Методы изучения реологических и фильтрационных свойств аномальных нефтей

Для учета неньютоновских свойств нефтей при проектировании и разработ­ке месторождений необходимо определить их реологические и фильтрационные характеристики. Получение достоверных результатов предполагает изучение этих свойств в условиях, соответствующих пластовым. Не все существующие методы и приборы отвечают этому требованию.

Большинство приборов и методов разработаны для исследования высоко­вязких дисперсных систем, таких как:

дегазированные нефти при пониженных температурах;

буровые растворы применительно к движению в трубопроводах;

прозрачные коллоидные растворы для удобства наблюдений за дефор­мацией систем в процессе течения.

Существующие методы изучения реологических свойств аномальных неф­тей можно разделить на следующие три группы:

лабораторные методы исследования на экспериментальных установках;

расчетные методы, базирующиеся на эмпирических зависимостях, полу­ченных на основе обобщения экспериментальных исследований;

методы, основанные на гидродинамических исследованиях скважин.

3.1. Лабораторные методы исследования

Реологические методы и приборы, применяемые в лабораториях, можно подразделить на интегральные и дифференциальные, а также на приборы, имеющие однородное и неоднородное поле напряжений и скоростей сдвига.

Интегральные методы позволяют оценить суммарный эффект течения жидкости. К приборам, в которых используется этот метод, можно отнести ка­пиллярные, ротационные вискозиметры и вискозиметры с продольным смеще­нием рабочего органа, а также методы внедрения конуса, падения шарика, коле­бания рабочего органа прибора в исследуемой системе.

Дифференциальные методы дают возможность непосредственно наблю­дать деформации во времени в каждой точке дисперсной системы при ее тече­нии, т.е. установить поле деформации, а следовательно, поле напряжения.

Для изучения реологических свойств нефтей чаще используются ротацион­ные и капиллярные приборы.

Отечественные и зарубежные ротационные приборы, применяемые в лабо­раториях для изучения реологических свойств нефтей, позволяют вести иссле­дования свойств жидкостей под высоким давлением при различных температу­рах. Однако их можно использовать для изучения реологических свойств пла­стовых нефтей лишь при больших напряжениях сдвига, характерных для приза-бойной зоны скважин. Они не приспособлены для исследования пластовых неф­тей при малых градиентах скоростей и напряжений сдвига, соответствующих условиям их течения вдали от скважин.

Экспериментальные исследования фильтрации пластовых нефтей в порис­той среде обычно проводятся на установках типа УИПК.

Конструктивные особенности этой установки позволяют моделировать условия фильтрации нефти в ПЗС.

В УГНТУ сконструирована и успешно используется установка, позволяю­щая вести исследования реологических и одновременно фильтрационных свойств пластовых нефтей в широком диапазоне изменения напряжений сдвига и градиентов давления, включая весьма малые их значения. На этой установке применяется капиллярный методизучения реологических свойств нефтей, а фильтрация изучается в образцах естественных пород.

Методикаисследований пластовых нефтей на установке заключается в следующем.

При изучении реологических свойств нефтей находят зависимость перепада давления на концах капилляра или образца породы от объемной скорости тече­ния жидкости. Опыты проводятся в условиях "фиксированные объемные расхо­ды - изменяющиеся перепады".

Измерение перепада давления осуществляется при установившихся режи­мах движения исследуемых жидкостей через капилляр или образцы пород. Эти зависимости получают при последовательном увеличении и уменьшении объ­емного расхода жидкости. По полученным данным строят зависимости напря­жения сдвига в капилляре от градиента скорости — линии консистентности. Наклон кривых в указанных координатах не зависит от размера капилляра. При изучении фильтрации жидкостей через образцы пород реологические кривые строят в координатах " скорость фильтрации - градиент давления". Наклон кри­вых в этих координатах пропорционален подвижности жидкости в породе.

Расчет реологических параметров при течении в капилляре, скорости фильтрации жидкостей в пористой среде и градиента давления проводится по формулам:

градиент скорость сдвига

напряжение сдвига

где /=2,13 м, г=2,0610*⁴м;

скорость фильтрации жидкости в породе

градиент давления

подвижность жидкости в породе (из закона Дарси)

коэффициент динамической вязкости нефти (согласно уравнению Пуазейля)

где Q - объемный расход нефти в м³/с через капилляр радиусом г и длиной / в м и через образец породы длиной L в м и площадью поперечного сечения F м²; Ар - перепад давления на концах капилляра, дин/см², или образца породы, кгс/см².

Реологические кривые пластовых нефтей в капиллярах и пористой среде следует получать в условиях: а) постепенного увеличения объемного расхода (нефть перед проведением эксперимента интенсивно перемешивали, температу­ру ее поддерживали от 80 до 15 °С, включая и пластовую температуру); б) по­степенного уменьшения объемного расхода (при тех же температурах); в) при различных статических давлениях, превышающих давление насыщения; г) постепенного увеличения расхода нефти (при пластовой температуре) после нахождения ее в покое в течение 1-160 ч.

По окончании комплекса реологических исследований при давлении выше давления насыщения нефти газом с помощью ручных прессов давление снижали ниже давления насыщения и отбирали выделившийся газ. Давление в установке вновь повышали до пластового.

Описанные выше исследования повторяли с частично дегазированной неф­тью. Для исследовавшихся нефтей определялось содержание асфальтенов, смол и парафинов по стандартным методикам. Изучение структурно-механических свойств нефти при насыщении ее компонентами нефтяного газа проводилось в такой же последовательности.

3.2. Расчетные методы оценки реологических и фильтрационных характеристик аномальных пластовых нефтей

Исследование реологических свойств пластовых нефтей требует сложного оборудования и много времени. Менее трудоемки расчетные методы, разрабо­танные на основе опытных данных и позволяющие проследить за их изменением в зависимости от содержания в нефти структурообразующих компонентов, тем­пературы и давления.

Для расчета реологических и фильтрационных характеристик нефтей необ­ходимо иметь следующие исходные данные:

Содержание асфальтенов (А) и силикагелевых смол (С) нефти после ее стабилизации в течение двух часов при температуре 50 °С, % масс.

Вязкость нефти с предельно разрушенной структурой (ц_т), сП (она изме­ряется с помощью вискозиметра высокого давления типа ВВДУ на установках конструкции УИПН или АСМ).

Количество и состав растворенного в пластовой нефти газа. По сум­марному газовому фактору и составу газа вычисляется насыщенность нефти азо­том (Г_а), метаном (Г_м) и этаном (Г_э), нм³/м³. Изучение состава газа производится на хроматографе, а газовый фактор определяется общепринятым способом.

Коэффициент светопоглощения (Ксп) нефти, см"¹. Он измеряется на фо-тоэлектроколориметре типа ФЭК.

Значения пластовой температуры (t °C) и давления (Р), при которых не­обходимо определить параметры аномальных свойств нефтей.

Сведения о коэффициентах абсолютной проницаемости (К_а) или нефте-проницаемости (К_н) песчаников.

В литературе излагается последовательность расчета реологических и фильтрационных параметров по методике, разработанной для нефтей карбона Башкирии и Татарии.