физика пласта. Кочина Физика пласта. Учебное пособие Часть 1 петрофизика породыколлекторы нефти и газа
 Скачать 3.82 Mb.
|
|
2.4.7. Роль капиллярных явлений в процессах вытеснения нефти водой При извлечении нефти запасы пластовой энергии расходуются на преодоление различных сил 1) вязкого трения (гидравлическое сопротивление 2) адгезионных 3) капиллярных и др. Капиллярные силы возникают вследствие того, что в пористой среде на уровне водонефтяного контакта (ВНК) вместо раздельного фронта движения образуется смесь воды и нефти или газа и нефти. При этом жидкости в капиллярных каналах разбиваются на столбики и шарики, так называемые чѐтки, которые на время могут закупорить поры пласта вследствие действия капиллярных сил (рис. 2.4.17) А Рис. 2.4.17. Схема образования чѐток жидкости в капилляре в зависимости от порядка смачивания А – чѐтка смачивающей жидкости B – несмачивающей Рассмотрим перемещение чѐтки нефти в цилиндрическом гидрофильном капилляре, заполненном водой рис. 2.4.18) Рис. 2.4.18. Схема движения единичной чѐтки нефти в гидрофильном капилляре Поскольку капилляр гидрофильный (сточки зрения полноты вытеснения нефти это наиболее благоприятный случай, его стенки покрыты пленкой воды, которая со стороны чѐтки испытывает давление, равное ζ/r случай плоской поверхности по формуле Лапласа. Под действием капиллярных сил сама чѐтка нефти будет стремиться принять шарообразную форму, оказывая давление на мениск между нефтью и водой Однако в процессе движения чѐтки в результате действия гистерезисных явлений мениски будут испытывать деформацию. Поэтому радиусы их кривизны и краевые углы смачивания изменятся, причем неодинаково. Так, на рисунке 2.4.18 краевые углы и – наступающий и отступающий, соответственно, следовательно, должно выполняться условие > > Обозначим соответствующие этим углам радиусы кривизны менисков R' и R". Тогда капиллярные давления, создаваемые этими менисками, будут направлены внутрь чѐтки и равны: R р и R р 2 2 (2.4.10) Таким образом, разность этих давлений будет давать результирующее капиллярное давление чѐтки, и именно оно будет определять силу, противодействующую внешнему перепаду давления, причем, как видно из рисунка, практически всегда направленную против движения жидкости 185 R R R R р р р к 1 1 2 2 2 (2.4.11) В практических задачах, конечно, неудобно оперировать изменяющимися радиусами кривизны менисков, поэтому, учитывая, что R cos = r, из (2.4.11) получим: ) cos (cos 2 r р к (2.4.12) Эффект Жамена. В реальных пористых средах пластовые флюиды движутся в капиллярах переменного сечения. Рассмотрим случай, когда перемещение чѐтки нефти или газа в окружении воды происходит в сужающемся капилляре (рис. Заполняя капилляр, чѐтка деформируется так, что радиусы кривизны правого и левого менисков существенно различаются. Поэтому, даже если суженная часть капилляра является очень узкой, но потенциально проницаемой, может произойти закупорка капилляра. Это объясняется тем, что в соответствии с формулой (2.4.11) в цилиндрическом капилляре даже очень малого сечения разность обратных значений радиусов кривизны будет величиной, возможно, очень большой, но конечной. В случае же, когда только один из радиусов бесконечно мал, капиллярное давление становится бесконечно большим. Это явление при движении газоводонефтяных смесей в пористых средах называют эффектом Жамена. R" R' Рис. 2.4.19. Иллюстрация эффекта Жамена Учитывая, что газоводонефтяные смеси образуются в фильтрационных потоках на протяжении сотен метров, гистерезисные явления и такие явления, как эффект Жамена, могут существенно сказаться на процессе вытеснения нефти. Следует правда отметить, что вследствие сжимаемости газа и упругости жидкости эти эффекты могут быть менее значительными при высоких пластовых давлениях. Кроме того, в реальной пористой среде с хаотичным распределением поровых каналов всегда есть возможность движения по обходным порам. Прыжки Хейнса. Еще более сложные процессы происходят в капиллярах переменного сечения, один из примеров этого схематично изображен на рисунке В таком капилляре мениск периодически изменяется, сжимаясь и растягиваясь в зависимости отсечения, в которое он попадает, причем в сечениях аи с положение мениска будет устойчивым, а между ними – неустойчивым. При повышении давления в таком канале жидкость будет задерживаться в устойчивых сечениях, пока не преодолеет капиллярное давление, а затем скачком перейдет в расширяющийся участок поры. Это явление называют прыжки Хейнса». Однако в реальных пористых средах оно, также как и эффект Жамена, слабо сказывается на процессе фильтрации в целом. Тем не менее в некоторых случаях эти эффекты могут привести к дополнительным потерям энергии на преодоление больших и меняющихся капиллярных сил. Рис. 2.4.20. Иллюстрация эффекта прыжки Хейнса» В заключение отметим, что при расчетах реальных фильтрационных процессов, когда учет капиллярных сил необходим, пользуются усредненной формулой для капиллярного давления в пористой среде 187 , (2.4.13) где r – средний радиус поровых каналов среды. В гидрофильной пористой среде в мелких порах капиллярные силы становятся больше, в результате чего по ним продвигается вода, попадая в нефтяную часть, а нефть по крупным порам частично попадает вводную часть, что приводит к фрактальному виду водонефтяного контакта. В случае макронеодно- родных коллекторов происходит в виде языков различной формы и размеров прорыв воды, в результате которого за фронтом вытеснения остается значительное количество нефти. Вопросы для самоконтроля 1. Сформулируйте правило Антонова. 2. Дайте силовое и энергетическое определение коэффициенту поверхностного натяжения. 3. Как зависит коэффициент поверхностного натяжения от температуры и давления 4. Что такое избирательное смачивание 5. Дайте определение понятию краевой угол избирательного смачивания. Выведите уравнение Юнга. 7. Что такое работа адгезии Единицы измерения. 8. Выведите и проанализируйте уравнение Дюпре – Юнга. 9. Какой физический смысл имеет работа когезии 10. В чем заключается понятие теплоты смачивания 11. От каких факторов зависит явление статического гистерезиса смачивания 12. В чем различие наступающего и отступающего углов смачивания. В чем состоит причина возникновения кинетического гистерезиса смачивания 14. В чем проявляется капиллярное давление на искривленной поверхности раздела фаз 15. Запишите и поясните физический смысл формулы Лапласа. 16. Выведите формулу для высоты поднятия жидкости в сферическом капилляре. 17. В чем состоит явление капиллярной пропитки 18. Выведите и поясните формулу для капиллярного давления при вытеснении нефти водой. cos 2 r р к 188 2.5. Адсорбционные процессы в насыщенных пористых средах 2.5.1. Общие представления об адсорбции В общем случае явления, связанные с самопроизвольным перераспределением веществ между различными частями гетерогенной системы, называют сорбцией. Сорбция (от лат. sorbio – сгущать) – это изменение (как правило, увеличение) концентрации компонента либо у поверхности раздела фаз (адсорбция, либо в объеме одной из фаз (абсорбция. Также сорбция может трактоваться как образование раствора. Поверхностная сорбция – одно из важнейших сорбционных явлений. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция на поверхности твердых тел. Адсорбция может происходить на поверхностях раздела твердое тело – газ твердое тело – раствор раствор – газ. Твердое тело, у поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, адсорбированное вещество – адсорбатом, а адсорбирующий компонент жидкого раствора называется адсорбтивом. Физическая и химическая адсорбция Адсорбцию принято делить на физическую и химическую (хемосорбцию. Резкой границы между ними не существует, хотя в предельных случаях они различаются легко. Физическая адсорбция обусловлена межмолекулярными (ван-дер-ваальсовыми) силами, когда не происходит химического взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом, к тому же молекулы адсорбата на поверхности не теряют своей индивидуальности. Попадая на поверхность адсорбента, молекула адсорбата удерживается силовым полем поверхности в течение некоторого времени, а затем десорбируется. В начальный период скорость адсорбции намного превышает скорость десорбции, но постепенно эта разница уменьшается, скорости выравниваются, те. наступает адсорбционное равновесие, и молекулы адсорбата образуют на поверхности адсорбента адсорбционный слой. При этом свободная энергия поверхности уменьшается. Химическую адсорбцию также называют активированной адсорбцией, т.к. она подобно химическим реакциям характеризуется определенной энергией активации, те. некоторым избытком энергии по сравнению со средней энергией всех молекул, необходимым для осуществления химической реакции. Энергия активации вычисляется из зависимости постоянной скорости реакции k и температуры по формуле Аррениуса: , ln 2 RT E dT k d где E – энергия активации, определяющая число эффективных столкновений, равное общему числу столкновений, умноженному на kT E e , и поэтому показывающая резкий рост реагирующих активных) молекул с повышением температуры. Таким образом, наиболее существенное различие между двумя типами адсорбции заключается в природе сил, вызывающих ее. Силы, действующие между адсорбентом и адсорбатом, аналогичны силам, проявляющимся в процессах кондeнсации; при хемосорбции – силам, действующим при химических реакциях. При достаточно низких температурах ван-дер-вальсова адсорбция наблюдается для любых веществ, тогда как хемосорбция не для всех веществ. Равновесие при физической адсорбции устанавливается быстро и обратимо. При этом возможны следующие варианты физической адсорбции 1. Адсорбция неполярного адсорбата на неполярном адсорбенте это универсальное дисперсионное взаимодействие, существующее в любых системах, где есть электроны. Оно, в частности, не зависит от температуры, и сила взаимодействия между двумя молекулами не зависит от присутствия других молекул. Кроме того, дисперсионные силы аддитивны, поэтому, например, в пористых средах их вклад в адсорбцию существенно возрастает. 2. Адсорбция неполярного адсорбата на полярном адсорбенте например, ионные кристаллы, когда добавляется индукционное притяжение, а именно электрические силы притяжения молекул адсорбата, которые индуцируются в диполи в электрическом поле адсорбента. Аналогично проявляется адсорбция и при взаимодействии полярного адсорбата с неполярным адсорбентом 3. Адсорбция полярного адсорбата на полярном адсорбенте сопровождается ориентационным кулоновским взаимодействием диполей адсорбата с электрическим полем адсорбента. Причем и индукционные и ориентационные силы не являются аддитивными присутствие других молекул в поле взаимодействия двух молекулярных диполей ослабляет это взаимодействие, что имеет место в пористых средах с развитой поверхностью адсорбента. В целом энергия взаимодействия складывается из трех указанных видов взаимодействия. Наибольший вклад (для неполярных молекул – основной) вносит дисперсионное взаимодействие. Значение адсорбции в нефтегазовых пластах Целый ряд веществ, содержащихся в пластовых флюидах, может вследствие изменения термодинамических условий осаждаться на поверхности зерен пористой среды. Это может происходить со смолами и асфальтенами, которые входят в состав нефтей, с солями, которые содержатся в пластовой воде, или с различного рода добавками к воде, закачиваемой в породы. Сорбционные процессы имеют существенное значение и при фильтрации газа в пористой среде. Количество сорбированного газа может доходить до 11–15% от его объема, заключенного в порах. Процесс сорбции газа породой можно рассматривать как двухэтапный: осаждение молекул газа на поверхности и диффузия его внутрь блока зерен породы. Известно, что в пластовой нефти присутствуют поверхностно- активные и полярные вещества, которые могут адсорбироваться породой. Также поверхностно-активные вещества могут содержаться ив пластовой воде. При наличии активных центров на поверхности пор породы такие компоненты нефти, как асфальте- ны, смолы, нафтеновые кислоты, адсорбируются полярными группами к поверхности, неполярными – наружу, вследствие чего поверхность становится гидрофобизованной. Наоборот, если поверхность неполярна, тов результате адсорбции нефти углеводородными радикалами к поверхности она покрывается гидратированной оболочкой полярных групп и может приобрести гидрофильные свойства. Адсорбция на разделе твердое тело – раствор играет большую роль в процессе миграции нефти и воды, разработке нефтяных месторождений, интенсификации добычи нефти и т.д. Отмечено, что при контакте нефти с горной породой возникающий на границе раздела нефть – порода адсорбционный слой с прилегающим граничным слоем, состоящим из поверхностно- активных компонентов нефти, под действием термобарокатали- тических факторов за длительный период формирования залежи подвергается структурной и химической перестройке. В результате эволюции граничного слоя в зонах контакта породы с нефтью формируется твердая пленка, состоящая из уплотненных коксообразных продуктов превращения нефти. Толщина пленки составляет 0,3–0,5 мкм. На основании результатов ряда работ можно сказать, что нефти при фильтрации через различные горные породы изменяют свой состав и свойства. Направленность этих изменений обусловливается, прежде всего, адсорбционными процессами. На адсорбционные процессы, происходящие в пористой среде, большое влияние оказывает минералогический состав пород-коллекторов. Например, глинистые минералы влияют на перераспределение углеводородных групп нефтей при фильтрации. Меньшая величина адсорбции асфальтенов для газонасыщен- ной нефти является следствием адсорбции молекул газа, содержащегося в нефти. Таким образом, степень газонасыщенности нефтей оказывает существенное влияние на величину адсорбции асфальтенов из нефтей. Установлено также, что в газонасыщен- ных нефтях величина адсорбции асфальтенов в исследованных диапазонах давлений от атмосферного до 10 МПа не зависит от давления. На величину адсорбции при прочих равных условиях большое влияние оказывают статические или динамические условия время достижения равновесной адсорбции в статических условиях составляет от 48 часов до 72 часов, в динамических условиях – более 380 часов. 2.5.3. Исторические сведения об адсорбции Явления поглощения газов и паров, а также растворенных веществ пористыми телами известны с давних пор. Еще в 1773 г шведский ученый Шееле и французский ученый Фонтана дали описание своих опытов по поглощению газов углем. В 1791 г. русский химик ТЕ. Ловиц изучал явление адсорбции из растворов на твердом адсорбенте. Систематические же исследования в области поглощения газов относятся к началу XIX в. Соссюр в 1814 г установил поглощение газов не только углем, но и другими пористыми телами – пемзой, пробкой и т.д. Согласно теории Соссюра, молекулы газа, близко подходя к поверхности поглотителя, испытывают сего стороны сильное притяжение и образуют на нем сгущенный слой. В 1861–1864 гг. английский ученый Грэм, изучая диффузию различных растворов, обнаружил медленную диффундируемость некоторых веществ, к которым относятся гидраты окисей алюминия, цинка, железа и других металлов, а также крахмал, белки и др. В 1878 г появляются труды американского физика Гиббса правило фаз, теория поверхностных явлений. Широкому изучению явления адсорбции газов твердыми адсорбентами послужили работы Н.Д. Зелинского и НА. Шилова. В 1915 г. академиком Зелинским (и Фрицем Габером) создан противогаз, защитные свойства которого обусловлены адсорбцией газов активированным углем. Л.Г. Гурвич создал научные основы методов переработки нефти и положил начало современному учению о поверхностных явлениях. Его работы были развиты американским исследователем И. Лэнгмюром, который с помощью уравнения Дж.У. Гиббса рассчитал степень заполнения адсорбционного слоя и определил характер фильтрации в нем поверхностно-активных молекул. За последующие годы большое значение приобрели работы Б.В. Дерягина, ММ. Русакова, ПА. Ребиндера, АН. Згрумкина и многих других, за рубежом – работы А.М. Годэена, М. Маске- та, Свен-Нильсона, Уорка. АН. Фрумкиным разработаны важные вопросы состояния и термодинамических свойств адсорбционных слоев и развита общая термодинамическая теория смачивания. Работы ПА. Ребин- дера с 1923 г. посвящены проблеме влияния поверхностных слоев на свойства и поведение коллоидных и грубодисперсных система также деформируемых твердых тел. Первые систематические исследования молекулярно-поверх- ностных свойств нефтепродуктов принадлежат ММ. Русакову, показавшему, в частности, что, измеряя поверхностное натяжение нефтепродуктов на границе с чистой водой, можно судить о степени их очистки от полярных веществ. Долгое время изучение адсорбции было направлено на накопление экспериментального материала, и не существовало подлинной теории по изучению адсорбции газов и паров на твердой поверхности. В 1915 г были предложены две независимые теории И. Лэн- гмюра и Поляни. Наряду с теориями Лэнгмюра и Поляни в области теории адсорбции также имеется ряд исследований Эйке- на, Магнуса, Вильяма, Жуховицкого и др. Но наиболее типичными и важными являются теории Лэнгмюра и Поляни. Согласно теории Лэнгмюра адсорбция представляет собой химический процесс, и адсорбционный слой является мономолекулярным. Согласно теории Поляни адсорбция носит физический характер, и адсорбционный слой является полимолекуляр- ным. Лэнгмюр дал кинетическое обоснование процессу адсорбции. Он считал, что соударение между молекулами газа и твердой поверхностью носит эластичный характер молекулы газа остаются в соприкосновении с твердой поверхностью в течение некоторого времени, а затем отрываются от нее и переходят в газовую фазу. Время пребывания молекул на поверхности определяет явление адсорбции. По Лэнгмюру в поверхности твердого тела должны находиться участки или места, отличающиеся сильным силовым полем. Поверхность раздела фаз всегда является источником силового поля вследствие нескомпенсированности молекулярных сил в межфазном поверхностном слое. Влияние адсорбции на природу межфазных поверхностей раздела и устойчивость дисперсных систем было впервые качественно рассмотрено Л.Г. Гурвичем, а затем проработано с привлечением представлений об ориентации поверхностно-актив- ных молекул в адсорбционных слоях ПА. Ребиндером и его сотрудниками. ПА. Ребиндером было показано, что вещество будет адсорбироваться на границе раздела фаза значит понижать поверхностное натяжение в том случае, если оно своим присутствием на поверхности будет уравнивать разность полярностей этих фаз, те. если его полярность будет находиться между полярностями этих фаз. Это правило было названо ПА. Ребиндером правилом уравнивания полярностей. |