Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 [ 54 ] 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200

дачи из нефтяных подземных резервуаров при режиме растворенного в нефти газа.

До появления обобщенного понятия проницаемости и зависимости «проницаемость - насыщение» течение смеси газ - жидкость через пористую среду обычно описывалось проявлением эффекта Жамена. Последний обозначал общее сопротивление отдельных газовых пузырьков движению нефти сквозь узкие перемычки и норовые проходы между зернами песка. Эти сопротивления играют основную роль при определении зависимостей «проницаемость - насыщение» для пористых сред, но раньше они не были количественно сформулированы. Их объясняли ошибочно. Предполагали, что в пластах с «капиллярным» режимом (режимом «растворенного газа») за пределами расстояния от скважины, при котором общая величина перепада давления равняется линейно наложенным статическим сопротивлениям пузырьков в отдельных порах, разветвляющихся радиально от скважины до этого расстояния, не существует течения газа или нефти. Эта предельная область течения была ограничена так называемым «радиусом дренирования». Обобщенное понятие проницаемости и выражение его посредством зависимости «проницаемость - насыщение», сохраняя справедливость принципа эффекта Жамена, дают возможность избежать ошибок крайне идеализированной экстраполяции, приводящей к теории радиуса дренирования.

Расчет проницаемости инверсией уравнения Дарси не подтверждает справедливости последней. Такое доказательство требует, чтобы подсчитанные проницаемости не зависели от вязкости жидкости или градиента давления. Экспериментальные данные, взятые в широком диапазоне вязкости жидкой фазы, показывают, что в пределах экспериментальных погрешностей не наблюдается систематического изменения проницаемости с вязкостью. Что же касается влияния градиента давления, то исследования по течению смесей нефть - вода показали, что проницаемости по крайней мере для несмачивающей фазы выше при высоких градиентах давления. Изучение этой проблемы на смесях газ - жидкость не показало изменений проницаемости в пределах изученных градиентов давления и погрешностей опыта. Согласно физическим соображениям значения равновесных проницаемости и насыщения должны зависеть в известной степени от градиента давления, но оказывается, что в первом приближении этим эффектом можно пренебречь.

Если принять справедливость обобщенного «закона силы» Дарси, легко получить уравнения движения, использовав уравнения неразрывности для каждой фазы. В результате получим три основных дифференциальных уравнения для давления и фазовых насыщений с коэффициентами, зависящими от этих параметров [уравнение 4.7 (1)]. Последние содержат в себе растворимость газа в нефти и воде, пластовую усадку нефти и воды, плотность газа, вязкость каждой фазы в зависимости от

давления и проницаемость для каждой из трех фаз, которые нужно рассматривать как известные функции фазовых насьвде-НИИ. В уравнения входит пористость среды. Проницаемость для однородной жидкости дана зависимостью «проницаемость - насыщение», выраженной через относительные проницаемости. В принципе эти уравнения, решаемые в соответственных граничных и начальных зсловиях, описывают динамическое поведение систем всех типов неоднородной жидкости.

Для практических целей и при рассмотрении специфических условий можно упростить общие виды уравнений. Можно пренебречь растворимостью газа в водной фазе внутри нефтяного пласта по сравнению с его растворимостью в нефти. Кроме того, пока в нефтяную залежь не поступает вода извне, можно рассматривать связанную воду как неподвижную внутри отдельных нефтеносных слоев. Таким образом, исключается дифференциальное уравнение для насыщения водой. Величина плотности имеет обычно второстепенное значение, если только градиенты давления не сравнимы с дифференциальными градиентами плотности. Даже со всеми этими упроп1,ениями оснсзные уравнения получаются настолько сложными, что фактически их еще не применяли, за исключением разбора некоторых специальных стационарных систем. По существу эта проблема математическая и серьезное изучение ее едва начато. Однако разработаны приближенные трактовки известных классов систем, встречающихся на практике, где основные понятия течения многофазной жидкости сохраняются в формулировках, которые описывают общий режим нефтеносных пластов.

Весь микрокомплекс физических взаимодействий, на которых основаны динамика многофазной жидкости и зависимость «проницаемость- насыщение», отражает динамическое равтюЕссие между силами вязкости и поверхностными явлениями на разделе двух фаз. Однако до сих пор капиллярные явления рассматриваются как второстепенные, облегчающие общее понимание взаимодействия фаз жидкости.

Простейшим мерилом капиллярных сил является «капиллярное давление», которое представляет разницу давления по обеим сторонам поверхности раздела двух фаз. Оно выражено произведением поверхностного натяжения на разделе двух фаз и суммы обратных величин главных радиусов кривизны поверхностей раздела фаз [уравнение 4.8 (1)]. Эта сумма называется «кривизной» поверхности и является основным геометрическим свойством поверхности раздела. Ввиду того, что радиусы кривизны поверхностей на разделе двух фаз в пористой среде имеют малые размеры кривизны, связанные с ними капиллярные явления приобретают относительно большее значение в пористых материалах, чем в свободных сосудах.

Изменение капиллярного давления или кривизны мениска с насыщением жидкостью представляет комплексное эмпирическое выражение микроскопической структуры и капиллярных

сил, которые могут возникнуть в пористой среде. Когда насыщение образца непрерывно падает от 100% в результате вытеснения или отсоса, истощение не возникает до тех пор, пока не поевышено определенное давление, порядка 0,1 ат. Истощение вначале идет быстро с увеличением капиллярного давления, а затем непрерывно уменьшается, и, наконец, наступает не снижаемый далее предел насыщения образца, если даже капиллярное давление возрастает до нескольких атмосфер (фиг. 74-76).

Давление, необходимое для создания процесса истощения и первоначального входа в насыщенный образец несмачивающей вытесняющей фазы (нефтяной или газовой), называется «давлением вытеснения». Неснижаемый нижний предел истощения соответствует насьш;ению связанной водой образца, взятого из нефтяной или газовой части пласта поверх переходной зоны, прилегающей к водонасыщенному слою, при применении для исследования водонасыщенности метода капиллярного давления.

Кривая капиллярного давления, полученная посредством непрерывного дренирования или истощения насыщенного образца породы, дает воспроизводимую характеристику. Если же нагнетать смачивающую фазу в сухой или частично насыщенный образец, получается иная кривая. Циклический процесс вытеснения и пропитки создает петлю гистерезиса (фиг. 75). Кривая пропитки не является по существу однозначной, а зависит от начальной точки процесса пропитки и предварительного процесса насыщения. Важной особенностью этих кривых является, что полное насьпцение образца не достигается даже при исчезающем капиллярном давлении. Таким образом, эти кривые не дают давления вытеснения. Однако насыщение несмачивающей фазой при промежуточных значениях между 100% и величиной, оставшейся после процесса пропитки, дающее обычно рассеянное и прерывное распределение фазы, обеспечивает ее подвижность, если применить конечное давление. Последнюю называют «давлениями сдвига»; они возрастают от нуля при максимальном насыщении для пропитки до давления вытеснения при 100% насыщении. Максимальное насыщение при пропитке, для которого исчезает давление сдвига, соответствует «равновесному насыщению», определяемому из кривой «проницаемость-насыщение»; это - насыщение, при котором впервые возникает подвижность несмачивающей фазы.

Переходные зоны между водоносными и нефтеносными слоями пласта, а также между нефтяной зоной и налегающими шапками свободного газа определяются гидростатическим равновесием между напорами, возникающими вследствие разности удельных весов, и капиллярными давлениями [уравнение 4,9 (1)". Если известна зависимость «кривизна - насыщение» для породы, можно формально высчитать распределение насыщений по высоте внутри переходной зоны [уравнение 4.9 (2)]. Конечное равновесное насыщение жидкостью в продуктивном слое получается в результате направленного вниз дренирования избыточной