Вязкость нефтяных смесей

Вязкость нефтяной системы один из важных ее параметров. Без ее точного знания невозможно рассчитать скорости фильтрации флюидов в пористой системе коллектора, а также мощностей насосов при добыче, сборе и подготовке нефти для внешнего транспорта.

Все физико-химические свойства нефтей есть макроскопические проявления их состава и поведения. Качественный состав нефтяных систем определяется условиями формирования залежей и природой исходного органического вещества. Однако факторы времени в сочетании с различными процессами преобразования в залежи, действующими на объект нередко в разных направлениях, приводят к различного рода отклонениям в сторону "случайных" явлений. Поэтому прогнозирование физико-химических свойств нефтей можно осуществлять лишь весьма приближенно.

Нефть - неидеальная система. Идеальной называется такая система, в которой не происходит взаимодействия компонентов. Компоненты нефти - не нейтрально заряженные частицы, а за счет наличия донорно-акцепторных заместителей или пространственных конформаций молекул проявляют полярные свойства. Численной мерой, выражающей полярность молекул, служит величина дипольного момента

В силу полярности нефтяные компоненты склонны к образованию ассоциатов переменного состава. В простейшем случае они образуются за счет Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия, которые объединяют кулоновское, диполь-дипольное, ориентационное, дисперсионное, индукционное и т. д. Эти типы взаимодействий и влияют на реологические свойства жидкостей.

Природа вязкости. Закон И. Ньютона (1687 г.) выражает равновесие между приложенной силой (F) и сопротивлением жидкости (р) при установившемся равномерном ее движении. То есть, если есть два движущихся слоя площадью (А), то при перемещении одного слоя относительно друго-

го на преодоление сил сцепления необходима сила (F) (рисунок 12), при

Рисунок 12 - Схема уравнения Ньютона

этом, если верхний слой имеет скорость (v+dv), a нижний (v), то скорость течения жидкости на расстоянии (dy) будет определяться величиной (dv/dy) и уравнение Ньютона примет вид (формулы (15, 16):

(15)

(16)

где μ - коэффициент пропорциональности, зависящий от молекулярных

сил сцепления, природы и структуры данной жидкости, получивший название коэффициента внутреннего трения или абсолютной (динамической) вязкости;

dy - расстояние между движущимися слоями жидкости (газа);

dv - разность скоростей движущихся слоев жидкости (газа).

Физический смысл коэффициента вязкости. Для граничных условий, при А=1 и dv/dy = 1, F = μ, т.е. коэффициент вязкости (или просто вязкость) равен силе (трения) между слоями жидкости при площади соприкасающихся слоев равной единице и градиенте скорости течения между слоями, равном единице.

Величина μ - абсолютная или динамическая вязкость (т.е. внутреннее сопротивление без учета сил тяжести).

Размерность динамической вязкости определяют из уравнения (16).

В системе СГС μ = г/см. с = 1 пуаз (Пз).На практике измерения ведут в сантипуазах (сПз), 1 Пз= 100 сПз.

В системе СИ μ = Н∙с/м ² или Па·с, мПа·с. Величина, обратная вязкости, называется текучестью (ζ): ζ = 1/ μ.

Под кинематической вязкостью (ν) понимается свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой с учетом сил тяжести:

(17)

где ρ - плотность жидкости при одной и той же температуре, обычно ис-

пользуют с.у. (стандартные условия при 20°С).

Размерность кинематической вязкости в системе СИ м²/с, мм²/с; в системе СГС см² /с = стокс ( ст ), 1 ст = 10 сст (сантистокс) = 10 ^–4 м²/с.

Вязкость зависит от температуры и давления, состава нефти и количества растворенного в ней газа. С повышением температуры (Т), вязкость уменьшается, т.е. увеличивается среднее расстояние между молекулами за счет ослабления взаимного притяжения и, как следствие, уменьшается сила трения с повышением давления (Р) вязкость возрастает.

Чем выше полярность компонентов, тем выше вязкость. Наиболее пологую вязко-температурную кривую имеют парафины (величина дипольного момента 0,08 - 0,1 Д).

Для пластовых нефтей вязкость уменьшается с увеличением количества растворенного в них газа до критической точки - давления насыщения.

В среднем вязкость большинства нефтей редко превосходит 40-60 сст. Используют параметр вязкости в различных гидродинамических расчетах (при проектировании скважин и анализе разработки нефтяных месторождений).