Влияние вязкости нефти на разработку месторождений

Нефть и нефтяной газ – это смесь углеводородов (соединений углерода с водородом). Известно множество соединений углерода с водородом, различающихся характером сцепления атомов углерода и водорода и их числом в молекуле. В зависимости от этого одни углеводороды при нормальных условиях (760 мм.рт.ст. и t=) находятся в газообразном состоянии (природный и нефтяной газы), другие в жидком (нефть) и имеются углеводороды, которые находятся в твердом состоянии (парафины, содержащиеся почти во всех нефтях). В среднем в нефти содержится 82-87% углерода (С), 11-14% водорода (Н) и 0.4-1.0% примесей – соединений, содержащих кислород, азот, серу, асфальтовые и смолистые вещества.

При подогреве нефти в зависимости  от температуры из нее вначале  испаряются самые легкие – бензиновые фракции, затем более тяжелые  – керосиновые, соляровые и т.д. Считают, что фракции нефти, кипящие  в интервалах 40-200С – бензиновые, 150-3000С – керосиновые, 300-4000С –  соляровые, при 4000С и выше – масляные.

По  содержанию смолистых веществ нефти  подразделяют на три группы: малосмолистые  – содержание смол не более 18%

смолистые – содержание смол от 18 до 35%

высокосмолистые – содержание смол более 35%

По  содержанию парафина нефти делятся  также на три группы:

беспарафинистые – содержание парафина до 1%

слабопарафинистые – содержание парафина от 1 до 2%

парафинистые – содержание парафина более 2%

Содержание  в нефти большого количества смолистых  и парафинистых соединений делает ее вязкой и малоподвижной, что вызывает необходимость проведения особых мероприятий для извлечения ее на поверхность и последующей транспортировки.

По  содержанию серы нефти подразделяются на:

малосернистые – содержание серы до 0.5%

сернистые – содержание серы от 0.5 до 2.0%

высокосернистые – содержание серы более 2.0%

Содержание  в нефтях сернистых соединений ухудшает их качество, вызывает осложнения в добыче нефти.

О качестве нефти в промысловой  практике ориентировочно судят по ее плотности. Плотность характеризуется массой, приходящейся на единицу объема. Плотность нефти при нормальных условиях колеблется от 700 (газовый конденсат) до 980 и даже 1000 кг/м3. Легкие нефти с плотностью до 880 кг/м3 наиболее ценные, т.к. обычно в них содержится больше бензиновых и масляных фракций.

Важнейшее физическое свойство любой жидкости, в том числе и нефти – вязкость, т.е. свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц при движении. Различают динамическую и кинематическую вязкости.

За  единицу динамической вязкости принимается вязкость такой жидкости, при движении которой возникает сила внутреннего трения в 1Н 9Ньютон) на площади 1 м2 между слоями, движущимися на расстоянии 1 м с относительной скоростью 1м/сек.

Разномерность динамической вязкости: [m]=Па.с. (Паскаль-секунда).

Вязкость  пластовых жидкостей, в том числе  и нефти, обычно намного ниже 1 Па.с. В промысловой практике для удобства принято пользоваться единицей вязкости в 1000 раз меньшей мПа.с (миллипаскаль.секунда). так, вязкость пресной воды при температуре +200С составляет 1мПа.с. Вязкость нефтей добываемых в России в зависимости от характеристики и температуры изменяется от 1 до нескольких десятков мПа.с (0.1-0.2 Па.с) и более.

Кинематическая вязкость нефти - отношение динамической вязкости к плотности, измеряется в м2/с. Иногда для оценки качества нефти и нефтепродуктов пользуются относительной (условной) вязкостью, показывающей во сколько раз вязкость данной жидкости больше или меньше вязкости воды при определенной температуре. Измерение проводят обычно путем сравнения времени истекания из отверстия вискозиметра Энглера равных объемов исследуемой жидкости и воды. Результаты определений выражают в градусах условной вязкости оВYt, где индекс t указывает температуру измерения.

За  число градусов условной вязкости при  данной температуре принимают отношение  времени истечения из вискозиметра Энглера 200 см3 испытуемой жидкости ко времени истечения 200 см3 воды из того же прибора при температуре 200С.

С повышением температуры вязкость нефти (как и любой другой жидкости) уменьшается. С увеличением количества растворенного газа в нефти вязкость нефти также значительно уменьшается.

На  нефтяных месторождениях обычно наблюдается  увеличение температуры с глубиной. Кроме того, в нефти, как правило, всегда содержится определенное количество растворенного газа. Поэтому вязкость нефти в пластовых условиях всегда меньше, чем вязкость на поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Вязкость

Вязкостью называется свойство жидкостей  и газов оказывать сопротивление  перемещению одной их части относительно другой. Для характеристики нефтепродуктов используются показатели кинематической, динамической и условной вязкости. Единицы кинематической (ν) и динамической (m) вязкости охарактеризованы в приложении. Условная вязкость измеряется в градусах ВУ (если испытание проводится в стандартном вискозиметре по ГОСТ 6258-85), секундах Сейболта и секундах Редвуда (если испытание проводится на вискозиметрах Сейболта и Редвуда). Соотношение между различными единицами динамической и кинематической вязкости приведено в табл.

Для расчета вязкости индивидуальных углеводородных газов применяется  формула m = Т(6,6-2,25 lg М)·10^-8, где ì - динамическая вязкость, Па·с; Т- температура, К; М – молекулярная масса.

Вязкость газов и жидкостей  зависит от температуры. Зависимость  между температурой нефтепродукта  и его вязкостью описывается  формулой Вальтера:

lg (n_t + 0,8)=A-BlgT, где (n_t – вязкость, сСт; Т – температура, К; А и В – константы, которые определяются, если известны значения вязкости при двух различных температурах.

Для расчета кинематической вязкости нефтепродуктов í₂₀ и í₅₀, сСт, предложены эмпирические формулы:

• для дизельных фракций, у которых плотность r²⁰₄=0,77 – 0,90,

ln(₂₀ + 0,5) = 14,83r²⁰₄ - 12,035;

2) для керосина ln(í₅₀ + 0,35) = 17,25r²⁰₄ - 14,535.

Для определения вязкости нефтепродуктов при различных температурах можно  использовать номограммы, составленных Г.В.Виноградовым по формуле Вальтера. При пользовании этой номограммой  прямыми линиями соединяют попарно  точки, соответствующие значениям  вязкости при трех известных температур с точками этих температур. Проведенные  линии либо пересекаются в одной  точке (фигуративная точка) или образуют треугольник (в этом случае фигуративной точкой служит центр тяжести треугольника). Если затем требуется определить вязкость при какой-либо другой температуре, то проводят прямую линию через точку, соответствующую заданной температуре, и фигуративную точку до пересечения со шкалой вязкости. Если требуется определить температуру, при которой продукт будет иметь заданную вязкость, то проводят прямую линию от точки на шкале вязкости через фигуративную точку до шкалы температур.

Вязкость нефтепродуктов не является аддитивным свойством. Для расчета  вязкости смесей предложены различные  формулы и номограммы. Номограмма Г.В. Виноградова, составленна на основе формулы

lg (í_см + 0,8)=(1-q/100) lg (í_A + 0,8) – q/100) lg (í_B + 0,8),

где q – содержание высоковязкого продукта; í_A<í_B

Пример. Даны вязкости двух продуктов при одной и той же температуре (5 и 15 сСт). Требуется найти вязкость смеси, в которой содержится 60% более вязкого продукта. Соединяют точку 5 сСт левой шкалы с точкой 0%, а точку 15 сСт – с точкой 100%. Затем соединяют точку пересечения двух прямых с точкой 60% и продолжают прямую линию до шкалы вязкостей, получая на последней ответ: 9,2 сСт.

Таблица

Переводные множители для расчета  вязкости

Кинематическая вязкость ν 

Единицы	мм2/с  (сСт)	см2/с  (Ст)	м2/с	м2/ч
мм2/с (сСт)	1	10-2	10-6	3,6·10-3
см2/с (Ст)	102	1	10-4	0,36
м2/с	106	104	1	3,6·103
м2/ч	2,78·102	2,78	2,78·10-4	1

Динамическая вязкоcть μ

Единицы	Микро-пуаз  (мкП)	Санти-пуаз   (сП)	Пуаз [г/(см·с)]	кг/(м·с)	кг/(м·ч)	кг·с/м2	Па·с
Микропуаз  (мкП)	1	10-4	l0-6	10-7	3,6·10-4	1,02·10-8	10-7
Сантипуаз  (сП)	104	1	10-2	10-3	3,6	1,02·10-4	10-3
Пуаз [г/(см·с)]	l06	102	1	10-1	3,6·102	1,02·10-2	10-1
Па·с[кг/(м·с)]	107	103	10	1	3,6·103	1,02·10-1	1
кг/(м·ч)	2,78·103	2,78·10-1	2,78·10-3	2,78·10-4	1	2,84·10-3	2,78·10-4
кг·с/м2	9,81·107	9,81·103	9,81·102	9,81	3,53·104	1	9,81

 

 

 

 

3. 4.2. Вязкость нефти

Вязкость – важнейшее технологическое свойство нефтяной системы. Величина вязкости учитывается при оценке скорости фильтрации в пласте, при выборе типа вытесняющего агента, при расчете мощности насоса добычи нефти и др.

Нефть – неидеальная  система.

С точки зрения химии углеводороды и гетероатомные соединения взаимодействуют  друг с другом, за счет физического, Ван-дер-Ваальсов-ского взаимодействия – кулоновское, диполь-дипольное, ориентационное, индукционное, дисперсионное.

С точки зрения математики все наблюдаемые макропараметры нефтяных систем нельзя рассчитывать по принципу аддитивности. Параметр вязкость наиболее тесно отражает эти взаимодействия и коррелирует со степенью их проявления.

Вязкость (абсолютная, динамическая) характеризует силу трения (внутреннего сопротивления), возникающую между двумя смежными слоями внутри жидкости или газа на единицу поверхности при их взаимном перемещении (рис. 4.2).

Динамическая  вязкость определяется по уравнению Ньютона:

, (4.6)

где А – площадь перемещающихся слоёв жидкости или газа (рис. 4.2);

F – сила, требующаяся  для поддержания разницы скоростей  движения между слоями на величину  dv;

dy – расстояние между движущимися слоями жидкости (газа);

dv – разность скоростей движущихся слоёв жидкости (газа).

μ – коэффициент пропорциональности, абсолютная, динамическая вязкость.

Рис. 4.2. Движение двух слоёв  жидкости относительно друг друга

Размерность динамической вязкости определяется из уравнения Ньютона:

- система СИ – [Па×с, мПа×с];

- система СГС – [пуаз (пз), сантипуз (спз)] = [г/ (см×с)].

С вязкостью связан параметр – текучесть (j) – величина обратная вязкости:

. (4.7)

Кроме динамической вязкости для расчётов используют также параметр кинематическую вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой с учётом силы тяжести.

. (4.8)

Единицы измерения кинематической вязкости:

– система СИ – [м²/с, мм²/с];

– система СГС – [стокс (ст), сантистокс (сст)]; 1сст =1·10^-4 м²/с.

Вязкость сепарированной нефти с возрастанием температуры уменьшается, а с возрастанием давления увеличивается.

С увеличением молекулярного  веса фракции, температурного интервала  выкипания фракции, плотности величина вязкости возрастает .

Вязкость нефти уменьшается  с повышением количества углеводородного  газа растворенного в ней, и тем  больше, чем выше молекулярная масса  газа (рис. 4.3).