лекция 13.

Тема: Электрокинетические  явления в пористых средах. Дроссельный  эффект при движений жидкостей и  газов в пористой среде. Общая  схема вытеснения из пласта нефти  водой и газом. 

 

Электрокинетические явления в пористых средах. 

 

Область между диффузной  частью двойного слоя и поверхностью твердого тела называют плотной частью двойного электрического слоя. Толщина  плотной части d двойного электрического слоя приблизительно равна радиусу ионов, составляющих слой.

При относительном движении твердой и жидкой фаз скольжение происходит не у самой твердой  поверхности, а на некотором расстоянии, имеющем размеры, близкие к молекулярным. Интенсивность электрокинетических  процессов характеризуется не всем скачком потенциала между твердой  фазой и жидкостью с твердой  фазой, и остальным раствором (электрокинетический  потенциал)

Наличие двойного электрического слоя на границах разделов способствуют возникновению электрокинетических  явлений (электрооосмоса, электрофареза, потенциала протекания и др.)

При движении электролита  в пористой среде образуется электрическое  поле (потенциал протекания). Направленный поток избыточных ионов диффузного слоя увлекает за собой массу жидкости в пористой среде под действием  трения молекулярного сцепления. Этот процесс называется электроосмосом.

При действии электрического поля на взвесь дисперсных частиц происходит движение дисперсной фазы. Это называется электрофарезом.

Количественно зависимость  скорости электроосмоса от параметров электрического поля и свойств пористой среды и жидкостей описывается  формулой: 

 

υ = SζDh/(4πμ)                                                                                                (VII.6) 

 

υ - расход жидкости под действием электроосмоса; S-суммарная площадь поперечного сечения капиллярных каналов пористой среды; ζ - падение потенциала в подвижной части двойного слоя; D-диэлектрическая проницаемость; h= E/L - градиент потенциала; Е -потенциал, приложенный к пористой среде длинной   L; μL — вязкость жидкости.

Учитывая, что сопротивление  жидкости: 

 

R = 1/н L/S                                                                                (VII.7)

E = IR = IL/(нS); h = E/L = I/(нS)                                              (VII.8)

Где н – удельная электропроводимость  жидкости, I – сила тока

или              

 V = ζDI/(4πμн)                                                           (VII.9) 

 

Аналогично закону Дарси:  

 

V = FmζD/(4πμ) E/L = k_э FE/(μL)                                             (VII.10)

Здесь F – площадь образца, m – пористость образца, k_э – электроосмотический коэффициент проницаемости.

При совпадении направлении  фильтрации с результатом проявления электроосмоса суммарный расход жидкости:

Q = V+Vд = k_э FE/(μL) + k FP/(μL)                                         (VII.11) 

 

Для оценки степени участия  в потоке электроосмических процессов  в зависимости приложенного потенциала можно также использовать соотношение.  

 

V/Vд = k_э/k E/P                                                                         (VII.13) 

 

Дроссельный эффект при движении жидкостей и газов  

 

Дросселирование — эффект уменьшения давления газового потока при его движении через сужения в каналах. Дроссельным называется термодинамический процесс, характеризующийся постоянством энтальпии.

Вследствие адиабатического  расширения жидкостей и газов  при прохождении через пористые среды и влияния дроссельного процесса наблюдаются термические  эффекты.

При этом интенсивность изменения  температуры характеризуется коэффициентом Джоуля — Томсона. 

 ε = (dT/dp)_H = - [(V – T(dVdT)_p]/Cp                                       (VII.14) 

 

Температурные изменения  при фильтрации через пористую среду  жидкостей и газов зависят  от перепада давлений ΔР = Рп – Рз 

 

ΔТ = -εΔР                                                                                  (VII.15) 

 

Где ε – интегральный коэффициент Джоуля - Томсона.

Коэффициент Джоуля — Томсона  можно представить состоящим  из двух членов — первый из них определяет нагревание вещества при фильтрации за счет работы сил трения, второй — охлаждение за счет адиабатического расширения.

Жидкости, насыщающие пористую среду, нагреваются в процессе истечения  в скважину из пласта. Значения интегрального коэффициента ε для нефти изменяются в пределах от 0,4 до 0,6°С/МПа, для воды — 0,235 °С/МПа.

Для реальных газов коэффициент  Джоуля – Томсона получим из уравнения (VII.14) и уравнения состояния PV = ZRT

ε  = - _p                                                                (VII.16) 

 

K = Cp/Cv, газ при дросселировании охлаждается при ( )_р < 0: ε  т.е. газ нагревается.

Для углеводородных газов  дифференциальные коэффициенты ε находятся в пределах от —3°С/МПа до—6°С/МПа. Дроссельный эффект используется в промысловой практике для установления зон притока нефти, воды и газа. При поступлении нефти и воды наблюдается разогрев работающего интервала, а при поступлении газа — охлаждение. 

 

Общая схема вытеснения из пласта нефти водой и газом.

Нефть из залежи вытесняется  внешними агентами – краевой или  нагнетаемой водой свободным  газом газовой шапки.

Нефть и вытесняющий ее агент движутся одновременно в пористой среде. Однако, полного вытеснения нефти  замечающими ее агентами никогда  не происходит, т.к. ни газ, ни вода, не действуют  на нефть как «поршни».

Вследствие неоднородности размеров пор в процессе замещения  вытесняющая жидкость или газ  с меньшей вязкостью неизбежно  опережает нефть.

Типичная картина изменения  водонасыщенности по длине пласта в  один из моментов времени при вытеснении нефти водой приведена на рис. Эта схема процесса представляется всеми исследователями как суммарный  результат проявления капиллярных  и гидродинамических сил. 

  

 

 

  

 

Вопросы для самопроверки.

1 .Какие силы участвуют  в процессе вытеснения нефти  из пласта?

2.Какова схема вытеснения  нефти водой и газом из пористой  среды? Причины низкой нефтеотдачи.

3. Объясните сущность  электрокинетического явления в  пористых средах.

4.Объясните дроссельный  эффект при движении жидкостей  и газов в пористой среде. 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

Раздел VIII. Физические основы вытеснения нефти водой и  газом из пористых сред.

Лекция 14.

Тема: Роль капиллярных  процессов при вытеснении нефти  водой из пористых сред. Использование  теории капиллярных явлений для  установления зависимости нефтеотдачи  от различных факторов.

Нефтеотдача пластов при  различных условиях дренирования залежи. Коэффициентом нефтеотдачи пласта принято называть разность между  начальной и остаточной (конечной) нефтенасышенностью отнесенную к начальной.

Наибольшая нефтеотдача  отмечается в условиях вытеснения нефти  водой, что связано с большими запасами энергии краевых вод. Это  объясняется большой эффективностью промывки пор водой, т.к. соотношение  вязкости нефти и воды более благоприятно при вытеснении нефти водой, чем  газом.

На нефтеотдачу в значительной степени влияет удельная поверхность  пород. Нефть гидрофобизирует поверхность  твердой фазой и часть нефти, находящейся в пленочном состоянии, может быть удалена из пласта лишь специальными методами воздействия. Неоднородностью  строения свойств состава пород  объясняется появлением зон, не промываемых  водой и слабо дренируемых  газом.

Исходя из причин, вызывающих неполную отдачу пластом нефти, можно  отметить следующие пластовые формы  существования остаточной нефти:

1. капиллярно удержанная  нефть

2. нефть в пленочном  состоянии, покрывающая поверхность  твердой фазы

3. нефть, оставшаяся в  малопроницаемых участках, обойденных  и плохо промытых водой.

4. нефть в линзах отдельных  от пласта непроницаемыми перемычками  и не вскрытых скважинами

4.      нефть задержавшаяся у местных непроницаемых экранов (сбросы и др. непроницаемые перемычки).

Упомянутые виды остаточной нефти, по-видимому, содержаться в  том или ином объеме во всех истощенных залежах.

Капиллярно связанная  нефть удерживается в порах капиллярными силами и ограничивается менисками  на поверхностях раздела нефть - вода или нефть - газ. 

 

Роль капиллярных  процессов при вытеснении нефти  водой из пористых сред.

Поровое пространство нефтесодержащих  пород представляет собой огромное скопление капиллярных каналов, в которых движутся не смешивающие  жидкости, образующихся мениски на разделах фаз. Поэтому капиллярные  силы влияют на процессы вытеснения нефти. Капиллярное давление, развиваемое  в каналах небольшого сечения, больше, чем в крупных порах. В результате этого на водонефтяном контакте возникают  процессы противоточной капиллярной  пропитки - вода по мелким порам проникает  в нефтяную часть пласта, по крупным  порам нефть вытесняется в  водоносную часть. Интенсивность этого  процесса зависит от свойств пластовой  системы, а так же соотношения  внешних и капиллярных сил.

Кроме упомянутых форм проявления, капиллярные влияют на процессы диспергирования  коалесценции нефти и вод в  пористой среде, на строение тонких слоев  воды (подкладок) между твердым телом  и углеводородной жидкостью и  т.д. Следует отметить что, интенсивность  капиллярных процессов в той  или иной степени зависит от капиллярного давления развиваемого менисками на границах разделов фаз. И поэтому  необходимо решить, какие воды следует  выбирать для заводнения залежей: интенсивно впитывающиеся в нефтяную часть  залежи под действием капиллярных  сил или слабо проникающие в пласт. Извлекая качества нагнетаемых в залежи вод, можно воздействовать на поверхностное натяжение на границе с нефтью, смачивающиеся характеристики, а так же вязкостные свойства. В гидрофобных пластах, где мениски в каналах противодействуют вытеснению нефти водой, капиллярные силы вредны, так как нефтеотдача пластов под их влиянием уменьшается. Значительно труднее определить роль капиллярных сил и механизм их проявления в гидрофильных породах. Во всех случаях воды с высокими значениями величин σcosθ т.е ,развивающие повышенные капиллярные давления в пористой среде, более предпочтительные для заводнения нефтяных залежей. Естественные коллекторы нефти обладают неоднородностью физических свойств пород одновременно площади залегания и в вертикальном направлении, характеризующиеся случайным законом распределения его параметров. В результате местной неоднородности пород образуются неровный (рваный) водонефтяной контакт и появляются в различные моменты времени зоны и небольшие участки, обойденные фронтом воды.

В этих условиях в пограничных  областях, охваченных водой участков, интенсивно образуются водонефтяные смеси  вследствие капиллярного проникновения  в них воды. Следовательно, капиллярные  процессы пропитывания водой в пластах  обладающих неоднородностью по площади  и вертикальном направлении способствуют уменьшению нефтеотдачи, значительно  ухудшая условия вытеснения нефти  водой. Зависимость нефтеотдачи  от скорости вытеснения нефти водой. Во всех случаях, когда пласт гидрофобен и капиллярные силы противодействуют вытеснению нефти из пористой среды  водой нефтеотдача возрастает с  увеличением скорости продвижения  водонефтяного контакта (т.е. увеличивается  с ростом градиентов давления). Когда  капиллярные силы ослаблены (вследствие низкое значение поверхностного натяжения  проницаемости пород 1 2 мкм²), скорость вытеснения нефти водой не влияет на нефтеотдачу.

При вытеснении нефти собственной  пластовой водой, обладающей нейтральной  смачиваемостью, оказалось, что нефтеотдача  слабо зависит от скорости вытеснения.

 

Лекция 15

Тема: Методы увеличения извлекаемых запасов нефти. Моющие нефтевытесняющие свойства вод. Применения углекислого газа для увеличения нефтеотдачи пластов. Вытеснение нефти  из пласта растворами полимеров. Щелочное и термощелочные заводнение. Мицеллярные  растворы.

Увеличение нефтеотдачи  пластов - сложная проблема, для решения  которой используется опыт, накопленный  во всех областях нефтепромыслового  дела. Увеличение нефтеотдачи пластов  можно добиться искусственно, развивая и поддерживая в залежи благоприятные  физические условия, обеспечивающие наиболее эффективное вытеснение нефти из коллектора. Как известно даже тяжелые  битумы хорошо растворяются в некоторых  легких углеводородных растворителях. Например, бензин или жидкий пропан, способны удалять из пористой среды  практически все нефть. В лабораторных условиях получили хорошие результаты при использовании многих других способов увеличения нефтеотдачи (нагнетание в плат загущенных вод, вытеснения нефти  пенами, стабилизированными поверхностно-активными  веществам внутрипластового горения  нефти и т.д.)

Моющие и нефтевытесняющие свойства вод.

При заводнении нефтеотдачи  пласта редко превышает б0%,и поэтому  дальнейшее увеличение ее при закачке  воды в пласт является важней задачей. Механизмом моющего действия веществ  применительно к отмывке углеводородов  от минералов определяется их способностью улучшать смачивающие свойства вод, уменьшать их поверхностное натяжение  на границе с нефтью и другими  поверхностями. Они должны быть разрушителями  суспензий и эмульсий и т.д.