Файл: Контрольные вопросы для самопроверки. Методические указания предназначены для студентов магистратуры направления 21. 04. 01 Нефтегазовое дело.pdf

33 текучести обнаруживается даже в легких нефтях, однако для его обнаружения рекомендуется использовать реометр с достаточно большим зазаором между неподвижной и вращающейся поверхностями, поскольку размер кристаллов может составлять десятки микрон и даже превышать 100 мкм.
Основными параметрами, определяющими процесс структурирования в НДС являются такие факторы как состав нефти и соотношение в ней высокомолекулярных компонентов, снижение давления и температуры, шероховатость стенок металлических труб, скорость движения флюида, а также наличие механических примесей, которые могут играть роль дополнительных центров кристаллизации.
Структурообразование в НДС может осуществляться в пластовых условиях или образовываться в технологических процессах добычи, транспортировки и переработки нефти. Одним из осложняющих факторов при работе с НДС является образование асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), которое приводит к снижению нефтеотдачи за счет закупоривания пор пласта и снижению его фильтрационных характеристик, уменьшению проходного сечения НКТ (насосно-компрессорных труб), а следовательно к снижению количества добываемой нефти; при транспортировке нефти АСПО приводит к забивке трубопроводов и резервуаров, а при переработке – к отложениям на теплопередающих поверхностях и на катализаторах, что таким образом повышает расход электроэнергии и степень износа оборудования.
Псевдопластическое течение. Тиксотропия и дилатантность
Псевдопластическое поведение
(рис. 6) является нелинейным и характеризуется отсутствием пропорциональности между напряжением и деформацией сдвига − при напряжениях сдвига, меньших предела текучести, деформация не происходит.
При достижении напряжения выше предела текучести деформация происходит с определенной скоростью, для осуществления которой

34 уже не требуется дальнейшего повышения напряжения. Механизм псевдопластического течения заключается в совокупности актов разрыва и восстановления контактов между дисперсными частицами после преодоления предельного напряжения сдвига исследуемой системы.
Жидкости, для которых напряжение сдвига и эффективная вязкость уменьшаются при постоянной скорости вращения ротационного вискозиметра в течение некоторого времени, называются тиксотропными. Как правило, тиксотропией обладают структурированные системы, энергия взаимодействия частиц в которых в состоянии покоя значительно превышает энергию броуновского движения. При механическом воздействии такие структуры легко разрушаются.
Несмотря на значительное количество исследований тиксотропных свойств
НДС, единой методики для ее количественной оценки пока не существует. Обычно ее оценивают как площадь «петли гистерезиса», полученной в результате динамических испытаниях образца при заданной температуре при плавном увеличении скорости сдвига до некоторого значения с последующим плавным уменьшением до нуля. Чем больше площадь, заключенная между полученными кривыми, тем в большей степени исследуемая НДС обладает тиксотропией. Причем при повышении температуры тиксотропные свойства НДС значительно снижаются (рис. 7). Площадь гистерезисной кривой характеризует эффективность структурообразования в материале и влияние на него температуры или деформирования.
Дилатантные жидкости
(рис. 6) характеризуются возрастанием вязкости при увеличении скорости деформации сдвига. Механизм взаимодействия: плотно расположенные частички перемешаны с жидкостью, заполняющей пространство между ними.
При низких скоростях сдвига слоёв материала друг относительно друга жидкость действует как смазка, и дилатантный материал способен легко перетекать. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнять свободные пространства, образующиеся между

35 движущимися частичками, и поэтому трение между частичками сильно возрастает, что приводит к увеличению вязкости.
Рис. 7. Петля гистерезиса тяжелой нефти при различных температурах
Для снижения вязкости тяжелой нефти важным приемом является ее разбавление с легкой нефтью. Таким образом можно варьировать не только вязкость и предел текучести смеси в широких пределах, но и значительному снижению и зачастую полному исчезновению тиксотропии.
Термодинамические аспекты течения НДС
Проведение экспериментальных исследований реологических свойств
НДС позволяет определить термодинамические характеристики вязкого течения, которые в свою очередь дают возможность судить о межмолекулярном взаимодействии компонентов, входящих в состав системы. При исследовании структурно-механических свойств НДС приложенное напряжение сдвига может вызвать разрушение структуры и переориентацию макромолекул, составляющих
НДС, что сопровождается изменением их конформаций. Эти процессы

36 должны по-разному сказываться на величинах энтальпии (прочность структуры) и энтропии (степень упорядоченности) активации вязкого течения.
Как правило, термодинамические характеристики вязкого течения НДС определяются на основании уравнений Аррениуса,
Френкеля и теории Эйринга (10):
η =
∙
/
(10)
гдеη - динамическая вязкость, Па·с;
η
0
– предэкспонента динамической вязкости, Па·с;
Е
a
– энергия активации вязкого течения, Дж/моль.
R – универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/моль·К;
T – температура, К.
Энергия активации вязкого течения равна работе, которую необходимо затратить для перемещения частиц жидкости. Она связана с энергией межмолекулярного взаимодействия и, как правило, определяется как угол наклона кривой на графике зависимости логарифма динамической вязкости от обратной температуры (рис.8).

37
Рис. 9. Температурная зависимость вязкости в координатах уравнения Аррениуса
Вопросы для текущего контроля и зачета (экзамена)
1.
Типы течения.
2.
Различия ньютоновского и ненбютоновского типа течения.
3.
Что такое тиксотропия?
4.
Чем обусловлено структурообразование в НДС?
5.
Что такое АСПО?
6.
Что происходит с тиксотропией при повышении температуры?
7.
Как определяется энергия активации вязкого течения?

38
VII. Эмульсии и ПАВы
Эмульсии. Реологические свойства обратных водонефтяных
эмульсий
Вязкость нефти является важным параметром скважинной продукции, который влияет на эффективность добычи, сбора и транспортировки нефти.
Изучение реологических свойств образующихся эмульсий является обязательным условием при проектировании систем сбора и транспорта продукции.
Водонефтяные эмульсии прямые (масло/вода) и обратные
(вода/ масло) образуются при добыче, промысловой подготовке, а также при приготовлении нефтепродуктов типа водно-топливных эмульсий, смазочно-охлаждающих жидкостей. Разделение водно- нефтяных эмульсий составляет суть процессов обезвоживания и электрообессоливания на промыслах и в электрообессоливающих установках ЭЛОУ.
Помимо природных нефтяных эмульгаторов на структурно- механические свойства водонефтяных эмульсий влияют количество и минерализация пластовых вод, извлекаемых вместе с нефтью. В связи с применением химических реагентов для интенсификации нефтеотдачи, а также дополнительным диспергированием по мере движения скважинной жидкости через технологические устройства происходит образование особо стойких эмульсий и пен.
По концентрации дисперсной фазы эмульсии бывают разбавленные (до неск. %), концентрированные (до 70 %) и высококонцентрированные (свыше 70 %).
На устойчивость водонефтяных эмульсий большое влияние оказывает степень раздробленности капель водной фазы. Небольшое количество воды (10 %) наряду с высоким содержанием н-алканов и смолистоасфальтеновых компонентов приводит к формированию наиболее устойчивых эмульсий. Повышение содержания воды приводит к увеличению размеров капель в водонефтяных системах, тем самым, снижая энергию взаимодействия между частицами и, следовательно, стабильность системы.

39
С увеличением содержания воды в эмульсиях вязкость растет, а размеры и форма частиц асфальтенов изменяются: повышение воды в эмульсии ведет к образованию частиц сложной формы и увеличению размеров асфальтенов.
Применение поверхностно-активных веществ для подавления
аномалий вязкости пластовой нефти
Способность вещества при адсорбции на границе раздела фаз снижать поверхностное натяжение в зависимости от его концентрации в объеме называется поверхностной или межфазной активностью. Признаком поверхностной активности молекул является их дифильность, т.е. наличие у них полярной
(гидрофильной) и неполярной (гидрофобной) частей.
Различают
ПАВ синтетического и природного происхождения.
Синтетические ПАВ входят в состав различных химических реагентов.
К природным ПАВ относят нефтяные кислоты, фенолы, смолы, асфальтены. Природные ПАВ являются стабилизаторами водно-нефтяных эмульсий. Они способствуют образованию структурно-механического барьера на поверхности глобул воды и препятствуют их коалесценции (слиянию), предшествующей разделению эмульсии на макрофазы. Механизм действия деэмульгаторов
(специально синтезированных веществ, применяющихся для деэмульсации водно-нефтяных эмульсий) заключается в вытеснении за счет более высокой поверхностной активности с поверхности глобул воды молекул природных ПАВ и разрушении структурно-механического барьера.

Вопросы для текущего контроля и зачета (экзамена)
1.
Что такое эмульсия?
2.
Какие существуют виды эмульсий?
3.
Как влияет водная фаза на вязкость и устойчивость водонефтяных эмульсий?

40 4
Что такое ПАВ?
5.
Виды ПАВ и их применение.
6.
Механизм действия деэмульгаторов.
VIII.Задачи по реологии и методам измерения структурно-
механических свойств
Определение типа жидкости
Для определения типа течения, как правило, используется зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига. В таблицах 5 и
6 приведены значения напряжения сдвига и скорости сдвига парафиновой и тяжелой нефти при различных температурах.
Свойства исследуемых нефтей приведены в таблице 7.
Задание: по данным таблиц 5 и 6 построить кривые течения и вязкостиобразцов нефтей и по полученным графикам определить тип жидкости парафиновой и нафтено-ароматической нефтей при различных температурах. Сделать вывод о происходящих структурных формированиях при понижении температуры и как они зависят от типа нефти.
Методика расчета:
Для построения кривой вязкости необходимо получить значение вязкости по формуле:
η=τ/γ
(11) где: τ – напряжение сдвига, Па; η – эффективная вязкость,
Па·с; γ – скорость сдвига, рад/с.
Кривая течения – соотношение напряжения сдвига от скорости сдвига (рис.9).
Кривая вязкости – соотношение вязкости от скорости сдвига
(рис. 10).
По исходным данным строят кривые течения и вязкости, а также зависимость логарифма напряжения сдвига от логарифма скорости сдвига. Анализируя полученные графики, определим тип

41 течения нефти при каждой из исследуемых температур и выявим температуру, при которой тип течения изменяется.
Рис. 10. Кривые течения парафинистой нефти при температуре от 10 до 70ºС
Рис. 11. Кривые вязкостипарафинистой нефти при температуре от 10 до 70ºС

42
Таблица 5.
Напряжение и скорость сдвига парафиновой нефти при различных температурах
10 о
С 30 о
С 50 о
С 70 о
С
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
60,3 0,115 0,1 0,0008 0,1 0,000637 0,1 42,0 0,15 0,181 0,158 0,0006 0,1585 0,000578 0,1585 47,0 9,57 0,267 0,251 0,0013 0,2512 0,000981 0,2512 50.0 16,1 0,378 0,398 0,0019 0,3981 0,001378 0,3981 52,0 25,0 0,517 0,631 0,0031 0,631 0,001996 0,631 53,3 39,7 0,696 1 0,0045 1 0,002791 1 54,8 63,0 0,911 1,585 0,0071 1,585 0,004281 1,585 58,5 99,9 1,168 2,512 0,0109 2,512 0,006817 2,512 64,0 158,5 1,414 3,981 0,0173 3,981 0,01071 3,981 72,9 251,2 1,686 6,31 0,0269 6,31 0,01686 6,31 73,6 300,0 1,986 10 0,0423 10 0,02663 10 2,336 15,85 0,0667 15,85 0,04223 15,85 2,759 25,12 0,1053 25,12 0,06769 25,12 3,295 39,81 0,1672 39,81 0,1089 39,81 3,992 63,1 0,2678 63,1 0,1764 63,1 4,91 100 0,4314 100 0,2886 100 6,007 158,5 0,7008 158,5 0,4749 158,5 7,515 251,2 1,148 251,2 0,79 251,2
Таблица 6.
Напряжение и скорость сдвига нафтено-ароматической нефти при различных температурах
10 о
С 30 о
С 50 о
С 70 о
С
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
0,024 0,1 0,00791 0,1 0,002777 0,1 0,001382 0,1 0,039 0,1585 0,01248 0,1585 0,004614 0,1585 0,002353 0,1585 0,062 0,2512 0,01968 0,2512 0,007483 0,2512 0,003968 0,2512 0,098 0,3981 0,03064 0,3981 0,01205 0,3981 0,006352 0,3981

43
Продолжение таблицы 6.
10 о
С 30 о
С 50 о
С 70 о
С
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
τ, Па
γ′, рад/с
0,158 0,631 0,04834 0,631 0,01909 0,631 0,01016 0,631 0,250 1 0,07592 1 0,02998 1 0,0161 1 0,398 1,585 0,1202 1,585 0,04779 1,585 0,02544 1,585 0,634 2,512 0,1897 2,512 0,0755 2,512 0,04039 2,512 1,007 3,981 0,3002 3,981 0,1198 3,981 0,06384 3,981 1,599 6,31 0,4749 6,31 0,1899 6,31 0,1014 6,31 2,536 10 0,7514 10 0,3014 10 0,161 10 4,022 15,85 1,189 15,85 0,4788 15,85 0,2557 15,85 6,371 25,12 1,881 25,12 0,7598 25,12 0,4064 25,12 10,09 39,81 2,975 39,81 1,205 39,81 0,6462 39,81 15,97 63,1 4,706 63,1 1,911 63,1 1,027 63,1 25,25 100 7,445 100 3,03 100 1,634 100 39,93 158,5 11,79 158,5 4,812 158,5 2,607 158,5 63,19 251,2 18,69 251,2 7,672 251,2 4,192 251,2 75,45 300 22,32 300 9,201 300 5,049 300
Таблица 7.
Физико-химические свойства исследуемых нефтей
Параметр
Ярегская нефть
Харьягинская нефть
Плотность, кг/м
3
при 20°С 939,8 824
Молекулярная масса 433 370
Начало кипения, °С 220 47
Выход, мл 31 61
К фактор 10,59 11,53
Тип углеводородов
Нафтено- ароматический
Нафтено- парафиновый
Температура застывания, °С -18 18
Содержание серы,мас. %
1,23 0,26
Содержание фракций, мас. %
НК-140 -
9,98 140-180 -
6,92 180-210 -
5,43

44
Продолжение таблицы 7.
Параметр
Ярегская нефть
Харьягинская нефть
210-340 27,88 29,95
< 340 70,74 46,50
Насыщенные соединения, мас. %
16 50
Твердые парафины, мас. %
0,5 23
Ароматические соединения, мас. %
35 25
Смолы, мас. %
32 19
Асфальтены, мас. %
17 6
Предельное напряжение сдвига
Различают динамическое τ
0
и статическое τ
с напряжения сдвига и, как правило, динамическое напряжение сдвига больше статического (рисунок 1), что обусловлено физико-химическими свойствами НДС, а также особенностями их структурообразования и составом. Как правило, причиной возникновения предела текучести является изменение микроструктуры дисперсной системы под действием силовой нагрузки.
Задание: по данным таблиц 5 и 6 построить зависимость статического и динамического предельного напряжения сдвига от температуры и по полученным графикам сделать вывод о происходящих структурных формирований при понижении температуры и как они зависят от типа нефти. За значение предельного напряжение сдвига принимаем значение напряжения сдвига, соответствующего минимальной скорости сдвига.
Тиксотропия
Жидкости, для которых напряжение сдвига и эффективная вязкость уменьшаются при постоянной скорости вращения ротационного вискозиметра в течение некоторого времени, называются тиксотропными. Как правило, тиксотропией обладают структурированные системы, энергия взаимодействия частиц в которых в состоянии покоя значительно превышает энергию броуновского движения. При механическом воздействии такие структуры легко разрушаются.