Физика нефтяного и газового пласта. Лекция

Структура курса ФНГП
13
13
11
1
1

Основная литература
Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта. - М., Недра, 1982.
Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта. М., Недра,1971.
Котяхов Ф.И. Физика нефтяных и газовых коллекторов. -М., Недра, 1977.
Ханин А.А. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение. - М., Недра, 1969.
Ханин А.А. Петрофизика нефтяных и газовых пластов. - М., Недра, 1976.
Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред.- М., Недра, 1984.
Мирзажданзаде А.Х., Аметов И.М., Ковалев А.Г. Физика нефтяного и газового пласта. - М., Недра, 1992.
Кобранова В.Н. Петрофизика. - М., Высшая школа, 1986.
Вахромеев Г.С. и др. Петрофизика. -М., Высшее Образование, 1997.
Дж.Амикс Физика нефтяного пласта. - М., Недра, 1962.
Пирсон С.Д. Учение о нефтяном пласте. -И.Л.,1961.
Желтов Ю.П. Механика нефтегазового пласта. -М, Недра, 1975.

Дополнительная литература
Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред.-М.,1970.
Ермилов О.М. и др. Физика пласта, добыча и подземное хранение газа. - М., Недра, 1996.
Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. - М., Недра, 1985.
Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. -М., Наука, 1976.
Сафиева Р.З. Физикохимия нефти. – М.: Химия, 1998. – 448с.
Герасимов и др. Курс физической химии, т.1. – М., Химия, 1969. –502с.

Базовые представления ФНГП
Цель ФНГП:
Изучение физико-химических свойств пластовых жидкостей и природных газов и их взаимодействие с коллекторами различного происхождения
Основные научные и практические задачи ФНГП:
Установление физических, физико-технологических параметров, необходимых для расчета извлечения нефти и газа;
Оценка эффективности методов воздействия на пласт;
Изучение методов контроля за состоянием и динамикой нефтегазового пласта в процессе извлечения углеводородов.

Базовые представления ФНГП

Базовые представления ФНГП
Примеры использования ФНГП при решении задач разработки нефтяных и газовых месторождений
Для рациональной разработки нефтегазовой залежи необходимо:
знать абсолютные и промышленные запасы нефти и газа залежи;
Размеры залежи?
Пористость?
Водонасыщенность коллектора?
Объемные коэффициенты нефти и газа в пластовых условиях?
установить темп извлечения запасов;
выбрать систему разработки.
максимальные коэффициенты нефтеотдачи и газоотдачи коллектора с учетом различной интенсивности отбора нефти и газа из залежи?
Давление?
Температура?
Давление насыщения нефти газом?
Изменение свойств флюидов при изменении термобарических параметров?

Классификация нефтегазовых залежей
По исходному фазовому состоянию пластовых смесей залежи делятся на одно- и двухфазные
В однофазных залежах содержатся либо только сухой газ (газовая залежь), либо газоконденсатная смесь (газоконденсатная залежь), либо пластовая нефть (нефтяная залежь).
В двухфазных залежах могут одновременно находиться газоконденсатная смесь и нефть. Обычно газоконденсатная смесь образует «газовую шапку» над нефтяной частью залежи.
Термодинамическая система называется гетерогенной, если она состоит из отдельных частей, разграниченных поверхностями раздела.
Причем, при переходе через поверхность раздела хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяется скачкообразно. (влажный пар и тающий лед).
Термодинамическая система называется гомогенной, если внутри ее нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга макроскопические части системы, различающиеся по своим свойствам и составу (смеси газов, жидкие и твердые растворы).
Фазой называется гомогенная часть гетерогенной термодинамической системы, ограниченная поверхностью раздела.
Нельзя путать и отождествлять агрегатные состояния с фазами. В то время как агрегатных состояний всего четыре - твердое, жидкое, газообразное и плазменное, фаз - неограниченное число. В многофазной системе различные фазы могут находиться как в разных агрегатных состояниях, так и в одинаковых (например, нефть и вода).
Компонентами термодинамической системы называются различные индивидуальные вещества (каждое из которых состоит из одинаковых молекул).
Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа. А.И. Брусиловский. - М.: «Грааль», 2002 г., 575 с.

Классификация нефтегазовых залежей
Залежи выделяют:
нефтяные, содержащие только нефть, в различной степени насыщенную газом;
газонефтяные и нефтегазовые (двухфазные);
газовые, содержащие только газ;
газоконденсатные;
газоконденсатонефтяные и нефтегазоконденсатные: в первых – основная по объему нефтяная часть, а во вторых – газоконденсатная;
газогидратные, газ в которых содержится в твердом состоянии;
битумные: углеводороды находятся в твердом или малотекучем состоянии.
Газовый конденсат — смесь жидких углеводородов, конденсирующихся из природных газов.
В газонефтепромысловой литературе США залежи углеводородов по величине газоконденсатного фактора, плотности и цвету извлекаемых жидких углеводородов иногда условно подразделяют на газовые, газоконденсатные или газонефтяные.
Газоконденсатный фактор - отношение количества добытого газа (в м3 в нормальных условиях) к количеству извлеченного из него стабильного конденсата (в м3).
К газоконденсатным относят залежи, из которых добывают слабоокрашенные или бесцветные углеводородные жидкости с плотностью 740-780 кг/м3 с газоконденсатным фактором от 900 до 1100 м3/м3.
Газоконденсатный фактор жирных газов (богатых тяжелыми фракциями) составляет 10 000—18 000 м3/м3, а плотность конденсата меньше 740 кг/м3.

Классификация нефтегазовых залежей
а – нефтяные, б – газонефтяные, в – нефтегазовые,
г – газовые, д – газоконденсатнонефтяные,
е – нефтегазоконденсатные.
1 – нефть, 2 – газ, 3 – вода, 4 – газоконденсат

ФИЗИКА НЕФТЯНОГО И
ГАЗОВОГО ПЛАСТА
Моисеева Елена Флоридовна
Лекция 2

Лекция 2

При н.у. метан, этан, пропан, бутан (СH4-C4H10) находятся в газообразном состоянии. Остальные углеводороды, от пентана и выше (С5H12-C17H36) – в жидком
Пропан и бутан при повышении давления переходят в жидкое состояние
Химический состав природных газов

Химический состав природных газов

Мирзажданзаде А.Х., Аметов И.М., Ковалев А.Г. Физика нефтяного и газового пласта. - М., Недра, 1992
Химический состав природных газов

Состав и физические свойства газа
Потенциальное содержание конденсата
Конденсат – это бензиновый концентрат, направляемый на переработку, с более высоким выходом светлых жидких углеводородов по сравнению с нефтью.
Для характеристики количества растворенных в газоконденсатной смеси углеводородов группы С5+ применяют понятие «потенциальное содержание группы C5+». Если 1 моль газоконденсатной смеси при стандартных условиях занимает объем 0,02404 м3, потенциальное содержание С5+ рассчитывают по формуле:
Экономическая эффективность переработки конденсата:
1 т конденсата равноценна переработке 3-5 т нефти.

Состав и физические свойства газа
Потенциальное содержание конденсата

Плотность газов
Под плотностью или объемной массой тела понимают отношение массы тела в состоянии покоя к его объему. В качестве единиц измерения плотности в СИ принимают килограмм на кубический метр (кг/м3).
где 22,41 (м3) – объем одного кмоля газа.
Основные свойства природных газов

Плотность газов
За относительную плотность газа принимается число, показывающее, во сколько раз масса газа, заключенная в определенном объеме при данном давлении и температуре, больше или меньше массы сухого воздуха, заключенного в том же объеме при тех же условиях:
Относительная плотность воздуха равна 1; гелия – 0,14; азота – 0,97; углекислого газа – 0,52; сероводорода – 1,19; метана – 0,55; этана – 1,04; пропана – 1,52; бутана – 2.
Основные свойства природных газов

Плотность газов
Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта. - М., Недра, 1982
Основные свойства природных газов

Плотность газов
Плотность газов измеряют специальными газовыми пикнометрами или же эффузивным методом, который основан на измерении скорости истечения газов из малых отверстий
Основные свойства природных газов

Вязкость газов
Вязкостью называется свойство жидкостей и газов, характеризующее сопротивляемость скольжению или сдвигу одной их части относительно другой.
Вязкость УВ газа при н.у. не превышает 0,01спз (1пз = 0,1 Па·с).
Вязкость неуглеводородных компонентов (гелий, азот, углекислый газ, сероводород, воздух) изменяется от 0,01 до 0,025 сПз (0,01 до 0,025мПа·с).
Основные свойства природных газов

Вязкость газов
Вязкость на графике указана в мкПа‧с
Основные свойства природных газов

При содержании в природном газе более 5 об. % азота следует учитывать его влияние на вязкость газа по формуле:
Вязкость газов
Вязкость на графике указана в мкПа‧с
Для экспериментального определения вязкости газов при различных условиях разработано много методов.
Основные из них: капиллярный; метод измерения скорости падения шарика в исследуемом газе; методы вращения цилиндров и затухания вращательных колебаний диска, подвешенного в исследуемом газе.
Основные свойства природных газов

Аддитивность свойств
Например, плотность смеси идеальных газов при н.у.:
Основные свойства природных газов

Аддитивность свойств
Нефтяной газ – это смесь углеводородов, поэтому для оценки его физико-химических свойств необходимо знать, как выражается состав смеси.
Основные свойства природных газов

Аддитивность свойств
Основные свойства природных газов

Аддитивность свойств
Для смесей, состав которых выражен в мольных или объемных концентрациях молекулярная масса газовых и жидких смесей рассчитывается по формуле:
Для смесей, состав которых выражен в массовых процентах – по формуле:
Средняя плотность жидкой смеси в ρсм кг/м3 определяется по формуле:
Основные свойства природных газов

Аддитивность свойств
Средняя плотность жидкой смеси ρсм в кг/м3 определяется по формуле:
Также смеси идеальных газов характеризуются аддитивностью парциальных давлений и парциальных объемов, т.е. каждый газ в смеси идеальных ведет себя так, как если бы он в данном объеме был один.
Основные свойства природных газов

Парциальное давление
Парциальное давление компонента газовой смеси представляет собой то давление, которое он оказывает при удалении из объема, занимаемого смесью, остальных компонентов при неизменных первоначальных объеме и температуре.
Под парциальным объемом понимается объем, который имел бы данный компонент смеси газов, если бы из нее были удалены остальные компоненты при условии сохранения первоначального давления и температуры.
Аддитивность парциальных давлений выражается законом Дальтона:
Основные свойства природных газов

Парциальный объем
Аддитивность парциальных объемов компонентов газовой смеси выражается законом Амага:
Основные свойства природных газов

Диффузия газов
Диффузия газов определяется законом Фика (Адольф Фик – немецкий ученый установивший законы диффузии в 1855г.)
Коэффициенты взаимной диффузии газов (газ в газ): 10-4 – 10-5 м2/с.
Диффузия газов в жидкости: 10-9 –10-10 м2/с.
Основные свойства природных газов

Основные свойства природных газов
Теплоемкость
при постоянном давлении Ср ;
при постоянном объеме СV .
Для идеальных газов Ср-Cv= R, где R – газовая постоянная.

Основные свойства природных газов
Теплопроводность
Теплопроводность газов описывается законом Фурье:
Количество теплоты, проходящее через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К)

Основные свойства природных газов
Коэффициент Джоуля-Томсона
Дроссельный эффект или эффект Джоуля-Томсона:
Изменение температуры газа при его адиабатическом расширении (дросселировании).
Для газов эта величина обычно положительна имеет порядок 10°С/МПа.
Дросселирование – расширение газа при прохождении через дроссель – местное гидравлическое сопротивление, сопровождающееся изменением температуры.

Основные свойства природных газов
Коэффициент Джоуля-Томсона
Для реальных природных газов:
?
?
?
В большинстве случаев газ в процессе дросселирования охлаждается, а жидкость нагревается.

Основные свойства природных газов
Упругость насыщенных паров
АВ – участок соответствует неизменности давления в процессе конденсации паровой фазы в жидкую.
1 – 283, 2 – 293, 3 – 303, 4 – 313, 5 – 323
Зависимость давления пропана от объема и температуры (а) и кривая упругости насыщенных паров (б) Т, К:
Давление, при котором жидкость находится в равновесном состоянии с паром, называется упругостью насыщенных паров

Основные свойства природных газов
Упругость насыщенных паров
Упругость паров жидкой смеси по закону Рауля зависит от упругости паров отдельных компонентов при данной температуре и от молярных концентраций.
Сумма парциальных давлений всех компонентов равна общему давлению над смесью или упругости паров жидкой смеси, т.е.:

ФИЗИКА НЕФТЯНОГО И
ГАЗОВОГО ПЛАСТА
Моисеева Елена Флоридовна
Лекция 3

Лекция 3

Уравнение состояния природных газов
Идеальный газ
Уравнение состояния - аналитическая зависимость между параметрами, описывающими изменение простого или сложного вещества.
Основные параметры:
P
V
T
Уравнение состояние идеального газа (УС Клапейрона-Менделеева)

Уравнение состояния природных газов
Идеальный газ
С термодинамической точки зрения идеальным называется газ, для которого справедливо равенство:
Или газ, для которого коэффициент сверхсжимаемости реального газа

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния
Ван-дер-Ваальс, 1879 г.:

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния
Критическая температура чистого вещества – это максимальная температура, при которой жидкая и паровая фазы еще могут сосуществовать в равновесии.
Давление паров вещества при критической температуре называется критическим давлением, а объем вещества, отнесенный к 1 моль или к единице массы вещества, называется критическим удельным объемом.
Кривая упругости насыщенных паров от температуры

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния

Уравнение состояния природных газов
Теория Д. Брауна и Д. Катца
Приведенные параметры:

Приведенные параметры:
Уравнение состояния природных газов
Теория Д. Брауна и Д. Катца
Для смеси газов:
ркр.i., Ткр.i, Vкp.i, ρкр.i, zкрi – критические давление, абсолютная температура, молярный объем, плотность и коэффициент отклонения i-го компонента смеси соответственно; п – число компонентов в смеси.

Уравнение состояния природных газов
или
Теория Д. Брауна и Д. Катца

Уравнение состояния природных газов
Теория Д. Брауна и Д. Катца
Ацентрический фактор смеси газов:

Уравнение состояния природных газов
График Брауна-Катца

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния Редлиха-Квонга, 1949

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния Редлиха-Квонга, 1949
Для расчета свойств многокомпонентных систем Редлих и Квонг предложили вычислять его коэффициенты следующим образом:
где

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния Пенга-Робинсона, 1975 г.
Уравнение состояния Пенга-Робинсона (PR) имеет вид:
или:
где

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния Пенга-Робинсона, 1975 г.
При определении свойств смесей по УС ПР коэффициенты а и b рассчитываются соответственно:

Уравнение состояния природных газов
Уравнение состояния Пенга-Робинсона, 1975 г.

ФИЗИКА НЕФТЯНОГО И
ГАЗОВОГО ПЛАСТА
Моисеева Елена Флоридовна
Лекция 4

Лекция 4

Газосодержащие пласты всегда содержат воду, поэтому газ в пластовых условиях насыщен парами воды.
Влагосодержание природного газа
Влагосодержание
Для описания содержания водяных паров в газе используют понятие влагосодержание.

Влагосодержание природного газа
Влагосодержание
Масса водяных паров в единице объема газа, приведенного к нормальным условиям
Отношение фактического содержания паров воды в единице объема газовой смеси при данных давлениях и температурах к количество водяных паров в газе при тех же условиях и полном насыщении
Температура, при которой происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газе или воздухе, называется точкой росы.
Газ при этом содержит максимально возможное количество паров и называется насыщенным.

Перегретыми (ненасыщенными) парами называются пары, которые при данных температуре и давлении образуют только однофазную паровую систему, т.е. систему без жидкой фазы.
Влагосодержание природного газа
Влагосодержание
Ненасыщенные пары могут существовать при данном давлении, если их температура выше температуры насыщенных паров, или при данной температуре, если их давление меньше давления насыщенных паров.

Влагосодержание природного газа
Влагосодержание
Номограмма для определения влагосодержания природных газов при различных давлениях и температурах с относительной плотностью 0,6

Влагосодержание природного газа
Влагосодержание
Влагосодержание газа, находящегося в равновесии с рассолом, уменьшается с ростом концентрации солей в воде. Это связано с тем, что соли, растворенные в воде (NаСl, СаСl2, МgСl2 и др.), понижают парциальное давление паров воды в газовой фазе.
С увеличением молекулярной массы газа (с 16 до 30) влагосодержание его уменьшается в пределах температур и давлений, встречающихся на практике, незначительно (на 3-5%).
Учет влияния солей, растворенных в воде, молекулярной массы газа и различия плотностей газа ранее проводился по корректировочным графикам, в настоящее время используются эмпирические зависимости как более удобные при инженерных расчетах.

Влагосодержание природного газа
Влагосодержание
Влагосодержание природных газов различной плотности:
Поправки на плотность:
Поправочный коэффициент на соленость:
Если соленость задана в г/м3 (мг/л), то:

Влагосодержание природного газа
Состав и структура гидратов
Насыщение газа парами воды является одним из условий гидратообразования.
Гидраты газов – твердые образования, состоящие из молекул газа и воды. Структура гидратов такова, что при определенных условиях (давлениях и температурах) молекулы газа заполняют пустоты в структуре воды. Связи между молекулами в гидрате определяются ван-дер-ваальсовскими силами, химические связи отсутствуют.
При образовании гидратов за счет внедрения молекул газа расстояния между молекулами воды увеличиваются, в результате чего плотность воды в гидратном состоянии снижается примерно на 15% по отношению к плотности воды в состоянии льда, равной 0,85 г/см3.
Внешне гидраты выглядят как плотно спрессованный снег и обладают высокой сорбционной способностью, благодаря чему на его поверхности хорошо адсорбируются полезные углеводороды. Газ в связанном гидратном состоянии характеризуется иными свойствами, чем в свободном состоянии.

Влагосодержание природного газа
Состав и структура гидратов
где G – углеводородная составляющая.
Состав гидрата
По составу исходного газа, давлению и температуре определяется состав гидрата и его кристаллическая структура.
Плотность гидратов газов зависит от его состава и изменяется в довольно широких пределах – от 0,8 до 1,8 г/см3.
Одна из элементарных решеток кристаллической структуры гидрата – метана

Влагосодержание природного газа
Гидратообразование
Условия образования гидратов природных газов по константам равновесия:
На практике условия образования гидратов определяют с помощью равновесных графиков или по константам равновесия.
Равновесные кривые образования гидратов природного газа различной относит. плотности ∆

Равновесные параметры гидратообразования по константам равновесия при данных температуре и давлении рассчитываются таким образом:
Влагосодержание природного газа
Гидратообразование
Находят константы для каждого компонента;
Молярные доли компонента делят на найденную константу его равновесия;
Полученные значения складывают.
Если сумма равна 1, то система термодинамически равновесная;
Если больше 1 – существуют условия для образования гидратов;
Если сумма меньше 1 гидраты образовываться не могут.

Влагосодержание природного газа
Гидратообразование
Гидраты газов могут образоваться в аппаратах и газопроводах, в скважине, а также в пористой среде – в пластах.

Многолетнемерзлые грунты покрывают 23% суши земного шара.
Глубина залегания таких грунтов достигает 500-700 м, а иногда и 1500 м.
Значительные запасы газа в таких районах приурочены к термодинамическим зонам, соответствующим условиям образования гидратов газов в пластах.
Газогидратная залежь по характеристике значительно отличается от обычной газовой залежи.
Переход газа из свободного состояния в связанное гидратное сопровождается значительным сокращением его объема.
Поровое пространство газогидратной залежи частично или полностью заполняется гидратом.
Влагосодержание природного газа
Гидратообразование в пласте

Наряду с газом в связанном гидратном состоянии газ содержится в свободном или растворенном в воде виде.
Запасы газа в газогидратной залежи при одинаковых давлениях значительно превышают запасы обычной равнообъемной газовой залежи.
Подсчет запасов в газогидратной залежи без учета содержания гидрата некорректен.
При разработке газогидратных залежей газ из связанного гидратного состояния должен быть переведен непосредственно в пласте в свободное состояние с последующим отбором его через обычные скважины.
Влагосодержание природного газа
Гидратообразование в пласте

ФИЗИКА НЕФТЯНОГО И
ГАЗОВОГО ПЛАСТА
Моисеева Елена Флоридовна
Лекция 5

Лекция 5

Пластовая нефть – многокомпонентная жидкая смесь углеводородных и неуглеводородных компонентов, представляющая темную маслянистую жидкость с растворенными в ней твердыми веществами и газами.
Состав и физические свойства нефти
Нефть

Состав и физические свойства нефти
Состав нефти
Классификация нефти по плотности
Классификация нефти по содержанию серы, смол, парафинов, %

Сера присутствует в свободном состоянии и в виде сероводорода, но чаще входит в состав сернистых соединений и смолистых веществ: меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и др.
Состав и физические свойства нефти
Состав нефти
Меркаптаны (R-SH) по строению аналогичны спиртам:
этилмеркаптан и высшие гомологи при н.у. – жидкости,
метилмеркаптан CH3SH – газообразное вещество с температурой кипения 7,6 °С.
Со щелочами и окислами тяжелых металлов они образуют меркаптиды. Эти вещества вызывают сильную коррозию металла.

Состав и физические свойства нефти
Плотность
Плотность нефти в пласте обычно ниже плотности сепарированной нефти, за счет изменения в пластовых условиях объема нефти под действием растворенного газа и температуры.
?
WHY???
Известны нефти, плотность которых в пласте меньше 500 кг/м3 при плотности сепарированной нефти 800 кг/м3.
Не все газы, растворяясь в нефти, одинаково влияют на ее плотность:
С повышением давления плотность нефти значительно уменьшается при насыщении ее углеводородными газами (метаном, пропаном, этиленом).
Плотность нефтей, насыщенных азотом или углекислотой, несколько возрастает с ростом давления.
Рост давления выше давления насыщения нефти газом также способствует некоторому увеличению ее плотности.
При снижении давления до точки начала выделения газа плотность недонасыщенной нефти уменьшается (правая ветвь кривых).
?
?
?
?

Состав и физические свойства нефти
Плотность
Зависимость плотности пластовой нефти от давления и количества растворенного газа

Состав и физические свойства нефти
Вязкость
Вязкость пластовой нефти почти всегда значительно отличается от вязкости сепарированной нефти вследствие большого количества растворенного газа, повышенной пластовой температуры и давления.
Все нефти подчиняются следующим общим закономерностям:
вязкость нефти уменьшается с повышением количества газа в растворе, с увеличением температуры;
повышение давления вызывает некоторое увеличение вязкости нефти.
?
?

Состав и физические свойства нефти
Вязкость
Вязкость нефти зависит также от состава и природы растворенного газа.
При растворении азота вязкость увеличивается, а при растворении углеводородных газов она понижается тем больше, чем выше молекулярная масса газа.
Практически вязкость нефти в пластовых условиях различных месторождений изменяется от многих сотен мПа∙с до десятых долей мПа∙с (от нескольких пуаз до десятых долей сантипуаз).
Различают пластовые нефти:
с незначительной вязкостью (μн < 1 мПа·с);
маловязкие (1 < μн < 5 мПа·с);
с повышенной вязкостью (5 < μн < 30 мПа·с);
высоковязкие (μн >30 мПа·с).
Вязкость пластовой нефти определяется специальными вискозиметрами высокого давления по забойным пробам.

Состав и физические свойства нефти
Сжимаемость
Коэффициент сжимаемости зависит от:
состава пластовой нефти;
температуры;
абсолютного давления.

Состав и физические свойства нефти
Сжимаемость
Зависимость коэффициента сжимаемости от температуры

Состав и физические свойства нефти
Объемный коэффициент
Объемный коэффициент - отношение объема нефти в пластовых условиях к объему нефти в поверхностных условиях:

Состав и физические свойства нефти
Усадка нефти

Состав и физические свойства нефти
Теплоемкость

Состав и физические свойства нефти
Теплоемкость
Теплоемкость нефти с растворенным газом зависит от давления, температуры и количества растворенного газа.
Изобарная теплоемкость с увеличением температуры и давления возрастает!

Состав и физические свойства нефти
Теплопроводность
Теплопроводность пластовых систем зависит от минералогического состава, плотности, возраста породы, температуры, давления, нефтегазоводонасыщенности и от свойств пластовых жидкостей и газов.
Коэффициент теплопроводности для нефтей: 0,1-0,2 Вт/(м·К).

Состав и физические свойства нефти
Теплота сгорания

Состав и физические свойства нефти
Диэлектрические свойства нефти
С увеличением минерализации диэлектрическая проницаемость будет падать.

Состав и физические свойства нефти
Растворимость газов в нефти
С увеличением молекулярной массы газа коэффициент растворимости его возрастает.
Растворимость газов увеличивается с повышением содержания в нефти парафиновых углеводородов, однако природа газа влияет в большей степени, чем состав нефти.
С повышением температуры углеводородные газы хуже растворяются в нефти.
Коэффициент растворимости нефтяных газов достигает (4-5)∙10-5 м3/(м3∙Па).
?
?
?

Состав и физические свойства нефти
Растворимость газов в нефти
Коэффициентом разгазирования принято называть количество газа, выделяющегося из единицы объема нефти при снижении давления на единицу.

Содержание растворенного газа в воде :
Состав и физические свойства нефти
Растворимость газов в воде
Объем газового компонента, растворенного в единице массы или объема воды:
22461 – объем одного моля идеального газа при нормальных условиях,
18,016 – молекулярная масса воды.

Основной параметр, характеризующий процесс растворения газа в жидкости – давление насыщения.
В процессе разработки давление насыщения может снижаться до 60-70% от первоначального значения в результате растворения компонентов с высокой упругостью паров (метан, азот) в воде, находящейся в контакте с нефтью, например, в промытой зоне.
Давление насыщения зависит от соотношения объемов нефти и растворенного газа, их состава и пластовой температуры.
При всех прочих равных условиях с увеличением молекулярной массы нефти (и плотности) этот параметр увеличивается.
С увеличением в составе газа количества компонентов, относительно плохо растворимых в нефти, давление насыщения также увеличивается.
Особенно высокими давлениями насыщения характеризуются нефти, в которых растворено значительное количество азота.
Состав и физические свойства нефти
Растворимость газов в жидкости
?
?
?

ФИЗИКА НЕФТЯНОГО И
ГАЗОВОГО ПЛАСТА
Моисеева Елена Флоридовна
Лекция 6

Лекция 6

Реологические свойства жидкостей
Состав и физические свойства нефти

Ньютоновские жидкости
Состав и физические свойства нефти
https://www.youtube.com/watch?v=pD8udipiivU

Неньютоновские жидкости
Состав и физические свойства нефти
НЕньютоновские жидкости по свойствам делятся на:
Жидкости, для которых скорость сдвига в каждой точке представляет некоторую функцию только напряжения сдвига в той же точке и не зависит от времени;
Жидкости, в которых связь между напряжением и скоростью деформации зависит от времени действия напряжения или от предыстории жидкости;
Упруговязкие жидкости, обладающие свойствами как твердого тела, так и жидкости, как вязкостью, так и сдвиговой упругостью. Частично проявляют упругое восстановление формы после снятия напряжения.

Неньютоновские жидкости
Состав и физические свойства нефти
1 – бингамовские пластики;
2 – псевдопластики;
3 – ньютоновские жидкости;
4 – дилатантные жидкости

Бингамовская жидкость (1)
Состав и физические свойства нефти

Не обнаруживают предела текучести
Отношение напряжения сдвига к скорости сдвига постепенно снижается с ростом скорости сдвига.
Псевдопластические жидкости (2)
Состав и физические свойства нефти

Если n> 1, то жидкость ДИЛАТАНТНАЯ.
Дилатантные жидкости (4)
Состав и физические свойства нефти
Такой тип течения характерен для суспензий с большим содержанием твердой фазы. Предполагается, что в покое жидкость равномерно распределяется между плотно упакованными частицами и при сдвиге с небольшой скоростью жидкость служит смазкой, уменьшающей трение частиц. При больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается, система расширяется и жидкости становится недостаточно для смазки трущихся поверхностей.
Отсутствует предел текучести;
Эффективная вязкость повышается с возрастанием скорости сдвига.
https://www.youtube.com/watch?v=iUJksqEdGBM

Фотоколориметрия нефти
Состав и физические свойства нефти
Фотоколориметрия основана на определении степени поглощения светового потока исследуемым раствором (интенсивности его окраски) с использованием фотоэлементов и гальванометра.
Закон П. Бугера и И. Ламберта:
Слои вещества одинаковой толщины при прочих равных условиях всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока.
Колориметрические свойства нефти зависят от содержания асфальто-смолистых веществ, с изменением содержания которых в нефти изменяются ее вязкость, плотность и другие свойства.

Фотоколориметрия нефти
Состав и физические свойства нефти
За единицу Ксп принимается коэффициент светопоглощения такого вещества, при пропускании света через слой в 1 см которого интенсивность светового потока уменьшается в 2,718 раза.

Фотоколориметрия нефти
Состав и физические свойства нефти
Коэффициент светопоглощения не зависит от толщины слоя раствора.
Коэффициент светопоглощения нефтей быстро уменьшается с увеличением длины волны света.
Коэффициент светопоглощения зависит от содержания асфальтенов и смолистых веществ в нефти,
?
?
?
По коэффициенту светопоглощения нефтей различных скважин можно судить о степени неоднородности свойств нефти в залежи.

Фотоколориметрия нефти
Состав и физические свойства нефти
Систематические результаты измерения коэффициента светопоглощения можно использовать для:
определения направления и скорости перемещения нефти в залежи;
оценки дебита отдельных пластов в скважинах, вскрывших одним фильтром несколько пластов;
определения пласта, в котором образовалась трещина при гидроразрыве;
контроля за эффективностью дострела новых пластов;
проверки результатов ремонтных (изоляционных) работ;
выявления изменений в работе отдельных пластов при изменении режима работы скважин и т.д.

Температура насыщения нефти парафином
Состав и физические свойства нефти
Температура насыщения пластовых нефтей парафином (Tнас) - температура, при которой нефть из однофазного состояния при условии термодинамического равновесия переходит в двухфазное (жидкость + твердая фаза).
Твердая фаза, выпадающая из нефти наряду с парафинами, содержит также смолы, асфальтены и жидкие углеводороды, всю фазу обычно называют парафином.
Насыщенность пластовых нефтей парафином характеризуют разностью между пластовой температурой и температурой насыщения нефти парафином.
По величине насыщенности парафином пластовые нефти делят на:
насыщенные или близкие к насыщению парафином (Tнас ≈ Tпл).
недонасыщенные парафином (Tнас < Tпл).
нефти с большей степенью недонасыщенности парафином или практически не содержащие парафина.

Температура насыщения нефти парафином
Состав и физические свойства нефти

Методы определения температуры насыщения нефти парафином
Состав и физические свойства нефти
Визуальный (при постепенном охлаждении предварительно нагретой исследуемой нефти, содержащей парафин в растворенном состоянии, достигается такая температура tнас, при которой парафин начинает выкристаллизовываться из нефти. Появление кристаллов парафина в нефти можно наблюдать с помощью микроскопа.)
Рефрактометрический (основан на регистрации изменения температурной зависимости показателя преломления нефти вследствие появления в ней кристаллов парафина.)
Фотометрический (основан на регистрации изменения интенсивности проходящего через нефть светового потока)
Ультразвуковой (основан на регистрации изменения поглощения проходящих через нефть ультразвуковых волн при появлении кристаллов парафина.)

АСПО
Состав и физические свойства нефти
Асфальтосмолистые парафиновые отложения состоят из:
парафинов (20-70 мас.%),
асфальтосмолистых веществ (20-40 мас.%),
силикагелевой смолы, масел, воды и механических примесей.
Парафины в АСПО – углеводороды метанового ряда от С16Н34 до С64Н130, устойчивы к воздействию химических реагентов (кислот, щелочей и др.), легко окисляются на воздухе.
В состав асфальтосмолистых веществ (АСВ) входят сера и кислород.
Асфальтосмолистые вещества определяют цвет нефти в тонком слое (от желтоватого до черного) в зависимости от содержания.
АСВ - это сложные смеси, состоящие из высококонденсированных гетероциклических соединений, в состав которых наряду с атомами углерода, водорода и кислорода входят атомы серы, железа,
магния, ванадия, никеля и других веществ.

Асфальтены - сложные высокомолекулярные гетероорганические соединения нефти. Это блестящие хрупкие неплавкие твердые порошкообразные вещества черно-коричневого цвета, относительной плотностью более 1.
В асфальтенах содержится в % около 80-86 углерода, 7-9 водорода, до 9 серы, 1-9 кислорода и до 1,5 азота.
Асфальтены способны выпадать из раствора и участвовать отдельно в формировании плотных отложений.
АСПО
Состав и физические свойства нефти
Асфальто-смолистые вещества делятся на:
нейтральные смолы,
асфальтены,
карбены (карбоиды)
асфальтогеновые кислоты (и их ангидриды).
Смолы – аморфные вещества от красноватого до темно-коричневого цвета, их химическое строение подобно строению асфальтенов. Смолы являются цементирующим звеном при отложениях парафинов. Относительная плотность смол от 0,99 до 1,08. Содержание О, S и N колеблется от 3 до 12%.

Факторы, влияющие на образование парафиновых отложений:
Температура,
Давление,
Содержание механических примесей, сернистых соединений, асфальтосмолистых веществ,
Присутствие воды, пузырьков газа,
Физико-химический состав углеводородной смеси,
Гидродинамическая характеристика потока,
Состав твердых углеводородов и др.
АСПО
Состав и физические свойства нефти

АСПО
Состав и физические свойства нефти

Лекция 7

Формы залегания воды в породах
Пластовая вода
минеральные частицы пород
минералы с включениями воды
адсорбированная
липосорбированная
капиллярная
стыковая (пендулярная)
сорбционно-замкнутая
свободная гравитационная
парообразование в свободной воде
Связанная
вода
Свободно передвигается под действием гравитационных сил;
Передает гидростатическое давление;
Замещается нефтью и газом при формировании залежей;
Свободная гравитационная вода

Формы залегания воды в породах
Пластовая вода
Подземные воды
Седиментационные
Попадают в ГП в процессе осадконакопления
Инфильтрационные
Попадают в фильтрационные водонапорные системы за счет поступления атмосферных осадков, речных, озерных и морских вод
Илизионные
Попадают в водоносные/ нефтеносные пласты в элизионных водонапорных системах вследствие выжимания поровых вод из уплотняющихся осадков и пород-неколлекторов при увеличивающейся в процессе осадконакопления геостатической нагрузке.
При инфильтрационных и элизионных процессах вследствие смешения вод, а также выщелачивания горных пород состав воды меняется и по площади отдельного пласта, и по разрезу месторождения.

Пластовая вода
Классификация пластовых вод

Пластовая вода
Классификация пластовых вод

Пластовая вода
Классификация пластовых вод

Классификация пластовых вод
Пластовая вода
а – непроницаемые породы;
б – нефть;
в – газ;
1 – грунтовые;
2 – верхние пластовые;
3 – краевые (контурные);
4 – промежуточные;
5 – подошвенные;
6 – нижние пластовые;
7 – тектонические
г – минерализованная;
д – конденсационная;
е – смешанная конденсационная и минерализованная;
вода:
виды вод:

Искусственно введенные (техногенные) - воды, закачанные в пласт для поддержания пластового давления, а также попавшие при бурении скважин (фильтрат промывочной жидкости) или при ремонтных работах.
Классификация пластовых вод
Пластовая вода
Воды, находящиеся в переходной зоне и существующие там, где поверхности контакта нефть – вода и зеркала чистой воды (краевой или подошвенной) не совпадают. Жидкость, заполняющая эту переходную зону, представляет собой нефтеводяную эмульсию.
Конденсационные и (или) конденсатные воды обычно получают вместе с газом при эксплуатации газовых и газоконденсатных залежей, а иногда и появляются при разработке нефтяных залежей, содержащих много газа:
а) конденсатные воды, представляющие обычные краевые воды, увлеченные в скважины газом или захваченные таким путем пары воды из газонасыщенной части пласта, конденсирующиеся в осушителях;
б) конденсационные воды, сконденсировавшиеся в пласте при формировании залежей

Химическая классификация пластовых вод
Пластовая вода
Классификация В. А. Сулина основана на генетическом принципе, согласно которому формирование химического состава вод происходит в определенных природных условиях (континентальных, морских, глубинных) и вследствие процессов взаимодействия вод с породами или вод различного генезиса между собой. При этом происходит их обогащение специфическими компонентами.
В основу классификации положены три основных коэффициента, в %-экв/л: rNа/rCl, (rNа-rСl)/rS04, (rСl-rNа)/rМg.

Общий анализ проводят с целью определения общей характеристики воды, достаточной для суждения о ее ионно-солевом составе и для классификации.
Методы определения типа вод
Пластовая вода
сульфат-ион (SO42 –) обычно определяют весовым методом;
кальций и магний – весовыми или объемными методами;
хлор и гидрокарбонат-ион (HCO3 –) – объемными методами;
йод определяют объемными или колориметрическими методами;
бром и аммоний (NH4) можно определять колориметрически.
Стандартный (шестикомпонентный) анализ включает в себя :
Cl –; SO42 –; HCO3 –; Na+; Са2+; Mg2+
часто добавляются еще ионы CO32 –; Fe2+; Fe3+;
Плотность;
рН воды.

Специальные анализы достаточно разнообразны.
При исследованиях подземных вод с нефтегазопоисковыми и нефтегазопромысловыми целями к стандартному набору определений обычно добавляются определение:
ионов J –; B –,
органических веществ, NH4+,
часто В2O32 –,HS –,
иногда Ва2+, Sr2+,
полуторных окислов и некоторых других веществ.
Также специальные технические анализы производят с целью и т. п. оценки пригодности воды для закачки в нефтеносные пласты и для питания паровых котлов, для оценки «агрессивных» и коррозионных свойств вод
Анализ вод можно выполнять в стационарных лабораториях или при помощи портативных полевых гидрохимических лабораторий.
Методы определения типа вод
Пластовая вода

Лекция 8

Плотность
Физические свойства пластовой воды
Плотность пластовой воды зависит от ее минерализации, пластовых давления и температуры.
При высоких пластовых температурах плотность пластовой воды меньше плотности воды в поверхностных условиях (не более чем на 20%).
При низких пластовых температурах, например, в зоне развития многолетнемерзлых пород, плотность воды может быть равной плотности воды в поверхностных условиях или даже больше ее.
Плотность пластовой воды: 1010-1210 кг/м3,
Пластовые воды месторождений нефти и газоконденсата Томской области имеют небольшую плотность:
для мезозойских месторождений – 1007-1014 кг/м3;
для палеозойских – 1040-1048 кг/м3;
сеноманские воды – 1010-1012 кг/м3.

Вязкость
Физические свойства пластовой воды
Изменение вязкости воды в зависимости от температуры
Вязкость воды в пластовых условиях зависит, в основном, от температуры и минерализации.
С возрастанием минерализации вязкость возрастает.
Наибольшую вязкость имеют хлоркальциевые воды по сравнению с гидрокарбонатными и они приблизительно в 1,5-2 раза больше вязкости чистой воды.
С возрастанием температуры вязкость уменьшается
От давления вязкость зависит незначительно.
?
?
Вязкость пластовых вод нефтяных и газовых месторождений составляет 0,2-1,5 мПа·с.

Минерализацией воды называется суммарное содержание в воде растворенных солей, ионов и коллоидов, выражаемое в г/л раствора.
Минерализация
Физические свойства пластовой воды
По степени минерализации пластовые воды делятся на четыре типа:
пресные (Q≤1 г/л).
солоноватые (1
солёные (10
рассолы (Q>50 г/л);
В пластовой воде содержатся ионы растворённых солей:
анионы: OH –; Cl –; SO42 –; CO32 –; HCO3 –;
катионы: H+; K+; Na+; NH4+; Mg2+; Ca2+; Fe3+;
Ионы микроэлементов: I –; Br –;
Коллоидные частицы: SiO2; Fe2O3; Al2O3;
нафтеновые кислоты и их соли.
Определяется наличием шести главных ионов:
Cl –; SO42 –; HCO3 –; Na+; Са2+; Mg2+.
Растёт с глубиной залегания пластов.

Минерализация
Физические свойства пластовой воды
До 80-90% от общего содержания солей составляют хлористые соли.
В количественном отношении катионы солей располагаются в следующий ряд: Na+; Ca2+; Mg2+; K+; Fe3+.
Пластовые воды
по типу растворенных солей
Хлоркальциевые
(хлоркальциево-магниевые)
В основном, соли соляной кислоты – хлориды (Cl –) и др., не входящие в гидрокарбонатные
Гидрокарбонатные
(гидрокарбонатно-натриевые, щелочные)
Определяется солями угольной кислоты, необходимо наличие карбонат – CO32 –, или бикарбонат – HCO3 – аниона.

Электропроводность
Физические свойства пластовой воды
Минерализованные воды - хорошие проводники электрического тока.

Жесткость
Физические свойства пластовой воды
Жёсткость - суммарное содержание растворённых солей двухвалентных катионов: кальция, магния и железа.

Жесткость
Физические свойства пластовой воды
Жёсткость воды оценивается содержанием в ней солей в миллиграмм- эквивалентах на литр.

Жесткость
Физические свойства пластовой воды
Природные воды в зависимости от содержания в них двухвалентных катионов кальция, магния, железа подразделяются на следующие типы:
очень мягкая вода – до 1,5 мг-экв./л;
мягкая вода – 1,5-3,0 мг-экв./л;
умеренно жёсткая вода – 3,0-6,0 мг-экв./л;
жёсткая вода – более 6 мг-экв./л.
Жесткость пластовой воды и ее тип по жесткости определяется экспериментально-расчетным путем.

Показатель концентрации водородных ионов pH
Физические свойства пластовой воды
С возрастанием температуры рН уменьшается и это обстоятельство необходимо учитывать при закачке воды в пласт.

Газосодержание
Физические свойства пластовой воды
Газосодержание пластовой воды влияет на свойства воды не значительно и не превышает 1,5-2,0 м3/м3, обычно оно равно 0,2-0,5 м3/м3.
В составе водорастворенного газа преобладает метан, затем следует азот, углекислый газ, гомологи метана, гелий и аргон.
Растворимость газов в воде значительно ниже их растворимости в нефти.
При увеличении минерализации воды их растворимость уменьшается

Сжимаемость
Физические свойства пластовой воды
Сжимаемость минерализованной воды уменьшается с увеличением концентрации солей.

Объемный коэффициент
Физические свойства пластовой воды
Увеличение пластового давления способствует уменьшению объёмного коэффициента, а рост температуры – увеличению.
Объемный коэффициент пластовой воды нефтяных и газовых месторождений зависит от минерализации, химического состава, газосодержания, пластовых давления и температуры и колеблется от 0,8 до 1,2.
Наиболее влияют на его величину пластовая температура и минерализация.
Объёмный коэффициент изменяется в пределах 0,99-1,06.

Разработка многих нефтяных и газовых месторождений часто осложняется выпадением неорганических солей из попутно извлекаемой воды в нефтепромысловом оборудовании и на различных участках пласта.
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды
Встречаются механические примеси, продукты коррозии (окислы железа Fe2O3, сульфид железа FeS2) и др.
карбонат магния (MgC03),
хлорид натрия,
сульфат радия.
сульфат стронция (SrS04),
карбонат стронция (SrC03),
карбонат бария (ВаС03),
Основные компоненты в большинстве отложений:
карбонат кальция (СаС03),
сульфат кальция (гипс CaS04·2Н20 и ангидрит CaS04),
сульфат бария (BaS04).
В значительных количествах в составе отложений имеются различные примеси:

Образование кристаллических неорганических солей как процесс состоит из ряда основных этапов:
пересыщение раствора солями;
зародышеобразование;
рост кристаллов;
перекристаллизация.
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды
При дополнительном закачивании воды возможна химическая несовместимость с пластовыми водами, в результате чего образуется пересыщенный раствор.
Пересыщение раствора солями относительно какого-либо компонента связано с увеличением концентрации последнего выше равновесной (растворимости).
Условием возникновения этого процесса является наличие минерализованной попутно добываемой воды, в которой может быть растворено большое количество неорганических солей.

1. Изменение термодинамических условий
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды

1. Изменение термодинамических условий
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды
Влияние температуры на растворимость (в мг/л) сульфатов кальция и бария в воде
Влияние давления на растворимость (в мг/л) сульфатов кальция

2. Изменение химического состава пластовых вод
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды
Влияние содержания CaCl на растворимость сульфата кальция

3. Поступление на забой скважины вод разных горизонтов
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды
При эксплуатации Майкопского газоконденсатного месторождения из-за некачественного цементирования скважин и значительной разницы в давлениях газ и воды перетекали из одного горизонта в другой.
Смешение щелочных вод I и II горизонтов, содержащих большое количество СаСl2 и MgCl2, с водами III горизонта приводило к образованию солевых осадков за счет протекания следующих химических реакций:

3. Тепловые методы разработки
Выпадение кристаллических осадков
Физические свойства пластовой воды
При этих методах разработки нефтяных месторождений в процессе закачки воды в залежи, находящиеся на больших глубинах, при высоких температурах возможно частичное или полное растворение воды в нефти.
На практике для борьбы с солеотложениями чаще используют меры по их удалению, чем методы предупреждения:
При отложениях солей карбонатов с помощью соляной кислоты хорошо удаляются карбонаты кальция и магния.
Для борьбы с рыхлыми отложениями гипса в начальный период загипсовывания оборудования используются 10-15%-ные растворы карбоната и бикарбоната натрия и калия. При этом гипс преобразуется в карбонат кальция, который затем удаляют соляной кислотой.
Для удаления плотных, плохо проницаемых осадков применяют более эффективные растворы: гидроокиси натрия и калия, 20%-ный раствор каустической соды.