Минералогия продуктивного пласта
При осуществлении процессов паротеплового воздействия и внутрипластового горения, протекающих при высоких температурах и давлениях, в продуктивном пласте могут происходить явления природного метаморфизма с образованием новых минералов.
При исследовании керна, отобранного в зоне паротеплового воздействия, было установлено значительное снижение пористости в результате кристаллизации нескольких новых минералов. При температуре 250° С образовались большие кристаллы онтмориллонита и анальцима.
Отбор керна на пилотных участках после проведения процесса и использование результатов исследования кернового материала при моделировании условий пласта необходимы для того, чтобы полностью оценить эти геохимические изменения в пласте.
НЕФТИ ТЯЖЕЛЫЕ ВЫСОКОВЯЗКИЕ
Нефть
Нефть представляет собой маслянистую жидкость преимущественно темного цвета со специфическим запахом. По химическому составу нефть является смесью углеводородов, встречающихся в ней в самых разнообразных сочетаниях и определяющих ее физические и химические свойства.
В основном в нефтях встречаются углеводороды:
метанового ряда (парафинового) с общей формулой СnНn+2;
этиленового ряда (нафтеновой группы) с общей формулой CnН2n.
Углеводороды других рядов, таких, как бензольного (ароматические) CnН2n-6 и ацетиленового СnН2n-2, обычно в нефтях встречаются в незначительных количествах.
Теплота сгорания нефти — 43,7 — 46,2 МДж/кг.
Содержание углерода в нефти около 82—87%, водорода —11,5—14,5%. В качестве примесей (4— 5%) в нефти находятся соединения, содержащие кислород (нафтеновые кислоты), серу и азот, смолистые и асфальтеновые вещества. Компонентный состав (%): масел — 65—100, смол — 0—30, асфальтенов — 0—5. Парафиновые нефти содержат серу (до 0,5%) и сернистые соединения (свыше 0,5%). По смолистости делятся на малосмолистые (до 18%), смолистые (18—35%) и высокосмолистые (свыше 35%). Спутниками нефти часто являются нефтяной газ и вода. Нефть залегает обычно в пористых или трещиноватых горных породах (песках, песчаниках, известняках) и является важнейшим энергетическим топливом современной промышленности. Перегонкой из нефти получают бензин, лигроин, керосин, масла, парафин и др. Нефть используют также, как химическое сырье для производства синтетических материалов.
В состав нефти входят многие металлы, в том числе:
· щелочные и щелочно-земельные(литий,натрий, калий, барий, кальций, стронций, магний);
· металлы подгруппы меди (медь, серебро, золото);
· подгруппы цинка (цинк, кадмий, ртуть);
· подгруппы бора (бор, алюминий, галлий, индий, таллий);
· подгруппы ванадия (ванадий, ниобий, тантал) ;
· многие металлы переменной валентности (никель, железо, молибден, кобальт, вольфрам, хром, марганец, олово и др.).
Характерной особенностью вязкой тяжелой нефти является то, что в ней ванадий и никель встречаются в значительно больших концентрациях, чем другие элементы. Обычно в сернистых нефтях превалирует ванадий, а в малосернистых — никель.
Несмотря на относительно малое содержание в нефти, микроэлементы значительно влияют на процессы ее подготовки, переработки и дальнейшее использование нефтепродуктов. Большинство элементов, находящихся в нефти в микроколичествах, являются катали заторными ядрами, быстро дезактивирующими промышленные катализаторы нефтепереработки. Поэтому для правильной организации технологического процесса и выбора типа катализатора необходимо знать состав и количесгво микроэлементов. Большая часть их концентрируется в смолисто-асфальтеновой части нефти, поэтому при сжигании мазутов образующаяся пятиокись ванадия сильно коррозирует аппаратуру и отправляет окружающую среду. Золы современных ТЭЦ, работающих на сернистом мазуте, значительно богаче по содержанию ванадия, чем многие промышленные руды. В настоящее время уже работают установки по извлечению пя-тиокиси ванадия из золы ТЭЦ. В промысловых условиях, а также на нефтеперерабатывающих заводах ванадий из нефти пока не извлекается.
На XI нефтяном конгрессе (Лондон, 1983 г.) была рекомендована единая классификация нефтей: по плотности — тяжелая (920— 1000 кг/м3), средняя (870—920 кг/м3) и легкая (менее 870 кг/м3); по вязкости — высоковязкая (более 50 мПа с), повышенной вязкости (30— 50 мПа с), средняя (10—30 мПа -с) и легкая (до 10 мПа- ).
Под действием кислорода или кислородосодержащих веществ в поверхностных или пластовых условиях нефть может изменять свои физические свойства. В процессе окисления нефть теряет легкие фракции и осмоляется, происходит увеличение ее плотности, повышается вязкость и возрастает количество асфальтосмолистых компонентов и кислот. Процессы окисления приводят к образованию битумов от вязкой до твердой консистенции и без термических методов воздействия, такие нефти извлекать из породы практически невозможно.
С увеличением температуры нефтеотдача возрастает, т. к. релаксационные свойства нефтей ослабляются и при достижении 80°С перестают оказывать влияние на фильтрацию. Использование термических методов при добыче тяжелых нефтей позволяет увеличить нефтеотдачу в 1—3 и более раз по сравнению с естественным режимом. При движении нефти через пористую среду в ней возникают упругие напряжения, приводящие к увеличению вязкости в пористой среде по сравнению с движением в прямолинейном капилляре, т. е. при одной и той же скорости движения эффективная вязкость нефти возрастает с уменьшением проницаемости пористой среды.
В результате циклического воздействия на нефть давлением (барообработка) происходит изменение ее реологических параметров, в частности, снижение коэффициента вязкости (на 10—15%) и предельного напряжения сдвига.
Нефть аномальная
Нефть, аномалии вязкости которой возникают в результате образования объемной структуры некоторыми компонентами нефти. В условиях первоначального термодинамического состояния пластовой нефти и при изотермических процессах эксплуатации залежей структуру в нефти образуют асфальтены.
Аномально-вязкие свойства нефти оцениваются комплексом параметров, характеризующих свойства структуры, образуемой в нефти асфальтенами. Аномальная вязкость обусловливает переменную подвижность нефти в ее фильтрации в породе. Подвижность нефти с ростом градиента давления увеличивается. Рост подвижности наблюдается при градиентах, превышающих градиент динамического давления сдвига.
Нефть окисленная
К окисленным нефтям относят нефти, изменившие свои физические свойства под действием кислорода или кислородосодержащих веществ в поверхностных или пластовых условиях
Жидкофазное окисление — это класс химических реакций, осуществляющихся за счет полного или частичного перехода электронов от одних атомов к другим. Жидкофазное окисление является цепной радикальной реакцией. Она начинается уже при температуре 25—50°С и с повышением температуры скорость окисления резко возрастает. При температурах до 200° С происходит окисление легких и средних компонентов нефти, что приводит к глубоким изменениям свойств нефти, а именно: уменьшению содержания в нефти легких компонентов и увеличению содержания смол и асфальтенов, что в свою очередь приводит к значительному повышению плотности и вязкости нефти. Опытами установлено, что вязкость нефти после 11-часового ее окисления при температуре 52°С возрастает в 1,4 раза.
При высокотемпературном (230—320°С) окислении нефти интенсивно поглощается кислород и реакция протекает по схеме: масла -> смолы -* асфальтены. При достижении температуры 300—350°С и более, когда из нефти уже выделятся все легкие и средние фракции нефти и останутся тяжелые остатки углеводорода со сложной структурой молекул (преимущественно нафтено-ароматического характера), идут процессы крекинга тяжелой части нефти и превращения по схеме: асфальтены —> кар-бены —» карбоиды.
Процессы окисления нефти наиболее интенсивно протекают в высокотемпературных зонах пласта.
В соответствии с происходящими в пласте процессами меняются основные физико-химические параметры нефти. Малосмолистые метановые и нафтеновые нефти дают в этих условиях начало кирам, а смолистые нефти, обогащенные ароматическими углеводородами или сернистыми соединениями, — асфальтовым битумам. Выветривание тех и других приводит к образованию оксикеритов и далее — гумино-керитов,
Кир — продукт субаэрального выветривания метановых и нафтеновых нефтей, ведущего к утяжелению и осмолению нефти, повышению ее вязкости и обогащению ее более кислыми веществами. К такой группе нефтей относятся различные классы асфальтовых битумов — от мальт до асфальтитов. Отложения кира (закирования) на поверхности образуются в результате напитывания пород излившейся нефтью или обнажения нефтеносного пласта. В зависимости от степени выветренности кир может иметь разную консистенцию — от полужидкой до твердой, хрупкой. Название кир применяется также к закированной породе в целом.
Закированный участок пласта может служить покрышкой залежи.
Анаэробное окисление нефти протекает под действием микроорганизмов за счет кислорода сульфатов, окислов железа и, возможно, других кислородосодержащих минеральных соединений. Механизм анаэробного окисления, по-видимому, подобен механизму окисления аэробного, но отличается значительно меньшей активностью и носит характер преимущественно остаточного накопления биохимически более стойких циклических структур за счет селективного освоения микроорганизмами структур метановых, в частности, твердого парафина. Конечными продуктами анаэробного окисления являются мальта и асфальт.
Мальта — это вязкожидкий, вязкий, иногда твердый битум, граничащий но составу и свойствам с тяжелыми высокосмолистыми нефтя-ми. Плотность = 0,965—1,03; температура размягчения = 35—400С; состав: С = 80—87%; Н = 10—12%. Содержание масел — 40—60%, количество асфальтенов варьирует от 0,3 до 30— 40%, что определят1 консистенцию мальты. Наиболее часто образуется при биохимическом и химическом окислении нефти.
Битумы — это общее название природных или искусственных сложных органических веществ, состоящих из углеводородов, их кислородных, сернистых и азотистых производных; входит в состав нефти (асфальт). Вязкость битумов настолько велика, что при естественной пластовой температуре они не текучи (более 10000 мПа-с). Однако небольшое повышение температуры приводит к значительному снижению вязкости и увеличению подвижности. Месторождения можно разрабатывать методами внутри пластового горения (прямоточного и про-тивоточного). Твердые битумы черного цвета имеют плотность около 1000 кг/м3. Битумы применяют в дорожном строительстве, производстве рубероида, толя, изоляционных материалов, пластмасс, лаков и др.
Асфальтовые битумы — это группа битумов (классы мальт, асфальтов, асфальтитов, керитов, антраксолитов, оксикеритов, гуминокеритов), в составе которых преобладают асфальтово-смо-листые компоненты или их производные (кар-бены, карбоиды). К асфальтовым битумам относятся также антраксолиты — класс асфальтовых битумов высшей степени метаморфизма; твердые, неплавкие вещества, нерастворимые в органических растворителях, по свойствам и составу напоминающие антрациты. Состоят целиком из карбоидов и, возможно, свободного углерода. Делятся на пять групп: 1) низшие; 2) средние; 3) шунгиты; 4) кискеиты; 5) тухоли-ты. Зола кискеитов обычно богата ванадием и никелем.
Природные битумы — это комплексное полезное ископаемое, источник получения углеводородного химического, металлургического сырья и дорожн о-строительных материалов.
Многие месторождения природных битумов характеризуются высоким содержанием серы, редких и цветных металлов.
Технология добычи природных битумов осуществляется по трем основным направлениям:
· скважинные способы, при которых битумы добываются через пробуренные с поверхности скважины путем термического или иного воздействия на битумосодержащие пласты;
· карьерные и шахтные очистные способы, при которых битумосодержащие породы
извлекаются на поверхность;
· шахтнодренажные способы, при которых битумы добываются в шахте через дренажные скважины с помощью паротеплового воздействия.
· Битуминозные пласты — пласты, содержащие нефть вязкостью 100—1000 Па-с, имеющие, как правило, высокую абсолютную проницаемость, однако приемистость этих пластов очень низкая или даже нулевая.
Для закачки пара или воздуха в такие пласты необходимо повышать давление нагнетания над давлением гидроразрыва, что приводит к неэффективной разработке таких объектов.
Моделирование паронагнетания в условиях давления гидроразрыва затруднительно, т. к. необходимо учитывать напряжение и деформацию в сочетании с теорией разрыва.
Более приемлемым в таких условиях считается пароциклическая обработка призабойных зон скважин. Широкое применение циклической закачки пара при давлении разрыва используется на месторождении Колд Лейк (Канада). Этот метод позволяет довести нефтеотдачу до 20%. Попытки перехода на непрерывное вытеснение нефти паром оказались безуспешными.
Аналогично и процесс внутрипластового горения с нагнетанием воздуха под давлением разрыва не дал положительных результатов. Примером может служить проект Григори Лейк (Атабаска), а также проект Юга, где были получены весьма незначительные результаты.
Различают также низкотемпературное окисление — процесс физического и химического взаимодействия нефти с кислородом воздуха, который имеет две стадии: очень быстрого поглощения молекул кислорода из воздуха (физическая адсорбция), сопровождающегося выделением небольшого количества тепла, и хемосорбный — химического взаимодействия молекул кислорода с нефтью, сопровождающегося значительным экзотермическим процессом.
При низкотемпературном окислении нефти образуются кислородосодержащие продукты, ряд из которых является естественными ПАВ. Продукты низкотемпературного окисления нефти в зоне прогрева пласта впереди фронта горения могут образовывать стойкие эмульсии.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) представляют собой сложные по строению и составу вещества, молекулы которых содержат группы, обладающие гидрофобными и гидрофильными свойствами.
В процессах применяемые ПАВ выступают как стабилизаторы, диспергаторы и пленкооб-разователи. У каждого процесса применения ПАВ индивидуальный механизм действия и критерии эффективности.
В практике бурения скважин добычи и подготовки нефти наиболее часто используются деэмульгаторы и эмульгаторы, ингибиторы коррозии, солеотложений, асфальте но-с моло-пара-фино-отложений, моющие средства, депрессагоры, пенообразователи и стабилизаторы пены, стабилизаторы буровых растворов и т. д.
Различают ПАВы ионогенные и неионоген-ные. Ионогенные ПАВы — это поверхностно-активные вещества (мыла, сульфокислоты, эфи-ры серной кислоты и др.), молекулы которых диссоциируют в водной среде на ионы.
Неионогенные ПАВы (молекулярные) — это поверхностно-активные вещества, в которых носителями поверхностной активности являются электрические нейтральные молекулы, не распадающиеся на ионы (спирты, карбоновые кислоты и амины, продукты конденсации поли-меризованной окиси этилена, дибудил).
Нефть парафинистая
Нефти России согласно ГОСТу подразделяются по процентному содержанию парафина на три группы:
· малопарафиновые — температура застывания их —16°С и ниже;
· парафиновые — температура застывания от—15°С до +20° С;
· высокопарафиновые — температура застывания выше +20°С.
К малопарафинистым относятся нефти, в которых не более 1,5% парафинов, к парафинистым —1,5—6,0% и к высокопарафинисгым — более 6,0%.
Нефть термическая
Нефть, добытая с применением теплового воздействия на пласт (закачка пара и горячей воды, внутрипластовое горение) или на приэабойную зону пласта (пароциклические и парогазоцикли-ческие обработки, электропрогрев и т. п.); по своему составу и свойствам можег резко отличаться от пластовой. Добыча и подготовка термической нефти связаны с дополнительными трудностями, т. к. в результате термического воздействия в пластовых условиях образуются весьма стойкие водонефтяные эм
Вязкость нефти
Вязкостью называют свойство жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению ее частиц под действием приложенной силы.
Различают несколько видов вязкости нефти; эффективную, динамическую, кинематическую и относительную.
Эффективная вязкость нефти (кажущаяся) — это вязкость нефти, обладающая аномальными свойствами и изменяющаяся в зависимости от градиента скорости. Зависит она также от содержания воды в нефти. Это понятие чисто условное, не имеющее физического смысла и применяемое к неустойчивым системам и смесям, которые образуются при добыче высоковязкнх нефтей с применением методов термического и химического воздействия на пласт.
Динамическая вязкость нефти — это коэффициент внутреннего трения; определяется силой, которую испытывает единица поверхности одного из взаимодействующих слоев со стороны другого слоя, если градиент скорости между слоями равен единице; размерность — Па*с .
Кинематическая вязкость нефти — это отношение коэффициента динамической вязкости к плотности нефти при температуре определения. Зависимость кинематической вязкости нефти от температуры носит криволинейный характер, присущий каждой нефти в отдельности; размерность м2/с.
Относительная вязкость нефти — это отношение вязкости нефти к вязкости воды при той же температуре; размерности не имеет. Коэффициент абсолютной вязкости — величина, равная напряжению внутреннего трения в том случае, когда относительная скорость двух плоскостей потока, отстоящих друг от друга на расстояние 1 м, равна 1 м/с. За единицу измерения абсолютной вязкости принята мПа с.
Кроме вышеуказанных вязкостей различают еще условную (относительную) вязкость. Она выражается отвлеченным числом, представляющим собой отношение времени истечения при определенных температурных условиях известного количества испытуемой жидкости ко времени истечения воды при тех же условиях. Для определения условной вязкости пользуются вискозиметром Энглера.
Вязкость нефти резко уменьшается с увеличением температуры. Термические методы воздействия применяются на месторождениях, нефти которых имеют вязкость 30 мПа*с и более. Верхний предел вязкости (10000 мПа*с) обусловлен возможностью пластовой нефти фильтроваться на непрогретых участках пласта.
Высоковязкие нефти более восприимчивы к снижению вязкости при их подогреве. Повышение температуры в пласте до 120-150° С способствует снижению вязкости с 1000-1200 мПа*с до 3-4 мПа-с (рис. 12).
При обычных температурах высоковязкие нефти характеризуются малой газонасыщенностью и значительным окислением. Продуктивные горизонты с такими нефтями залегают относительно неглубоко и отличаются несце-ментированностью нефтесодержащего коллектора.
Высокая вязкость нефти определяет относительно низкие дебиты скважин, сокращение периода безводной эксплуатации залежи и увеличение обводненности продукции скважин. Это отражается на сроках разработки месторождений и затратах на добычу и подготовку нефти. Обычно разработка таких месторождений невозможна без применения дополнительного воздействия на пласт теплоносителями, растворителями и др. реагентами, снижающими вязкость нефти.
На вязкость нефти, особенно содержащейся в пластах, залегающих на больших глубинах, существенно влияет не только температура, но и давление. При давлении ниже давления насыщения выделение растворенного газа приводит к увеличению вязкости остаточной нефти, в то время как объемное расширение нефти со снижением давления — к понижению вязкости. И все же в результате действия этих факторов, из которых первый оказывает большее влияние, вязкость увеличивается.
Определить вязкость нефти можно и при помощи эмпирического соотношения (43]:
где — абсолютная вязкость дегазированной нефти при температуре пласта, мПа*с;
вн — коэффициент объемного расширения нефти, находящейся на поверхности (за счет растворенного в ней газа).
Эта формула справедлива лишь в интервале давлений от атмосферного до давления насыщения, т. к. она не учитывает влияния сжимаемости нефти при давлении выше давления на-
На вязкость нефти влияют следующие факторы [43J:
1. Структура молекул, входящих в состав нефти.
2. Температура. Если с увеличением температуры нефть не меняет своего химического
состава, то ее вязкость уменьшается.
3. Давление. В пределах до 20 МПа вязкость от давления на каждую атмосферу увеличения
давления для нефтей можно принимать равным 1/500 ее первоначальной величины.
4. Количество растворенного газа. Вязкость нефти значительно снижается с увеличением количества растворенного газа.
Нефть, газ н вода на поверхности в атмосферных условиях имеют свойства, отличающиеся от их свойств в условиях пласта.
Одной из наиболее важных величин, характеризующих нефть в пластовых условиях, является величина давления насыщения нефти газом. Давлением насыщения называется то наименьшее давление, при котором смесь нефти и газа в пласте находится только в жидкой фазе. Если давление в пласте снизится ниже давления насыщения, то из жидкой фазы начнет выделяться свободный газ и таким образом из одной общей жидкой фазы образуются две фазы: жидкая и газообразная. Величина давления насыщения зависит от свойств нефти и газа. Чем тяжелее нефть, тем выше давление насыщения, тем меньше в ней растворяется газ. Более тяжелый нефтяной газ растворяется в нефти при меньших давлениях, чем легкий. Присутствие в нефтяном газе азота резко повышает давление насыщения.
Большое значение для практических расчетов имеет также объемный коэффициент нефти. Объемным коэффициентом нефти называется объем, занимаемый в пластовых условиях одним нормальным кубометром нефти. Нормальные объемы измеряют при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст. В пласте нефть находится под определенным давлением и при определенной температуре. Увеличение давления вызывает уменьшение объема нефти, а увеличение температуры — увеличение объема. Но наиболее значительное изменение объема происходит за счет растворения газа в нефти.
Эти три фактора, действуя одновременно, приводят к тому, что объем нефти в пластовых условиях всегда больше, чем в атмосферных (нормальных) условиях. Поэтому объемный коэффициент нефти всегда больше единицы. Если, например, объемный коэффициент в = 1,1, то это означает, что 1 м3 нефти, измеренный в атмосферных условиях, займет в пластовых условиях объем 1,1 м3, т. к. увеличится на 10%. Объемный коэффициент определяют по анализу глубинной пробы нефти.
В промысловой практике и ири различных расчетах иногда надо знать так называемый коэффициент усадки нефти, т. е. на сколько процентов или на какую долю от целого уменьшается добытая нефть вследствие ее дегазации.
Плотность нефти
Плотность — одна из основных физических характеристик нефти, равная отношению ее массы dm, объемом dv, к этому объему: p = dm /dv. Плотность однородного тела одинакова во всех его точках. Плотность неоднородного тела неодинакова в разных его точках.
Плотность вещества растет с увеличением давления и, как правило, убывает с ростом температуры. При переходе вещества из жидкого состояния в газообразное и из твердого в жидкое плотность скачкообразно уменьшается (исключение представляет вода). Единица плотности (в СИ) — кг/м3.
Плотность нефти и нефтепродуктов обычно определяется при 20" С и относится к плотности воды при 4° С (относительная плотность). Определение плотности можно приводить при любой температуре, а затем пересчитать по формуле:
где — плотность нефти при температуре испытания;
— коэффициент объемного расширения нефти;
t0 — температура, при которой определялась плотность.
Относительная плотность нефти колеблется в среднем от 0,82 до 0,90, однако существуют нефти с плотностью, близкой к 1,0 и даже более, извлекать которую сегодня можно только при помощи термических методов воздействия. Плотность нефти зависит от многих факторов: химической природы смолистых веществ, растворенных газов и др., поэтому в ГОСТах на нефтепродукты она является нормируемым показателем.
Плотность нефти является показателем ее качества и определяется в пластовых условиях путем отбора проб пробоотборником.
Приближенно плотность нефти можно определить по формуле:
где рсеп — плотность сепарированной нефти, кг/м3;
Г — объемное содержание растворенного газа в пластовой нефти, ма/мэ;
р r — относительная плотность газа, кг/м3.
Результаты исследований плотности вязких нефтей в интервале температур 20—350" С и давления 0,1—60 МПа показали, что изменение плотности по изотермам с увеличением давления увеличивается с ростом температуры (рис. 13)[10].
Для нефтей различных месторождений при температуре 20° С изменение плотности при изменении давления от 0,1 до 60 МПа составляет 2,6—3,0%, а при температуре 350° С — 10— 12%. Изобары в интервале температур 20—250" С во всем диапазоне давлений имеют прямолинейный характер. При высоких температурах изобары слегка искривляются, причем для более высоких давлений кривизна изобар увеличивается {рис. 14).
Дата добавления: 2016-06-18; просмотров: 3026;