Оразовательное учреждение

газ) называются фазами. Значительное различие физико-химических свойств фаз служит причиной возникновения на границах их контакта специфических поверхностных явлений. В связи с тем, что площадь поверхностей контакта фаз очень велика (например, только суммарная площадь поверхности пор в 1 м³ породы коллектора может составлять 10⁴ -10⁶ м²), влияние поверхностных явлений на движение жидкостей и газов в пористых средах оказывается сильным.
Поверхностные явления во многом определяют количество и распределение в поровом пространстве связанных и остаточных нефти и воды, форму кривых фазовых проницаемостей, эффективность многих методов повышения нефтеотдачи пластов. Они играют большую роль при образовании и разрушении эмульсий и пен в процессах, связанных с движением и взаимодействием систем в пласте, скважинах и поверхностных сооружениях.
Среди многообразных поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз, особое влияние на эффективность разработки нефтяных и газовых залежей оказывает поверхностное натяжение.
При рассмотрении системы вода - нефть на их границе раздела всегда существует поверхностное натяжение. Молекула воды, удаленная от поверхности раздела, со всех сторон окружена другими молекулами воды. Поэтому результирующая сила взаимодействия этой молекулы с другими молекулами равна нулю. Молекула, расположенная на поверхности раздела, подвержена действию, с одной стороны, молекул нефти, расположенных выше границы раздела, а, с другой стороны, молекул воды, лежащих ниже этой границы. Результирующая сила взаимодействия этой молекулы не равна нулю. Вследствие этого

Таблица 9.3 Результаты экспериментов по изучению
фильтрации аномально-вязкой нефти в песчаниках

ф*10і, Па, по следующим вариантам	10	-	4,5	5,3	11,0	16,0	18,0	20,0	43,2	53,1	120,0	-	-	-	-	-
	9	6,0	13,0	14,5	15,0	18,0	38,0	42,0	86,0	100,0	-	-	-	-	-	-
	8	-	-	-	-	-	-	6,3	11,0	11,8	18,1	20,0	33,8	64,5	155,0	208,6
	7	-	-	7,1	14,9	24,6	33,0	40,1	36,8	41,4	86,6	113,8	-	-	-	-
	6	-	-	-	-	14,9	30,6	33,0	38,1	44,0	49,1	56,9	112,0	199,8	-	-
	5	-	-	-	-	-	-	9,1	13,0	16,4	19,6	20,9	35,3	64,0	140,3	182,5
	4	-	-	-	-	-	-	7,7	11,6	14,7	18,6	22,4	43,3	78,9	158,2	215,2
	3	-	-	-	29,5	30,2	38,0	39,3	45,0	54,8	68,9	76,6	94,9	-	-	-
	2	-	-	-	8,6	12,0	23,3	27,5	48,7	53,0	81,2	103,1	206,2	-	-	-
	1	-	11,0	17,2	33,8	61,4	101,4	107,0	116,6	133,9	303,6	-	-	-	-	-
Q, смі/с		0,133*10-6	0,288*10-6	0,377*10-6	0,765*10-6	0,133*10-5	0,288*10-5	0,377*10-5	0,765*10-5	0,133*10-4	0,288*10-4	0,377*10-4	0,765*10-4	0,133*10-3	0,288*10-3	0,377*10-3

Таблица 9.1 Результаты экспериментов по изучению течения аномально-вязкой
нефти в капилляре длиной 213 см и диаметром 0,412 мм

ф*10і, Па, по следующим вариантам	10	-	1,80	4,05	11,4	8,55	9,45	10,5	11,7	13,6	24,3	41,0	-	-
	9	1,50	3,87	5,92	9,07	9,5	10,0	11,4	13,4	14,4	26,8	-	-	-
	8	-	3,74	5,54	5,83	10,5	10,0	14,4	14,5	15,7	31,7	56,2	-	-
	7	-	2,39	2,69	4,34	7,023	11,7	11,4	10,8	11,5	23,2	40,5	-	-
	6	-	5,26	7,4	10,1	10,3	10,7	10,7	10,9	12,6	27,4	46,3	-	-
	5	4,1	8,1	9,0	11,2	12,8	13,0	15,1	27,5	36,4	72,2	-	-	-
	4	-	-	-	2,43	2,84	4,06	6,29	8,38	7,3	11,8	22,7	52,8	62,1
	3	-	-	-	6,02	7,08	8,65	9,81	12,0	13,0	18,2	29,4	60,0	75,4
	2	-	0,75	1,80	6,00	6,00	9,30	10,2	13,2	13,8	22,8	43,4	-	-
	1	-	1,35	2,25	4,80	5,70	7,65	10,0	12,0	12,8	24,3	42,4	-	-
Q, смі/с		0,377*10-7	0,765*10-7	0,133*10-6	0,288*10-6	0,377*10-6	0,765*10-6	0,133*10-5	0,288*10-5	0,377*10-5	0,765*10-5	0,133*10-4	0,288*10-4	0,377*10-4

возникают силы поверхностного натяжения, и образуется поверхностный слой типа упругой мембраны.

Слой, толщина которого равна радиусу действия сил межмолекулярного взаимодействия, называется поверхностным. Так как в этом слое существует молекулярное давление, то перемещение в него молекул из жидкости для образования новой поверхности требует затраты определенной работы, переходящей в энергию поверхностного слоя – поверхностную энергию. Работа, отнесенная к единице площади вновь образованной поверхности, называется удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением:
_, (5.1)
где R – работа, Дж;
S – вновь образованная поверхность, м².
Величина поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Дж/м²или Н/м. Она зависит от природы и состава контактирующих фаз, давления и температуры.
В нефтяном пласте поверхностные явления могут быть на следующих границах раздела: нефть - вода ( ); нефть - газ ( ); вода - газ ( ); нефть - порода ( ), вода - порода ( ), газ - порода ( .
Величина поверхностного натяжения разных тел на границе раздела различных соприкасающихся фаз не одинакова и является для них физической характеристикой.
Приборы для определения поверхностного натяжения основываются на измерении усилия, необходимого для разрыва поверхности межфазного раздела по периметру определенной длины.

Наибольшее распространение получил метод отрыва (взвешивания) капель, отрыва кольца, отрыва пластины. В настоящей работе предлагается определение поверхностного натяжения методом отрыва капель на сталагмометре.

5.2. Цель лабораторной работы

Целью лабораторной работы является: изучение, тарировка прибора и определение поверхностного натяжения на границе раздела нефть - вода с использованием сталагмометра.

5.3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка по определению коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость-жидкость представлена на рисунке 5.1. Главным элементом установки является прибор сталагмометр. Основной частью прибора является микрометр 1, обеспечивающий фиксированное перемещение поршня 3 в цилиндрическом корпусе медицинского шприца 4. Шток поршня 3 соединен с пружиной 2, благодаря чему исключается его самопроизвольное перемещение. Микрометр со шприцом укреплены с помощью скобы 14 и втулки 13, которая может свободно передвигаться по стойке штатива 11 и фиксироваться на любой ее высоте винтом 12. На наконечник шприца надета игла 10, которая плотно входит в капилляр 9.

Обработка линий консистентности и реологических кривых с целью определения реологических и фильтрационных параметров аномально-вязких нефтей производится в следующей последовательности:

1. 
   с использованием сведений об объемном расходе и размерах ка­пилляра, приведенных в табл. 9.1, по формуле (9.1) рассчитывается скорость сдвига;
   
2. 
   по формуле (9.3) вычисляется коэффициент вязкости нефти;
   
3. 
   эти сведения записываются в табл. 9.2;
   

Таблица 9.2
Результаты расчетов вязкости нефти

, смі/с	V, с⁻№	φ, Па	µ, мПа*с	θ, Па	фm, Па	µm, мПа*с	µо, мПа*с

4. 
   строится линия консистентности, и определяются реологические параметры нефти: предельное динамическое напряжение сдвига и напряжение сдвига предельного разрушения структуры;
   
5. 
   вязкость нефти с предельно разрушенной структурой и с практически неразрушенной структурой определяется по данным, приведенным в табл. 9.2, как среднее значение коэффициента вязкости нефти, вычисленное по точкам, лежащим соответственно на верхней и нижней ньютоновской области линий консистентности (см. рисунок 9.2). Сведения о реологических параметрах аномально-вязкой нефти заносятся в табл. 9.2;
   
6. 
   по данным об объемном расходе (табл. 9.3) и площади поперечного сечения породы (табл. 9.5) по формуле (9.4) рассчитывается скорость фильтрации нефти;
   

-скорость фильтрации: , (9.4)

где V_ф - скорость фильтрации, см/с;

F - площадь поперечного сечения образца породы, см²;
-градиент давления: (9.5)
где gradР - градиент давления, Па/см;
∆Р - перепад давления на концах образца, Па;
L - длина образца, см;
- подвижность нефти: , (9.6)
где - коэффициент подвижности нефти,
По зависимости скорости фильтрации от градиента давления определяются следующие фильтрационные параметры аномально-вязкой неф­ти: градиент динамического давления сдвига "Н", градиент давления предельного разрушения структуры ”Н_m", коэффициент подвижности нефти с практически неразрушенной структурой ( )₀ и коэффициент подвижности нефти с предельно разрушенной структурой ( )_m (см. рисунок 9.3).

1 . Микрометр

2. Пружина
3. Поршень
4. Шприц
5. Слой нефти
6. Капля нефти
7. Прозрачная емкость
8. Вода
9. Капилляр
10. Игла
11.Стойка штатива
12. Винт
13. Втулка
14. Скоба
Рисунок 5.1 – Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения на границе жидкость-жидкость

При вращении микровинта 1, пружина 2, сжимаясь, давит на шток поршня 3, который, перемещаясь в корпусе шприца, заполненного исследуемой жидкостью, выдавливает ее из кончика капилляра 9 в виде капли 6 в другую жидкость 8. При достижении критического объема капли отрываются, всплывают и образуют слой 5.

5.4. Порядок проведения лабораторной работы

При определении величины межфазного натяжения двух соприкасающихся жидкостей на сталагмометре необходимо произвести тарировку прибора, т.е. установить постоянную капилляра К. Для этого шприц заполняется октаном и закрепляется с помощью скобы 14 на штативе. В стаканчик 7 до метки наливается дистиллированная вода и в нее помещается загнутый капилляр, который с помощью медицинской иглы 10 надевается на шприц 4. При выполнении работы следует бережно обращаться с капилляром и медицинским шприцом. Поверхность капилляра должна быть обезжирена хромовой смесью (концентрированная серная кислота + двухромовокислый калий). Пользуясь хромовой смесью, избегать попадания ее на кожу и одежду (при ожогах хромовой смесью необходимо пострадавшее место обильно промыть проточной водой, а затем раствором питьевой соды). Записывается число делений лимба микровинта 1 и включается в сеть электродвигатель, который приводит во вращение микровинт, сообщающий поршню шприца поступательное движение. К прибору подведен электрический ток. Для предотвращения поражения электрическим током при нарушении изоляции проводов прибор должен
, (9.3)
где: µ - коэффициент динамической вязкости нефти, мПа*с.

Рисунок 9.2 – Зависимость скорости от напряжения сдвига

В дальнейшем по этим данным строится зависимость скорости от напряжения сдвига (линия консистентности). Она позволяет определить следующие реологические параметры аномально-вязкой нефти: предельное динамическое напряжение сдвига - θ, напряжение предельного разрушения структуры – φ_m, вязкость нефти с предельно разрушенной структурой - µ_m и с практически неразрушенной структурой – µ_о (см. рисунок 9.2).

При фильтрации нефти через образец пористой среды по исходным данным вычисляются:
3) после включения установки следует находиться со стороны передней панели установки и следить за исправной ее работой по приборам;
4) нельзя оставлять установку, включенную в сеть, без присмотра;
5) категорически запрещается прием пищи и курение в помещении, где находится установка.

9.3. Порядок проведения лабораторной работы и обработка результатов измерений

Для определения реологических параметров нефти производится обработка зависимости перепада давления на концах капилляра от объемного расхода нефти. С этой целью рассчитывают следующие данные:
, (9.1)
где V - скорость сдвига нефти через капилляр, с⁻¹;
–объемный расход нефти через капилляр, см³/с;
r - радиус капилляра, см.
, (9.2)
где ∆Р - перепад давления на концах капилляра, Па;
L - длина капилляра, см;
τ - напряжение сдвига, Па.
быть заземлен. Поршень начинает медленно перемещаться, вытесняя октан из капилляра и образуя при этом на кончике капилляра каплю, которая при достижении критического объема отрывается и всплывает на поверхность воды. В момент отрыва капли необходимо отключить электродвигатель от электросети и записать число делений лимба микрометра. Определяется объем выдавленной капли в делениях лимба микрометра. Проводится 10 подобных замеров и берется среднее значение объема капли V. Затем определяется плотность октана пикнометрическим методом. Для этого на аналитических весах взвешивается пустой пикнометр, а затем с дистиллированной водой и октаном.
После определения постоянной капилляра шприц 4 заполняется нефтью и определяется объем выдавливаемой капли нефти в дистиллированную воду и водный раствор ПАВ. По известным значениям постоянной капилляра К, объему выдавленной капли V, плотности воды, раствора ПАВ и нефти ( ) рассчитывается значение поверхностного натяжения на границе нефть - дистиллированная вода, нефть - водный раствор ПАВ.

5.5. Обработка результатов измерений

Плотность октана рассчитывается по формуле
, (5.2)
где – плотность октана, г/см³;
– масса пустого пикнометра, г;
– масса пикнометра с октаном, г;
– объем октана, см³


_{Постоянная капилляра К определяется по формул}

(5.3)
где К – постоянная капилляра, мН/(м*кг);
50,98 – значение поверхностного натяжения на границе октан дистиллированная вода, мН/м;
V – объем всплывшей капли в делениях шкалы;
– плотность воды, кг/м³; – плотность октана, кг/м³.
Поверхностное натяжение на границе нефть - дистиллированная вода, нефть - раствор ПАВ рассчитывается по формуле:


, (5.4)

где – поверхностное натяжение, мН/м;

К – постоянная капилляра, мН/(м*кг);
V – объем всплывшей капли в делениях шкалы;
, , – плотность воды, раствора ПАВ и нефти соответственно, кг/м³ ( = 1000 кг/м³, ⁼ 1010 кг/м³, =870 кг/м³).
По полученным значениям коэффициентов поверхностного натяжения ( , ) по формуле Лапласа вычислить значения капиллярных давлений по исходным данным табл. 5.l. Результаты сопоставить и сделать выводы.
Затем объемный расход меняется переключением редуктора и измеряется соответствующий этому расходу перепад давления. Измерения проводят при 10-15 режимах течения жидкости в капилляре либо в пористой среде.
Ниже приводятся основные технические характеристики установки конструкции УНИ:
Максимальное давление, МПа……………… ……………15
Температура нагрева исследуемой жидкости, °С……………………………………………….…………..от 15 до 80
Объемная скорость жидкости в капилляре и в пористой среде, см³/с……………………………………....от 7,22*10⁻⁸ до 0,333
Перепад давления на концах капилляра или пористой среды, кПа…………………………………..………….от 0,1 до 2*10⁴
Точность измерения перепадов давления, кПа:
до 30 ……………………………………………………...0,05
от 30 до 1000 …………………………………………….0,80
от 1000 до 20000 ………………………………………...6,00
При ознакомлении с устройством действующей установки следует строго соблюдать следующие правила безопасности:

1. 
   необходимо убедиться в том, что электродвигатели установки, вакуумного насоса и термостата заземлены. Следует тщательно ознакомиться с устройством установки;
   
2. 
   перед включением установки в работу следует убедиться в правильности положений вентилей на всех узлах установки, а также в отсутствии посторонних предметов на вращающихся деталях;
   

Условные обозначения: М - масло; В - водный раствор хлористого кальция, Н - исследуемая нефть.

Рисунок 9.1 – Принципиальная схема установки для изучения реологических свойств и фильтрации аномально-вязких пластовых нефтей
Таблица 5.1
Таблица исходных данных

Наименование параметра	Значение параметра варианты заданий
	1	2	3	4	5
1. Краевой угол избирательного смачивания , град. а) вода – порода б) раствор ПАВ – порода	53 19	57 13	48 17	65 9	42 11
2. Радиус капилляра пористой среды r, мм	0,5; 0,1	0,15; 0,06	0,2; 0,03	0,3; 0,009	0,1; 0,05

6. 
   Вопросы для самоподготовки
   

1. 
   Какие в пласте существуют виды поверхности раздела?
   
2. 
   Чем объяснить наличие свободной поверхностной энергии на границе двух несмешивающихся фаз?
   
3. 
   Дайте определение коэффициенту поверхностного натяжения. Его размерность.
   
4. 
   Какие факторы влияют на коэффициент поверхностного натяжения?
   
5. 
   Перечислить методы определения величины поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – жидкость, жидкость – газ.
   
6. 
   Назначение, устройство и принцип работы сталагмометра?
   

жүктеу/скачать 0,7 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: