Исследование реологических свойств нефти

Вязкость образцов нефти измеряется в диапазоне скоростей сдвига от 1,384 до 354,1 с-1 при температурах 20, 30, 40, 50, 60 и 70о С. Исследования проведены с двумя образцами высоковязкой нефти и с одним образцом высоковязкой нефти, модифицированной углеводородным растворителем в соотношении 1:20; 1:10 и 1:5.

Полученные результаты в основном с помощью вискозиметра «Полимер-РПЭ-1М», представлены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что вязкость нефти в диапазоне скорости сдвига 0÷50 с-1 существенно зависит от скорости сдвига. При скорости сдвига более 50 с-1 кривые зависимости вязкости от скорости сдвига выходят на плато, т. е. вязкость выходит на постоянное значение.

После соответствующей обработки были получены зависимости вязкости нефти от температуры и зависимости вязкости нефти от концентрации углеводородного растворителя в образце № 2 . Получены расчетные кривые течения образцов нефти, которые позволяют судить о том, что представленные на исследование образцы можно отнести к неньютоновским жидкостям, а предельное напряжение сдвига для них составляет около 1 Па.

Анализ полученных данных показывает, что вязкость исследованных образцов нефти уменьшается с повышением температуры от 20о С до 70о С в 4–5 раз. При этом с повышением температуры до 50о С и выше интенсивность изменения вязкости падает.

Модификация нефти углеводородным растворителем оказывает существенное воздействие на вязкость при температурах ниже 50о С, уменьшая вязкость при этом до 5 раз.

Образцы нефти № 3 и № 4, которые имели более высокую вязкость по сравнению с предыдущими образцами, исследовались с помощью реометра RHEOLAB MC1 в диапазоне скоростей сдвига 1–100 с-1. Полученные данные представлены в табл. 2. Анализ полученных данных показывает, что по зависимости вязкости от градиента скорости сдвига эти образцы, также как и образцы № 1 и № 2, можно отнести к неньютоновским жидкостям. В данном случае образец № 4 в отличие от остальных имеет более выраженные свойства зависимости вязкости от градиента скорости сдвига. На образцах № 3 и № 4 прослеживаются те же закономерности изменения вязкости при изменении температуры и концентрации растворителя, что и в предыдущих образцах.

На втором этапе проведены исследования зависимости вязкости нефти от гидростатического давления и температуры на установке для исследования реологических свойств нефти при повышенном давлении. Исследования проводились с образцами нефти № 2 и № 3 при вариации давления от 1,5 до 10 МПа. Температура при этом изменялась от 20 до 50о С. Вязкость определена в основном в диапазоне скоростей сдвига 5–20 с-1, близком к соответствующему диапазону откачки нефти при добыче.

Полученные данные представлены в табл. 3 и на рис. 3–6. Анализ полученных данных показывает, что вязкость исследованных образцов нефти зависит от давления, увеличиваясь в исследуемом интервале давлений в 1,25–2,2 раза с увеличением давления, по сравнению с результатами, полученными при атмосферном давлении. При этом более выраженная зависимость вязкости от давления характерна для образцов модифицированных растворителем, что необходимо учитывать при оценке эффективности изменения вязкости с помощью растворителей для высоковязкой нефти, извлекаемой из большой глубины.

Следует отметить, что результаты по вязкости нефти, полученные с помощью реометра RHEOLAB MC1 и установки для исследования реологических свойств нефти при повышенном давлении имеют вполне близкие значения в сопоставимом диапазоне скоростей сдвига. Поэтому для определения вязкости при давлениях до 1 МПа более удобно использовать ротационные вискозиметры, а при давлениях порядка 10 Мпа необходимо использовать методы, обеспечивающие определение вязкости при повышенном давлении.

 

Таблица 1. Зависимость вязкости образцов нефти от температуры и скорости сдвига(вискозиметр «Полимер-РПЭ-1М»)

 

Таблица 2. Зависимость вязкости образцов нефти от температуры и скорости сдвига (реометр RHEOLAB MC1)

 

Таблица 3. Зависимость вязкости образцов нефти от температуры и давления (установка для исследования реологических свойств нефти при повышенном давлении)

 

 

 

Расчет гидродинамических процессов, соответствующих подъему высоковязкой модифицированной нефти из пластовых условий на поверхность. Для расчета дебита скважины необходимо использовать уравнение Пуазейля с учетом гравитации:

где rт – радиус трубы; Р – гидростатическое давление; ρн – плотность нефти, g – ускорение свободного падения; η(Т, Р) – динамическая вязкость нефти, как функция температуры Т и гидростатического давления P; Х – вертикальная координата, отсчитываемая от устья скважины в глубину.

Вследствие зависимости вязкости от давления и температуры распределение давления по глубине будет нелинейным, и для расчета градиента давления необходимо найти Р как функцию глубины. Для этого выразим градиент Р через параметры, входящие в уравнение (4):

Распределение давления по глубине можно получить, интегрируя уравнение (2) при граничных условиях, определяемых значением гидростатического давления в устье и в забое скважины, которые формулируются следующим образом:

где Ро – давление на поверхности; Рзб – давление в забое скважины; hск – глубина скважины.

Функцию динамической вязкости с учетом полученных экспериментально зависимостей вязкости от температуры и давления можно представить в виде

где Тст – стандартная температура (+20о С); а1, а2, ар – эмпирические коэффициенты.

С учетом линейного распределения температуры по глубине, зависимости температуры от координаты можно выразить уравнением

где То – температура на поверхности грунта; Тзб – температура на забое скважины.

В итоге вязкость можно представить как функцию координаты и давления

Зависимость вязкости от координаты и давления не позволяет получить аналитическое решение уравнения (2), и поэтому расчет распределения гидростатического давления по глубине и дебит скважины необходимо проводить численным методом. С этой целью разработаны расчетная схема, алгоритм, которые реализованы в прикладной программе в среде программирования Delphi.

Расчет проводится в такой последовательности. Вначале задается первое приближение Qскв по формуле

Затем выполняется цикл вычислений значений Р в узловых точках координатной сетки Х:

После выполнения цикла проводится сравнение РМ с давлением Рзб. Если |РМ – Рзб| > 0,001 Рзб, то проводится коррекция Qскв по формуле

После этого программа возвращается на начало цикла, и процедура вычислений повторяется до тех пор, пока разность давлений РМ и Рзб не станет меньше 0,001 Рзб. При достижении необходимой величины разности расчетного и действительного давления на забое скважины выводится величина дебита скважины и график распределения давления и вязкости по глубине.

Для ввода исходных параметров: давления в устье и забое скважины, глубины скважины, радиуса трубы, параметров вязкости, температуры в устье забоя скважины, шага координатной сетки и вывода дебита скважины, а также распределения давления и вязкости по глубине, разработан пользовательский интерфейс. На рис. 11 представлено окно пользовательского интерфейса.

Разработанная методика численного расчета позволяет оптимизировать режимы подъема высоковязкой нефти из пластовых условий на поверхность.

 

Для реализации задач по исследованию реологических параметров нефти при различном насыщении ее газом и гидростатических давлениях до 10 МПа, а также при варьировании в широких пределах скорости сдвига разработана принципиально новая установка. Она позволяет определять реологические параметры нефти в условиях, соответствующих пластовым давлениям и режимам откачки.

На установке проведены исследования реологических свойств нефти при повышенном давлении. Установлено, что вязкость образцов нефти зависит от давления, увеличиваясь в исследуемым интервале давлений в 1,25–2,2 раза с увеличением давления, по сравнению с результатами, полученными при атмосферном давлении. При этом более выраженная зависимость вязкости от давления характерна для образцов, модифицированных растворителем.

Разработана методика численного расчета, позволяющая оптимизировать режимы подъема высоковязкой нефти из пластовых условий на поверхность.

 

Список используемой литературы

 

1. Агаев С.Г., Мозырев А.Г., Халин А.Н. Влияние асфальтосмолистых веществ а процесспарафинизации при добыче нефти//Известия вузов. Нефть и газ.-1997.-№6.-С.16-17.

2. Банатов В.В. Вопросы улучшения реологических свойств высоковязких нефтей долинского месторождения//! 11 научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов:Тез.докл.-Киев.-1976.-С.53-54.

3. Богданов А.И. и др. Химия нефти и газа.-Jl. Химия, 1989.-424с.

4. Пергушев JI. П. Исследование вязкости сырых нефтей//Нефтяное хозяйство.-1999.-№3,-

5. Сюняев З.И., Сюняев Р.З., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсные системы.-М.:Химия, 1990.-226 с.

6. Тхык Ф. Д., Шон Т. К. Исследование реологии газонасыщенных нефтей. „Проблемы гидродинамики, надежности и прочности в современном трубопроводном транспорте." Уфа: Баш. Кн. Изд-во, 1997.