ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА (Арвилл Леворсен) - часть 53

 

  Главная      Учебники - Разные     ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА (Арвилл Леворсен) - 1970 год

 

поиск по сайту            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  51  52  53  54   ..

 

 

ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА (Арвилл Леворсен) - часть 53

 

 

раствориться в этой нефти. В промысловой практике такие залежи известны, и, чтобы

не   допустить   конденсации   жидкой   фазы   в   резервуаре,   требуется   применение

специальных   методов   эксплуатации.   Одним   из   наиболее   распространенных

технических   приемов,   направленных   на   предотвращение   потерь   жидких

углеводородов   при   эксплуатации   конденсатных   залежей,   является   поддержание

пластового давления путем закачки в залежь газа под высоким давлением. В случае

очень высоких температур в пласте, соответствующих точке С на фиг. 10-4, падение

давления не приводит к каким-либо изменениям в фазовом состоянии углеводородов

(см. также стр. 451).

¹Критическая   температура   (Т

с

)  -  это   такая   температура,   выше   которой   газ   ни   при

каком давлении не может быть превращен в жидкость. Критическое давление (Р

с

) - давление,

при котором газ находится в равновесии с жидкостью при критической температуре.

Можно   предположить,   что   за   геологическое   время   различные   фазы   внутри

природного   резервуара   приближаются   к   состоянию   статического   равновесия   и   в

значительной   степени   стабилизируются.   Иными   словами,   соотношения   между

пластовыми   флюидами   приходят   в   соответствие   с   такими   факторами,   как

температура, давление, насыщенность, характер нефти, газа и воды в этом резервуаре.

Но как только один из этих факторов изменяется, равновесие тотчас же нарушается, и

вся   система   снова   начинает   изменяться   в   сторону   равновесия   и   стабилизации.

Естественно,   что   пластовые   условия   в   течение   геологического   времени   могли

неоднократно   изменяться,   в   особенности   под   влиянием   таких   факторов,   как

изменение давления, минерализация пластовых вод, температура, характер нефти и

газа (изменения последнего могут произойти либо в результате привноса в залежь

дополнительных   количеств   углеводородов,   либо   в   результате   внутренних

молекулярных изменений под влиянием изменений температуры и давления). Фазовое

равновесие   в   залежи   может   нарушиться   также   и   искусственным   путем  -  при

извлечении из залежи флюидов. Это значит, что фазовое равновесие, установившееся

в пласте, нарушается и продолжает изменяться во всех случаях, когда производится

непропорциональная   добыча   одного   или   более   компонентов   из   залежи,   когда

пластовое   давление   в   процессе   разработки   залежи   снижается   или   когда   в   пласт

закачиваются   вода,   воздух   или   газ   с   целью   поддержания   пластовой   энергии   и

увеличения добычи.

Таким   образом,   изменения   пластовых   условий   и   фазовых   соотношений

пластовых   флюидов   связаны   с   очень   большим   и   неопределенным   количеством

переменных факторов. Поскольку процессы, происходящие в пласте, действительно

очень сложны  и характеризуются  неисчислимым количеством  неизвестных, можно

утверждать, что наши знания об этих процессах весьма фрагментарны. Все, что нам

известно   в   настоящее   время   по   этому   вопросу,   есть   главным   образом   результат

усиливающихся исследований в области химии и физики граничных поверхностей,

фазовых соотношений и нефтяного пласта, данные которых могут быть использованы

с целью познания геологии природного резервуара. Однако предстоит сделать еще

очень много для познания пластовых условий.

Поверхностные явления

Интересующие нас флюиды заключены в поровом пространстве горных пород.

На   границах   разделов   между   флюидами   и   между   флюидами   и   твердыми   телами

наблюдается совокупность множества физических и химических соотношений [4], что

объясняет целый ряд явлений, происходящих в залежи как во время ее формирования,

так   и  в  процессе  ее   разработки.   Свободная  поверхностная   энергия,   поверхностное

натяжение, межфазное натяжение, адсорбция, силы сцепления, смачиваемость - все

это   примеры   сил,   действующих   на   границах   разделов   различных   фаз.   Поскольку

основная часть порового пространства представлена капиллярными порами (обычно

менее   0,5   мм   в   диаметре),   именно   капиллярные   явления   лучше   всего   объясняют

многие   особенности   взаимоотношений   между   флюидами   и   породами,

обнаруживаемые в нефтегазоносных пластах. Более того, все явления, характерные

для   границ   разделов   различных   фаз,   также   происходят   главным   образом   в

капиллярных порах.

Явления, происходящие на границах фаз - жидкости, газа и твердого тела, - а

также   внутри   их,   включая   и   капиллярные   явления,   обусловлены   тем,   что   все

молекулы   находятся   под   воздействием   сил   взаимного   притяжения.   Эти   силы,

известные   под   названием  сил   Ван-дер-Ваальса,   противодействуют   перемещению   и

смещению   молекул   (что   объясняется   их   кинетической   энергией).   С   увеличением

температуры движение молекул усиливается. Одно из следствий этого - разобщение

молекул   жидкости   и   образование   газа.   Поскольку   действие   сил   Ван-дер-Ваальса

обратно пропорционально шести- или семикратному расстоянию между молекулами,

они практически не оказывают влияния на газы. И наоборот, в жидкостях и особенно

твердых телах, где расстояния между молекулами очень малы, эти силы оказываются

чрезвычайно   большими.   Точка   начала   кипения   жидкости   характеризует   скорость

движения молекул, которая необходима для преодоления сил Ван-дер-Ваальса. Эти

силы действуют как внутри отдельных физических тел (жидкость, газ, твердое тело),

так и на границах различных фаз {жидкость - жидкость, жидкость - газ, жидкость -

твердое тело и т.д.).

Поверхностная энергия; поверхностное натяжение; межфазное натяжение

Все   молекулы   в  жидкости,   за   исключением   поверхностных,   со   всех   сторон

окружены   другими   молекулами   и   находятся   под   воздействием   сил   взаимного

притяжения (сил Ван-дер-Ваальса). Однако на поверхности, на контакте с воздухом,

газами,   паром,   эти   молекулы   только   частично   окружены   другими   молекулами

жидкости   и   притягиваются   лишь   в   направлении   самой   жидкости.   Молекулы,

находящиеся   на   поверхности   жидкости,   образуют   как   бы   незримую   сжимающую

мембрану¹.   Под   действием   этих   сжимающих   сил   площадь   поверхности   жидкости

сокращается до минимума, а для любого данного объема наименьшая поверхность -

это   сфера   (например,   дождевая   капля   в   воздухе).   Это   самопроизвольное   сжатие

поверхности   жидкости   указывает   на   затрату   определенного   количества   свободной

энергии,   поскольку   на   сжатие   потребовалось   какое-то   количество   работы.   Такая

энергия   называется  поверхностной   свободной   энергией.   Количество   работы,

необходимое для образования 1 см² поверхности (эрг/см²)², называется поверхностной

энергией   вещества.   Натяжение   на   поверхности   жидкости,   контактирующей   с

воздухом или собственным паром, обычно называется поверхностным натяжением (о)

и выражается в усилии, необходимом для образования единицы сжатой поверхности

(дин/см).   Поверхностное   натяжение   количественно   эквивалентно   поверхностной

энергии. Величины поверхностного натяжения воды и нефти приведены в табл. 10-1.

Поверхностное натяжение жидкости уменьшается с повышением температуры,

поскольку   последнее   приводит   к   тому,   что   скорость   движения   молекул   жидкости

возрастает   и   они   начинают   пробиваться   сквозь   поверхностную   пленку   в

парообразную   фазу.   Этому   процессу   в   известной   степени   противодействует

поверхностная   свободная   энергия,   стремящаяся,   в   соответствии   с   направлением

действия сил Ван-дер-Ваальса, стягивать поверхность жидкости. В конечном счете

при   достижении   критической   температуры   поверхностное   натяжение   становится

равным нулю, граница между жидкостью и ее паром (мениск) исчезает, свойства их

становятся идентичными.

Если речь идет о границе между двумя жидкостями или между жидкостью и

твердым   телом,   то   для   обозначения   сил,   стремящихся   уменьшить   площадь

контактирующей   поверхности,   используется   термин  контактное,   или  межфазное,

натяжение  (γ),   эквивалентное   величине   поверхностной   свободной   энергии   на

единицу поверхности контакта. Этот параметр для границ между пластовыми водами

и   нефтью   в   группе   месторождений   Техаса   [5]   оказался   равным   15-35   дин/см   для

температуры   70°F,   8-25   дин/см  -  для   температуры   100°F,   8-19   дин/см  -  для

температуры130°. Средняя величина межфазного натяжения

¹Диаметр молекулы порядка 10

-8

 см.

²Эрг  -  единица   работы   в   системе   CGS,   эквивалентная   энергии,   необходимой   для

движения массы в 1  г  со скоростью 1  см/сек.  Джоуль  -  10 млн. (10

7

)  эргов. Дина  -  единица

силы в системе CGS, равная усилию, необходимому для придания ускорения в 1 см/сек² массе
в 1 г.

Таблица 10-1 Поверхностное натяжение воды и нефти¹

Вещество

Поверхностное натяжение (σ)

Дистиллированная

вода

От 72,5 дин/см при 70°F до 60,1 дин/см при 200° F, или в

среднем 0,095 дин/см/°F

Минерализованная

вода

От   59   до   76   дин/см.   Растворенные   неорганические   соли

повышают   поверхностное   натяжение,   поверхностно-

активные   вещества   понижают   его.   Растворенный   газ

понижает поверхностное натяжение в пластовых водах, но

не так интенсивно, как в нефти

Нефть

От   24   до   38   дин   /см   при   70°F.   Пониженные   значения

поверхностного   натяжения   характерны   для   нефтей   с

низким молекулярным весом (низкой плотностью).
Растворенный   газ   и   повышение   температуры   снижают

величину   поверхностного   натяжения.   При   температуре

150°F   и   давлении   3000  фунт/кв.   дюйм  величина   этого

параметра   предположительно   равна   около   1   дин/см.   В

критической   точке   поверхностное   натяжение   полностью

исчезает

¹М. Musk at, Physical Principles of Oil Production, McGraw-Hill Book Co., New Jork, pp.

99-101, 1949.

составила 0,195 дин/см/°F при температуре 70-100°F и 0,093 дин/см/°F при 100-130°F.

Многие   явления,   происходящие   в   природном   резервуаре,   зависят   от   величины

межфазного   натяжения   на   границе   между   пластовыми   жидкостями   и   между

жидкостями и горными породами.

В качестве общего термина, используемого для обозначения поверхностного и

межфазного   натяжения   на   таких   границах   фаз,   как   жидкость   -   газ,   жидкость   -

жидкость и жидкость - твердое тело, применяется термин граничное натяжение. Если

граничное  натяжение поверхностей раздела жидкость - газ и жидкость - жидкость

может быть измерено достаточно просто, то для границ между твердыми телами и

жидкостями или газами получить точную величину этого параметра очень трудно или

даже   невозможно.   Также   трудно   замерить   граничное   натяжение   между   нефтью   и

пластовой   водой   при   отсутствии   в   пласте   воздуха   [6].   Когда   такая   нефть

соприкасается   с   воздухом,   то   образуется   тонкая,   но   прочная   пленка   в   результате

окисления нефти и воздействия солей, растворенных в воде, присутствующей в виде

эмульсии   в   нефти.   Эта   пленка,   в   основном   состоящая   из   асфальтово-смолистых

веществ и представляющая собой нефть, адсорбированную¹ на контакте нефть - вода,

снижает   контактное   натяжение   в   некоторых   случаях   на   50%   по   сравнению   с

величиной, характерной для пластовых условий со свободным кислородом.

В   тех   случаях,   когда   контактируют   две   несмешивающиеся   жидкости   или

жидкость и твердое тело, поверхностные молекулы каждого вещества притягиваются

друг   к   другу   под   действием   сил   Ван-дер-Ваальса.   Это   притяжение,   называемое

энергией  прилипания  [адгезии], отличается от межфазного натяжения, являющегося

свойством   поверхности   раздела   и   действующего   в   прямо   противоположном

направлении.   Чем   ниже   межфазное   натяжение,   тем   выше   энергия   прилипания.

Энергия прилипания измеряется

¹Адсорбция  -  концентрация   молекул   газа,   жидкости   или   растворенных   веществ   на

поверхности жидкости или твердого тела. Они удерживаются на этой поверхности силами
Ван-дер-Ваальса. Адсорбцию нельзя смешивать с абсорбцией - процессом поглощения одного
вещества другим, т.е. ассимиляцией молекул одного вещества внутри другого с образованием
раствора или новой смеси. Иногда для обоих этих явленм используется термин сорбция.

количеством работы, необходимой для разделения двух веществ, и численно

равна   сумме   величин   поверхностных   натяжений   этих   веществ   минус   величина

межфазного натяжения на поверхности их контакта¹.

Поверхностное  натяжение  (σ)  чистого  вещества   и  межфазное   натяжение   (γ)

между двумя чистыми веществами  -  характерные свойства этих веществ. Величина

сил взаимного притяжения между твердым телом и жидкостью несколько меньше,

чем сумма величин их поверхностных натяжений, а между двумя жидкостями - ниже,

чем   величина   поверхностного   натяжения   жидкости,   обладающей   более   высоким

значением этого параметра. Низкое межфазное натяжение свидетельствует о том, что

поверхности   фазовых   разделов   образуются   сравнительно   легко.   Например,   на

контакте   мыльной   воды   и   воздуха,   характеризующихся   низким   значением   этого

параметра,   быстро   образуется   пена.   Энергия   прилипания   на   контакте   таких

поверхностей очень высокая, что делает обе фазы трудно разделимыми. Характерным

примером является межфазное натяжение между водой и стеклом. Оно очень низкое,

вследствие чего вода растекается тонкой пленкой, прочно прилипающей к стеклу, и

может быть удалена только путем вытирания стекла или полного испарения воды.

Энергия   прилипания,   следовательно,   в   этом   случае   очень   велика.   При

соприкосновении стекла со ртутью межфазное натяжение резко повышается, а силы

прилипания, наоборот, ослабевают; поэтому нанесенная на стекло ртуть соберется в

шарик и легко, почти без сопротивления покатится по стеклу.

Поверхностно-активные вещества уменьшают межфазное натяжение. Такими

веществами  могут быть как  различные соли, растворенные  в воде, так и сложные

металло-органические соединения с углеводородным радикалом, содержащие такие

металлы,   как   цинк,   медь,   никель,   титан,   ванадий,   кальций   и   магний   [7],   часто

встречающиеся в пластовых водах и обнаруживаемые в золе нефти. Поверхностно-

активные вещества способствуют образованию более однородной смеси двух обычно

несмешивающихся жидкостей, таких, как нефть и вода, а также повышают энергию

прилипания   жидкости,   в   частности   нефти,   к   твердой   поверхности,   например   к

частицам   горной   породы.   Обычно   одна   часть   каждой   молекулы   поверхностно-

активного вещества поляризована и притягивается к какому-либо ионизированному

веществу,   например   минералу   или   воде,   а   другая   часть   не   поляризована   и

притягивается к неионизированному веществу, например к нефти, что обусловливает

более тесную связь между этими веществами. Поверхностно-активные вещества, так

называемые детергентные (моющие) мыла, широко используются в промышленности.

Породы-коллекторы, обладающие сложным химическим и минеральным составом, и

пластовые воды, характеризующиеся изменчивостью состава, несомненно, содержат в

большом   количестве   разнообразные   поверхностно-активные   вещества,

воздействующие определенным образом на величину натяжения и, следовательно, на

движение   и   распределение   нефти   и   воды   в   породе.   Поверхностно-активными

являются   также   поляризованные   соединения   в   нефти,   адсорбированные   на

поверхностях   контактов   нефть   -   вода   и   нефть   -   порода   и   снижающие   величину

межфазного натяжения [8], а следовательно, увеличивающие энергию прилипания.

¹Энергия, или работа, прилипания (W) жидкости, например воды (w), и частиц твердой

породы (s) может быть выражена как

W

sw

 = σ

s

 + σ

w

 - γ

sw

а между нефтью (о) и породой

W

so

 = σ

s

 + σ

о

 - γ

,

где W

sw

 и W

so

 - соответственно энергия прилипания между твердой породой и водой и

нефтью  и  твердой  породой;  σ

s

, σ

о

, σ

w

  -  поверхностные  натяжения  (в дин/см)  для  породы,

нефти и воды; γ

sw

  и γ

 - межфазное натяжение на границах раздела порода  - вода и нефть -

порода.

Эмульсия  представляет   собой   устойчивую   дисперсию   одной   жидкости   в   другой,

например нефти в воде (О/W) или воды в нефти (W/О), Образованию эмульсии способствует

низкая   величина   межфазного   натяжения.   Для   получения   эмульсии   обычно   необходимо

интенсивное   перемешивание   жидкостей,   но   если   величина   межфазного   натяжения   низка,

ниже 5-10  дин/см, эмульсия может образоваться даже при легком встряхивании. Основным

фактором,   обусловливающим   понижение   контактного   натяжения,   является   присутствие

каких-либо   эмульсирующих   агентов,   эмульгаторов.   Такими   эмульгаторами   являются

поверхностно-активные вещества, слаборастворимые в одной из жидкостей и в связи с этим

адсорбирующиеся  на  поверхности этой жидкости в виде  пленки.  В результате  межфазное

натяжение   уменьшается,   а   сила   сцепления   между   жидкостями   возрастает   как   следствие

увеличения   поверхности   их   соприкосновения.   Эти   поверхности   принимают   форму

мельчайших шариков, диаметром 0,5-10 мк, когда одна жидкость начинает диспергироваться

(рассеиваться) в другой. Если две жидкости полностью смешиваются, межфазное натяжение

практически   уменьшится   до   нуля,   а   величина   энергии   прилипания   должна   оказаться

максимально  высокой.   Фактически   такие   жидкости   должны   уже   существовать   не   как   две

разные   жидкости,   а   как   однофазная   система.   И   наоборот,   в   двух   несмешивающихся

жидкостях, таких, как вода и нефть, межфазное натяжение никогда не становится равным

нулю.   Следовательно,   здесь   будет   преобладать   тенденция   к   образованию   эмульсий   над

тенденцией   к   образованию   единой,   полностью   смешиваемой   жидкой   фазы.   Является   ли

получившаяся эмульсия дисперсией воды в нефти или, наоборот, нефти в воде, зависит в

основном от того, с какой стороны адсорбированная пленка вогнута и таким образом обладает

более высоким значением натяжения. Эмульгирующие агенты системы  О/W  обычно более

растворимы   в   воде,   чем   в   нефти.   Грубо   говоря,   35%   добываемой   из   скважины   нефти

представляют собой эмульсию «вода в нефти» [9]. Эмульсия может образоваться и в процессе

извлечения   нефти   насосно-компрессорным   или   каким-либо   другим   способом.   В   связи   с

некоторыми   геологическими   проблемами,   возникающими   при   изучении   природных

резервуаров,   вызывает   интерес   вопрос   о   возможности   образования   эмульсий   в   горных

породах вследствие их перемещений при землетрясениях, диастрофизме и т.п.

Смачиваемость.  Это   одно   из   проявлений   энергии   прилипания   [10].   Если

разлить воду по стеклянной пластинке, то она в конце концов распределится по ней в

виде тонкой пленки, верхняя поверхность которой образует с поверхностью стекла

небольшой угол, называемый углом контакта, или краевым углом смачивания. Сила

сцепления воды со стеклом выше, чем вязкость воды, т.е. сила сцепления молекул

воды   друг   с   другом¹.   Стекло   является   гидрофильным²,   или  смачиваемым  водой

материалом. Если вместо воды используется ртуть с поверхностным натяжением, пре-

вышающим  таковое   для  воды   почти   в 7  раз,  то   она  превращается  в  сферическую

каплю,   образующую   со   стеклом   угол   свыше   90°   и   свободно   скатывающуюся   по

стеклу.   В   этом   случае   сила   сцепления   между   молекулами   ртути   оказывается

значительно   большей,   чем   сила   прилипания   этих   молекул   к   стеклу.   Ртуть   не

смачивает   стекло   и   является   относительно   него  несмачивающей  жидкостью.

Жидкость   же,   обладающая   более   низким   межфазным   натяжением   (более   высокой

энергией   прилипания),   является   смачивающей   жидкостью   относительно   твердого

тела.

Смачиваемость  -  явление   поверхностное,   по   крайней   мере   частично.   Если,

например, удалить воду с чистой стеклянной поверхности, протереть ее полотенцем и

снова   нанести   воду,   то   вода   соберется   в   капельки   и   скатится   со   стекла.   Это

объясняется тем, что полотенце оставило на стекле следы жира. Подобное явление -

чисто поверхностное, так как жир не может проникнуть внутрь стекла [11].

Для   лучшего   понимания   некоторых   особенностей   явления   смачиваемости

рассмотрим   вопрос   о   величине   угла   между   контактирующими   поверхностями

твердого тела и двух несмешивающихся жидкостей, например породы, нефти и

¹Работа   сцепления   -   это   то   количество   работы,   которое   необходимо   затратить   для

разделения столба жидкости сечением в 1 см² на два равных столба жидкости с образованием
поверхности   их   контакта.   Величина   этой   работы   эквивалентна   двойной   величине
поверхностного   натяжения,   или   2а.   Термин   «сцепление»   обычно   применяется   для
обозначения   сил   взаимного   притяжения   молекул   одного   и   того   же   вещества,   а   термин
«прилипание» - для обозначения сил притяжения молекул разных веществ.

²Применяются   также   термины   «гидрофобный»   (не   смачиваемый   водой),

«олеофильный»   (нефтефильный)   и   «олеофобный»  (нефтефобный),   т.   е.   смачиваемый   и   не
смачиваемый нефтью.

воды.   Для   такой   системы   (как   показано   на   фиг.   10-5)   краевой   угол   смачивания

замеряется   в   воде.   Поскольку   вода   обычно   является   смачивающей   жидкостью

относительно   породы,   угол  Θ,   как   правило,   меньше   90°,   постольку,   энергия

прилипания при остром угле, образованном контактом воды и породы, выше, чем при

тупом   угле,   образованном   контактом   породы   и   нефти.   Силы   в   точке  X

нейтрализуются   и   равны   нулю,   когда   система   находится   в   равновесии.   Обычно

говорят,   что   твердое   тело   является   несмачиваемым   водой,   если   краевой   угол

смачивания   больше   90°,   и   смачиваемым,   если   этот   угол   меньше   90°.   Характер   и

величина межфазного

Фиг. 10-5. Краевой угол смачивания 0 обычно замеряется на контакте с водой.

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  51  52  53  54   ..