Материал: Реологические характеристики нефти и нефтепродуктов

Реологические характеристики нефти и нефтепродуктов

Оглавление

Введение

. Реология и нефть

. Современные методы исследования реологических характеристик нефти и нефтепродуктов

3. Капиллярные вискозиметры

4. Ротационные вискозиметры

Список литературы

Введение

В настоящее время в условиях ухудшения структуры запасов углеводородного сырья и возрастающего потребления энергоносителей остро стоит проблема освоения трудно-извлекаемых запасов, к которым, в частности, относятся высоковязкая нефть (ВВН) и природные битумы (ПБ). Выработанность запасов благоприятных для извлечения нефти необратимо приведет к тому, что ВВН и ПБ станут важнейшим ресурсом стабилизации и повышения нефтедобычи. Удельный вес трудно-извлекаемых запасов в общем балансе неуклонно растет, поэтому в ближайшие годы прирост добычи нефти не менее чем на 10% будет обеспечен именно за счет ВВН и ПБ.

ПБ представляют собой естественные производные нефти, залегающие в недрах в твердом, вязком и вязко-пластичном состоянии. Помимо высокой плотности, другой важной отличительной особенностью ПБ является высокая вязкость в пластовых условиях, определяющая их поведение в пласте, сложность извлечения и транспортировки [1]. В этой связи, вязкость является более корректной, чем плотность, характеристикой, определяющей отнесение углеводородного сырья к тому или иному классу. В то же время плотность - интегральная характеристика, косвенно отражающая содержание смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) и остатка и, следовательно, направления и сложность переработки данного сырья.

Суммарные мировые балансовые запасы ВВН и ПБ составляют, по разным оценкам, от 636-682 млрд. т до 1 трлн. т, что в 5-6 раз больше остаточных извлекаемых запасов традиционной нефти, составляющих ~162 млрд. т.

Считается, что Россия по запасам тяжелого углеводородного сырья уступает лишь Канаде и Венесуэле. Согласно зарубежным источникам, в России балансовые запасы ПБ составляют от 47-55 млрд. т до 214 млрд. т (последнее - с учетом сверхтяжелой нефти). Наибольшие запасы тяжелой нефти сосредоточены в Волго-Уральском (60,3%), Западносибирском (15,4%) и Северокавказском (11,3%) бассейнах.

Зачастую транспортировка ВВН и ПБ невозможна без их смешения с легкой нефтью или бензиновыми и керосиновыми фракциями, модифицирования присадками. Закономерности регулирования реологических свойств асфальтеновой нефти отличаются от таковых для парафинистой нефти, отличаются и принципы подбора присадок. В этой связи, представляет интерес изучение принципов регулирования вязкости нефти с высоким содержанием асфальтенов, а также подбор эффективных реагентов для снижения вязкости.

1. Реология и нефть

Реология - раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Изучая деформационные свойства реальных тел, реология занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой.

Исходные понятия реологии - ньютоновская жидкость, вязкость которой не зависит от режима деформирований, и идеально упругое тело, в котором в каждый момент времени величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. Эти понятия были обобщены для тел, проявляющих одновременно пластичные (вязкостные) и упругие свойства. Практические приложения реологии описывают поведение конкретных материалов при нагрузках и при течении.

Любой кристалл или агрегат кристаллов при определённых условиях может быть пластически деформирован. Пластическая деформация кристаллов реализуется посредством направленного движения в нём дислокаций и вакансий. Под действием на кристалл внешней силы в объёме кристалла появляются напряжения, которые снимаются дефектами. Если сила превышает некий порог, то происходит хрупкое разрушение объекта. [2]

Для учета неньютоновских свойств нефти при проектировании и разработке месторождений необходимо определить их реологические и фильтрационные характеристики. Получение достоверных результатов предполагает изучение этих свойств в условиях, соответствующих пластовым. Не все существующие методы и приборы отвечают этому требованию.

Большинство приборов и методов разработаны для исследования высоковязких дисперсных систем, таких как:

дегазированные нефти при пониженных температурах;

буровые растворы применительно к движению в трубопроводах;

прозрачные коллоидные растворы для удобства наблюдений за деформацией систем в процессе течения.

Существующие методы изучения реологических свойств аномальной нефти можно разделить на следующие три группы:

) лабораторные методы исследования на экспериментальных установках;

) расчетные методы, базирующиеся на эмпирических зависимостях, полученных на основе обобщения экспериментальных исследований;

) методы, основанные на гидродинамических исследованиях скважин. [3]

Вязкость нефти зависит от содержания в ней газообразных, жидких и твердых веществ, а также от степени дисперсности последних. По степени дисперсности этих компонентов нефть относят к коллоидным системам. Дисперсную фазу этой системы составляют твердые компоненты, а дисперсионную среду - жидкие углеводороды с растворенными в них газами. При большой концентрации в нефти твердой дисперсной фазы нефть обладает четко выраженными свойствами коллоидных растворов. У такой нефти наблюдаются аномалии вязкости: вязкость зависит от напряжения сдвига и меняется в широких пределах при изменении скорости течения. Подобные аномалии вязкости обусловлены образованием в жидкости структуры из твердых частиц или высокомолекулярных веществ.

В состав смол входит большое число элементов, основными из них являются углерод, водород, кислород, сера и азот. Выделенные из нефти смолы имеют мазеобразную консистенцию и темно-коричневый цвет. Плотность смол около 1 г/см³. Исследования инфракрасных спектров поглощения и молекулярно-поверхностных свойств смол показали, что их молекулы построены из конденсированных циклических систем. Эти системы образованы ароматическими, циклопарафиновыми гетероорганическими кольцами. Конденсированные циклические системы соединяются мостиками из алифатических углеводородов.

Асфальтены по химическому составу близки к смолам, но отличаются более высоким молекулярным весом. Известно, что на активных адсорбентах, а также под действием нагревания и света происходит переход части смол в асфальтены

Асфальтены обладают меньшей растворимостью в углеводородах, чем смолы: они растворяются в ароматических углеводородах и нерастворимы в парафиновых углеводородах. Определения молекулярного веса асфальтенов дают очень расходящиеся результаты, что связано со склонностью молекул асфальтенов к ассоциации. Используя криоскопический метод и растворители, в которых ассоциация асфальтенов наименьшая, нашли что молекулярный вес их может доходить до 10 000.

Ароматические кольца притягиваются за счет полярных сил. В растворителях с достаточно полярными молекулами, например, в смолах, ароматических углеводородах, которые способны увеличивать силы притяжения между ароматическими конденсированными кольцами асфальтенов, последние будут пептизироваться. Наоборот, в низкополярных растворителях, например, в парафиновых углеводородах, асфальтены будут ассоциироваться. В результате ассоциации возрастают силы притяжения полярных ароматических колец. Таким образом, степень дисперсности асфальтенов сильно зависит от свойств окружающей среды.

Смолы и ароматические углеводороды, обладающие большей полярностью, чем парафиновые углеводороды, адсорбируются группами молекул, составляющих частицы асфальтенов. Они образуют сольватный слой вокруг асфальтеновой частицы. Частицы асфальтенов составляют ядро мицеллы. Мицелла стабилизируется нейтральными смолами, адсорбированными на поверхности ядра. Ядро образовано материалом с наибольшим молекулярным весом и наиболее ароматичным по строению. Вокруг ядра располагается материал меньшего молекулярного веса и менее ароматичный. Происходит постепенный переход к алифатическим компонентам нефти. Четкой границы между мицеллой и окружающей средой нет. Основной стабилизирующий фактор - сольватная оболочка вокруг мицеллы. Это подтверждается способностью асфальтенов самопроизвольно диспергироваться в ароматических углеводородах. Электрический заряд мицелл, как указывалось, невелик, и его роль в стабилизации небольшая. Следовательно, асфальтены в нефти образуют так называемые лиофильные коллоидные системы. При большом избытке в системе парафиновых углеводородов происходит десорбция ароматических компонентов с поверхности мицеллы, стабилизирующее действие их уменьшается и происходит коагуляция асфальтенов и выпадение их в осадок. [4]

Предельное динамическое напряжение сдвига стабилизированных нефтей определяется множеством факторов: содержанием асфальтенов (А), содержанием смол (С), различных углеводородных соединений, молекулярным весом этих компонентов.

Наиболее высокий коэффициент корреляции наблюдается при сопоставлении величины предельного динамического напряжения сдвига нефти с величиной отношения содержания в них асфальтенов к содержанию смол. Предельное динамическое напряжение сдвига Q0 находится в прямой зависимости от содержания в нефти асфальтенов и в обратной - от содержания смол.

Это подтверждает, что дисперсной фазой, образующей структуру, являются асфальтены. Смолы в коллоидной системе выполняют роль стабилизатора частиц асфальтенов.

Все остальные факторы - углеводородный состав нефти, участие молекул ароматических и нафтеновых углеводородов в сольватном слое мицелл асфальтенов - в этом случае играют второстепенную роль и обусловливают разброс экспериментальных данных в пределах ошибок измерений

Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ), содержащиеся в ПБ в значительной концентрации, проявляют структурирующее воздействие на окружающие молекулы, снижая их подвижность. При невысокой концентрации САВ в нефтяной системе имеется значительное количество молекул, достаточно удаленных от надмолекулярных ассоциатов и находящихся вне сферы их действия. Такие молекулы сохраняют подвижность и характеризуются большими временами релаксации. При увеличении же концентрации САВ число молекул нефти. [5]

Частицы асфальтенов, образующие в нефти пространственную структуру, взаимодействуют через прослойки дисперсионной среды. Чем тоньше слой жидкости между частицами, тем сильнее их взаимодействие и прочнее структура. Такие дисперсные системы обладают тиксотропными свойствами, т.е. способностью к изотермическому восстановлению структуры, разрушенной при механическом воздействии. В процессе теплового движения частиц дисперсной фазы последние принимают такое взаимное расположение, при котором система обладает минимумом энергии и становится термодинамически более устойчивой. Этому соответствует определенная ориентация несимметричных частиц асфальтенов, при которой они сближаются теми ребрами и гранями, где сольватные слои наиболее тонкие.

Согласно работе [6] реологические характеристики нефти напрямую зависят от содержания в ней асфальтенов. В ней анализировались образцы нефти с содержанием асфальтенов от 0 до 20%, при этом использовался реометр SAXS. Зависимость для разбавленных и для концентрированных растворов отличалась.

В разбавленных растворах вязкость увеличивалась линейно с увеличением массовой доли асфальтенов. При большой концентрации, приблизительно 10%, асфальтены образовывали ассоциаты, что значительно увеличивало вязкость системы.

Рис. 1.1 Схематичное изображение ассоциации асфальтенов

реология нефть капиллярный вискозиметр

Рис. 1.2. Зависимость относительной вязкости от содержания асфальтенов при 20ºС.

Помимо асфальтенов на вязкость нефти влияют и смолы. Как видно на рис. 1.3 сначала вязкость нефти снижается при увеличении концентрации асфальтенов, это происходит из-за того, что смолы являются природными поверхностно-активными веществами.

Рис. 1.3 Зависимость вязкости от содержания смол

Установлено, что при повышении концентрации асфальтенов от 4,0 до 72,0% масс. вязкость дисперсий возрастает по сложной экспоненциальной зависимости

Рис. 1.4 Изотермы вязкости дисперсных систем "гудрон + асфальтены": 1 - 84; 2 - 112; 3 - 144.

При содержании асфальтенов 38,0-46,0% масс. происходит скачкообразное увеличение эффективной вязкости, структурно-механической прочности, температуры перехода в состояние ньютоновской жидкости, кажущейся энергии активации вязкого течения и среднечисловой молекулярной массы частиц дисперсной фазы, что обусловлено образованием коагуляционных структур по всему объему системы. Критические значения концентрации асфальтенов и молекулярной массы их надмолекулярных образований, после достижения которых в системе происходят качественные изменения, составляют СAC~37,0% масс, и МnС=724, соответственно. Причем с повышением температуры величина скачка вязкости уменьшается, но значение концентрации асфальтенов СAC практически не меняется. [7]

. Современные методы исследования реологических характеристик нефти и нефтепродуктов

Вискозиметрия основана на законе вязкости Ньютона. Из него следует, что для определения вязкости необходимо измерить напряжение, которое сообщает слою жидкости некоторую скорость по отношению к другому слою, находящемуся от первого слоя на определенном расстоянии. На практике удобнее задавать постоянное напряжение и наблюдать скорость относительного движения. При этом можно определять скорость движения жидкости по отношению к неподвижному твердому телу или скорость движения твердого тела в неподвижной жидкости.