Исследование режимов воздействия сдвиговыми напряжениями с целью снижения вязкости нефти
В.И. Лесин, Ю.В. Алексеева
ИПНГ РАН
Оптимизация обработки скважинной жидкости колебаниями давления (колебаниями напряжения сдвига) для повышения производительности добывающих скважин является актуальной задачей разработки месторождений нефти. Исследовано влияние режимов воздействия напряжения сдвига на формирование дисперсной фазы коллоидных частиц нефти.
На основе термодинамического подхода к формированию агрегатов коллоидных частиц нефти предложена концепция разработки режимов воздействия в рамках фрактальной теории вязкости. Полученные экспериментальные результаты подтверждают фрактальную теорию и демонстрируют возможность создания процедуры воздействия скоростью сдвига, приводящей к значительному устойчивому снижению вязкости нефти.
Введение
Добыча и транспортировка тяжелой нефти и нефтепродуктов осложняется большой величиной вязкости, резко возрастающей с понижением температуры вследствие выпадения в твердую фазу в виде коллоидных частиц тяжелых компонентов нефти — асфальтенов, смол и парафинов. Для снижения вязкости используются технологии нагрева, введения химических реагентов, воздействия колебаниями давления в широком диапазоне частот.
Фрактальные агрегаты коллоидных частиц имеют пористую структуру, которая характеризуется степенной зависимостью плотности — ρ ФА от расстояния от центра инерции — r: ρ ~ r –α. ФА деформируются и разрушаются под действием сил напряжения сдвига τ со стороны раствора из-за возникновения градиента скорости V (скорости сдвига) [3, 4]:
G=dV/dx, τ=ηG
Вероятность присоединения к ФА коллоидных частиц и их мелких кластеров, имеющих плотную, прочную структуру, и отрыва фрагментов от ФА, а также деформация ФА зависят от сил напряжения сдвига τ, что выражается в зависимости инерциального радиуса R от G: R = R(G). Поскольку масса ФА — M ~ RD, то затраты гидродинамической энергии потока раствора на массообмен и перемещение ФА зависят от радиуса R и фрактальной размерности D. Особенности взаимодействия коллоидного раствора с ФА таковы, что отношения вязкости (напряжения сдвига) при малых значениях G (менее 1 с-1–10 с-1) к вязкости в диапазоне больших значений G достигают нескольких десятков единиц [2, 5, 6, 7].
В связи с развитием и расширением применения методов повышения производительности скважин методами ультразвукового ударно-волнового воздействий на коллектор нефти важным является вопрос о подходах к выбору режимов воздействия колебаниями давления с целью снижения вязкости нефти. В работе [8] при массовом применении ультразвуковой обработки скважин установлено, что коэффициент успешности может находиться в пределах 0–100%.

Колебания давления в скважине, как показано в [9], эквивалентны воздействию на нефть усредненных за период колебаний значений скорости сдвига. Задача данной работы состояла на примере модельных экспериментов при воздействии скорости сдвига определить тенденции изменений вязкости на основе термодинамического подхода к процессам изменения свойств ФА.
Теория и экспериментальные результаты
Поскольку течение нефти в трещинах и поровом пространстве коллекторов, а также в насосно-компрессорных трубах, характеризуется малыми значениями G, то при разработке общего подхода к снижению вязкости наибольшее внимание было обращено на диапазон значений G, близких к 0.
Согласно фрактальной теории вязкость коллоидного раствора [2, 7]:
η=η(1+Ka3n·Rλ) (1).
Здесь R=R/a, R — радиус инерции ФА, a — радиус коллоидной частицы, λ(D)>0 и K=K(D) — константы, зависящие от фрактальной размерности массы — D, где D зависит от предыдущих физико-химических воздействий на коллоидную систему (коллоидный раствор), n концентрация центров роста ФА, η — вязкость вмещающей жидкости:
η0(1+KNυ) (2),
где N — концентрация мелких кластеров коллоидных частиц, υ — их средний объем, K — фактор формы кластеров (для сферических частиц K=2,5), η0 — вязкость вмещающей жидкости, близкая к вязкости бензиновой фракции нефти.

При учете зависимости радиуса инерции от скорости сдвига R ~ (G0/G)h [3, 4, 5] стационарное значение вязкости, соответствующее данному значению G имеет вид:
η=η(1+Kga3n(G0/G)λh) (3).
ФА больших размеров (R >> 1) имеет слоистую (мультифрактальную) структуру [4, 9], что выражается в изменении λh с ростом или снижением G. При этом λh и Kg меняются, но остаются постоянными величинами для конечных интервалов значений Gi < G < Gi+1, т.е. (λh)ii=const и Kg=const для ri < R < ri+1.

Слоистая структура ФА проявляется, например, как зависимость стационарного значения Ln(η/η -1) от Ln(G0/G) в виде ломаной линии, состоящей из соединенных между собой отрезков прямых, соответствующим определенным диапазонам значений G [2, 7]:
Ln(η/η-1)=LnBi - αiLnG (4).
Использование формулы (4) позволяет получить аналитическую зависимость вязкости и, следовательно, напряжения сдвига от скорости сдвига G в виде:
η=η(1+BiG-αi),
где составляющая BiG-αi будет характеризовать отклонение вязкости η от ньютоновских свойств, т.е. при BiG- αi ≈ 0 вязкость практически не зависит от G и коллоидный раствор можно считать ньютоновской жидкостью, вязкость которой больше вязкости вмещающего раствора на величину, пропорциональную общему объему коллоидных частиц.

При больших скоростях сдвига вязкость нефти не зависит от G, т.е. нефть становится ньютоновской жидкостью. Это происходит потому, что прекращается массообмен между ФА и плотными кластерами нефти, что, согласно теории Эйнштейна, соответствует отсутствию взаимодействия между коллоидными частицами и выражается формулой (2).
При температурах в диапазоне подвижности нефти и нефтепродуктов объем ФА не превышает 20−30%.
При отсутствии в нефти ФА, вязкость не зависит от скорости сдвига, и ее величина не более чем вдвое превышает вязкость низкомолекулярной составляющей нефти. Если же в растворе присутствуют ФА, которые разрушаются уже при G << 1-10 с-1, то вязкость в этом диапазоне значений может превышать вязкость вмещающей жидкости в десятки, сотни раз [7].

Наличие ФА в нефти резко снижает продуктивность скважины за счет повышения сопротивления потоку как в пласте, так и в насосно-компрессорных трубах. Поэтому целью исследования, предлагаемого в данной работе, являлось построение общей концепции процесса, регулируемого во времени воздействия напряжения сдвига с целью снижения вязкости нефти в диапазоне наиболее актуальных при добыче и транспортировке нефти значений скорости сдвига.
Слоистая структура агрегатов коллоидных частиц нефти характеризуется плотным ядром ФА. На рис. 1 показана фотография такого агрегата нефти, полученная методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. На фотографии более темным и плотным выделяется центральная часть ФА, имеющая форму, близкую к окружности, по краям видны отдельные стержнеобразные полупрозрачные кристаллы парафина.
Изображение агрегата коллоидных частиц нефти, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии
На рис. 1 видно, что периферическая часть ФА обладает высокой разреженностью, когда каждая отдельная частица контактирует с малым количеством соседей, что соответствует фрактальной размерности D < 3. Поскольку сила притяжения частицы/фрагмента пропорциональны количеству контактов [7], то отрыв фрагментов от агрегата потребует приложения значительных сил напряжения сдвига. В свою очередь столкновение частицы/кластера с гладкой поверхностью плотно упакованного сферического ФА с D = 3 не приведет к их присоединению из-за малой энергии контакта, т.е. неупругие столкновения отдельных частиц и ФА в этом случае становятся маловероятны.
Из вышесказанного следует, что для снижения вязкости следует формировать плотные сферические ФА. Этот результат можно получить, создавая условия роста ФА в состоянии термодинамического равновесия между дисперсной средой и центрами роста ФА по следующему сценарию. Вначале под действием больших скоростей сдвига добиваемся полного разрушения ФА и достижения свойств ньютоновского раствора, а затем путем достаточно медленного снижения скорости сдвига в условиях равновесия при уменьшении величины скорости сдвига, достигая основного свойства ФА — воспроизведения структуры в ином масштабе — самоподобия. Присоединение и отрыв коллоидных частиц от ФА под действием G наименее вероятен для плотных агрегатов сферической формы.

Ранее полученные методами спектроскопии рассеяния света данные по изменению свойств ФА подтверждают термодинамический подход к формированию ФА [6].

Для подтверждения справедливости термодинамического подхода к снижению вязкости были проведены эксперименты, в которых реализовывались различные программы изменения скорости сдвига во времени с целью проверки предложенной выше гипотезы.
Измерения производились с помощью вискозиметра «Physica MCR 301» фирмы «Anton Paar» (Австрия) с измерительной системой в геометрии конус-плита.
Для измерения вязкости образец коллоидного раствора, имеющий начальную температуру 20°С и находившийся при этой температуре не менее 10 суток, помещался в ячейку и охлаждался до заданной температуры, выдерживался при этой температуре 30 мин., после чего производились измерения зависимости η от G. Измерения вязкости проводились в условиях постоянной температуры 10°С. При измерении зависимости η от G значения вязкости фиксировались через некоторое время после достижения стационарного значения.

Интервал времени, через которое фиксировалась стационарная величина η, зависел от G и составлял
от 30 до 10 мин.

для 0,1 с-1< G < 10 с-1
от 1 до 3 мин.

для 10 с-1< G < 100 с-1
При таком режиме регистрации для каждого G достигалось значение вязкости, соответствующее термодинамическому равновесию при данной температуре и величине G.

Аналитические зависимости η=η(1+BG), определялись с помощью формулы (4) на основе экспериментальных данных, аналогично процедуре, описанной в [2, 7].

Цель экспериментов состояла в изучении влияния прерывания процесса воздействия скоростью сдвига на распределение коллоидных частиц между ФА и частицами, которые представляют мелкую фракцию и одиночные частицы.

Поскольку для течения более информативным является напряжение сдвига τ (G)=ηG=ηG(1+BG), характеризующее сопротивление движению жидкости в трубопроводе и пористой среде, результаты экспериментов будут представлены в виде зависимостей τ (G).
На рис. 2а, б представлены зависимости τ (G) для случая, когда после роста G от 0,1 c-1 до 100 c-1, воздействие скоростью сдвига было остановлено на 30 мин, а затем была снята зависимость τ (G) при снижении G от 100 c-1 до 0,1 c-1.
На рис. 3 представлены аналогичные зависимости, но после прерывания воздействия на 60 мин.
Сравнение постоянных η, Bi, αi показало, что в диапазоне 0,1–30 с-1 при росте G коэффициенты Bi составляли величины порядка 5-10 коэффициенты αi находились в диапазоне 1–0,3. При снижении G коэффициенты составили для 30 мин. задержки Bi ≈ 0,3–1 и αi ≈ 0,3–0,8; после 60 мин. Bi ≈ 1–2, αi ≈ 0,5–1. Величина η составила в обоих случаях 0,17 Пас для подъема G и 0,24 Пас на снижении. Из рис. 2–3 видно, что прерывание на сравнительное небольшое время приводит постепенно к значительному росту напряжения сдвига в области малых значений G. Сравнение рис. 2 и 3 показывает, что большой интервал времени после завершения обработки приводит к неньютоновской, нелинейной зависимости τ (G) для малых скоростей сдвига, тогда как при малом интервале τ (G) ~ G вплоть до малых значений G.
Изменение η показывает, что остановка воздействия приводит к росту объема мелких коллоидных частиц Nυ, который в данном случае можно оценить как рост с 10% объема до 30%. Это приводит к тому, что в области больших значений G обработка приводит к росту напряжения сдвига. На рис. 4 показаны зависимости, снятые при росте и снижении после 60-минутного интервала времени остановки воздействия. Видно, что из-за роста η в области значений G более 60 с-1 напряжение сдвига после обработки скоростью сдвига больше, чем для исходного состояния образца.
Зависимости τ (G) для случая, когда после роста от 0,1 c-1 до G=100 c-1, воздействие скоростью сдвига было остановлено на 60 мин, а затем была снята зависимость τ (G) при снижении G от 100 c-1 до 0,1 c-1. Точки – экспериментальные данные, сплошные линии расчет по формуле (4)
В [10] была исследования зависимость τ (G) для случая, когда после достижения 100 с-1 скорость сдвига была увеличена до 1000 с-1, а затем постепенно снижена до 0,1 с-1. В этом случае значения η 0,14 Пас и 0,15 Пас учетом точности измерений 0,005 Пас можно считать одинаковыми. Как следует из вышесказанного, в этом случае объем Nυ не изменился.
ИТОГИ
Из полученных результатов следует, что после остановки воздействия скоростью сдвига происходит увеличение количества мелких, плотных частиц, что выражается в росте η. Поскольку такие частицы являются центрами роста ФА, то коллоидная фаза перераспределяется между увеличенным количеством центров, формируя устойчивые к разрушению ФА малых размеров. При этом вклад процессов роста/разрушения ФА под действием скорости сдвига в затраты гидродинамической энергии уменьшается, что выражается в слабой зависимости вязкости от скорости сдвига и уменьшению вязкости в области малых значений G.
ВЫВОДЫ
На основе использования фрактальной теории предложен общий подход к снижению вязкости нефти и нефтепродуктов путем воздействия скоростью сдвига, регулируемой во времени по определенной программе. Метод основывается на термодинамическом подходе к процессам роста и/или разрушения агрегатов нефти фрактального строения под действием сил напряжения сдвига. Прерывистый режим воздействия может, как показывают экспериментальные данные, привести не только к снижению, но и росту вязкости и отрицательно сказаться на процессе добычи нефти.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kane M., Djabourova M., Volle J-L. Rheology and structure of waxy crude oils in quiescent and under shearing conditions // Fuel, 2004, vol. 83, pp. 1591–1605. (In Eng.).

2. Lesin V.I., Koksharov Yu. A., Khomutov G.B. Viscosity of liquid suspensions with fractal aggregates: Magnetic nanoparticles in petroleum colloidal structures // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2011, vol. 392, pp. 88–94. (In Eng.).

3. Roldugin V.I. The characteristics of fractal disperse system // Russ. Chem. Rev, 2003, vol. 72, issue 11, pp. 913–937. (In Eng.).

4. Жюльен Р. Фрактальные агрегаты // Успехи физических наук. 1989. Т.157. №2. С. 339–357.

5. Sonntag R.C., Russel W.B. Structure and breakup of Flocs Subjected to Fluid Stresses.1. Shear stress // Journal of Colloid and Interface Science, 1986, vol. 113, pp. 399–413. (In Eng.).

6. Лесин В.И., Лесин С.В. Фрактальная теория и экспериментальные исследования вязкости коллоидных систем при скоростях сдвига, близких к нулю // Нефтяное хозяйство. 2013. №7. C. 111–113.

7. Лесин В.И. Математическая модель вязкости тяжелой нефти, содержащей примеси коллоидных наночастиц оксидов металлов // Нефтегазовое дело. 2019. №2. C. 200-217. Режим доступа: DOI: 10.17122/ogbus-2019-2-199-216.

8. Муллакаев М.С., Салтыков Ю.А., Салтыков А.А., Муллакаев Р.М., Анализ опытно-промысловых испытаний ультразвуковой технологии на скважинах самотлорского месторождения // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2019. №7 (331). С. 71–85. DOI: 10.30713/2413-5011-2019-7(331)-71-85.

9. Лесин В.И., Лесин С.В. Влияние колебаний давления на вязкость нефти, содержащей коллоидные частицы // Актуальные проблемы нефти и газа. 2019. №1 (24). DOI: 10.29222/ipng.2078-5712.2019-24.part11.

10. В.И. Лесин, Ю.В. Алексеева. М Эволюция структуры фрактальных агрегатов нефти под действием напряжения сдвига // Актуальные проблемы нефти и газа. 2018. №3 (22). DOI: 10.29222/ipng.2078-5712.2018-22.art28.
БЛАГОДАРНОСТИ
Статья подготовлена сотрудниками ИПНГ РАН в рамках выполнения государственного задания по темам «Исследование термодинамических свойств углеводородных смесей, моделирование гидротермодинамических, физико-химических и геомеханических процессов в геосредах с целью повышения эффективности разработки трудноизвлекаемых запасов нефти и газа», № АААА-А19-119030690057-5 (Лесин В.И.) и «Обоснование инновационных экологически чистых технологий разработки месторождений УВ в сложных горно-геологических условиях на основе 3D-компьютерного моделирования, лабораторных экспериментов и опытно-промысловых исследований» АААА-А19-119022090096-5 (Алексеева Ю.В.)
В.И. Лесин, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник ИПНГ РАН, Москва, Россия
vilesin@inbox.ru

Ю.В. Алексеева, младший научный сотрудник ИПНГ РАН, Москва, Россия
avajul@yandex.ru
Материалы и методы
Ключевые слова
Для цитирования
Поступила в редакцию
УДК и DOI
Измерения производились с помощью вискозиметра «Physica MCR 301» фирмы «Anton Paar» (Австрия) с измерительной системой в геометрии конус-плита. Для измерения вязкости образец коллоидного раствора, имеющий начальную температуру 20°С и находившийся при этой температуре не менее 10 суток, помещался в ячейку и охлаждался до заданной температуры, выдерживался при этой температуре 30 мин, после чего производились измерения зависимости η от G. Измерения проводились в условиях постоянной температуры 10°С. При измерении зависимости η от G значения вязкости фиксировались через некоторое время после достижения стационарного значения. Интервал времени, через которое фиксировалась стационарная величина η зависел от G и составлял от 30 мин до 10 мин (для 0,1 с-1< G < 10 с-1) и от 1 мин до 3 мин (для 10 с-1< G < 100 с-1). При таком режиме регистрации для каждого G достигалось значение вязкости, соответствующее термодинамическому равновесию при данной температуре и величине G.
вязкость, нефть, фрактальная теория, коллоидная частица, скорость сдвига, термодинамика, режим воздействия сдвига
В.И. Лесин, Ю.А. Алексеева. Исследование режимов воздействия сдвиговыми напряжениями с целью снижения вязкости нефти // Экcпозиция Нефть Газ. 2020. №2. С. 38-41. DOI:10.24411/2076-6785-2019-10074.
24.03.2020
УДК 24.03.2020
DOI:10.24411/2076-6785-2020-10080

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (8552) 92-38-33
Made on
Tilda