книги из ГПНТБ / Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти

Г -А - Б А Б А Л Я Н

ФИЗИКО ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В ДОБЫЧЕ НЕФТИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «IT Е Д Р А»

М о с к в а - 1 9 7 4

ЧИТАТЬ,чОГО а .АДА

i f i / D è

/с? /* ? /

Г. А. Бабалян. Физико-химические процессы в добы­ че нефти. М., «Недра», 1974, 200 с.

В книге описаны физико-химические явления, про­ исходящие при фильтрации нефти, воды и газа в пласте и движении их в трубах; рассмотрены взаимодействие породы с водой и нефтью, диффузия поверхностно-ак­ тивных веществ, явления диспергирования, коалесценшін, смачивания, прилипания и отрыва капель нефти, воды и пузырьков газа от твердой поверхности, механизм кри­ сталлизации солей.

Книга предназначена для инженеров и научных ра­ ботников нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, хи­ мической промышленности п других отраслей народного хозяйства. Она может быть полезной также для студен­ тов и преподавателей нефтяных вузов.

Таблиц 44, иллюстраций 111, список литературы — 116 названий.

^0382—604

ПРЕДИСЛОВИЕ

Роль физико-химических явлений в добыче нефти чрезвычайно велика. Они оказывают большое влияние на разработку нефтяных

коррозию, отложение гипса и парафина в наземном и подземном

оборудовании и т. д.

В предлагаемой к изданию книге автор поставил своей задачей описать наиболее важные для теории и практики добычи нефти физико-химические явления с целью подготовки читателя к глубо­ кому пониманию процессов добычи нефти и эффективному исполь­ зованию химических реагентов для их совершенствования.

Описанные в книге результаты исследований позволяют ■решать практические задачи по борьбе с коррозией оборудова­ ния, отложениями в трубах гипса и парафина, созданию различ­ ных покрытий на трубах и т. д.

Всвязи с установленным фактом адсорбции активных компо­ нентов нефтей в пласте уделяется значительное внимание исследо­ ваниям адсорбции при фильтрации нефтей и углеводородных ра­ створов различных реагентов.

Внефтяной литературе не уделено должного внимания диффу­ зионным процессам, в то время как скорость диффузии вещества является во многих случаях основным фактором, определяющим целесообразность его применения для совершенствования того или иного процесса добычи нефти. Этому, новому для нефтяников, воп­ росу в книге уделено большое внимание. Исследования в этой об­ ласти представляют интерес и для специалистов многих других

отраслей промышленности — горнорудной, нефтеперерабатываю­ щей, химической и т. д.

Раздел «Диспергирование и коалесценция» освещает большой круг вопросов, связанных с образованием и разрушением эмуль­ сий в процессе фильтрации и движения в трубах многокомпонент­ ных систем. Особенно интересны микрокинематографические съемки, дающие возможность ясно представить себе физику про­ цесса каолесценции и диспергирования.

Раздел, касающийся смачивания, представляет собой главным образом обобщение исследований в этой области. Он органически

3

связан с другими разделами книги и без него она не имела бы цельности.

Большое внимание уделено процессам прилипания к твердой поверхности и отрыву от нее капель нефти и пузырьков воздуха в водной среде и капель воды в среде нефти и газа.

Особый интерес в этих разделах книги представляют исследо­ вания кинетики утончения пленки электролита под каплей углево­ дородной жидкости в капилляре в зависимости от различных факторов.

О механизме движения капель углеводородной жидкости в поровом канале современная литература ограничивается лишь об­ щими представлениями. Поэтому автор счел нужным описать ме­ ханизм движения капли в единичном поровом канале — капилляре, достаточно детально исследованный нм с сотрудниками за послед­ ние годы.

В области капиллярного впитывания появилось несколько ин­ тересных работ, результатами которых автор воспользовался как дополнением к ранее опубликованным им материалам по этому вопросу '.

Совершенно новым является раздел «Выделение'и растворение газа». Исследования были проведены в условиях, моделирующих поровый канал, и показывают, как влияют различные физико-хи­ мические факторы на ход процесса растворения газа и выделения его в тонких порах.

Вкниге отдельно рассматривается кристаллизация солей из водных растворов. Приводятся результаты исследований процесса образования кристаллов в порах при диффузии солей через тонкую водную подкладку под каплей нефти и в глобулах электролита при создании эмульсии типа «вода в нефти». Интерес к этим вопросам высок, очевидно, в связи с явлением образования твердых отложе­ ний на стенках труб и необходимостью совершенствования процес­ са подготовки нефти.

Вцелом книга освещает, главным образом, работы автора, вы­ полненные им с сотрудниками в БашНИПИнефти и Башкирском

государственном университете на протяжении многих лет.

Автор выражает глубокую благодарность академику П. А. Ре­ биндеру за ценные указания, сделанные им при просмотре руко­ писи настоящей книги, канд техн. наук М. X. Ахмадееву за боль­ шую помощь при подготовке рукописи к изданию и написании раз­ делов книги по диффузии и коалесценции, канд. техн. наук Е. П. Сенцовой, канд. техн. наук А. Б. Тумасяну, канд. техн. наук Ф. Г. Хатмулину, канд. техн. наук Л. Н. Малышевой и докт. техн. наук И. И. Кравченко за оказанную ими помощь при написании данной работы.

1 Г. А. Бабалян. Физико-химические основы применения ПАВ при разработ­ ке нефтяных пластов. М., Гостоптехиздат, 1962. 282 с.

Г л а в а I

ВОДЫ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ПОРОДОЙ

Пластовые воды нефтяных месторождений имеют различную минерализацию и отличаются по солевому составу, зависящему от геологического возраста, стратиграфии эксплуатируемого гори­ зонта и т. д. По степени минерализации пластовые воды подразде­ ляются на солоноватые (с плотным остатком от 1 до 6 г/л), соле­ ные (от 6 до 150 г/л) и рассольные (от 150 до 250 г/л). Существует также деление пластовых вод на щелочные и жесткие.

Щелочные воды встречаются в горизонтах нижнего отдела про­ дуктивной толщи Апшерона, в районе Грозного, в Дагестане, Гру­ зии, Кубано-Черноморской области и др. Жесткие пластовые воды отмечены в верхнем отделе продуктивной толщи Апшерона, в Не- бит-Даге, на о. Челекен, в Эмбеиском районе, Урало-Поволжье.

При заводнении нефтяных пластов, освоении скважин, бурении используются воды рек, озер и морей, а также сточные воды неф­ тедобывающих предприятий, химических и нефтехимических про­ изводств, которые в тон или иной мере содержат органические со­ единения, представляющие собой поверхностно-активные вещества. Химический состав поверхностных природных вод характеризуется обычно соотношением компонентов:

S04 > НС03 > С1 и Ca > Mg > Nа > К

1. ГРАНИЧНЫЕ СЛОИ ВОДЫ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Многочисленные исследования [21, 94] показывают, что на твердой поверхности вода образует особую фазу — граничный слой со свойствами, отличными от свойств в объеме. Благодаря этим свойствам пленка воды между двумя твердыми поверхностями от­ талкивает их, т. е. оказывает на них расклинивающее действие.

Образование граничного слоя воды на твердой поверхности Б. В. Дерягин связывает с поляризацией молекул и их ориентацией по направлению от твердой поверхности в глубь жидкости. Такие слои обладают упругостью формы, модулем сдвига, пределом теку­ чести, т. е. аномальными свойствами.

Возможно также химическое взаимодействие воды с твердой поверхностью и образование нового соединения. Так, по И. В. Гре-

5

бенщикову [21, 22], на поверхности природных пли искусственных силикатов в присутствии воды образуется тонкая коллоидная плен­ ка кремневой кислоты за счет гидролиза кремнекислых соединений. Продукты гидролиза могут затем реагировать с электролитом, об­ разуя новые соединения. В рассматриваемых опытах, кроме гидро­ лиза, протекают реакции обменного разложения на поверхности стекла и образуются силикаты иного состава. Это сказывается и на толщине пленки. По расчетам Гребенщикова толщина разру­ шенного слоя стекла зависит от состава стекла и взаимодействую­ щего с ним электролита, колеблясь в пределах от 10 до 70 Л, дости­

кислоты сильно замедляют диффузию, защищая таким образом поверхность силиката от дальнейшего воздействия воды.

Свежеобразованные гидратированные коллоидные пленки об­ ладают гибкостью и упругостью. При высыхании, или дегидрата­ ции, они становятся более жесткими. Возвращаясь во влажную обстановку, они вновь гидратируются, набухая подобно гелям.

Многочисленными экспериментальными и теоретическими иссле­ дованиями установлен очень большой диапазон значений толщины слоев воды с аномальными свойствами: от нескольких десятков ангстрем до нескольких микрон.

Для выяснения влияния граничных слоев воды на ее движение в капиллярах и пористых средах проводился ряд исследований. Интересны в этом отношении работы Н. Н. Федякпна [96, 97], изучавшего перемещение воды в капиллярах различного сечения (от 2 до 0,2 мк), а также величину вязкости и поверхностного на­ тяжения ее в зависимости от радиуса капилляра. Было установ­ лено, что свойства жидкостей в микрокапнллярах отличаются от объемных. При движении воды в капиллярах с радиусами, мень­ шими 0,1 мк, вязкость и плотность ее не являются постоянной ве­ личиной, уменьшаясь с уменьшением радиуса капилляра. При этом у воды наблюдается предельное напряжение сдвига. Плотность ее не соответствует плотности воды в объеме.

В капиллярах размером от 0,8 до 2,2 мк, частично заполнен­ ных водой и запаянных с обоих концов, наблюдается образование

Вследствие неустойчивости этой пленки она собирается в стол­ бики, заполняющие капилляр уже по всей толщине. Особые свой­ ства пленки сохраняются и в этих столбиках.

Было установлено [6 ] различие проницаемости для щелочных и жестких вод сцементированного и несцементированного песка с радиусом пор от 30 до 200 мк. Это было объяснено различием тол­ щины граничного слоя. Толщина его зависит от диэлектрической 'проницаемости фильтрующихся сред. С ростом ее толщина гранич- ■ного слоя увеличивается. Для дистиллированной воды в случае крупнопористого песка она достигала 2,8 мк. Многочисленные оп­

6

ределения в капиллярах равновесной толщины прослойки воды под каплей углеводородной жидкости и пузырьком воздуха показы­ вают, что толщина прослойки в зависимости от характеристики твердой поверхности, воды и углеводородной жидкости может ме­ няться от значений, близких к нулю, до нескольких микрон. При движении же капли она достигает нескольких десятков микрон. Характерно, что по достижении некоторой скорости движения кап­ ли дальнейший рост скорости не приводит к деформации капли,

т.е. изменению толщины слоя воды под ней.

Вочень тонкопористых средах, где граничные слои воды оказы­ вают значительное сопротивление ее фильтрации, гндрофобпзация

поверхности пор резко увеличивает скорость фильтрации — до 7 раз [34]. Проницаемость гидрофильных пористых сред для воды меньше, чем для растворов КС1 и NаСI, так как добавка к воде КС! и NaCl уменьшает толщину водной прослойки.

Ряд исследователей [53] делает заключение о том, что значи­ тельная часть граничного слоя является подвижной. Об этом сви­ детельствуют, в частности, и данные о вытеснении из пористой сре­ ды одних вод другими [4], а также растворами поверхностно-ак­ тивных веществ [5]. Полностью вода вытесняется из пористой сре­ ды водными растворами солей пли поверхностно-активных веществ при прокачке их в количествах, во много раз превышающих объем норового пространства. Поверхностно-активные вещества и соли диффундируют в граничный слой.

В нескольких работах [17, 50] указывается на возможность затухания фильтрации воды вследствие гидролиза кремнезема и большинства силикатов и закупорки пор продуктами гидролиза. Соли, содержащиеся в минерализованных водах, дегидратируют продукты гидролиза и не дают им набухать и разрушаться, сни­ жая тем самым возможность затухания фильтрации.

Из приведенных данных видно, что на толщину граничного слоя воды оказывают влияние многие сложные факторы. Характеристи­ ка граничного слоя и в первую очередь его толщина играют чрез­ вычайно большую роль в процессах фильтрации воды и совмест­ ного движения ее с нефтью и газом в пористой среде, трубах и ка­ налах. На процессы бурения скважин, освоения их, заводнение нефтяных пластов большое влияние оказывает взаимодействие во­ ды в первую очередь с глинистыми компонентами породы. Поэтому представляет интерес более детально рассмотреть этот вопрос.

2.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДЫ С ГЛИНАМИ

Состав глин и строение глинистых минералов

Глина представляет собой тонкодисперсную смесь различных минералов, образовавшихся в результате выветривания первоздан­ ных пород, с остатками материнской породы, химическими осадка­ ми, органическими примесями.

7

Характерной особенностью глинистых минералов является ма­ лая величина частиц ( < 0,01 мм)*.

Основную роль среди минералов глин играют специфические и характерные минералы, издавна называемые глинистыми минера­ лами. Главнейшие из них: каолинит, галлуазит, монтмориллонит, гидрослюды [20, 21].

Высокая дисперсность и слоистое строение глинистых минера­ лов определяют их физико-химические свойства (пептизация, коа­ гуляция, адсорбция, обмен ионов и др.).

В зависимости от преобладающего глинистого минерала разли­ чают следующие типы глин: 1) каолинитовые, 2 ) монтмориллонитовые, 3) гидрослюдистые, 4) хлоритовые [20]. Последние в со­ ставе глин имеют сравнительно небольшое значение.

Минералы каолинитового типа почти не набухают в воде, обла­ дают малой адсорбционной способностью и малой емкостью погло­ щения.

Минералы монтмориллонитового типа широко распространены в природе. Известно более 20 различных названий минералов этого типа, основными из которых являются монтмориллонит, бепделлит, нонтронит. Они характеризуются большим коэффициентом на­ бухания.

Довольно часто в глинах встречаются минералы, относящиеся к группе гидрослюд, наиболее распространенными представителями которых являются гидромусковит, гидробиотит, гпдропарагонит, вермикулит и глауконит. Гидрослюды являются продуктами разной степени гидратации слюд, поэтому обладают большой неоднород­ ностью. Различные представители гидрослюд различаются по сте­ пени дисперсности, емкости катионного обмена и другим свойст­ вам. Это объясняется тем, что гидрослюды являются промежуточ­ ными продуктами между слюдами п монтмориллонитами, пред­ ставляя собой минерал переменного состава. Таким образом, гндрослюды набухают в значительно меньшей степени, чем монтморил­ лониты.

Высокая дисперсность глинистых минералов и характерное строение кристаллической решетки обусловливают присущие им специфические свойства, которые при взаимодействии глинистых частиц с раствором электролитов выражаются в гидратации гли­ нистых частиц — набухании, в обмене катионов между частицами глины и раствором, в изменении агрегативной устойчивости гли­ нистых частиц. Все эти явления тесно между собой связаны и взаимно обусловлены. Степень такого взаимодействия глины с во­ дой зависит также и от множества других факторов, к числу кото­ рых можно отнести полиминеральность глин, присутствие орга­ нических веществ и различных коллоидных частиц. В значитель-

* В геологии принято к глинам относить породы, содержащие более 50% частиц величиной менее 0,01 мм. Среди них присутствует не менее 25% частиц, размер которых не превышает 0,001 мм.

8