Поверхностно-молекулярные свойства системы «порода-вода-нефть-газ». Система нефть вода


Молекулярно-поверхностные свойства системы «нефть-газ вода порода».

Нефтяной пласт представляет собой залежь осадочных пород в виде тела с 9 огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и её вытеснения из пористой среды зависят также и от свойств пограничных слоев соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

На формирование залежей углеводородов оказывает влияние количество остаточной воды в залежи (остаточная водонасыщенность, Sв), которая в свою очередь зависит от свойств воды и углеводородов и от природы поверхности горной породы. Под природой поверхности понимаются гидрофильность - способность вещества смачиваться водой и гидрофобность - способность вещества не смачиваться водой.

Физико-химические свойства поверхностей раздела фаз и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей - поверхностным натяжением на границе раздела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой адгезии и когезии, теплотой смачивания.

Поверхностное натяжение - избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз. По поверхностному натяжению пластовых жидкостей на различных поверхностях раздела можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.

Поверхностное натяжение связано с такими понятиями, как свободная энергия поверхностного слоя жидкости и сила поверхностного натяжения.

Свободная энергия поверхности:

   (5.1)

где - поверхностное натяжение;

s - суммарная поверхность двух фаз.

Сила поверхностного натяжения - сила, действующая на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):

F =     (5.2)

где l- линия смачиваемоемости.

Коэффициент поверхностного натяжения а зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.

Если поверхностное натяжение между двумя жидкостями, газом и жидкостью можно измерить, то на поверхности раздела породы-жидкости и породы-газа измерить трудно. Поэтому для изучения поверхностных явлений на границе порода-жидкость-газ, пользуются косвенными методами:

измерением работы адгезии и когезии, исследованием явлений смачиваемости и растекаемости, изучением теплоты смачивания.

Смачиванием называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие - не смешиваемые жидкости или жидкость и газ.

Капля жидкости может растекаться по поверхности, если поверхность хорошо смачивается, а если поверхность плохо смачивается, то капля растекаться не будет.

Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Θ, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Форма капли, обусловленная поверхностными натяжениями на различных границах соприкасающихся фаз.

Краевой угол Θ измеряется в сторону более полярной фазы (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 - углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 - твёрдое тело.

Предполагая, что краевой угол Θ отвечает термодинамическому равновесию, получим уравнение, впервые выведенное Юнгом:

   (5.3)

откуда получим выражение для краевого угла Θ:

   (5.4)

Если , то 0 < cos  Θ < l, из чего следует, что угол Θ - острый

(наступающий), а поверхность - гидрофильная.

Если , то –l < cos Θ < 0, из чего следует, что угол Θ - тупой

(отступающий), а поверхность - гидрофобная.

Существуют также переходные поверхности (т.н. амфотерные), которые хорошо смачиваются как полярными, так и неполярными системами.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям - парафины, жиры, воск, чистые металлы.

Краевой угол смачивания зависит от строения поверхности, адсорбции жидкостей и газов, наличия ПАВ, температуры, давления, электрического заряда.

Поверхностные явления описываются также работой адгезии.

Адгезия - прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел. Когезия -явление сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленной межмолекулярным или химическим взаимодействием.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

   (5.5)

Используя соотношения (5.3) и (5.5), мы получим уравнение Дюпре-Юнга:

   (5.6)

 Из соотношения  следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину, которую принято называть натяжением смачивания.

Работа когезии Wk характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы.

Из уравнения (5.6) следует, что на отрыв жидкости от поверхности твёрдого тела при полном смачивании (когда cos Θ = 0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей -  , т.е. , где  - поверхностное натяжение жидкости на границе с газом.

Это значит, что при полном смачивании жидкость не отрывается от поверхности твёрдого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т.е. при полном смачивании .

Подставив в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии, получим:

    (5.8)

Из этого уравнения следует, что смачиваемость жидкостью твёрдого тела тем лучше, чем меньше работа когезии (и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом).

Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии z = Wa/Wk.

Ещё одна характеристика, используемая для описания поверхностных явлений - теплота смачивания.

Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе твёрдое тело-жидкость меньше, чем на границе с воздухом. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно имеет значение от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твёрдого тела и полярности жидкости.

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твёрдого тела и природу его поверхности. Большее количество теплоты выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твёрдую поверхность.

students-library.com

Молекулярно-поверхностные свойства системы нефть-газ-вода-порода

Нефтегазосодержащие горные породы имеют огромную удельную поверхность, которая контактирует в пласте с нефтью, газом и водой.

В порах и трещинах горной породы также находятся в контакте не смешивающиеся друг с другом жидкости - вода и нефть.

Суммарная поверхность их раздела также большая. Исходя из этого, на многие процессы разработки нефтяных и газовых залежей значительное влияние оказывают поверхностные явления, происходящие в пласте на границе разделов твердой поверхности породы с жидкостями и газами самих несмешивающихся жидкостей.

Молекулярно-поверхностные свойства раздела фаз пластовых систем (нефть - газ - вода) изучают по величине поверхностного натяжения жидкостей на границах с жидкостями (нефть, вода) и газом, по избирательной смачиваемости системы, по величине работы адгезии и теплот смачивания горных пород пластовыми жидкостями.

В жидкости между молекулами присутствуют силы взаимного сцепления, которые находятся в равновесном состоянии (рис. 6) и свободно могут передвигаться в любом направлении.

Силы, действующие на молекулы, находятся в поверхностном слое (АВ) или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей и вдоль поверхности раздела.

Молекулы, которые находятся на поверхности раздела двух фаз, обладают избытком энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся во внутренних слоях жидкости.

При этом поверхностный слой жидкости оказывает большое давление, называемое молекулярным давлением. Для воды оно доходит до 1000 МПа.

Давление поверхностного слоя вызывает появление сил реакции, которые противодействуют молекулярному давлению и называются силами поверхностного натяжения. Поверхностное

Рис. 6. Схема возникновения молекулярного давления: 1 - молекула; 2 - область молекулярного притяжения

натяжение можно охарактеризовать как работу, необходимую для образования единицы новой поверхности:

(26)

где R - работа, Дж; 5 - вновь образованная поверхность, м ; о представляет собой свободную энергию поверхности, равной 1 м .

В нефтяном пласте поверхностное натяжение может быть на границах таких фаз: нефть-вода, нефть-газ, нефть-порода, вода-газ, вода-порода, газ-порода.

Поверхностное натяжение всегда изменяется на границе раздела двух фаз. Поверхностное натяжение разных фаз на границе их раздела неодинаковое за счет различного содержания полярных компонентов.

В таблице 5 показаны значения поверхностного натяжения некоторых жидкостей на границе с воздухом и водой при температуре 20° С.

Таблица 5

 

Жидкость Поверхностное натяжение, мН/м
на границе с воздухом на границе с водой
Ртуть
Вода 72,6 -
Керосин 24,0 48,0
Нефть 24-31 19-33

Поверхностное натяжение на границе двух фаз зависит от температуры и давления. Поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом уменьшается с повышением температуры. Поверхностное натяжение жидкости при критической температуре становится равным нулю, и вся жидкость превращается в газ. Поверхностное натяжение жидкости уменьшается с повышением давления.

Поверхностное натяжение жидкостей на границе с газом понижается с повышением температуры и давления. В то же время поверхностное натяжение нефти на границе с водой практически не зависит от давления и температуры.

На поверхностное натяжение нефти на границе с водой в большей степени влияют поверхностно-активные вещества. Поверхностно-активными веществами в нефти являются нафтеновые кислоты, асфальтосмолистые вещества, меркаптаны, тио-фены и др., в молекулах которых атомы расположены несимметрично. Такие вещества способны адсорбироваться на поверхности раздела и снижать поверхностное натяжение.

Взаимная растворимость жидкостей обусловлена содержанием в них поверхностно-активных веществ (ПАВ). Чем меньше взаимная растворимость жидкостей, тем выше поверхностное натяжение на границе их раздела; чем больше взаимная растворимость жидкости, тем меньше поверхностное натяжение. В тех случаях, когда растворенные вещества уменьшают взаимную растворимость жидкостей, тогда поверхностное натяжение на границе раздела жидкостей увеличивается. Такие вещества называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).

studopedya.ru

Поверхностно-молекулярные свойства системы «порода-вода-нефть-газ».

На формирование залежей УВ оказывает влияние остаточная водонасыщенность, которая в свою очередь зависит от свойств воды, УВ и природы поверхности горной породы. Под природой поверхности понимают гидрофильность - способность вещества смачиваться водой и гидрофобность - способность вещества не смачиваться водой.

Поверхностное натяжение σ – избыток свободной энергии сосредоточенной на 1 см2 площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз. Свободная энергия поверхности:

где σ - поверхностное натяжение; s - суммарная поверхность двух фаз. Сила поверхностного натяжения - сила, действующая на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):

где L- линия смачиваемости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов. Смачиванием называется совокупность явлений на границе соприкосновения трех фаз (твердое тело – жидкость - газ или твердое тело – жидкость – жидкость). Если поверхность хорошо смачивается, то капля жидкости будет растекаться по поверхности. Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Θ, образованного поверхностью твердого тела с касательной, проведенной к поверхности жидкости из точки ее соприкосновения с поверхностью. Принято обозначать 1-водная фаза; 2- УВ жидкость или газ; 3-тв. тело.

Уравнение термодинамического равновесия Юнга:

Если угол Θ-острый, то поверхность – гидрофильная, если тупой, то гидрофобная. Краевой угол смачивания зависит от строения поверхности, адсорбции жидкостей и газов, наличия ПАВ, температуры, давления, электрического заряда.

Адгезия – прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел. Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

При смачивании свободная энергия единицы поверхности твердого тела уменьшается на величину σ1,2·cosΘ, которую принято называть натяжением смачивания. Когезия- явление сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленной межмолекулярным или химическим взаимодействием. Работа когезии характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы. На отрыв жидкости от поверхности тв. тела при полном смачивании (cosΘ=0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей

Т.е. смачиваемость жидкостью твердого тела тем лучше, чем меньше работа когезии (и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом). Большее количество теплоты выделяется при смачивании жидкостью, которая лучше смачивает твердую поверхность.

students-library.com

Особенности коррозии металлов в гетерогенных системах нефть-вода.

Гетерогенная система: ( либо Н, либо В – Нет контакта с газом).

Величина скорости коррозии при контакте металла с водой сильно зависит от толщины слоя воды на металле. С уменьшением толщины слоя воды, скорость коррозии резко возрастает и при толщинах 10-50 мкм может достигать 30 мм/год.  Металлы преимущественно гидрофильны, поэтому где влажный газ, там скорость коррозии максимальна.

Коррозионная агрессивность водонефтяной эмульсии меняется в широких пределах в зависимости от состава водной фазы, ее соотношения с углеводородной фазой, состава и количества газообразных веществ. В пластовых условиях в нефти и пластовой воде растворено значительное количество газообразных предельных углеводородов, а также коррозионно-агрессивных газов (диоксида углерода, сероводорода, кислорода), что, наряду с содержанием в попутных водах солей (ионов хлора), значительно повышает коррозионную агрессивность добываемой продукции.

Коррозия металла обусловлена наличием водной фазы, содержащей различное количество агрессивных ионов (хлоридов, сероводорода, углекислого газа и СВБ (сульфатвосстанавливающих бактерий)). Установлено, что при обводненности нефти выше 80 - 90 % внешней фазой водо-нефтяной эмульсии является коррозионно-агрессивная вода, а нефть практически не влияет на коррозионное поведение пластовой жидкости.

Особенности коррозии в присутствии СВБ и h3S:

1) Механизм коррозии при СВБ: в начале образуются участки, на которых интенсивно происходит окисление металлов, в месте покраснения возникают язвы, количество которых растет с появлением СВБ.

2) Механизм коррозии с h3S: при контакте активных ионов водорода с металлом, они проникают в металл и благодаря быстротекущим реакциям образуют h3S, это способствует трещинам и разрушению металла.

3) Контакт НКТ и ОК + СВБ, h3S: в наклонно-направленных скважинах всегда есть место, где НКТ контактируют с ОК. В месте контакта между трубами имеется тонкая пленка воды, благодаря которой между трубами возникает электрический потенциал, резко усиливающий явление коррозии.(наводороживание)

4) Н+Г+В: так как металл лучше смачивается водой, то происходит переориентация эмульсии, при которой вода начинает контактировать с металлом, возникает ЭДС, и h3S, содержащаяся в нефти, способствует проникновению h3 в металл через слой воды с коррозионными последствиями.

Природа аномально высокой коррозии в скважинах с электроустановками.

1) ПЭД – подвержен коррозии в первую очередь, т.к. имеет толщину стенки  1 мм. Абразивное воздействие на ПЭД песка за счет высоких скоростей движения между ОК и ПЭД.

2) Вибрация. При наличии насоса вибрация с частотой 50 Гц. Вибрирует «вся скважина». Происходит многочисленный контакт, образуются питтинги («мелкие язвы» где происходит коррозия). В горизонтальных скважинах из-за вибрации постоянный контакт(удары)  НКТ с ОК.

3) Большие дебиты скважин обуславливает высокий вынос песка с пласта, который способствует эрозии оборудования..

4)Электромагнитное поле способствует усиление процесса коррозии за счет увеличения массобмена между стенками оборудования и коррозионной средой

5)При прикосновении разнородных металлов(ПЭД,Насос,кабель и ОК имеют разные потенциалы) создается гальванопара в котрой один из металлов выступает в роли анода и разрушается.

Для скважин с длительным сроком работы оборудования возрастает доля отказов УЭЦН по причине коррозии оборудования. Коррозия оборудования связана с воздействием сразу нескольких факторов – повышением обводненности продукции скважин, увеличением выноса солей и механических примесей, повышением скорости движения пластовой жидкости, увеличением токов и напряжений в кабельных линиях и погружных электродвигателях.

В условиях скважины на характер и скорость контактной коррозии могут влиять утечки тока из кабельной линии, применение для изготовления контактирующих элементов скважинного оборудования различных по электрическому потенциалу материалов.

students-library.com

система нефть-вода-порода - это... Что такое система нефть-вода-порода?

 система нефть-вода-порода n

oil. Öl-Wasser-Lagerstättengesteins-System

Универсальный русско-немецкий словарь. Академик.ру. 2011.

  • система нефтеснабжения
  • система низкого давления

Смотреть что такое "система нефть-вода-порода" в других словарях:

  • НЕФТЬ — НЕФТЬ, горное масло, петролеум (Oleum Petrae), представляет маслообразную жидкость , нерастворимую в воде ,бесцветную, или же красноватую, зеленовато желтую, желтую, или бурую, состоящую гл. обр. из углеводородов и находящуюся в виде залежей в… …   Большая медицинская энциклопедия

  • НЕФТЬ И ГАЗ — См. также ХИМИЯ И МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ; НЕФТЕХИМИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ. НЕФТЬ Сырая нефть природная легко воспламеняющаяся жидкость, которая находится в глубоких осадочных отложениях и хорошо известна благодаря ее использованию в качестве топлива и …   Энциклопедия Кольера

  • Горная порода — (Rock) Горная порода это совокупнность минералов, образующая самостоятельное тело в земной коре, вследстие природных явлений Группы горных пород, магматические и метаморфические горные породы, осадочные и метасоматические горные породы, строение… …   Энциклопедия инвестора

  • Природные ресурсы — (Natural Resources) История использования природных ресурсов, мировые природные ресурсы Классификация природных ресурсов, природные ресурсы России, проблема исчерпаемости природных ресурсов, рациональное использование природных ресурсов… …   Энциклопедия инвестора

  • Золото — (Gold) Золото это драгоценный металл Золото: стоимость, пробы, курс, скупка, разновидности золота Содержание >>>>>>>>>>>>>>>> Золото это, определение …   Энциклопедия инвестора

  • Природный газ — (Natural gas) Природный газ это один из самых распространенных энергоносителей Определение и применение газа, физические и химические свойства природного газа Содержание >>>>>>>>>>>>>>> …   Энциклопедия инвестора

  • Энергоносители — (Energy) Понятие энергоносителей, виды энергоносителей Понятие энергоносителей, виды энергоносителей, альтернативные энергоносители Содержание Содержание Природний газ Торф Ядерное томливо против черного золота Альтернативные Топливные брикеты… …   Энциклопедия инвестора

  • УГОЛЬ ИСКОПАЕМЫЙ — горючая осадочная порода органического (растительного) происхождения, состоящая из углерода, водорода, кислорода, азота и других второстепенных компонентов. Цвет варьирует от светло коричневого до черного, блеск от матового до яркого блестящего.… …   Энциклопедия Кольера

  • Саудовская Аравия — (Saudi Arabia) История Саудовской Аравии, политическое устройство Саудовской Аравии Достопримечательности Саудовской Аравии, экономика Саудовской Аравии, культура Саудовской Аравии, Эр Рияд, Джидда, Мекка, Медина Содержание Содержание Раздел 1.… …   Энциклопедия инвестора

  • Таджикская Советская Социалистическая Республика — (Республикаи Советии Социалистии Тоджикистон)         Таджикистан.          I. Общие сведения          Таджикская АССР образована 14 октября 1924 в составе Узбекской ССР; 16 октября 1929 преобразована в Таджикскую ССР, 5 декабря 1929… …   Большая советская энциклопедия

  • Дерево — деревянистое растение с очищенным от сучьев в нижней части стволом и кроной, или вершиной, образуемой из сучьев и ветвей в верхней части. Д. служит предметом садового, паркового и лесного хозяйства, причем сообразно с тем изменяется и уход за ним …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

universal_ru_de.academic.ru