физика пласта. Кочина Физика пласта. Учебное пособие Часть 1 петрофизика породыколлекторы нефти и газа
 Скачать 3.82 Mb.
|
|
2.1.2. Пластовые жидкости и газы Основными веществами, находящимися в земной коре, являются вода и углеводороды. В этих веществах могут содержаться в виде примесей многие элементы и химические соединения. В настоящее время установлено 425 углеводородных соединений, в которых соотношение углерода к водороду соответствует, а 0,02% в составе природных углеводородов составляют практически все элементы из таблицы Менделеева. Например, подземные воды почти всегда являются минерализованными, те. содержат в растворенном состоянии соли. В углеводородных газах, насыщающих горные породы, в качестве примесей могут находиться сероводород H 2 S, углекислый газ CO 2 , инертные газы. Общее количество солей в подземных водах колеблется от долей % до 40–50% повесу (рассолы, а в морской воде, например, содержится 3–4% соли. Наиболее распространены соли серной, угольной H 2 SO 3 , азотной HNO 3 кислот (тес металлами и др. Кроме того, вводах могут быть йод и бром. Основной ряд углеводородов, представленных в нефтяных и газовых залежах, соответствует порядковому номеру n = 18 ибо- лее. Все они при нормальных условиях (давлении 1 атм, температуре С) находятся в различных фазовых состояниях : С Сметан, этан, этилен С 2 Н 4 ) – газы С С (пропан, бутан, пропилен С 3 Н 6 , бутилен С 4 Н 8 ) – в парообразном состоянии, при повышенных давлениях – жидкости С С – жидкости (бензиновая фракция n ≥ С – твердые соединения. 127 2.1.3. Состав и классификация нефтей Наиболее широко в нефти представлены углеводороды трех классов. Метановый парафиновый) ряд – алканы общего состава Углеводороды парафинового ряда характеризуются значительной химической инертностью. Это свойство обусловлено сохранением их в естественных условиях в нефтях в течение геологических периодов. Они присутствуют во всех фракциях. Содержание в нефти углеводородов метанового ряда составляет примерно 20%. 2. Полиметиленовые (нафтеновые) углеводороды – циклоалканы (например, С – циклопропан. Существуют углеводороды с такой же формулой C n H 2n , ноне являющиеся циклическими – это так называемый олефиновый ряд (первый член C 2 H 4 – этилен. Они более химически активны, чем парафины, поэтому реже встречаются в природных нефтях. Также имеются ненасыщенные олефины диолефины с формулой, самый простой из них – ацетилен Циклопарафины стабильны в химическом отношении и присутствуют во всех природных нефтях. Содержание в нефти нафтеновых углеводородов колеблется от 25 до 75%. 3. Ароматические, те. углеводороды циклического строения с бензольным кольцом C n H 2n-6 . Эти соединения достаточно стабильны и часто встречаются в природных нефтях. Содержание в нефти ароматических углеводородов составляет 15–20%. Другие органические соединения Также в состав природных нефтей входят, хоть ив небольших количествах (0,1–2%), кислородные соединения, главным образом в состав нафтеновых и жирных кислот. Эти вещества способны входить в соединения со щелочами, содержащимися вводе, и образовывать растворимые вводе мыла – поверхностно активные вещества (ПАВ. Асфальто-смолистые вещества (АСВ) – неотъемлемая часть большинства нефтей, они представляют собой гетерогенные (серо, кислород- и азотсодержащие) соединения различного строения и молекулярной массы. Их массовая доля в нефтяных фракциях от 4–5 дои более. Высокое содержание АСВ в нефтях осложняет процесс их переработки, а содержание этих веществ в топливах и маслах способствует коксообразованию и нагаро- образованию. При отгонке из нефти легких фракций смолы и асфальтены остаются в виде густой смолистой массы (гудрона. Характерные особенности АСВ – значительные молекулярные массы (у смол она колеблется в интервале 465–1 080, у асфальте- нов – от 1 200 до 3 250). Эти соединения являются, как правило, полярными и парамагнитными. Парамагнетизм нефтей связан с асфальтеновой фракцией, при этом парамагнитной может быть почти каждая молекула в асфальтенах. В смолах и асфальтенах сосредоточены большая часть присутствующих в нефти гетеро- элементов и практически все металлы. Предполагается, что ас- фальтены имеют кристаллическую структуру с аморфными включениями, а окружающие их сольватные слои состоят из диамагнитных молекул смол. Смолы в чистом виде – жидкие или полужидкие вещества от темно-желтого до коричневого цвета с плотностью от 1 000–1 070 кг/м 3 . Именно смолам нефть обязана своей темной окраской. Особенность смол – способность превращаться в асфальтены (на свету и более интенсивно при нагревании и продувке воздухом. Асфальтены в отличие от смол набухают с увеличением объема и дают коллоидные растворы. Парафины (углеводородный ряд С 17 –С 35 ) – бесцветная кристаллическая масса, нерастворимая вводе. Их плотность колеблется от 907 до 915 кг/м 3 при 15 С, температура плавления – 27– 71 С. Церезины (углеводородный ряд С 36 –С 55 ) – смесь изопарафи- нов, которые кристаллизуются в виде мелких игл, те. не так прочны как парафины, температура плавления 65–88 С. Большая проблема современной нефтедобывающей промышленности это борьба с отложениями парафинов в скважинах и призабойной зоне пластов. Неорганические соединения. Сернистые соединения содержатся почти во всех нефтях. В одних нефтях сера может находиться в свободном виде, в других – в виде соединений (сероводорода, меркаптанов (RSH), сульфидов, тиофенов и др. Наличие серы в нефтепродуктах – явление отрицательное снижается качество топлива, происходит коррозия оборудования. Азотистые соединения – органического происхождения. Наибольшее количество азота находится в тяжелых остатках перегонки нефти. Наличие в бензинах азотистых соединений – явление нежелательное и вредное. В тоже время они могут быть использованы в виде добавок к смазочным маслам, как ингибиторы коррозии. Минеральные примеси ванадий, фосфор, калий, никель, йод и др. также присутствуют в природных нефтях. Содержащиеся в нефтях органические и неорганические соединения влияют на свойства поверхностей разделав пласте, а, следовательно, и на закономерности движения флюидов. По содержанию твердых углеводородов и примесей нефть разделяют, например, на такие классы: По количеству серы По количеству смол По количеству парафина Малосернистые ≤ 0,5% Малосмолистые 18% Малопарафиновые 1,5% Сернистые 0,5 2% Смолистые 18 35% Парафиновые 1,5 6% Высокосернистые 2% Высокосмолистые 35% Высокопарафиновые 6% В настоящее время установлено, что в нефтях присутствуют более 60 элементов, из них около 30 относятся к металлам. Среди отдельных металлов, содержание которых превышает 10 -5 %, доминируют V – до 10 -2 %; Ni, Fe, Zn, Na, K, Ca, Mn – до 10 -3 %; B – до 0,3%; Hg – 10 -5 %. Суммарное содержание в нефтях металлов в среднем колеблется от 0,01 до 0,04% (масс. Металлсодержащие соединения нефти и нефтяных систем по своей химической природе – это соли металлов с веществами кислотного характера, элементоорганические и ароматические соединения. Они образуют так называемые металпорфириновые комплексы, содержание которых особенно велико в высоковязких нефтях (до 20 мг г нефти) и битумах (до 1 мг г. Ва- надилпорфирины в составе асфальтенов вносят значительный вклад в поверхностную активность нефтей, при этом собственная поверхностная активность асфальтенов может быть небольшой. 130 2.1.4. Состав и классификация природных газов Природные газы состоят в основном из углеводородов гомологического ряда метана C n H 2n+2 и неуглеводородных компонентов углекислого газа (CO 2 ); азота (N 2 ); сероводорода (H 2 S); соединений, называемых меркаптанами (RSH), которые аналогичны построению спиртам а также ртути и инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона. Классификация углеводородных газов в зависимости от их состава может быть представлена тремя группами Сухой газ – метан, этан, этилен. Жидкий газ – пропан-бутановая фракция. Газовый бензин – пентан, гексан и т.д. В зависимости от объекта добычи природные газы подразделяют наследующие группы Газы из чисто газовых месторождений (сухой газ. Газы, добываемые вместе с нефтью – попутные нефтяные газы (смесь сухого, жидкого газов и газового бензина. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений, – смесь сухого газа и жидкого конденсата (тяжелых фракций бензина и более тяжелых масляных фракций. 2.1.5. Физические свойства нефтей Плотность нефти составляет 700–1 000 кг/м 3 (при нормальных условиях. С повышением температуры плотность нефти уменьшается, поэтому для приведения ее к нормальным условиям вводят температурную поправку 20 t t , где – коэффициент объемного расширения нефти (0,0006 0,0008). Вводят также относительную плотность нефти 4 20 В н Здесь н – плотность нефти при 20 Св плотность воды при 4 СВ США, например, температурный стандарт – 60 °F (15,56 С. Зависимость плотности нефти от давления (те. глубины залегания неоднозначна. Так, в х гг. Коренев исследовал 250 образцов нефти в 70% с глубиной залегания плотность понижается, в 12% – повышается без какой-либо закономерности. Вязкость. 1. Динамическая вязкость определяется, как известно, из уравнения Ньютона: S dx d F Здесь F – сила трения между слоями жидкости при ее движении коэффициент динамической вязкости dυ/dx – градиент скорости в направлении, перпендикулярном потоку жидкости S – площадь соприкосновения слоев. В системе единиц СИ коэффициент динамической вязкости имеет следующую размерность = 2 м с Н = Пас. Пользуются также внесистемной единицей 1 Пз = 10 -1 Пас, или 1 сПз = 1 м Пас. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью : 1 2. Кинематическая вязкость Коэффициент кинематической вязкости в системе СИ имеет размерность мс, в системе СГС измеряется в стоксах: 1 Ст = 10 -4 мс. 3. Относительная (условная) вязкость показывает во сколько раз кинематическая вязкость нефти при 20 С больше вязкости воды при 4 С. Единицы измерения условной вязкости – градусы условной вязкости °ВУ t , определяющие отношение времени истечения из вискозиметра 200 см нефти ко времени истечения 200 см воды при температуре 20 С. Связь между коэффициентом кинематической вязкости и °ВУ t выражается зависимостью 0 0 10 0631 , 0 0731 , 0 ВУ ВУ Физические свойства нефти в пластовых условиях значительно отличаются от поверхностных. Это связано с повышением давления и температуры, а главное, способностью нефти растворять в себе газ при высоких давлениях. Поэтому с увеличением давления вязкость нефти уменьшается за счет растворенного в ней газа (более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже. С повышением температуры вязкость нефти уменьшается в соответствии с формулой Френкеля для однородной жидкости кТ о ж e , где Е – энергия активации, необходимая для перехода частиц жидкости из одного состояния равновесия в другое к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. На практике, как правило, пользуются экспериментально определяемой зависимостью коэффициента динамической вязкости от температуры. Чаще всего это зависимость вида ) ( 0 T T о ж e , где γ – показатель степени, характерный для данной конкретной нефти в измеренном диапазоне температур Т–Т 0 ; μ 0 – вязкость нефти при температуре Т. 2.1.6. Свойства природных газов Газ в месторождении – это всегда смесь, которая характеризуется массовыми или молярными концентрациями компонентов. Массовая концентрация какого-либо компонента, где m i – масса го компонента в смеси. Молярная концентрация с, где n i – число молекул го компонента в смеси. Можно ввести и объемную концентрацию с, где V i – объем го компонента в смеси. Но по закону Авогадро равные объемы любых газов при постоянных давлении и температуре содержат одинаковое число молекул. Например, объем одного кмоля газа при Т = 0 °C, P = 1 атм. равен 22,4 м, те. объем го компонента пропорционален числу его молей. Следовательно, с, те. объемный состав газа можно считать равным молекулярному. Плотность газа может быть найдена по его средней молекулярной массе, которая определяется по молекулярному составу м, где М – молекулярная масса компонентов. Или по массовому составу 100 100 1 2 2 1 1 n i i m i n m n m m cм M C M C M C M C M Тогда плотность смеси газов при нормальных условиях равна 3 4 , 22 м кг М см cм Относительная плотность газа по воздуху (табл. 2.1): 97 , 28 293 , 1 ) 1 0 ( см возд см см o в см см М М М атм P C t Таблица 2.1 Относительная плотность газа по воздуху Газ Воздух Азот СОН СН 4 С 2 Н 6 С 3 Н 8 С 4 Н 10 см 1 0,97 0,518 1,191 0,55 1,038 1,52 2,0065 Из таблицы 2.1 видно, что газы (у которых см 1) могут накапливаться в оборудовании, что является взрывоопасным. Экспериментально плотность газа газа определяют специальными газовыми пикнометрами по скорости истечения газа из малых отверстий, т.к. из кинетической теории газов следует, что 2 газа, следовательно 1 2 2 2 2 1 v v , где 2 – искомая плотность, а 1 – например, плотность воздуха. Так как скорость истечения обратно пропорциональна времени, то 2 2 1 t , следовательно, 1 2 2 1 2 2 t t и 2 1 2 2 1 В пластовых условиях необходимо пересчитать плотность газа на пластовое давление. Полагая газ идеальным, имеем: пл пл р p 0 Следует также иметь ввиду, что для смеси идеальных газов справедливы законы Дальтона и Амага. Закон Дальтона. Общее давление смеси газов, находящихся в определенном объеме, равно сумме парциальных давлений (которыми обладал бы каждый газ, если бы занимал один и тот же объем, где p – общее давление смеси газов p i – парциальное давление го газа в смеси. Закон Амага выражает аддитивность парциальных объемов компонентов газовой смеси: i V V Дроссельный эффект Известно, что при адиабатическом расширении или сжатии газа имеет место изменение его температуры. Этот эффект – понижения температуры T при снижении давления p в условиях адиабатического расширения газа – называют также эффектом Джоуля – Томсона. Математически он выражается следующим уравнением, где α – коэффициент Джоуля – Томсона – для газов, в отличие от жидкостей, величина обычно положительная, имеющая порядок К/МПа. Вязкость газов Из кинетической теории идеальных газов известно, что вязкость газа может быть определена аналитически по формуле 3 , где υ – средняя скорость движения молекул, λ – средняя длина пути свободного пробега молекул. Следовательно, если давление в газе увеличивается, то его плотность также увеличивается, а длина свободного пробега молекул уменьшается. При этом скорость молекул газа не меняется. Таким образом, вязкость газа также не меняется. Если в газе увеличивается температура, скорость его молекул значительно возрастает, тогда как плотность и длина свободного пробега остаются неизменными. Это приводит к увеличению вязкости газа, что принципиально отличает поведение газа при высоких температурах от нефти (рис. Рис. 2.1.1. Динамическая вязкость газов при атмосферном давлении в зависимости от температуры Рис. 2.1.2. Зависимость отношения вязкости газа к его вязкости при нормальных условиях от приведенных давлений и температур 1 – гелий 2 – воздух 3 – азот 4 – углекислый газ 5 – сероводород 6 – метан 7 – этилен 8 – этан 9 – пропан 10 – бутан 11 – бутан 12 – пентан 13 – гексан 14 – гептан 15 – октан 16 – нонан; 17 – декан В тоже время, если в газе одновременно увеличиваются и давление и температура, то вязкость газа в целом уменьшается, как и у жидкостей при подобных условиях. Это объясняется тем, что в реальных газах вязкость обусловлена перелетом молекул из слоя в слой, и при больших давлениях этот процесс также, как и у жидкостей, затруднен, однако при повышении температуры скорость молекул увеличивается, перелет становится легче, и вязкость газа уменьшается (рис. 2.1.2). 2.1.7. Коэффициент сверхсжимаемости природных газов Как известно, соотношение между параметрами – характеристиками состояния газа (давлением, объемом и температурой) – определяется законами газового состояния. Для идеального газа это уравнение Клапейрона – Менделеева, где m – масса газа М – его молярная масса, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, Р – давление, V – объем газа. Но реальные газы не подчиняются этому закону. Для математического описания состояния реальных газов выявились 2 пути. Первый путь – введение поправочных членов в уравнение Клапейрона – Менделеева Уравнение Ван-дер-Ваальса, в котором введены две константы, учитывающие взаимодействие молекул газа и их собственный объем 2 , где V – объем газа 2 V a – слагаемое, учитывающее силу притяжения молекул газа, b – поправка на собственный объем молекула 3p кр V 2 кр ; b = кр кр, кр – критические параметры. Последнее уравнение записано для одного моля вещества. Для вещества, имеющего массу m, уравнение запишется в виде 2 2 RT M m b M m V V a M m P Уравнение состояния Редлиха – Квонга, в котором b V V T V 5 , 0 2 , те 5 , 0 RT b V b V V T a P Уравнение Пенга – Робинсона, включающее 3 константы ) ( 1 Третья константа s в этом уравнении учитывает нецентраль- ность сил взаимодействия между сложными молекулами. Кроме этих уравнений известны также уравнение Битти – Бриджмена с пятью константами, уравнение Бенедикта – Вебба – Рубина, в которое введены 8 констант, и другие (как известно, в физике существует множество модификаций уравнения Ван-дер- Ваальса: уравнения Диттеричи, Бертло, Клаузиуса, Камерлинг- Оннеса и т.д.). Второй путь – введение в уравнение коэффициента, характеризующего степень отклонения реального газа от закона идеального газа, коэффициента сверхсжимаемости газа Z : RT M m Z PV , где Характер изменения функции T P Z Z , можно установить по изменению объема реального газа в сравнении с идеальным при прочих равных условиях с изменением температуры и давления (рис. 2.1.3, 2.1.4). На рисунке 2.1.3 использовано понятие приведенных параметров безразмерных величин, показывающих во сколько раз действительные параметры состояния газа больше или меньше критических: кр пр P P p / , / кр пр T T T Рис. 2.1.3. Зависимость коэффициента сверхсжимаемости природного газа от приведенных абсолютных давления Р |