33- ом- м

МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕНШОНОВСШ НЕФТЕЙ

Москва Т990г.

w

и поскольку для лсевдопластишшх материалов    I, то кажу-

щаяся вязкость убывает с возрастанием скорости сдвига.

в) Вязкоупругие жидкости относятся к системам, проявляющим как упругое восстановление формы, так и вязкое течение.

В самом простом случае можно предположить, что вязкая составляющая характеризуется законом Ньютона ] "    ,    а    упру

гая подчиняется закону 1^ка, тогда при приложенном напряжении материал получит дополнительную деформации сдвига % (тде G - модуль сдвиговой упругости). Следовательно добавочная скорость сдвига пропорциональная скорости изменения напряжения для любого момента времени и полная скорость сдвига запишется:

(1.4)

или

АХ*\Д

Уравнение (1.4) впервые было предложено Макевеллем. Жидкости* которые описываются этим уравнением, обычно называются максвелловскими. Параметр    имеет размерность времени, и

из уравнения (1.6) видно* что он является постоянной времени экспоненциального ослабления напряжения при неизменной деформации. Поэтому параметр Ai получил название времени релаксации.

г) Помимо вышеперечисленных широко известных реологических уравнений существуют другие феноменологические зависимости.

и

подходящие для описания течения неньютоновских сред.

В частности для нефтей существует достаточно простая модель, предложенная Кессоном:

(1.6)

Величина к₀ выражает пластическую составляющую течения. Параметр к* связан с вязкой составляющей, т.е. угловой ко-эффициент наклона прямой на графике С = f\^    )    , рис.4.

Уравнение Кэссоиа и Шведова-Бингама было обобщено Щуль-маном З.Л. и приняло вид

г--[Ф(й)~Г    ⁽¹-⁷⁾

П. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕЙТИ (ВИСКОЗИМЕТРЫ)

Известно два основных метода получения реологических характеристик неныотоновских жидкостей:

1.    Непосредственное установление связи напряжения сдвига со скоростью сдвига путем создания в образце однородной сдвиговой деформации в специально сконструированном приборе и измерения соответствующего напряжения сдвига при фиксированной скорости. Вискозиметры, использующие этот принцип, представляют собой ротационные устройства в виде соосных цилиндров или конуса и пластины.

2.    Установление зависимости мевду напряжением, и скоростью сдвига косвенным способом - по измерениям перепада давлений и

/3

расходу жидкости в прямолинейном канале иди в вискозиметрах с капиллярной трубкой* В таких приборах скорость сдвига не постоянна поперек канала» а изменяется от нуля на оси трубы до максимума на стенке.

а) Ротационные вискозиметры

Исследуемый образец помещают в зазор между двумя вертикально расположенными соосными цилиндрами, один из них приводится зо вращение с изменяемой угловой скоростью, в то время как-другой цилиндр испытывает закручивающее усилие, величина которого измеряется в процессе опыта. Измерение крутящего мордента в зависимости от числа оборотов вращающего цилиндра можно интерпретировать как связь между напряжением сдвига и скоростью, сдвига. Изменение скорости сдвига в каждой точке испытуемого образца зависит от ширины кольцевого зазора между обоими циливдрами* Если щель достаточно мала, то изменение скорости сдвига поперек зазора будет незначительно, т.е. радиальное изменение указанной величины пренебрежимо мало* Измерительную камеру прибора помещают в термостатярутацую баню.

Существуют ротационные вискозиметры с вращающимся- внутренним цилиндром, например, выпускаемый в ЗДР 'Феотеет", или с вращающимся внешним цилиндром или конусом и пластиной, как "Ро-товиско" (ФРГ) или вискозиметр Ферранттг-Шйрлея и реогониометр Вайосеяберга (Англия).

йри использовании ротационных вискозиметров о вращающимся внешним или внутренним цилиндром измерения проводятся при заданной скорости сдвига, ж замер напряжения производится в момент полностью стабилизированного течения    &>n&L    (рис.5).

(Для этой цели желательна непрерывная запись значений % с

Esc.5. Кинетика развития касательных надряжешй при фиксированной окорости сдвига (вискозиметр ^пРеотеот^,г)

помощью самописца).

Для построения графика реологической кривой или кривой течения с измерительного блока в момент установления стабильного течения считываются показания ( с*- ) * пропорциональные , эта величина умножается на коэффициент ( ^ ), который является константой прибора, учитывающей геометрию прибора и характеристику динамометра. Вязкость вычисляется для кавдой скорости путем умножения значения Т на коэффициент, учитывающий скорость сдвига и константу прибора. Полученные зависимости являются основными реологическими характеристиками.

б) Реогониометр Вайссенберга с рабочим органом конус-пластина {рис.6) состоит из плоской пластины и тупоугольного вращающегося конуса. Вершина конуса слегка касается доверхноети пластины. Жидкость заполняет узкую щель между ними. Ее ли угол очень мал, например, меньше 0,5 мм, то ивпытуемый материал во всем объеме будет подвергаться одноосному сдвигу, а концевые эффекты будут незначительны. Тогда анализ опытных данных для неньютоновских жидкостей упрощается* поскольку кажущаяся вязкость получается как функция скороотм сдвига. При этом

3 КЛ

as*?

п - --

где VA - крутящий момент на торсионе; ^ - радиус конуса; со - угловая скорость;

/?

^ - угол конусности-Помимо измерения параметров напряжений' сдвига и скорости сдвига, реогониометр Вайссенберга служит для измерения упругих характеристик, таких как нормальные напряжения, направленные перпендикулярно направлению течения, модуля сдвиговой упругости и. времени релаксации* Для некоторых тяжелых нефтей с большим содержанием асфальтенов и смол в реологическое уравнение входит время, т.е, связь между тензором напряжений и скоростей деформаций не определяется их мгновенными текущими значениями, а зависит от всей предыстории процесса течения.

При экспериментах с такими нефтями наблюдается и может быть измерено запаздывание изменения касательного напряжения по отношению к изменению скорости сдвига. Причем, чаще всего время запаздывания увеличивается с уменьшением скорости сдвига.

При внезапной остановке при установившемся течении с помощью реогониометра можно непосредственно измерить время релаксации. На рис.7 показаны кривые релаксации жетыбайской нефти для разных скоростей деформирования.

в) Вискозиметры трубчатые

Определение характеристик неньготоновской нефти в капиллярных (трубчатых) вискозиметрах требует одновременного измерения объемной скорости Q в сечении трубки и соответствующего перепада давления по длине трубы _# Эти измерения многократно повторяются во всем диапазоне значений и ^ , Приборы такого типа состоят из емкости с жидкостью, устройства для приложения давления, трубки и расходомера.

При ламинарном режиме течения справедлива зависимость для расхода

i9

^K    R    <t

Q. -- гзг J ^Jv(t)Ль    ⁽²*³⁾

о    0    0    ^

Первое слагаемое в правой части обращается в нуль в силу условий "прилипания" на стенке lf(R)= 0.

Из условия линейного распределения касательных напряжений по радиусу Z

е£Г .

ьР ’

Обозначив определяем зависимость как - = - | ('П, зависимость (2.4) монет быть представлена как

jF&= tf"^r^^tur    в.»

Дифференцируя это равенство по аргументу    на

пряжение трения на стенке) получаем

По последнему выражению можно получить искомую кривую течения    .    Напряжение    трения    на    стенке    трубы    ^    на

ходится по формуле

fi3TRLTw =3Tr4p

где ь Р - перепад давления по длине U .

Следовательно,    ^

гг -

I

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из основных проблем, стоящих перед нефтяной промышленностью, является повышение эффективности

разработки месторождения неньютоновских нефтей* Статистический анализ нефтеизвлечения по месторождениям страны показал, что коэффициент нефтеотдачи на месторождениях неньютоновских нефтей в среднем в два и более раза меньше, чемз залежах с ньютоновскими нефтями я не превышает 0,2 - 0,3* Такое положение обуславливается двумя основными причинами* С одной стороны, высокая, вязкость и наличие пластичных свойств резко осложняют фильтрацию в пласта и добычу неньютоновских нефтей. С другой стороны, реологические свойства таких нефтей, систематически не определяются и, соответственно, не учитываются в проектах разработки месторождений и в мероприятиях по регулированию их эксплуатации* Между тем, наличие данных о реологических свойствах нефти позволяет повысить эффективность нефтеизвлечения на подобных месторождениях* Так, например, наличие у нефти вяэко-нластичных свойств может приводить к образованию застойных зон в пласте, что резкт снижает коэффициент нефтеизвлечения^ Поэтому учет э^их особенностей в проекте разработки позволит более обоснованно организовать технологические мероприятия по добыче нефти на месторождениях* Наличие у нефти вязко-упругих свойетв влияет, в частности, на выбор температуры закачиваемой воды и обработку призабойной зоны, выбор технологических режимов работы газлифтных скважин, с целью снижения, расходов газа и установок ПЮН и ЭЦН для улучшения характеристик их работы. Такшй образом, учет реологических свойств при составлении проектов разработки и техно-zo

На примерах нефтей нескольких месторождений показывается как можно интерпретировать данные, полученные с помощью ротационного и трубчатого вискозиметров.

На рис.1 приведены характерные зависимости Г-f для Узеньской высокопарафинистой нефти при разных температурах, полученные с помощью вискозиметра "Реотест".

Являясь ньютоновскими при t = 50°С, эти нефти приобретают свойства вязко-лластичности при температуре близкой к температуре кристаллизации парафина. 37°С (на оси Г появляется отрезок, характеризующий (-о    ).    При    дальнейшем    понижении температуры

эти свойства усиливаются. Уже при 20°С, помимо очень высоких значений , наблюдается несвойственное для идеальных вязкопласт-ков резкое падение значений ^ в области малых скоростей сдвига, и только затем кривая течения приобретает обычную для этих жидкостей форму. В этом интервале скоростей сдвига описывать течение такой нефти только моделью Шведова-Бингама нельзя.

По этим кривым определяются основные реологические пара** метры.: Г₀ - непосредственно из графиков по. отрезку, отсекаемому на оси координат; эффективная вязкость для каждой скорости сдвига - непосредственно из графика как тангенс угла, образованного от-резком прямой, проходящей через точку (^*0, ^L~ ^L<> ) и точку на графике    ),    соответствующую    определенной    скорости

логических схем даст возможность повысить эффективность нефтеизвлечения из залежей неньютоновских нефтей. Неньютоновские свойства нефтей необходимо учитывать в разделах 3, 4, 6 технологической схемы разработки нефтяного Си газонефтяного) месторождения- (Регламент составления проектов и технологических схем разработки нефтяных и газонефтяных месторождений*¹, Москва, 1986г.)

В данном руководстве описана последовательная методика определения реологических моделей и параметров.неньютоновсклх нефтей* включающая проведение реометрических экспериментов на рео-тесте, бомбе PVT, реог^ониометре Вайосенберга, моделях пористой среды (кернах) и гидродинамические исследования скважин.

Рассмотрены наиболее употребительные реологические модели, методы их дискриминации и определения параметров. Приведены методы определения вязкопластичных и вязкоупругих свойств нефтей* Общая схема проведения реометрических исследований нефтей включает следующие три этапа. На первом этапе на реотесте определяется стационарная реологическая модель нефпг и определяются ее параметры. При этом выбор наилучшвй модели из набора возможных определяется с помощью дискриминирующего метода Тейла» Обработкой полученных данных в специальных координатах Кросса оценивается наличие у нефти вязкоупругих свойств-

Далее приводятся исследования свойств нефтей на рзогонио-метре Вайссенберга с целью оценки нормальных напряжений при сдвиговом течении нефти и определении модуля сдвиговой упругости.

Альтернативная оценка наличия у нефти неравновесных свойств производится на основании исследований в бомбе PVT по специальной методике.

По результатам данного набора экспериментов определяется

4

типичный характер поведения нефти (равновесный или неравновесный) , оцениваются вязкоупругие свойства и определяется реологическая модель.

На следующем этапе проводится исследование фильтрационных характеристик неньютоновской нефти на кернах и насыпных моделях пористой среды. Определяются закон фильтрации, величина начального градиента давления, индекс аномальности.

Исходя из результатов лабораторных экспериментов,на третьем этапе, определение параметров неньютоновских оистем проводится по данным гидродинамических исследований скважин. Комплекс исследований включает снятие двусторонних кривых изменения давления в скважине, диагностирование фильтрационной модели и определение параметров.

Данное руководство является методическим обеспечением приложения к Регламенту составления проектов и технологических схем разработки нефтяных и газонефтяных местровдений по подготовке данных реологических свойств неньютоновских нефтей.

В составлении руководства принимали участие коллектив сотрудников ВНИИ им* акад. А. П. Крылова, АзИнефтехим ям.М.Азизбеко-ва, Института математики и механики АН Аз.ССР под руководством академика АН Азерб»ССР Мирзаджанзаде А.Х. в составе: Аметов И.М., Ахатов И.Ш., Булина И.Г., Днепровская Н.И*., Жуйко П.З., Козаченко В.А., Мукук К.В., Мустафаев С.Э., Умрихин И.Д., Хабибуллин З.А., Шерстнев Н.М., Ягубов И.Н., _а также сотрудники ПечорНИПИ-нефть Уфимского нефтяного института.

£

I. РЕ010ШЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ НЕПЬЮТОНОВСКИХ НЕФТЕЙ

Существует большое количество реологических моделей, учитывающих неныотоновские свойства нефтей* Разнообразные формы отклонения от неньютоновского поведения, проявляемые нефтями, определяются их химическим составом, а также условиями технологического процесса.

Для расчета технологических параметров процесоа необходимо знать основные реологические параметры нефти. В случае неньютоновских нефтей вязкость зависит от скорости сдвига. Для описания зависимости вязкости и напряжения едвига от скорости сдвига выбирают подходящую реологическую модель.

а) Наиболее распространенной реологической моделью.для описания течения неньютоновских нефтей является модель Шведова-Бингама

Кривая течения (или реологическая кривая) для этих жидкостей представляет собой прямую линию на графике |fjf) , пересекающую ось напряжений сдвига на расстоянии    от    ее

гт'

Uo - предельное напряжение сдвига, превышение которого приводит к возникновению вязкого течения; ^ - пластическая вязкость, численно равная тангенсу угла наклона кривой течения.

Объяснение поведения бингамовских сред исходит из предположения о наличии у покоящейся жидкости пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению,

б

не превосходящему по величине £о _f Например, пространственная структура парафина при температуре ниже температуры застывания. Если напряжение превышает ^ , то структура полностью разрушается и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость. Когда яе напряжение сдвига становится меньше , структура мояет снова восстановиться (явление тикстропии). На рисЛ приведены типичные реологические кривые для выоокодарафинистой Узеньской нефти.

б) Псевдолластические жидкости не обнаруживают предела текучести, и их кривая течения показывает, что отношение напряжения сдвига к скорости сдвига у них постепенно снияается с ростом скорости сдвига. Подобные зависимости характерны, например, для нефтей Герасимовекого месторождения Томской области (рис.2, 3). Для описания жидкостей такого типа эмпирическая функциональная зависимость в виде степенного закона была предложена Оствальдом и усовершенствована Рейнером:

а.2)

где к л V-N являются постоянными для данной жидкости: к -мера консистенции жвдкости (чем выше вязкость жидкости, тем больше к ),    _    характеризует    степень    неньютоновского    поведения, материала (    <    I),    и    чем    больше    ^    отличается    от

единицы, тем отчетливее проявляются его неньютоновсние свойства.

Кажущаяся вязкость *1?? для степенного закона можно выразить через ^    ,    т.к.    ,    т.е.

Рис.З. Зависимость вязкости от скорости сдвига для ГерасимовскоЙ нефти