Структурно-механічні властивості аномально-в’язких нафт

Реологічні характеристики нафт в значній мірі визначаються вмістом в них смол, асфальтенів і парафінів. Асфальтени, що представляють собою високомолекулярні з'єднання нафти, погано розчиняються в вуглеводнях і тому нафти, які містять асфальтени, представляють собою колоїдні системи. Міцели асфальтенів стабілізуються смолами.

При значному вмісті парафіну і асфальтенів в’язкість нафти залежить від швидкості зсуву, тобто вона набуває властивості неньютонівських рідин внаслідок утворення просторових структур, які складаються з колоїдних частинок асфальтенів, парафінів і смол. При високих пластових температурах структурно-механічні властивості нафт проявляються слабше. Особливо інтенсивно в пластових умовах утворення просторової сітки проходить при зниженні пластової температури внаслідок нагнітання холодної води нижче температури початку кристалізації парафіну. На відміну від парафінів, частинки асфальтенів, оточені сольватними шарами вуглеводнів, здатні утворювати просторові структури в нафті при температурах і вищих за пластові. Товщина цих сольватних шарів зростає при збільшенні в складі нафти концентрації смол і ароматичних вуглеводнів.

Значний вплив на структурно-механічні властивості нафт мають склад, властивості та будова пористого середовища. Під впливом матеріалу стінок процес утворення і зміцнення просторових структур інтенсифікується тим більше, чим менша проникність порід.

Залежно від складу нафт їх реологічні властивості характеризуються різними лініями консистентності, тобто їм притаманні залежності між напруженням зсуву і швидкістю зсуву:

Динамічна в’язкість µ ньютонівських рідин залежить тільки від температури і тиску і дотичне напруження τ, яке розвивається в рухомих шарах рідини, пропорційне градієнту швидкості dυ/dt:

Слід зауважити, що у ньютонівських рідин швидкість зсуву dγ/dt пропорційна дотичному напруженню τ і обернено пропорційна в’язкості рідин µ, тобто одержуємо реологічне рівняння:

В’язкість неньютонівських рідин залежить не тільки від тиску і температури, але й від швидкості деформації зсуву та часу знаходження її в стані спокою. Залежно від виду функції f (τ) ці рідини поділяються на 3 види: бінгамовські пластики, псевдопластики і дилатантні рідини.

Бінгамовські пластики в стані рівноваги мають деяку просторову структуру і здатні опиратися напруженню зсуву, доки воно не перевищить значення статичного напруження зсуву τ_о. В наступні моменти після досягнення деякої швидкості зсуву вони починають текти, як ньютонівські рідини. Для визначення аномальної в’язкості таких пластичних тіл Ф.Н.Шведовим запропоновано наступне реологічне рівняння:

де Е – модуль Юнга;

τ₁ - динамічне напруження зсуву;

υ – швидкість деформації;

λ –період релаксації – час, необхідний для «розсовування» пружних напружень, які виникають в тілі при постійній деформації.

Рівняння Бінгама, яке описує аналогічний в’язко-пластичний рух, має вид:

Як видно з наведеної формули, деформація системи починається, коли дотичні напруження τ досягають значення динамічного напруження зсуву τ_о .

Подані рівняння ідентичні і вони об’єднуються в формулу Шведова-Бінгама:

де τ₁ – динамічне напруження зсуву;

η – пластична в’язкість, яка не залежить від швидкості зсуву і рівна кутовому коефіцієнту лінійної частини залежності dγ/dt = f (τ).

За ефективну (уявну) в’язкість пластичних тіл приймається в’язкість деякої ньютонівської рідини:

Ефективна в’язкість пластичних тіл – величина змінна.

Псевдопластики характеризуються відсутністю границі текучості, а також тим, що їх ефективна в’язкість знижується зі збільшенням швидкості зсуву. Їх називають так тому, що у визначеному інтервалі напружень вони підпорядковуються рівнянню Шведова-Бінгама. Теоретичні криві псевдо пластиків мають 2 області, в яких ефективні в’язкості постійні. В області невеликих значень ефективної в’язкості характерна реологічна крива, яка відповідає ньютонівським рідинам. Пластична в’язкість η системи в інтервалі η_max i η_min постійна. Вважають, що прояв псевдопластичності пов'язаний з орієнтацією асиметричних частинок і молекул полімерів системи великими осями вздовж потоку зі зростанням швидкості зсуву. Ефективна в’язкість зменшується зі збільшенням швидкості зсуву до того часу, поки зберігається можливість орієнтації молекул і частинок високополімерів вздовж лінії течії.

Дилатантні рідини також відносяться до тіл, у яких немає границі текучості, але їх ефективна в’язкість на відміну від псевдопластиків збільшується із збільшенням швидкості зсуву. Такий тип течії характерний також для суспензій з великим вмістом твердої фази. Допускають, що в спокої рідина рівномірно розміщується між щільно упакованими частинками і при зсуві з невеликою швидкістю рідина служить змазкою, яка зменшує тертя частинок. При великих швидкостях зсуву щільна упаковка частинок порушується, система розширюється і рідини стає недостатньо для змазки поверхонь, що труться. Діючі напруження в такому випадку повинні бути значно більшими.

Рух псевдопластиків і дилатантних рідин описується степеневим законом залежності дотичного напруження і модуля швидкості деформації:

де К – міра консистенції рідини (із збільшенням в’язкості зростає).

Якщо n < 1, то рідина відповідає псевдопластикам, а при n > 1 – дилатантній рідині.

Відповідно із степеневим законом проходить також рух полімерних матеріалів і термопластиків. Властивості дилатантних рідин проявляють розчини деяких полімерів, які використовуються в нафтогазовій справі через те, що їх в’язкість із збільшенням швидкості зсуву збільшується.

Внаслідок прояву тиксотропності деякі нафти, які містять парафіни і асфальтени, мають дуже складні лінії консистентності, тобто проявляється зверханомалія в’язкості нафти, яка заключається в тому, що у визначених границях кожному значенню напруження зсуву τ відповідає кілька значень коефіцієнта в’язкості. Напруження зсуву, які виникають в результаті експлуатації свердловин під впливом градієнта тиску в пластових умовах в зонах, віддалених від свердловин, можуть бути в ряді випадків близькими за величиною до граничних динамічних напружень зсуву.

Провідність гірських порід при фільтрації в них структурованих нафт в значній мірі залежить від градієнтів тиску. При невеликих значеннях градієнтів тиску провідність пісковиків може бути в десятки разів менша, ніж при високих. У зв’язку з тим, що ефективна в’язкість нафт з аномальними властивостями залежить від градієнта тиску, лінійний закон Дарсі при їх фільтрації в пористому середовищі порушується. Для опису процесів фільтрації аномальних нафт запропоновані різні види узагальненого закону Дарсі, які враховують характерні особливості реологічних кривих. Для практичного вивчення аномальних фільтраційних властивостей нафти і вимірювання структурно-механічних її показників використовуються лабораторні і розрахункові методи, а також методи, що ґрунтуються на використанні результатів гідродинамічних досліджень свердловин.