Оборудование применяемое при исследовании скважин

   Толщины граничных слоев меняются экстремально в зависимости от природы, концентрации и степени дисперсности вытесняющих реагентов. Так, под влиянием ПАВ происходит почти двухкратное изменение толщин граничных слов нефти (рис.1.5). Растворы ПАВ, полимеров, легкие углеводороды и другие реагенты, применяемые для увеличения коэффициента нефтеотдачи, фактически оказывают воздействие на толщину граничных слоев, что ведет к регулированию вязкости, угла смачивания и поверхностного натяжения на макроскопическом уровне.

   Таким образом, достижение высоких показателей  процессов добычи, транспорта и переработки  нефти возможно путем установления оптимальных соотношений между  параметрами внешнего воздействия на нефтяную дисперсную систему в области экстремумов нелинейных эффектов.

      Итак, в общем случае в результате слабых взаимодействий ВМС и НМС происходит физическое агрегирование молекул  ВМС с образованием надмолекулярных  структур и ССЕ. В нефтяной системе  при данных условиях углеводородные и не углеводородные соединения образуют: сильноструктурированную (надмолекулярную), слабоструктурированную (сольватные оболочки) и неструктурированную (дисперсионная  среда) части. Между ними устанавливается  обратимое динамическое равновесие. Для изменения равновесия  необходимо изменить энергию нефтяной системы.

   На  стадии слабых взаимодействий надмолекулярные  структуры формируются за счет сил  Ван-дер-Ваальса. В зависимости от природы ВМС нефти и величины сил взаимодействия молекул для  каждого вида ВМС образуется свой тип надмолекулярных структур, обладающих определенными физико-химическими  свойствами (асфальтеновый, парафиновый  и др. ассоциаты).

   В зависимости от температуры возможно существование трех состояний нефтяных дисперсных систем: молекулярные растворы, обратимо структурированные жидкости и необратимо структурированные  жидкости.

   Процессами  физического агрегирования можно  управлять изменением сделующих  факторов:

• Отношение структурирующихся компонентов к неструктурирующимся;
• Температура;
• Давление;
• Растворяющая сила среды;
• Степень диспергирования ассоциатов, применяя механические способы, электрические и магнитные поля, ПАВ и др.

 

1.2 РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ 

   Реология  – наука, которая изучает механическое поведение твердо- и жидкообразных  тел (реос – течение; логос – учение).

   Представим, что к противоположным сторонам кубика приложена касательная сила F. Она создает численно равное ей напряжение сдвига t. Под действием напряжения сдвига происходит деформация кубика: смещение его верхней грани по отношению к нижней на величину g. Это смещение численно равно tg g - тангенсу угла отклонения боковой грани, т.е. относительной деформации сдвига g.

   Связь между величинами напряжения сдвига t, деформации g и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, которое составляет предмет реологии.

   Существуют  две распространенные модели жидкости. Первая из них предполагает, что  в жидкости при движении нет касательных  напряжений. Это модель идеальной жидкости. Вторая модель учитывает появляющиеся при движении касательные напряжения. Это модель вязкой жидкости.

   В простейшем случае прямолинейного слоистого (ламинарного) течения связь между касательным  напряжением t и производной скорости u по нормали определяется законом вязкого трения Ньютона:

   t = m _*  du/dy,                                            (1.1)

   где m - динамический коэффициент вязкости, Па _* с.

   Этот  коэффициент определяется свойствами жидкости и зависит от давления и температуры.

   Существует  много сред, которые хорошо описываются  моделью вязкой (ньютоновской) жидкости (1.1). В то же время имеются и другие жидкие среды, для описания которых модель вязкой жидкости не подходит. Эти жидкости называются неньютоновскими.

   Если  нефть не содержит ССЕ, то она представляет собой молекулярный раствор различных  низко- и высокомолекулярных соединений и подчиняется закону вязкого  трения Ньютона (1.1). При движении вязкой ньютоновской жидкости по круглой трубе  касательное напряжение t пропорционально градиенту скорости u:

   t = m _* du/dr,                                              (1.2)

   где r – радиус трубы, м;

   du/dr – скорость сдвига, 1/с.

   Это простейшее реологическое уравнение жидкости. Оно содержит единственный реологический параметр – динамическую вязкость.

   Зависимость касательного напряжения от скорости сдвига называется кривой течения или  реологической кривой.

   В координатах t-du/dr поведение нефти указанного выше типа будет описываться прямой 1, выходящей из начала координат (рис.1.6).

Рис.1.6. Кривые течения

   1 –  ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная; 3 – дилатантная; 4 – вязкопластичная  жидкости 

   Тангенс угла наклона прямой 1 к оси ординат характеризует вязкость жидкости (нефти) и при постоянной температуре есть величина постоянная:

   tg a = m = const              (1.3)

   Физико-химические и механические свойства НДС зависят  от степени структурирования ВМС  и от соотношения дисперсной фазы и дисперсионной среды.

   Если  нефть представляет собой свободнодисперсную систему, то ее течение качественно совпадает с течением гомогенных жидкостей, т.е. при ламинарном режиме течения сохраняется пропорциональность между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Количественно отличие выражается в том, что вязкость системы оказывается выше вязкости чистой (гомогенной) жидкости, т.к. дисперсные частицы оказывают дополнительное сопротивление перемещению слоев жидкости.

   Наличие структуры  в жидкости изменяет характер кривых течения.

   Широкий спектр размеров частиц в нефтяной дисперсной системе (НДС) и их взаимодействие между собой обусловливает большое  разнообразие реологических свойств  нефтей.

   Нефти, представляющие собой связаннодисперсную систему, уравнению Ньютона не подчиняются, т.к. при их течении утрачивается пропорциональность между приложенной нагрузкой (напряжением сдвига) и вызываемой ею деформацией (скоростью сдвига), кривая 2, рис.1.6. Жидкость продолжает сохранять способность к течению при сколь угодно малых напряжениях сдвига, но по мере увеличения скорости сдвига в жидкости происходит разрушение еще слабых связей между ассоциатами, упорядочение взаимного положения и ориентация частиц относительно направления потока. Все это приводит к относительному уменьшению прилагаемого к жидкости напряжения сдвига t и кривая течения 2 становится обращенной выпуклостью к оси t. Такие жидкости называются псевдопластичными.

   Течение псевдопластичной жидкости подчиняется степенному закону:

   t = k*(du/dr)ⁿ,                                            (1.4)

   где k - консистентность системы;

   n – индекс течения.

   Индекс  течения характеризует отклонение системы от состояния ньютоновской жидкости:

   n=1 – ньютоновская жидкость;

   n<1 – псевдопластичная жидкость;

   n>1 – дилатантная жидкость, кривая 3, рис.1.6.

   Кривые  течения степенных жидкостей  проходят через начало координат.

   Системы, в которых жидкая фаза пронизана  сплошной структурной сеткой, приобретают  способность к течению только после разрушения той сетки. Примером такой системы является нефть, содержащая сетку из кристаллов парафина или  частиц асфальтенов. Идеальное вязкопластичное течение описывается прямой 4, тангенс угла наклона которой к оси скорости сдвига численно равен пластической вязкости m*. Течение таких жидкостей (нефтей, водонефтяных эмульсий) начинается только после того, как напряжение сдвига превысит некоторый предел t₀. При этом структура полностью разрушается и жидкость течет затем как ньютоновская.

   Уравнение, описывающее течение вязко-пластичных жидкостей, известно как уравнение  Шведова-Бингама:

   t = t₀ + (m*) _* du/dr.                                                (1.5)

   При рассмотрении кривых течения реальных вязкопластичных жидкостей можно  наблюдать три характерных точки:

   t_С – напряжение сдвига, при котором начинается течение (статическое напряжение сдвига);

   t₀ – предельное (динамическое) напряжение сдвига;

   t_Р – напряжение сдвига, при котором структура полностью разрушена и жидкость начинает течь как ньютоновская.

   Исследования  реологического поведения нефтей показали, что при температурах близких  к температуре застывания нефти  хорошо подчиняются модели Шведова-Бингама.

   Пластическую  вязкость можно выразить через реологические  параметры t₀ и m:

   m* = m + t₀/(du/dr)                                              (1.6)

   Структурообразование  многократно повышает эффективную  вязкость нефти, особенно при течении  со сравнительно низкими скоростями.

   Неньютоновские  вязкие жидкости делятся на две группы:

   а) жидкости, обладающие начальным напряжением  сдвига t₀; при t £ t₀ система ведет себя как твердое тело;

   б) жидкости не обладающие начальным напряжением  сдвига t₀.

   Для неньютоновских вязких жидкостей вводится понятие кажущейся вязкости.

   Вязкость  неньютоновской жидкости, в отличие  от вязкости ньютоновской, не является постоянной величиной, а зависит  от величины напряжения сдвига:

   m* ¹ const,    m* = f (t, du/dr, T)

   Это сильно влияет на затраты энергии  при перекачке по трубопроводам  нефтей, содержащих дисперсные частицы.

   Например, из-за того, что кажущаяся вязкость зависит от скорости сдвига (рис.1.7), потребуются дополнительные затраты  энергии на разрушение структуры  в начальный период при пуске  насосных станций.

Рис.1.7. Зависимость  кажущейся вязкости неньютоновской жидкости от скорости сдвига и температуры  

   Значение  предельного напряжения сдвига в  НДС зависит от температуры нефтяной системы.

   Изменения, происходящие в зависимости от температуры  в НДС с лиофобной дисперсионной средой (плохой растворитель) могут быть представлены: гель«золь. В случае лиофильной дисперсионной среды (хороший растворитель): гель«золь«раствор ВМС.