авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Экспериментальное исследование капиллярных явлений при смешивающемся вытеснении нефти

-- [ Страница 2 ] --

В третьей главе приводятся результаты исследования поверхностных явлений на границе различных фаз. Изучено многокомпонентное равновесие в системе «газ – нефть» при фазовых переходах первого рода, влияние поверхностной энергии на границе жидкости с другими фазами на капиллярные явления при вытеснении нефти.

При фазовом переходе 1-го рода превращение одной фазы в другую требует перестройки системы и преодоления барьера энергетически невыгодных промежуточных состояний (испарения и конденсации).

По результатам исследований установлено, что основными факторами, определяющими форму фазовой диаграммы, линий давления начала конденсации, а также линий максимального количества выпавшей жидкой фазы, являются:

- количество растворенной в смеси жидкой фазы – конденсата, нефти;

- состав конденсата или нефти и их плотности и др.

Поверхностная энергия жидкости зависит не только от свойств са­мой жидкости, но и от свойств среды, с которой жидкость граничит. Когда жидкость граничит с другой жидкостью или с твердым телом или с газом под большим (несколько сот атмосфер) дав­лением, плотности веществ сравнимы между собой и поэтому нельзя пре­небрегать взаимодействием частиц жидкости с частицами соприкасаю­щейся среды. Значения коэффициентов поверх­ностного натяжения жидкости, граничащей со своим паром и с другим более плотным веществом, значительно различаются между собой. По­этому, определяя коэффициент поверхностного натяжения, необходимо учитывать свойства фаз по обе стороны от границы раздела.

В главе рассмотрены параметры, определяющие процессы, происходящие на контакте между двумя контактируемыми фа­зами: краевой угол смачивания, коэффициент поверхностного натяжения, поверхностная энергия жидкости. Смачивание жидкостью поверхности твердых тел характеризуется величиной равновесного краевого угла смачивания 0, который определяется в точке пересечения продолжения профиля невозмущенной поверхности си­лами объемной жидкости с подложкой.

Дерягин Б.В. показал, что объемная жидкость может обра­зовывать конечные краевые углы смачивания с полимолекулярными пленками, которые могут рассматриваться как прослойка жидкой фазы, находящей­ся в силовом поле межфазных поверхностей, между которыми она заклю­чена. Им предложено использовать для описания условий такого равновесия понятие натяжения плёнки f, эквивалентное sv и зависящее от её толщины h: . Это уравнение позволяет рассчитывать значение коэффициента поверхностного натяжения на границе вытесняемого и вытесняющего фаз путем измерения равновесных крае­вых углов смачивания 0, характеризующих осо­бенности взаимодействия данной жидкости с твердой подложкой. Определяют величину разности удельных меж­фазных энергий подложки, радиуса кривизны мениска между вытесняемой и вытесняющей фазами.

В следующей главе с использованием вышеизложенного на основе большого объема экспериментальных исследований изучены капиллярные явления в модели единичной поры продуктивного пласта с учетом реологических свойств пленочно-удержанной нефти.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию движения двухфазных жидкостей в модели единичной поры пласта. Усовершенствована методика проведения экспериментальных исследований на капиллярной установке. Изучены неравновесные эффекты в различных системах вытесняемого и вытесняющего агентов. Исследованы процессы фазового перехода первого рода в остаточной пленочной нефти. Усовершенствована методика цифровой обработки изображений в оптической микроскопии.

На основе экспериментальных исследований на капиллярной установке подтверждены теоретические предпосылки, а также обнаружены дополнительные, ранее неустановленные эффекты вытеснения нефти углеводородными газами.

Экспериментальное исследование изменения угла смачивания различных систем в зависимости от давления проводилось в кварцевом капилляре диаметром 100 мкм при постепенном повышении давления от 1 до 23 МПа. В экспериментах использовались различные модели нефти, пластовая нефть Арланского месторождения и природный газ Метелинского месторождения Республики Башкортостан. Повышали давление и наблюдали за изменением краевого угла смачивания через микроскоп, а также на экране телевизора через установленную на микроскопе цифровую видеокамеру. В результате анализа исследований установили, что с повышением давления уменьшаются радиус кривизны и краевой угол смачивания.

Экспериментальные исследования на капиллярной установке с использованием как моделей нефти (гексан, гептан), так и нефти Арланского месторождения подтверждают теоретические предпосылки зависимости краевого угла смачивания и радиуса кривизны мениска от поверхностного натяжения и давления для эталонных жидкостей (гексан, гептан):

– с увеличением краевого угла смачивания поверхностное натяжение уменьшается;

– с увеличением давления в системе краевой угол смачивания уменьшается.

Экспериментальные исследования по изучению структуры массопереноса двухфазных смесей в продуктивной пористой среде нефтяного месторождения проводили с использованием как модели нефти, так и с реальными нефтями. В качестве вытесняющего агента служил углеводородный газ Метелинского месторождения. Исследования проводили на капиллярной установке при давлениях от 15 до 30 МПа и температуре залежи используемой нефти (рисунок 6).

Рисунок 6 Процесс массопереноса двухфазных смесей в модели единичной поры пласта

В работе проведен анализ процесса массопереноса с помощью усовершенствованной программы 3d Image, созданной в Башгосуниверситете, с учетом специфики реализации цифровой обработки двумерных цветных изображений в оптических микроскопах на примере модели нефти и углеводородного газа.

Программа имеет полный набор стандартных средств для статистического анализа яркостных профилей выделенных строк изображения. Кроме этого, в программу введены такие функции, как построение трехмерного изображения и раздельный анализ цветовых компонент исходного изображения.

Изображение записывалось в виде растровых телевизионных изображений и обрабатывалось в цифровой форме в компьютере.

Основными характеристиками программы являются профиль яркости растровых изображений, спектральная плотность, автокорреляционная функция, а также представление яркостного профиля строки в псевдофазовой плоскости. На рисунке 7 в качестве анализируемых характеристик используется одномерная функция распределения профилей трехмерных изображений процесса массопереноса двухфазных смесей в капиллярной модели, сопоставительные характеристики которых представлены четырьмя последовательными строками через каждые десять строк по поперечному сечению капилляра диаметром 100 мкм.

Рисунок 7 Функция распределения профилей, усредненная по четырем строкам

Рисунок 8 Автокорреляционная функция профилей, усредненная по четырем строкам

Рисунок 9 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), усредненная по четырем строкам

Рисунок 10 Динамические характеристики профилей четырех строк
на псевдофазовой плоскости

На рисунке 8 представлены автокорреляционные функции профилей, усредненных по четырем последовательным строкам, которые могут выявлять скрытые периодичности изменения концентрации компонент двухфазного потока.

Как видно из анализа рисунка 8, немонотонный спад с последующим ростом автокорреляционной функции свидетельствует о наличии регулярностей в изменении профиля. Амплитудно-частотные характеристики также позволяют анализировать регулярность повторения профиля.

Амплитудно-частотные характеристики на рисунке 9 с большим количеством пиков показывают, что в данном эксперименте наблюдаются конкретные регулярности изменения профиля. Одновременно исследовались и фазово-частотные характеристики по анализируемому эксперименту, которые представлены на рисунке 10.

В связи с тем, что при дифференцировании экспериментальных данных возможны допущения больших погрешностей, здесь мы анализируем псевдофазовые плоскости профилей строк.

Если сопоставить соответствующие рисунки в одних и тех же строках по профилю яркости и фазовой плоскости, например рисунки 10 и 11, то видно, что профили яркости совпадают, а по фазовым траекториям тех же строк обнаруживается их различие. Маркер в программе 3d Image позволяет в фазовой траектории найти соответствующую точку в трехмерном и экспериментальном изображениях.

Рисунок 11 Яркостные профили четырех строк

В связи с необходимостью получения яркостного профиля четырех последовательных строк по истечении определенного времени контакта фаз и одномерной функции распределения яркостного профиля в работе представлены фотографии и рисунки на примере модели нефти и углеводородного газа, которые дают возможность более детального изучения физических явлений на контакте вытесняемого и вытесняющего агентов между остаточной пленочной жидкостью и вытесняющим агентом с учетом напряжения сдвига в начальный момент времени. Многочисленные опыты показали, что для изучения реологических характеристик нефти и систем, применяемых при нефтедобыче, необходимо выдержать систему как минимум 48 часов для установления адсорбционных процессов. В приведенных опытах кварцевый капилляр использовался как модель терригенных пород. Исследования показывают, что определяющим фактором поведения исследуемой системы является время релаксации (или модуль сдвиговой упругости). Поэтому для установления некоторого равновесия между контактируемыми фазами визуальное наблюдение начали через 48 часов после контакта, посчитав, что этого времени в модели единичной поры пласта является достаточно для изучения поведения бингамовской среды в терригенных пластах. Измерения диффузионной длины в остаточной пленочной нефти проводились видео- и фотосъемкой. При первоначальном контакте фаз визуально не наблюдается проявление эффекта нормального напряжения сдвига. При повышении давления в системе на изображении контакта фаз проявляется остаточная пленочная жидкость (рисунок 12).

Рисунок 12 Изменение диффузионной длины в остаточной пленочной нефти

В результате исследования механизма вытеснения остаточной пленочной нефти с учетом продолжительности контакта жидкой и газообразных фаз установлены минимальное и максимальное значения коэффициентов молекулярной диффузии компонентов жидкой фазы в газовую, которые в последствии увлекаются потоком в ядре поры нефтенасыщенного пласта: Dmin = 2,3 · 10-9 м2/c;
Dmax = 4,0 · 10-9 м2/c, что хорошо согласуется с ранее полученными результатами. Максимальное и минимальное значения коэффициентов молекулярной диффузии Dmax и Dmin рассчитаны из соображения пропорциональности диффузионной длины (L) и коэффициента диффузии (D1/2):

,

где – время релаксации в изображении яркостного профиля.

На рисунках 6 12 яркостные профили строк приводятся для 10-ого,
12-ого и 14-ого слоев при условии, что 100-микронный диаметр капилляра делится на 15 равных по ширине слоев. В то же время каждый слой поделен на 6 равных по ширине строк для детальной обработки результатов исследования по программе 3d Image. Для сравнительного анализа рассмотрим яркостные профили аналогичных четырех последовательных строк в начале исследования и по истечении определенного времени: через 1 минуту после создания высокого давления в системе (17 МПа) и 28 минут.

Для более тонкого анализа в каждом слое одновременно рассматриваются профили яркости четырех последовательных строк. Вид кривых профилей яркости указывает на диффузионные явления от 10 до 14 слоев. В 10-ом слое преобладает капиллярная конденсация компонентов газовой фазы в жидкую и молекулярная диффузия. В 12-ом слое слева от контакта фаз диффузионные явления наблюдаются лишь за счет капиллярной конденсации компонентов газовой фазы в жидкую и молекулярной диффузии фаз друг в друга. Справа от контакта фаз яркостный профиль каждой из четырех строк резко отличается друг от друга, что объясняет послойное растворение пленочной нефти в вытесняющем агенте за счет преобладания молекулярной диффузии. Анализ результатов 13-ого слоя показывает распространение процесса молекулярной диффузии в зону вытесняемой жидкости до контакта между фазами. Вид яркостных профилей 14-ого слоя позволяет сделать заключение о том, что остаточная пленочная жидкость имеет поверхностную энергию, отличную от жидкости в ядре капилляра независимо от воздействия вытесняющего агента.

Анализ рисунков 6 12 демонстрирует бурный процесс диффузионных явлений в приграничной зоне.

Существование времени релаксации жидкости, определяющего характерные реологические эффекты при движении вязкоупругих систем, позволяет сделать заключение о действии нормальных напряжений, характеризующихся модулем сдвиговой упругости и скорости сдвига.

Те же самые рисунки показывают стабилизацию диффузионной длины, т.е. диффузия не бесконечна, имеются определенные силы, которые препятствуют диффузии.

При фильтрации неньютоновской нефти через образец пористой среды в зависимости от скорости фильтрации и созданного градиента давления изменя-ется коэффициент подвижности, равный отношению проницаемости породы к эффективной вязкости нефти. При малых скоростях фильтрации, что соответствует удаленным от скважины зонам пласта, нефть двигается практически с неразрушенной структурой. При этом ее подвижность имеет минимальное значение Пmin.

Таким образом, если провести аналогию с диффузионной теорией в полупроводниках, то силой, препятствующей диффузии, является градиент давления. Из закона Дарси следует:

,

где V – скорость движения жидкости, м/с; k – проницаемость пласта, м2; – вязкость нефти, мПас; Р – давление в системе, Па; П – подвижность нефти.

Как видно из рисунков 6 12, относительные вероятности изменения вязкости вытесняемой и вытесняющей фаз в переходной зоне увеличиваются вдвое. Вероятно, это связано с процессом образования смешивающейся переходной зоны за счет изменения вязкости на контакте между фазами и послойного изменения вязкости в остаточной пленочной жидкости. Это хорошо согласуется с результатами аналитического решения задачи в главе 2 (п. 2.1) о зависимости длины зоны смешения от отношения вязкостей вытесняемой и вытесняющей фаз, которые подтверждают наличие между жидкими частицами определенных силовых взаимодействий, обеспечивающих упругие свойства среды, а также способность жидкости сопротивляться сдвиговым деформациям. Чем меньше расстояние между жидкими частицами и выше их упаковка, тем больше сила взаимодействия между ними, тем большее усилие нужно приложить, чтобы сдвинуть их относительно друг друга. Это усилие при постоянной скорости деформации определяется коэффициентом вязкого трения.

Эксперименты показали хорошую сходимость результатов решения аналитической задачи о стабилизации диффузионной длины.

Основные выводы

1. В работе выполнен системный анализ отечественных и зарубежных исследований капиллярных явлений в пористой среде. Проанализированы известные исследования особенностей взаимодействия вытесняемого и вытесняющего агентов при фазовых переходах первого рода. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по уточнению механизма взаимодействия вытесняемого и вытесняющего агентов при смешивающемся вытеснении нефти в модели единичной поры продуктивного пласта.

2. Получены полуэмпирические формулы для расчета распределения концентрации газовой фазы в жидкой, изменения вязкости смеси нефти и газа в остаточной пленочной нефти и увеличения подвижности последней. Подтверждена зависимость диффузионной длины смешения от отношения вязкостей жидкой и газовой фаз. Чем больше эта величина, тем большее количество углеводородного газа потребуется для полного вытеснения остаточной пленочной нефти.

3. Получена зависимость, позволяющая, используя результаты экспериментальных исследований, рассчитать минимальное и максимальное значения капиллярного давления от 7 до 200 кПа и поверхностного натяжения между контактируемыми фазами от 0,17 до 1,32 Н/мм.

4. Установлено, что как угол смачивания, так и радиус кривизны границы раздела двух сред при смешивающемся вытеснении нефти уменьшаются в зависимости от поверхностного натяжения жидкости. При этом темп уменьшения краевого угла смачивания при монотонном повышении давления в системе неодинаков для гексана, гептана, и тем более для нефти. Схожесть темпов уменьшения краевого угла смачивания гептана и гексана объясняется незначительным различием их плотностей и влиянием вязкости на процесс формирования переходной зоны.

5. Использование методики цифровой микроскопии для анализа яркостного профиля строк позволило установить минимальное и максимальное значения коэффициентов молекулярной диффузии компонентов жидкой фазы в газовую, которые в последствии увлекаются потоком в ядре поры нефтенасыщенного пласта: Dmin = 2,3 · 10-9 м2/c; Dmax = 4,0 · 10-9 м2/c, что хорошо согласуется с результатами аналитического расчета.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.