I. теоретическая часть освоения курса «реология углеводородов»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ОСВОЕНИЯ КУРСА
«РЕОЛОГИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ» 2
1. Образование структуры в пластовой нефти 2
1.1.Состав пластовой нефти 2
1.2.Нефть как коллоидный раствор 5
2. Реологические и фильтрационные свойства неньютоновских нефтей 9
2.1. Ньютоновские жидкости 2.2.Неньютоновские жидкости 11
Аномалии вязкости нефти 15
Факторы, влияющие на реологические характеристики аномальных нефтей 19
Фильтрация аномальных нефтей в пористой среде 20
3. Методы изучения реологических и фильтрационных свойств аномальных 24
нефтей
Лабораторные методы исследования 24
Расчетные методы оценки реологических и фильтрационных характеристик аномальных пластовых нефтей 26
3.3. Методы оценки реологических характеристик нефти,
основанные на гидродинамических исследованиях скважин 27
4. Гидродинамические расчеты фильтрации аномальных нефтей в пористой среде 29
Схематизация плоскорадиальной фильтрации аномальной нефти 29
Гидродинамические расчеты фильтрации аномальных нефтей 31
4.3. Индикаторная диаграмма и понятие о коэффициенте продуктивности
скважины при добыче аномально вязкой нефти 34
4.4. Расчет оптимальных значений депрессии на пласт 36
5. Способы уменьшения аномалий вязкости нефти в залежи 37
Увеличение градиентов давления в нефтяном пласте 37
Частичная дегазация нефти в пласте 39
Тепловое воздействие 40
Использование поверхностно-активных веществ 41
Использование двуокиси углерода 41
II. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО
КУРСУ «РЕОЛОГИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ» 42
Цели и задачи выполнения контрольной работы 42
Содержание контрольной работы 43
Основные требования к выполнению и оформлению контрольной работы 44
Требования к оформлению и выполнению расчетной части контрольной работы 46
Описание лабораторной установки и порядок выполнения контрольной работы 48
Описание лабораторной установки 48
Порядок выполнения контрольной работы 50
Погрешности измерений реологических и фильтрационных параметров нефтей 58
Приложение 1 59
Приложение 2 60
Список рекомендуемой литературы 61
Вопросы по курсу "Реология углеводородов" 61
ВВЕДЕНИЕ
Нефтеотдача при разработке нефтяных месторождений существенно зависит от содержания в нефти высокомолекулярных компонентов - смол, асфаль-тенов и парафина. Нефти, содержащие в своем составе значительное количество высокомолекулярных компонентов, при определенных условиях обладают структурно-механическими свойствами. Вязкость таких нефтей является переменной величиной, зависящей от напряжения сдвига нефти, а в условиях фильтрации в пласте - от градиента пластового давления. Для описания процессов фильтрации и вытеснения аномально вязких нефтей не пригодны обычные методы, разработанные применительно к нефтям, не обладающим структурно-механическими свойствами. В связи с открытием и вступлением в разработку залежей нефти с большим содержанием смол, асфальтенов и парафина исследования особенностей фильтрации и изучение механизма нефтеотдачи пласта имеют важное теоретическое и практическое значение.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ОСВОЕНИЯ КУРСА «РЕОЛОГИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ»
ОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУРЫ В ПЛАСТОВОЙ НЕФТИ
Состав пластовой нефти
При эксплуатации нефтяных скважин по пласту к их забоям движется так называемая пластовая нефть. Эта нефть имеет исключительно сложный состав. В ней методами химического анализа можно обнаружить значительную часть элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Конечно, большинство из них содержится в нефти в очень малых количествах. Главными компонентами нефти являются: углерод - до 87%, водород - до 12%, кислород, азот, сера. Именно эти элементы образуют многочисленные соединения, отличающиеся многообразием свойств.
Значительную часть нефти составляют углеводороды - предельные (СпН2п+^, нафтеновые (СпН2п), ароматические (С„Н2п.2). Молекулярные массы углеводородов, входящих в состав нефти, самые разнообразные, как и их свойства. Основную массу составляют жидкие углеводороды. Но кроме них в нефти содержатся и твердые углеводороды - парафины. Парафины либо растворены в нефти, либо образуют коллоидный раствор или сравнительно грубую суспензию. Полностью в растворенном состоянии парафины находятся в пластовой нефти, когда пластовая температура выше температуры кристаллизации парафина.
Кроме жидких и твердых углеводородов в нефти содержатся и газообразные углеводороды - от метана до бутана. Особенно много газообразных углеводородов в пластовой нефти. Эти углеводороды растворены в нефти и выделяются из нее лишь при снижении давления ниже давления насыщения.
Много в нефти и комплексных соединений. Среди них первое место по количеству занимают смолы. Смолы состоят из углерода, водорода, кислорода, азота. В их состав входят также сера и ряд других элементов - ванадий, никель,железо, магний, но в очень небольших количествах. Смолы представляют собой вязкие жидкости коричневого цвета с различными оттенками. Плотность их около 1 и несколько выше. Молекулярная масса 800-1000. Смолы растворяются в жидких углеводородах - предельных, нафтеновых и ароматических.
Сходный со смолами состав имеют асфальтены - наиболее высокомолекулярные соединения нефти. В состав асфальтенов входят углерод, водород, кислород, азот, сера, но соотношения между количеством этих атомов иное, чем в смолах. Больше в асфальтенах содержится и таких элементов, как железо, ванадий, никель и др. В специальной литературе указывается, что асфальтены представляют собой продукт конденсации молекул смол. У асфальтенов молекулярная масса выше 1000. Асфальтены представляют собой черное твердое вещество с плотностью более 1.
Асфальтены не растворимы в предельных углеводородах, частично растворимы в нафтеновых углеводородах и лучше растворяются в ароматических углеводородах. Из-за плохой, в общем, растворимости в углеводородах асфальтены нефти не образуют истинных растворов. Поэтому нефти, содержащие асфальтены, представляют собой коллоидные системы, дисперсной фазой которых являются частицы асфальтенов.
Содержание в нефти смол и асфальтенов может быть самым различным (табл. 1.1). Количество смол может доходить до 60% масс, а асфальтенов - до 16% масс. Известны нефти, в которых очень мало смол, а асфальтены отсутствуют. Это так называемые белые нефти, обнаруженные в свое время на Сура-ханском месторождении недалеко от г. Баку. В начале 60 гг. было открыто месторождение такой нефти близ села Маркове в верховьях реки Лены.
Нефти месторождений Урало-Поволжья смолистые, в них количество смол доходит до 25%, а асфальтенов - до 10% масс.
Состав нефти определяет ее физические свойства - плотность и вязкость. Чем больше в нефти смол и асфальтенов, тем выше ее плотность и вязкость. Корреляционные зависимости между плотностью и содержанием в нефти смол и асфальтенов получены экспериментальным путем для нефтей различных районов. Они приводятся во многих руководствах.
Асфальтены и смолы оказывают сильное влияние на вязкость нефти. Более того, нефть, содержащая значительное количество асфальтенов, имеет, как оказалось, непостоянную вязкость. При большом количестве парафинов в нефти ее вязкость тоже оказывается переменной, зависящей от скорости сдвига. Эти особенности реологических свойств нефти обусловлены коллоидным состоянием диспергированных в ней парафинов или асфальтенов.
К числу неуглеводородных компонентов нефти относится азот, который оказывается растворенным в пластовой нефти и часто в значительных количествах. Например, в пластовой нефти нижнего карбона Арланского месторождения содержание азота доходит до 8-9 м3/т. Добытая из скважин нефть в газосепараторах теряет большую часть свободного азота. Азот остается лишь в адсорбированном состоянии на частицах асфальтенов.
В пластовых нефтях многих месторождений содержится незначительное количество двуокиси углерода.
Содержание пара | фина, асфальтенов и смол в не | -Таблица-1.1 фтях месторождений | ||||
Нефть месторождений * | Содержание, % вес | |||||
Парафина | Смол силикагелевых | Асфальтенов | ||||
пределы изменения | среднее содержание* | пределы изменения | среднее содержание | пределы изменения | среднее содержание | |
Башкирии | 2,1-6,8 | 3,71 | 9,6 - 26,8 | 17,32 | 1,2 - 9,5 | 5,18 |
Татарии | 3,3-5,1 | 4,12 | 5,1-15,1 | 11,19 | 1,8-7,4 | 4,22 |
Куйбышевской области | 2,9- 10,2 | 5,74 | 2,3 - 32,8 | 8,61 | 0,1-18,1 | 2,52 |
Волгоградской области | 0,8-8,51 | 4,26 | 2,0 - 13,0 | 6,47 | 0-1,8 | 0,71 |
Пермской области | 2,0-10,4 | 4,61 | 2,9-29,1 | 13,50 | 0-8,9 | 2,90 |
Оренбургской области | 1,9-7,1 | 4,47 | 2,9 - 24,8 | 13,32 | 0,2 - 24,0 | 3,63 |
Удмуртии | 2,7 - 7,0 | 4,69 | 11,7-30,2 | 19,4 | 2,1 - 16,9 | 6,88 |
Астраханской области | 3,8 - 26,0 | 14,77 | 2,8 - 10,4 | 5,88 | 0,1-2,5 | 1,22 |
Коми | 1,4-7,9 | 4,03 | 5,0 - 29,4 | 4,62 | 0,1-3,7 | 1,56 |
Саратовской области | 6,6-10,4 | 8,78 | 4,4 -9,5 | 7,5 | 0,2 - 0,6 | 0,47 |
Шаимского н/г района (Западная Сибирь) | 0,2 - 7,8 | 4,57 | 0,4-10,9 | 5,72 | 0,3 - 4,5 | 1,22 |
Нижневартовского н/г района (Зап. Сибирь) | 1,7-4,4 | 2,66 | 0,7-11,5 | 7,19 | 0,3 - 4,2 | 1,53 |
Казахстана (месторождение Узень) | 15,7- 28,6 | 18,10 | 0,3 - 3,3 | 1,59 | 12,8 -15,8 | 14,4j| |
Ньютоновские жидкости
Эффективность процессов разработки нефтяных месторождений в значительной степени определяется особенностями фильтрации пластовых жидкостей в пористой среде. Пластовая вода, содержащая растворенные соли, а также закачиваемая через нагнетательные скважины пресная вода является молекулярными растворами и относятся к истинным жидкостям.
Течение истинных жидкостей подчиняется закону вязкого течения Ньютона (1642-1726 гг.). Для осмысливания этого закона представим тонкий слой вязкой жидкости между двумя параллельными пластинками, площадь каждой из которых S и расстояние между которыми h (рис. 2.1). Одна пластинка неподвижна, а к другой приложено сдвигающее усилие F. В установившемся движении усилие должно уравновешиваться со стороны жидкости силой, обусловленной вязкостью, а подвижная пластинка должна перемещаться равномерно со скоростью и.
Рис. 2.1. Схема движения вязкой жидкости между подвижной и неподвижной пластинками
В этом случае уравнение вязкого течения Ньютона (1687 г.) записывается в следующем виде:
где х - напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости, Н/м2, т.е. касательное усилие на единицу площади, приложенное к слоям жидкости, отстоящим друг от друга на расстоянии dy при разности скоростей между ними du;
du/dy - градиент скорости (изменение скорости в направлении, перпендикулярном течению), с"';
ц - коэффициент пропорциональности, носящий название динамической вязкости, Па-с.
Вязкость истинных растворов зависит от природы жидкости, температуры и давления.
Жидкости, течение которых подчиняется закону вязкого течения Ньютона, названы ньютоновскими.
Но dx/ify представляет собой сдвиг слоев у (деформацию). Отсюда следует выражение для градиента скорости сдвига:
Формуле (2.1) можно придать другой вид (см. рис. 2.1):
то есть у ньютоновских жидкостей скорость сдвига у пропорциональна касательному напряжению сдвига г и обратно пропорциональна динамической вязкости /л. Зависимость между г и у, очевидно, является прямой линией, проходящей через начало координат.
Таким образом, истинные или молекулярные растворы являются ньютоновскими жидкостями. Примерами таких жидкостей, кроме воды, могут служить жидкие индивидуальные углеводороды с числом атомов углерода до 17 (спирт, бензол и т.д.).
Следует заметить, что закон Ньютона справедлив лишь при установившемся ламинарном течении истинной жидкости.
Вязкость жидкости определяется более точно, если имеется график зависимости между напряжением сдвига т и градиентом скорости dx/dy - линия консистентности. Линия консистентности ньютоновской жидкости представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат (рис. 2.2). Это указывает на то, что истинные жидкости текут при сколь угодно малых напряжениях сдвига.
Рис. 2.2. Линия консистентности и зависимость динамической вязкости fj от напряжения сдвига г для ньютоновских жидкостей
Параметры, с помощью которых можно описывать течение веществ, называются реологическими параметрами.
Таким образом, единственным реологическим параметром, характеризующим течение ньютоновской жидкости, является динамическая вязкость.
В смешанной системе единиц напряжение сдвига г измеряется в дин/см2 (1 дин/см2=0,1 Н/м2). Единица измерения динамической вязкости в честь французского ученого Пуазейля, впервые изучившего движение жидкостей в капиллярах, названа Пуазом (1сП=1мПас).
Неньютоновские жидкости
Течение некоторых жидкостей (коллоидных растворов, нефтей с большим содержанием асфальтенов и парафинов, растворы полимеров и т.д.) не подчиняются закону Ньютона. Такие жидкости в реологии принято называть неньютоновскимиили аномальными.
Закон Ньютона обычно нарушается при течении коллоидных растворов с удлиненными частицами дисперсной фазы, способными деформироваться в поле напряжений и структурированных систем. Такие коллоидные системы обладают определенными механическими свойствами - пластичностью, упругостью, прочностью и вязкостью. Эти свойства в большинстве случаев связаны с образованием структуры в жидкости, и поэтому их часто называют структурно -механическими или реологическими свойствами.
Основы реологии коллоидных растворов впервые изучены Ф.Н.Шведовым, Бингамом и Грином. В 1889 году Ф.Н. Шведов, позже в 1916 году Бингам установили, что течение системы с пространственной структурой начинается лишь тогда, когда напряжение сдвига т превышает определенное критическое значение х0 (рис. 2.3), необходимое для разрушения в жидкости структурной сетки. Такое течение было названо пластическим, а критическое напряжение сдвига -пределом текучести или предельным напряжением сдвига.
Рис. 2.3. Линия консистентности и зависимость пластической вязкости ju' от напряжения сдвига гдля пластических жидкостей
где ц ' - пластическая вязкость системы.
Систему, течение которой подчиняется такой идеализированной схеме, в реологии называют телом Бингама или бингановскими пластиками. Они описываются следующим реологическим уравнением Бингама - Шведова:
Вязкость истинных растворов зависит от природы жидкости, температуры и давления.
Жидкости, течение которых подчиняется закону вязкого течения Ньютона, названы ньютоновскими.
Но dx/dy представляет собой сдвиг слоев у (деформацию). Отсюда следует выражение для градиента скорости сдвига:
Формуле (2.1) можно придать другой вид (см. рис. 2.1):
то есть у ньютоновских жидкостей скорость сдвига у пропорциональна касательному напряжению сдвига г и обратно пропорциональна динамической вязкости fi. Зависимость между г и у, очевидно, является прямой линией, проходящей через начало координат.
Таким образом, истинные или молекулярные растворы являются ньютоновскими жидкостями. Примерами таких жидкостей, кроме воды, могут служить жидкие индивидуальные углеводороды с числом атомов углерода до 17 (спирт, бензол и т.д.).
Следует заметить, что закон Ньютона справедлив лишь при установившемся ламинарном течении истинной жидкости.
Вязкость жидкости определяется более точно, если имеется график зависимости между напряжением сдвига т и градиентом скорости dx/dy - линия консистентное/пи. Линия консистентности ньютоновской жидкости представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат (рис. 2.2). Это указывает на то, что истинные жидкости текут при сколь угодно малых напряжениях сдвига.
Рис. 2.2. Линия консистентности и зависимость динамической вязкости // от напряжения сдвига г для ньютоновских жидкостей
Параметры, с помощью которых можно описывать течение веществ, называются реологическими параметрами.
Таким образом, единственным реологическим параметром, характеризующим течение ньютоновской жидкости, является динамическая вязкость.
В смешанной системе единиц напряжение сдвига т измеряется в дин/см2 (1 дин/см2=0,1 Н/м2). Единица измерения динамической вязкости в честь французского ученого Пуазейля, впервые изучившего движение жидкостей в капиллярах, названа Пуазом (1сП=1мПас).
2.2. Неньютоновские жидкости
Течение некоторых жидкостей (коллоидных растворов, нефтей с большим содержанием асфальтенов и парафинов, растворы полимеров и т.д.) не подчиняются закону Ньютона. Такие жидкости в реологии принято называть неньютоновскимиили аномальными.
Закон Ньютона обычно нарушается при течении коллоидных растворов с удлиненными частицами дисперсной фазы, способными деформироваться в поле напряжений и структурированных систем. Такие коллоидные системы обладают определенными механическими свойствами - пластичностью, упругостью, прочностью и вязкостью. Эти свойства в большинстве случаев связаны с образованием структуры в жидкости, и поэтому их часто называют структурно -механическими или реологическими свойствами.
Основы реологии коллоидных растворов впервые изучены Ф.Н.Шведовым, Бингамом и Грином. В 1889 году Ф.Н. Шведов, позже в 1916 году Бингам установили, что течение системы с пространственной структурой начинается лишь тогда, когда напряжение сдвига х превышает определенное критическое значение т0 (рис. 2.3), необходимое для разрушения в жидкости структурной сетки. Такое течение было названо пластическим, а критическое напряжение сдвига -пределом текучести или предельным напряжением сдвига.
Рис. 2.3. Линия консистентности и зависимость пластической вязкости fx от напряжения сдвига г для пластических жидкостей
где /л ' - пластическая вязкость системы.
Систему, течение которой подчиняется такой идеализированной схеме, в реологии называют телом Бингама или бингановскими пластиками. Они описываются следующим реологическим уравнением Бингама - Шведова:
Линия консистентности бингамова тела выражается прямой линией, отсекающей отрезок на оси абсцисс, равный т0 от начала координат (рис. 2.3).
Для ньютоновских жидкостей предельное напряжение сдвига равно нулю, и уравнение (2.4) переходит в закон Ньютона, а пластическая вязкость - и истинную вязкость. Из уравнения (2.4) следует: система до т0 упруго деформируется, после этого течет с постоянной пластической вязкостью
В области упругой деформации вязкость бингамовского пластика чрезвычайно высокая. Здесь упруго деформируется структурный "каркас" из частиц дисперсной фазы. При превышении т0, согласно уравнению Бингама - Шведова, структурная сетка мгновенно разрушается и вязкость системы принимает постоянное значение.
Примером систем, хорошо подчиняющихся уравнению (2.4), могут служить нефти с высоким содержанием парафинов при температурах ниже температуры кристаллизации.
Однако у многих реальных структурированных коллоидных систем линия консистентности оказывается не прямой, а кривой, отсекающей на оси напряжений сдвига некоторый отрезок (рис. 2.4). В этом случае при достижении предела текучести структура разрушается не сразу, а постепенно, по мере увеличения скорости сдвига - упругопластические жидкости.
Рис. 2.4. Линия консистентности и зависимость кажущейся вязкости ju' от напряжения сдвига т щ\я упругопластических жидкостей
Для характеристики механических свойств структуры в этом случае вводят три параметра: минимальный предел текучести (статическое напряжение сдвига), соответствующий началу течения жидкости х0\ предел текучести по Бингаму (динамическое напряжение сдвига по Бингаму) та\ максимальный предел текучести (напряжение сдвига предельного разрушения структуры), при котором кривая переходит в прямую линию тт (рис. 2.4). Значение тт равно напряжению, при котором структура в жидкости полностью разрушается.
Математическая модель упругопластической жидкости выражается следующей степенной зависимостью:
где к - мера консистентности жидкости (с увеличением вязкости жидкости мера консистентности растет); п - степень неньютоновского поведения системы. Значение п всегда меньше единицы. Чем больше п отличается от единицы, тем сильнее проявляются неньютоновские свойства жидкости.
Кажущаяся вязкость системы определяется из соотношения
В качестве примера упругопластической жидкости можно указать на масляную краску, буровые растворы, высокопарафинистую дегазированную нефть с температурой ниже температуры насыщения парафином. Например, линии консистентности такой формы (рис. 2.4) обнаружены у некоторых нефтей месторождений Азербайджана, Узбекистана и Казахстана.
На практике наличие статического напряжения сдвига у жидкости часто играет положительную роль. Так, толщина слоя краски, оставшейся после нанесения на вертикальную поверхность определяется величиной т0. Следовательно, изменяя значение т0, можно регулировать расход краски на покраску.
При бурении скважин процесс проходки часто прерывается. Применение качественных буровых растворов позволяет удерживать во взвешенном состоянии часть шлама выбуренной породы и тем самым предотвращать прихват бурового инструмента. При этом регулирование количества и размеров частиц удерживаемого в буровом растворе шлама достигается подбором параметра т0.
То же самое наблюдается и при течении растворов высокомолекулярных соединений с гибкими, свернутыми в клубок макромолекулами, например у водных растворов полимеров. Здесь снижение вязкости обусловлено распрямлением молекул и ориентацией в направлении потока. Система ведет себя при течении как жидкость, в которой взвешены частицы, способные ориентироваться или деформироваться.
Во всех этих случаях речь идет о кажущейся или эффективной вязкости, так как истинная вязкость жидкости от скорости течения не зависит.
Механические свойства псевдопластической (вязкопластической) жидкости характеризуются двумя параметрами: динамическим напряжением сдвига по Бингаму тв и напряжением сдвига предельного разрушения структуры или ориентирования частиц в потоке тт (рис. 2.5).
Реологическое уравнение у таких систем выражают в виде степенной зависимости
Рис. 2.5. Линия консистентное™ и зависимость кажущейся вязкости р.' от напряжения сдвига г для вязкопластических жидкостей
Кажущаяся вязкость вязкопластической жидкости выражается следующим образом:
Здесь и в предыдущем случае необходимо иметь в виду, что для реальной жидкости п является переменным и зависящим от скорости сдвига. Поэтому при решении практических задач значение п следует определять в ограниченном пределе скоростей сдвига. Кроме того, неудобство использования степенного закона обусловлено зависимостью размерности меры консистентности от показателя степени.
В настоящее время для увеличения нефтеотдачи пластов, при воздействии на призабойную зону скважин и проведении изоляционных работ применяются растворы полимеров. В некоторых условиях в пористой среде они проявляют свойства дилатантных жидкостей. Термин "дилатанткая" можно применять для тех жидкостей, кажущаяся вязкость которых с увеличением скорости сдвига повышается (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Линия консистентности и зависимость кажущейся вязкости
m' от напряжения сдвига г для дилатантных жидкостей
Такой тип течения был впервые обнаружен Рейнольдсом в суспензиях при большом содержании твердой фазы и крахмальных клейстерах. Рейнольде при объяснении дилатантных свойств суспензии высказывает предположение о том, что в состоянии покоя твердые частицы имеют наиболее плотную упаковку, а пространство между частицами заполнено жидкостью. При течении суспензии с небольшой скоростью жидкость служит смазкой, уменьшающей трение между частицами, и напряжения сдвига невелики. При больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается, увеличивается объем суспензии и уже при новой структуре жидкости ее недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц. Действующие напряжения сдвига при этом увеличивается значительно быстрее, чем скорости сдвига.
Для описания реологического поведения дилатантной жидкости также применяют степенной закон, но с показателем степени больше единицы.
23. Аномалии вязкости нефти
Исследованиями установлено, что асфальтеносодержащие пластовые и дегазированные нефти при температурах выше температуры насыщения парафином являются аномально вязкими. Линии консистентности этих нефтей по форме аналогичны полным реологическим кривым С. Оствальда (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Линия консистентности и зависимость эффективной вязкости m’ ,
от напряжения сдвига для аномально вязких нефтей
По классификации акад. П.А. Ребиндера кривые консистентности такой формы характерны для жидкообразных структурированных коллоидных систем. Структурная сетка образована в них мицеллами асфальтенов и относится к типу коагуляционных структур. Как правило, начальная температура в пласте выше температуры насыщения нефти парафином, поэтому асфальтеносодержащие нефти следует считать аномально вязкими.
Рассмотрим более подробно форму линии течения таких нефтей и сущность процессов, происходящих на каждом характерном участке кривой консистентности. На кривой консистентности (рис. 2.7) можно выделить два линейных участка, различающихся углом наклона к оси напряжения сдвига.
Участок (0-а) находится в начале кривой консистентности - в области малых напряжений и скоростей сдвига. Угол наклона кривой на этом участке небольшой, течение нефти в этой области происходит практически без разрушения структуры, поэтому ее вязкость наибольшая. Продолжение участка (0-а) проходит через начало координат.
По П.А. Ребиндеру в этой области разрушение структуры сопровождается полным тиксотропным ее восстановлением, и система движется с практически не разрушенной структурой, т.е. наблюдается явление ползучести. Вязкость нефти постоянна и названа наибольшей предельной вязкостью практически не разрушенной структуры д>.
Конечный участок линии консистентности (б-в) расположен правее напряжения сдвига предельного разрушения структуры (НСПРС) тт до области турбулентного течения. Продолжение реологической линии этого участка проходит через начало координат. Вязкость нефти в этой области постоянная и наименьшая. Она названа наименьшей вязкостью предельно разрушенной структуры /^.
При выполнении практических расчетов можно принять, что при превышении предельного динамического напряжения сдвига (ПДНС) в эффективная вязкость /4 начинает уменьшаться и при действующих напряжениях сдвига, превышающих тт, достигает наименьшей величины д>- В этой области (а~б) эффективная или структурная вязкость соответствует равновесному состоянию процессов разрушения и восстановления структуры, протекающих одновременно в установившемся ламинарном потоке. От точки "а" до точки перегиба кривой (а-б) превалирует процесс восстановления структуры, а в дальнейшем от точки перегиба до "б" - процесс разрушения пространственной структурной сетки.
Из изложенного следует, что вязкость нефти зависит от напряжений и скоростей сдвига. Такая зависимость в реологии названа аномалией вязкости. В частности, у неньютоновских жидкостей, кроме дилатантных, кажущаяся или эффективная вязкость уменьшается с ростом действующих напряжений сдвига т.
Для аномально вязких нефтей связь между эффективной вязкостью и напряжением сдвига выражается следующей формулой:
где Т„ - некоторое напряжение сдвига, соответствующее началу сильного разрушения структуры. Оно находится из экспериментальной зависимости
Мэ ~ J\4 по величине Мэ = t*m + ° '_ m , т.е. по величине эффективной вязкости, соответствующей условию Т = Т„;
Ь - коэффициент, характеризующий скорость разрушения структуры в системе. Для нахождения этого коэффициента используется любая точка экспериментальной кривой /и, = Дт), лежащей в диапазоне напряжений сдвига от т„ до тт. Коэффициент Ъ находится из формулы (2.10) по значениям х и jx, в этой экспериментальной точке и найденной ранее величине тп.
К аномально вязким системам следует отнести фильтрующиеся без перерыва нефти с температурой, превышающей температуру насыщения парафином. После появления в объеме нефти кристалликов парафина до температуры, близкой к температуре массовой кристаллизации, аномалии вязкости значительно усиливаются. При этом у нефтей с содержанием парафинов до 6% масс, при непрерывном движении наблюдается линия типа С. Оствальда. Эти выводы основаны на результатах многолетних исследований пластовых нефтей месторождений Башкирии, Татарии, Западного Казахстана и Коми.
Нефть, содержащая асфальтены и парафины, относится к тиксотропным системам. Такие системы способны к изотермическому восстановлению структуры, разрушенной при механическом воздействии. В процессе теплового движения частицы дисперсной фазы принимают такое взаимное расположение, при котором система обладает минимумом энергии и становится термодинамически более устойчивой. В частности, в состоянии покоя структура упрочняется настолько, что при возобновлении течения вязкости при тех же скоростях сдвига будет выше, чем до перерыва в движении.
Тиксотропные свойства нефти ведут к усилению структурно- механических свойств. Например, с увеличением продолжительности покоя предельное динамическое напряжение сдвига (ПДНС) растет. Зависимость этого параметра от времени покоя записывается в виде
где в - ПДНС нефти в условиях непрерывного движения; #тах - максимальное значение ПДНС нефти, находившейся в покое более 35 часов; t- время покоя; с =0,42 - коэффициент, зависящий от свойств нефти.
Следует учесть, что наиболее быстро ПДНС увеличивается в течение 10 часов после прекращения движения. В дальнейшем прочность структуры увеличивается незначительно. Рост ПДНС прекращается после 35 часов покоя нефти. Зависимость между <9тах и 0 приближенно оценивается формулой
Тиксотропные свойства являются одной из причин проявления сверханомалий вязкости нефтей. Хотя линия консистентности по-прежнему исходит из начала координат, но в этом случае появляется многозначность вязкости. В определенных пределах каждому напряжению сдвига соответствует от двух до трех значений коэффициента вязкости (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Линия консистентности и зависимость эффективной вязкости р, от напряжения сдвига х для сверханомально вязких нефтей
Рассмотрим более подробно форму линии течения таких нефтей и сущность процессов, происходящих на каждом характерном участке кривой консистентности.
участок (0-а), где напряжение сдвига прямо пропорционально скорости сдвига, т.е. нижняя ньютоновская область течения с вязкостью практически не разрушенной структуры. Участок расположен левее предельного динамического напряжения сдвига.
участок (а-б-в) соответствует интенсивному разрушению структуры и резкому снижению сопротивления течению - режим проявления сверханомалии. На этом участке напряжение сдвига сначала (а-б) увеличивается, а затем (бив) уменьшается с ростом градиента скорости. Здесь наблюдаются сильные аномалии вязкости. Наибольшее значение напряжения сдвига на этом участке, соответствующее точке "б", названо критическим напряжением сдвига.
практически вертикальный участок (в-г) соответствует переходу от сверханомалии к обычным случаям аномалии вязкости, когда эффективная вязкость обратно пропорциональна напряжению сдвига.
участок (г-д) верхней ньютоновской области течения при напряжениях, превышающих напряжение сдвига предельного разрушения структуры.
Особенно отчетливо сверханомалии вязкости даже при небольшом снижении температуры ниже пластовой (на 15 °С) наблюдаются у высокопарафини-стых узеньских нефтей. Причем это явление проявляется как после покоя, так и при непрерывном движении нефти.
Сверханомалии вязкости достаточно четко отмечаются у высокосмолистых нефтей залежей нижнего карбона Башкирии и Татарии после покоя, а также при температурах нефти, близких к температуре массовой кристаллизации парафина.
Для систем с такой формой линии консистентности Г.М. Бартенов и Н.В. Ермилова для исключения многозначности рекомендуют изображать зависимость эффективной вязкости от градиента скорости, а не от напряжения сдвига.
Выше было показано, что реологические свойства <