Реология нефти


В.В. ТЕТЕЛЬМИН





                РЕОЛОГИЯ НЕФТИ




2-е издание, дополненное





СЕРИЯ
«Нефтегазовая инженерия»







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2015

УДК
547.665.9
Т 37
БК 35.514

Рецензент:
Заведующий кафедрой
«Машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов» Института нефти и газа Сибирского федерального университета, профессор Кондрашов Петр Михайлович




    Тетельмин В.В.
Т 37 Реология нефти. Учебное пособие / Тетельмин В.В. — 2-е изд. дополи. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2015. — 248 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).
    ISBN 978-5-91559-193-5

       В книге приводятся основные реологические модели текучих сред, которые используются при расчётах режимов течения нефти и нефтепродуктов. Даётся описание реологических свойств нефти и способов их экспериментального определения. Раскрывается физическая сущность течения различных сортов нефти, относящихся к различным реологическим классам. Рассмотрены особенности течения вязкопластичной и псевдопластичной нефти в магистральных трубопроводах, в порах и трещинах горных пород, включая упругий режим фильтрации. Даются принципы расчёта показателей добывающих скважин.
       Книга адресуется специалистам-технологам, профессионально занимающимся добычей, транспортировкой и переработкой нефти, а также студентам, обучающимся по специальностям «Нефтегазовое дело».
БК 35.514
УДК 547.665.9




ISBN 978-5-91559-193-5

    © 2014, Тетельмин В.В.
                                © 2015, 000 Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

Оглавление




ВВЕДЕНИЕ.............................................7

Глава 1. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ РЕОЛОГИИ....................9
       1.1. Напряжения и деформации .................9
       1.2. Упругость и вязкость....................13
       1.3. Ползучесть и пластичность...............17
       1.4. Тиксотропия и реопексия.................20
       1.5. Релаксация напряжений и запаздывание деформаций...................................21
       1.6. Физически бесконечномалый объем (ФБМ-объем) текучих систем..............................25
       1.7. Параметры потока жидкости...............27
Глава 2. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В РЕОЛОГИИ..........................................30
       2.1. Реологические модели Гука и Ньютона.....30
       2.2. Степенно2е уравнение Оствальда де-Виля..33
       2.3. Реологические модели Максвелла и Фойгта—Кельвина...........................36
       2.4. Реологическая модель Бингама............39
       2.5. Вязкость суспензий......................41
Глава 3. СОСТАВ НЕФТИ — ОСНОВА ЕЕ СЛОЖНОГО РЕОЛОГИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ............................44
       3.1. Групповой состав нефти..................44
       3.2. Плотность и молекулярная масса нефти....51
       3.3. Коллоидно-дисперсные свойства нефти.....53
       3.4. Водонефтяные дисперсные системы.........57
       3.5. Газонефтяные дисперсные системы.........59

Оглавление

Глава 4. ТЕХНИКА ГЕОМЕТРИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ.....................................64
       4.1. Классификация экспериментальных методов реометрии ...................................64
       4.2. Капиллярная реометрия вязкопластичных жидкостей....................................66
       4.3. Капиллярная реометрия псевдопластичных жидкостей....................................71
       4.4. Ротационная реометрия жидкостей..........74
       4.5. Вискозиметры с падающим шариком..........77
       4.6. Причины неинвариантности реологических параметров жидкостей.........................79
Глава 5. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ...............................82
       5.1. Нефть как вязкопластичная жидкость.......82
       5.2. Характерные температуры нефти и нефтепродуктов.............................85
       5.3. Реологические свойства нефти ............88
       5.4. Реологические свойства нефтепродуктов ...93
       5.5. Способы улучшения реологических свойств нефти........................................97
       5.6. Добыча тяжелой нефти и битумов .........100
Главаб. УПРУГИЙ ЗАПАС ПЛАСТОВЫХ ФЛЮИДОВ ............103
       6.1. Структурные модели продуктивного пласта.103
       6.2. Упругие свойства пластовых флюидов и продуктивного пласта..................... 107
       6.3. Определение упругого запаса нефти в пласте.109
       6.4. Особенности упругого режима работы пласта..113
Глава 7. ТЕЧЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ТРЕЩИНАХ ГОРНЫХ ПОРОД............................ 117
       7.1. Кинетика поступательного течения вязкопластичной нефти в трещине ............117
       7.2. Кинетика поступательного течения в трещине нефти, подчиняющейся «степенному» реологическому закону........................123
       7.3. Радиальное течение «степенной» жидкости в трещине....................................126

Оглавление

5

       7.4. Радиальное течение вязкопластичной жидкости в трещине..........................127
       7.5. Силовое воздействие радиального потока вязкопластичной жидкости в трещине на пласт....................................133
       7.6. Дальность проникания коллоидно-дисперсных систем при нагнетании их в трещину..........136
Глава 8. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ................................. 141
       8.1. Режим установившейся фильтрации нефти в пласте ...................................141
       8.2. Приток вязкой нефти к галерее в упругом режиме фильтрации...........................144
       8.3. Приток вязкой нефти к скважине в упругом режиме фильтрации...........................146
       8.4. Приток вязкопластичной нефти к скважине в жестком и упругом режимах фильтрации .....149
       8.5. Образование застойных зон в пласте при добыче нефти ...........................152
       8.6. Увеличение нефтеотдачи за счет улучшения реологических свойств пластовых флюидов......154
Глава 9. ТЕЧЕНИЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В ТРУБАХ.............................................158
       9.1. Режимы течения потока нефти в трубе......158
       9.2. Сдвиговое течение вязкопластичной нефти в трубе.....................................162
       9.3. Потери напора в потоке нефти.............164
       9.4. Коэффициент гидравлического сопротивления при течении вязкой нефти....................165
       9.5. Коэффициент гидравлического сопротивления при течении «неньютоновской нефти»..........166
       9.6. Безнапорное течение нефти в трубе........168
       9.7. Истечение нефти через отверстие в трубе .172
Глава 10. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ.............................. 179
       10.1. Введение в поток нефти антитурбулентных присадок. Эффект Томса......................179
       10.2. Перекачка водонефтяных эмульсий.........182

Оглавление

       10.3. Применение депрессантов при перекачке нефти.........................................186
       10.4. Перекачка газонасыщенной нефти..........188
       10.5. Мазут как транспортируемая среда........192
       10.6. Реологические и тепловые особенности «горячей перекачки» нефти и нефтепродуктов............194
       10.7. Смена режимов течения и потери напора в «горячем нефтепроводе»......................201
       10.8. Последовательная перекачка нефти и нефтепродуктов..............................203
Глава 11. НЕФТЬ И ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ..........................................208
       11.1. Поверхностное натяжение и адгезия углеводородных жидкостей.....................208
       11.2. Капиллярно-реологические эффекты в пористых средах.............................211
       11.3. Физико-химические средства борьбы с нефтяными загрязнениями на море.............213
       11.4. Сорбционная технология борьбы с нефтяными загрязнениями................................215
Глава 12. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН..............................................220
       12.1. Фонтанный способ эксплуатации...........220
       12.2. Газлифтный способ эксплуатации..........224
       12.3. Насосный способ эксплуатации скважин....225
       12.4. Принципы расчета показателей добывающих скважин......................................227
           12.4.1. Фонтанирующие скважины............227
           12.4.2. Газлифтные скважины ..............231
           12.4.3. Скважины с электроцентробежными насосами..................................232
           12.4.4. Скважины со штанговыми насосами...234
ГЛОССАРИЙ............................................237
ЛИТЕРАТУРА...........................................246

Все течет, все изменяется.




Введение
Мировые разведанные запасы нефти составляют примерно 180 млрд т, природного газа 200 трлн м³. Согласно оценкам Мирового энергетического агентства совокупное потребление нефти в 2020 г. составит около 5000 млн т.
   Россия является крупным производителем и потребителем энергоресурсов, ведущим их экспортером, а также страной транзита энергетических товаров. Доказанные запасы нефти в России составляют примерно 12 млрд т, газа — 50 трлн м³. Ежегодная добыча нефти с газовым конденсатом превышает 500 млн т, газа — 600 млрд м³. В 2020 г. предполагается добыть 595 млн т нефти и 825 млрд м³ природного газа.
   Обеспечить такие большие объемы поставок энергоресурсов можно, только обладая развитой энерготранспортной инфраструктурой. Россия имеет примерно 155 тыс. км магистральных газопроводов, 50 тыс. км магистральных нефтепроводов и 20 тыс. км нефтепродуктопроводов. Проектная пропускная способность одной только нефтепроводной системы Восточная Сибирь—Тихий океан (ВСТО) составляет 80 млн т нефти в год.
   Приведенные цифры свидетельствуют о необходимости повышения эффективности и совершенствования технологических процессов добычи и транспорта углеводородов. Мы являемся свидетелями прогресса в этой важной области деятельности человека:
   •    используются добывающие горизонтально-разветвленные скважины;
   •    используются вторичные и третичные методы повышения нефтеотдачи пластов;
   •    эксплуатируются морские месторождения с применением подводного оборудования;
   •   увеличивается добыча тяжелой и сверхтяжелой нефти.
   В основу перечисленных прогрессивных технологий положено знание реологических особенностей поведения нефти. Реоло

Введение

гия как наука занимается изучением специфических свойств материалов, трактуя эти свойства как соотношение между напряжениями и деформациями. Именно эти понятия являются центральными в механике сплошных сред.
   Реологическое поведение материала определяется некоторым соотношением, содержащим напряжения, деформации и их производные во времени. Это соотношение называют реологическим уравнением состоянияматериала. Само название «реология» возникло от греческого словарео—течь.
   М. Рейнер ввел в реологию следующие три аксиомы:
   Первая аксиома. Под действием всестороннего давления все материалы ведут себя одинаково — как идеально упругие тела.
   Вторая аксиома. Каждый материал в различной степени обладает всеми реологическими свойствами.
   Третья аксиома. Существует иерархия реологических тел в соответствии с их поведением. Реологическое уравнение более простого тела (низшего по иерархии) может быть получено из реологического уравнения более сложного тела (высшего по иерархии), если принять какие-либо константы последнего равными нулю.
   Реология объясняет многие факты и явления в технической и технологической деятельности человека. Реология — живая и непрерывно развивающаяся наука, нуждающаяся в постоянном использовании новейших ссылок.
   Авторы настоящей книги ставили перед собой задачу: дать описание физических основ течения ньютоновских и неньютоновских (вязкопластичных и псевдопластичных) жидкостей в тех средах и в тех условиях, в которых находится и используется нефть. Для нефтяников реология — это самостоятельный раздел в гидромеханическом цикле дисциплин.
   Предлагаемая читателю книга отражает основные прикладные аспекты современной реологии в нефтяной отрасли, начиная от теоретического базиса и экспериментальных методов до основных направлений применения реологии в добыче и транспортировке нефти и нефтепродуктов. Основы реологии текучих систем излагаются с оптимальным использованием математического аппарата.

Глава 1

БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ РЕОЛОГИИ


1.1. Напряжения и деформации

Силы, действующие на некоторый элемент сплошной среды, принято делить на силы объемные и поверхностные. Объемными или массовыми называют силы, действующие на каждую частицу выделенного объема. Поверхностными называют такие силы, которые действуют на поверхность и пропорциональны площади этой поверхности.
   Напряжения определяются как относительные силы или силы, отнесенные к единице площади. Они могут быть нормальными и касательными по отношению к площадке, по которой действуют. Напряжение а — это нагрузка F, отнесенная к единице площади S. Если уменьшать площадку, то можно перейти к пределу, который дает более строгое определение напряжения, поскольку оно относится к некоторой конкретной точке:

dF а =--.
dS
   Полное описание напряжения как физического объекта требует идентификации двух векторов: вектора силы и вектора нормали к поверхности, по которой действует эта сила. Физические объекты, определяемые с помощью двух векторов, называют тензорами. Следовательно, напряжения — это тензорные величины.
   Значения всех девяти компонент тензора напряжений зависят от выбора ориентации координатных осей. Для тела, находящегося в равновесии, тензор напряжений является симметричной матрицей. Напряженное состояние в некоторой точке определяется шестью независимыми компонентами тензора напряжений — тремя нормальными и тремя касательными напряжениями. Существует такая ориентация осей, для которой численные значения компонент максимальны или минимальны. Нормальные напряжения максимальны в таких направлениях,

Глава 1. Базовые понятия реологии

в которых касательные напряжения отсутствуют. Такие экстремальные нормальные напряжения называют главными напряжениями. При этом следует иметь в виду что напряжение, как физический объект, инвариантно по отношению к выбору координатных осей.
   Всегда существуют такие направления ориентации осей координат, в которых либо нормальные, либо касательные напряжения максимальны. Это обстоятельство интересно тем, что различные материалы по-разному сопротивляются действию растягивающих (нормальных) сил и сдвигу (тангенциальных сил). Например, трудно сжать воду или нефть (сжатие эквивалентно действию отрицательных нормальных напряжений), но сравнительно просто осуществить сдвиг одного слоя этих жид костей относительно другого слоя внутри их объема. Другой случай — тонкостенная труба под действием внутреннего давления разрушается вследствие приложения нормальных напряжений, в то время как касательные напряжения в этом случае отсутствуют.
   Концепция главных напряженийпозволяет установить минимальный набор параметров, которые полностью характеризуют напряженное состояние в любой точке. Предельное (пороговое) состояние материала можно оценить однозначным образом, если ввести в рассмотрение главные напряжения, как критерии того или иного события. Это означает, что различные физические события, обусловленные действием напряжений, следует рассматривать в терминах главных напряжений. В качестве примеров можно назвать такие события как разрушение материала, переход работы внешних сил при течении жидкости в тепло, переход от медленного скольжения к срыву снежных лавин, грязевых потоков или грунта на склонах. При этом совсем не обязательно, чтобы критических значений достигли все три главных напряжения, иногда достаточно, чтобы одно максимальное главное напряжение превысило некоторый предел.
   Скелет горной породы находится в напряженном состоянии, которое в простейшем случае уравновешивается горным давлением вышележащих пород и внутрипоровым давлением насыщающей пласт жидкости. С точки зрения механических напряжений порода подвержена растяжению и сжатию. Напряжения формируют деформацию среды, а также обеспечивают разрушение

1.1. Напряжения и деформации

11

материала. Определение напряжений, действующих в теле, производится решением дифференциальных уравнений с учетом конкретных граничных условий. Эти уравнения представляют собой закон равновесия всех сил, приложенных к телу.
   Реологические свойства принадлежат к классу механических свойств, однако с ними не полностью идентичны. Механические свойства, которые не связаны с деформацией, не принадлежат к реологическим свойствам. Под действием ориентированных сил горная порода проходит три стадии деформации: упругую; пластическую, когда порода частично возвращается к первоначальной форме при снятии напряжения, и разрушение.
   Любое внешнее воздействие на тело приводит либо к его перемещению как целого, либо к изменению его первоначальной формы. Перемещение тела как целого, происходящее без изменения формы, составляет предмет чистой механики, и выходит за рамки содержания настоящей книги. Наша задача заключается в рассмотрении того, что происходит внутри тела.
   Реология, как и механика сплошной среды, применительно к любому материалу опирается на ряд фундаментальных концепций, представляющих динамическую (напряжения), геометрическую (деформации) и кинематическую (скорость деформации) ситуацию в каждой точке.
   Представляется очевидным, что только нормальные напряжения могут вызвать изменения объема тела, в то время как действие касательных напряжений не приводит к изменению объема тела, они могут только изменить форму тела. Изменение формы — это, в сущности, изменение расстояния между различными точками в объеме тела. Именно такой феномен называется деформацией. Деформацию как изменение расстояния между двумя точками можно описать, рассматривая перемещение в пространстве двух соседних точек. При этом важна не абсолютная величина изменения расстояния между точками, а относительное изменение расстояния
М е =—.
I
   При одноосном растяжении любой образец претерпевает изменения и в поперечном направлении. Количественная связь

Глава 1. Базовые понятия реологии

между изменениями размеров деформируемого образца в продольном и поперечном направлениях определяется коэффициентом Пуассона у. При малых деформациях относительное изменение объема образца определяется следующей зависимостью:




   Отсюда видно, что деформация происходит без изменения объема тела тогда, когда у = 0,5. Для реальных тел коэффициент Пуассона лежит в диапазоне 0,20—0,35. Это означает, что одноосное растяжение всегда сопровождается увеличением объема тела.
   Д вижение любых жид костей представляет собой скольжение соседних слоев относительно друг друга. Это случай простого сдвига. Простой сдвиг может осуществляться при некоторых схемах деформирования твердых тел, например, при кручении длинных труб.
   Если скорость всех точек тела одинакова, то это означает, что тело движется как единое целое и деформация отсутствует. Деформация появляется тогда, когда имеет место градиент скорости. Это происходит тогда, когда соседние точки движутся с разными скоростями.
   Вследствие внешних воздействий точки внутри тела могут по-разному перемещаться в пространстве, и это приводит к смещению. Если смещение точек различно в разных точках тела, то возникает относительное смещение точек друг относительно друга, что выражается в виде деформации. Деформации могут быть малыми и большими (конечными). Они различаются по величине относительного смещения (или градиента смещения), являющегося безразмерной величиной.
   Различают упругую, пластическую, вязкую деформации и всестороннее сжатие. При всестороннем сжатии под действием изотропного давления объем тела уменьшается, плотность увеличивается, но форма остается неизменной. При снятии давления упругое тело возвращается в первоначальное состояние.
   Кинематика относительного перемещения точек непрерывной среды характеризуется производной смещения точки по времени (скоростью), производной относительного смещения по времени (градиентом скорости) и производной по времени деформации (скоростью деформации).

1.2. Упругость и вязкость 13

1.2. Упругость и вязкость

Упругость
В XVII в. великий английский естествоиспытатель, основатель современной физики и математического анализа Исаак Ньютон (1642—1727) и английский физик-экспериментатор Роберт Гук (1635—1703) предложили две простые концепции (модели) механических свойств материалов. Эти модели носят имена их авторов:
   • закон Ньютона для жидкостей


_ Т
у = —;
А

(1.1)


   • закон Гука для твердых тел


о

£ — — Е

(1.2)


где е— относительная деформация одноосного растяжения; f — скорость деформации сдвига; т—сдвиговое напряжение; с—растягивающее напряжение; д — динамическая вязкость; Е— модуль упругости при растяжении (модуль Юнга).
   Обе зависимости представляют собой простейшие реологические уравнения состояния материалов: жидкостей и твердых тел. Эти уравнения имеют следующие особенности:
   •    линейность зависимостей е(с) для твердых тел и f (т) для жидкостей;
   •    отсутствие временных эффектов в обоих уравнениях; так деформация твердых тел однозначно определяется напряжением и мгновенно изменяется вслед за изменением напряжения, а скорость деформации жидкостей — напряжением сдвига;
   •    отсутствие фиксированной деформации в жидкостях, поскольку при приложении напряжения деформация возрастает неограниченно, и если напряжение постоянно, то со временем деформация увеличивается линейно;
   •    существование только одной характеристики материала — вязкости д для жидкостей и модуля упругости Е для твердых тел.
   Для двух приведенных классических моделей развитие деформации во времени происходит в соответствии с графиками рис. 1.1.

Глава 1. Базовые понятия реологии

   Деформация жидкости линейно возрастает во времени (линия 1), а деформация твердого тела мгновенно достигает некоторого значения и далее под нагрузкой не изменяется (линия 2). Если в момент времени внешнюю нагрузку снять, то достигнутая (накопленная) к этому времени деформация жид кости сохраняется неизменной, а деформация твердого тела мгновенно исчезает

Рис. 1.1. Развитие деформации в идеальных материалах: 1 — идеальная ньютоновская жидкость; 2—упругое тело Гука

  Закон Гука также справедлив для деформации сдвига и для всестороннего (гидростатического) сжатия. В первом случае материал характеризуется модулем упругости при сдвиге G; во втором случае — объемным модулем сжимаемости В, Обе эти величины не равны модулю Юнга.
  Если известна пара констант: модуль Ей коэффициент Пуассона у, то можно определить две другие константы:

G = Е • В = —-—-.       (1.3)
2(1 + ^) 3(1- 2))

  Величина fi. обратная модулю упругости Е, называется коэффициентом сжимаемости материала:

Р(1.4)

  При изменении давления на величину Ар первоначальный объем Уупругого образца (материала) изменится на величину


,W' = VApfi.


(1-5)