Роль капиллярных явлений и поверхностного натяжения в процессе аккумуляции нефти и газа » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Роль капиллярных явлений и поверхностного натяжения в процессе аккумуляции нефти и газа

22.07.2021

Вызываемые явления. Можно сказать, что определенная роль капиллярных явлений в процессах миграции и аккумуляции нефти и газа признается всеми геологами. В этой книге термин «капиллярность» (capillarity) имеет то значение, в котором его употребляют геологи-нефтяники: «капиллярность» охватывает все процессы, связанные с поверхностным натяжением и прилипанием. Экспериментальное изучение в лаборатории капиллярных явлений дало хорошие результаты, как и определение данных о величине поверхностного натяжения для разных жидкостей. С другой стороны, при определении величины поверхностного натяжения на контактах нефть-вода, вода-газ и газ-нефть в коллекторах обнаружилось много неясного; неполными являются также сведения о характере проявления капиллярных сил в подземных пластах.

В основе капиллярности лежит, конечно, поверхностное натяжение, или стремление поверхностей различных жидкостей сжиматься. Так как при одном и том же объеме шар имеет наименьшую поверхность, чем любое другое трехмерное тело, то в нормальных условиях капельки жидкостей стремятся приобрести шарообразную форму. По этой причине шарообразные капли оказывают сопротивление всякому изменению их формы. Действие капиллярных сил зависит от того, смачивает или нет данная жидкость те твердые тела, в соприкосновении с которыми она находится. Если жидкость смачивает твердое тело, то она под действием сил поверхностного натяжения втягивается в мелкие поры или трубки, в которых может подняться на значительную высоту над уровнем свободной поверхности жидкости (рис. 12-7). Именно так ведет себя вода на контакте с воздухом и большинством твердых веществ, таких как песок, почва, глина и стекло. Если жидкость не смачивает твердого тела, то под влиянием поверхностного натяжения сжатие поверхности жидкости обусловит ее понижение в порах и трубках ниже уровня свободной поверхности (рис. 12-8). Известным примером такого случая является ртуть, соприкасающаяся со стеклом.
Роль капиллярных явлений и поверхностного натяжения в процессе аккумуляции нефти и газа

В нефтяных и газовых коллекторах наибольшее значение имеют поверхности соприкосновения между нефтью и водой, водой и газом, газом и нефтью; все они, конечно, обнаруживают поверхностное натяжение. Действие капиллярных сил в контакте газ-нефть, вероятно, слабее и менее значительно, чем в контактах нефть-вода и газ-вода. Te твердые вещества, которые смачиваются водой, называются гидрофильными, а те, которые вода не смачивает — гидрофобными. В нефтяных и газовых коллекторах, а также, очевидно, в материнских породах большинство поверхностей являются гидрофильными, но в отдельных случаях важную роль играют гидрофобные поверхности. Однако эти гидрофобные поверхности имеются только лишь в тех породах, которые содержат или содержали нефть. До аккумуляции нефть и газ мигрируют по породам, почти сплошь гидрофильным.

О величинах поверхностного натяжения. По подсчетам А.У. Мак-Коя поверхностное натяжение нефти при 20° С составляет 31,7 дн/см, воды —81 дину и ртути — 540 дин. Разделив на 981, дины можно перевести в граммы. Л. Юрен и А. Эль-Диффрои определяют поверхностное натяжение воды на границе с нефтью в 12—19 дн/см. Вследствие повышенных температур и наличия растворенного газа в нефтяных и газовых коллекторах, поверхностное натяжение в них меньше тех величин, которые были определены в лаборатории. По данным Д. Каца, Р. Монроэ и Р. Трейнера поверхностное натяжение нефти, содержащей растворенный газ под давлением в 211 кг/см2 (3000 psi), будет ниже 2—3 дн/см, а быть может и ниже 0,1 дн/см. Поверхностное натяжение на границе нефть-вода [в недрах] значительно меньше, чем на дневной поверхности но все же в нефтяных и газовых резервуарах является достаточно эффективным.

Известно, что абсорбция некоторых веществ в малых количествах на поверхностях жидкостей снижает поверхностное натяжение; поэтому присутствие сложных соединений в нефтяных и газовых коллекторах усложняет определение величины поверхностного натяжения. При абсорбции некоторых компонентов нефти зернами песка, их поверхности теряют свою гидрофильность и становятся гидрофобными. Д. Кац указывает, что такое явление имело место в песчаном горизонте Уилкокс в месторождении Оклахома Сити, в результате чего содержание ископаемой воды в песках стало ненормально низким, по-видимому, менее I %.

Под влиянием поверхностного натяжения внутреннее давление внутри малых капелек и пузырьков флюида увеличивается обратно пропорционально их диаметрам. В силу того, что с возрастанием давления увеличивается растворимость, мельчайшие пузырьки и капельки флюидов стремятся раствориться и присоединиться к более крупным массам. В результате малые частицы флюидов исчезают. Этим объясняется отсутствие в недрах нефтяных эмульсий.

Капиллярные явления. Капиллярные явления заключаются в поднятии или опускании верхней поверхности жидкости, находящейся в малых порах, выше или ниже уровня свободной поверхности жидкости. Отличным примером капиллярности является всасывание воды тонкозернистым песком, глиной или почвой. Там, где вода смачивает песчаные зерна, капиллярные силы вызывают всасывание воды в нефтяной песок. Более легкая жидкость будет подниматься под действием капиллярных сил до тех пор, пока эти капиллярные силы не уравновесятся силами тяжести столба более тяжелой жидкости, располагающегося над свободной поверхностью. Капиллярное поднятие, таким образом, обратно пропорционально разнице в плотности двух жидкостей, диаметру пор и прямо пропорционально поверхностному натяжению на границе между фазами. Капиллярным проникновением можно объяснить наличие ископаемой воды в некоторых нефтяных песках; часть этой воды, однако, может быть и другого происхождения. Капиллярное поднятие соленой воды можно иногда проследить по кривым сопротивления на электрокаротажных диаграммах, хотя на ход этих кривых влияют и другие причины. Если бы поры коллектора имели одинаковый средний диаметр, то процентное содержание ископаемой воды в зоне капиллярного поднятия уменьшалось бы постепенно кверху, однако изменения в структуре коллекторов и присутствие в них тонких непроницаемых пропластков препятствуют определению зоны капиллярного поднятия на электрокаротажных разрезах. Чем меньше зерна и слабее проницаемость коллекторов, тем большее содержание в них поровой воды.

Капиллярное поднятие нефти в газоносных песках меньше, чем капиллярное поднятие воды в нефтяных песках, так как поверхностное натяжение на контакте нефть-газ в большинстве коллекторов меньше и так как разница удельных весов нефти и Газа больше разницы удельных весов нефти и воды. В каких соотношениях находятся в коллекторах нефть и ископаемая вода — не совсем ясно. Нефтеносные песчаники обычно имеют коричневатый оттенок, который им придает адсорбированная нефть, и никакими растворителями нефти этот оттенок уничтожить не удается. Все еще не установлено, контактирует ли нефть непосредственно с поверхностью зерен осадка, или между нефтью и этой поверхностью находится тонкая пленка адсорбированной воды. Если верно последнее, то нефть, будучи способной слегка растворяться в воде, может медленно диффундировать через пленку адсорбированной воды. При проведении в лаборатории опытов, связанных с капиллярностью, необходимо учитывать угол смачивания (наступления), представляющий собой угол между поверхностью твердого тела и раздельной поверхностью между двумя жидкостями. Для контакта вода-нефть угол смачивания равен нулю, если твердая поверхность покрыта тонкой пленкой адсорбированной воды. Пленка эта, очевидно, присутствует всегда, за исключением тех случаев, когда поверхность зерен в песке становится гидрофобной в результате прилипания к ней нефти. Такие условия, вероятно, существуют в материнских породах и в коллекторах после накопления в них нефти. Предполагается, что внутренние поверхности в проницаемых пластах, через которые мигрирует нефть, аккумулирующаяся в ловушках, являются гидрофильными и влажными.

Капиллярные силы проявляются в порах, диаметр которых составляет от 0,5 до 0,0002 мм. Ч. Уошберн утверждает, что максимальное капиллярное давление на глубине 100 м составляет 15 атм; с глубиной оно понижается. Средние диаметры зерен большинства нефтеносных песчаников равны 0,1—0,2 мм, а по данным В. Иллинга средние диаметры пор в алевритах и глинистых сланцах равны 0,01—0,0001 мм. Капиллярные силы в нефтяных и газовых коллекторах способны создавать лишь незначительные давления.

Результаты опытов по изучению капиллярных явлений. Опыты по изучению капиллярных соотношений нефти и газа проводились целым рядом исследователей, включая В. Иллинга, А. Мак-Коя, Д. Джонстона и Л. Адамса, Ч. Уошберна и У. Рассела. Результаты последних экспериментов показывают, что если тонкозернистый пропитанный нефтью песчаник контактирует с грубозернистым песчаником, пропитанным водой, то нефть под действием капиллярных сил переходит из тонкозернистого песчаника в грубозернистый. Получаемые в лаборатории капиллярные давления являются незначительными; предположение же, что в природе нефть вытесняется вниз из мелкозернистого песчаника на значительное расстояние, приходится отвергнуть, так как этому процессу препятствуют силы всплывания. Там, где насыщенный нефтью песчаник или единичные капельки нефти окружены [контактируют с] песчаником с аналогичной структурой (зернистостью), капиллярные силы не способны продвигать нефть. Капиллярные явления могут служить причиной движения жидкости только в случае контакта двух пород с разной величиной зерна и при условии, что мелкозернистая порода почти полностью насыщена нефтью. Таким образом, изолированные капельки нефти в материнской породе не могут быть приведены в движение только лишь капиллярными силами. Это положение иллюстрируется на рис. 12-9. Тонкозернистый песок содержит нефтенасыщенные участки А, В и С. Нефть в А, находясь в контакте с крупнозернистым песчаником Е, переходит в него под действием капиллярных сил; в то же время последние не способны продвинуть нефть в насыщенные части В и С, так как последние окружены песчаником с такой же тонкозернистой структурой.

Так как в основе капиллярных явлений лежит стремление жидкости к уменьшению своей поверхности, то капиллярность будет обеспечивать передвижение жидкости до тех пор, пока ее поверхность является возможно меньшей; при нарушении этого условия капиллярные силы противодействуют дальнейшему движению. Так, если нефть в насыщенном нефтью песчанике действительно смачивает поверхности зерен, то передвижение границы нефть-вода в порах под влиянием капиллярных сил будет продолжаться до тех пор, пока эта граница не достигнет высшей поверхности пропитанного нефтью коллектора; после этого при отсутствии других агентов, могущих обусловить дальнейшее движение, оно должно прекратиться. Очевидно, такие факторы существуют, так как капиллярное движение на этой стадии не заканчивается, а продолжается до тех пор, пока не обводнится насыщенный нефтью песчаник. Вероятно, или пленка воды адсорбируется на поверхности пор, или же она с увлажненных поверхностей растекается по поверхностям, смоченным нефтью, вытесняя при этом последнюю.

Действие капиллярных сил и поверхностного натяжения в условиях нефтяной залежи. Капиллярные силы могут влиять на распределение нефти, газа и воды в коллекторе при условии, что коллектор в разных своих частях неоднороден и характеризуется различной зернистостью. Нефтеносный песчаник, изображенный на рис. 12-10, состоит из трех зон: крупнозернистой, мелкозернистой и очень тонкозернистой. Линия EFGHIL обозначает контакт нефть-вода. Капиллярные силы поднимают уровень контакта нефть-вода в очень тонкозернистой породе выше, чем в крупнозернистой, на расстояние В. а в мелкозернистой зоне — на расстояние А. Современные данные наводят на мысль, что расстояния A и B будут довольно значительными, вероятно, в несколько футов [1 фут = 0,305 м].

Другое проявление капиллярных сил показано на рис. 12-11. Через открытый сброс или трещину ML нефть поступала в пропитанный водой песчаник, в основном, тонкозернистый, но содержащий грубозернистый прослой. Нефть в первую очередь проникает в этот грубозернистый прослой, так как встречает там меньшее сопротивление. Поэтому в нефтеносных свитах, где грубозернистые пласты чередуются с мелкозернистыми, нефть встречается в грубозернистых, а вода в мелкозернистых пластах. Вообще, в силу капиллярных явлений нефть стремится занять крупные поры; а вода более мелкие.

Вероятно, способность глин и глинистых сланцев запечатывать нефть на миллионы лет, частично объясняется проявлением капиллярных сил. Силы поверхностного натяжения закрывают для нефти и газа доступ в мелкие поры глин и сланцев даже в том случае, когда они являются вполне проницаемыми для воды.

О скоплениях нефти и газа, контролируемых капиллярными явлениями. Если капиллярность понимать в широком смысле, т. е. как соединенные усилия поверхностного натяжения и сил сцепления при смачивании (адгезии), то с ней можно связывать целый ряд скоплений нефти и газа. Вообще, капиллярный эффект привлекается для объяснения образования залежей в том случае, когда аккумуляцию нельзя объяснить влиянием сил всплывания и когда нефть и газ встречаются в крупнозернистых пластах, окруженных исключительно мелкозернистыми. Описанные Манном залежи нефти в пористых линзах песчаника Хандрид-Фут, в Сьюикли квадренгл носят, по крайней мере, частично капиллярный характер, так как нефть встречается вместе с водой в крупнопористых зонах, окруженных мелкозернистым плотным песчаником. Другим примером являются песчаные линзы, залегающие в непроницаемых глинах, и целиком или почти целиком заполненные нефтью. Образование залежей нефти в жеодах и других полностью изолированных пустотах также лучше всего объясняется действием капиллярных сил. Как поясняется ниже, одним из проявлений капиллярных [молекулярных] сил может быть также диффузия молекул нефти и газа в растворе.

О давлениях, необходимых для проталкивания частиц нефти и газа через водоносный песчаник. Определение давлений, необходимых для проталкивания капелек нефти и пузырьков газа через насыщенный водой песчаник, имеет важное значение, так как явление такой миграции связано с гравитационной и гидравлической гипотезами аккумуляции нефти и газа. Принято считать, что частицы нефти и пузырьки газа имеют такие же размеры, как и заключающие их поры. Передвижение больших объемов нефти и газа происходило бы гораздо легче; существует, однако, причина, заставляющая думать, что при передвижении на значительные расстояния под воздействием гидравлических потоков большие массы нефти будут разбиваться на меньшие.

Для того, чтобы протолкнуть капельку нефти или пузырек газа, находящийся в состоянии покоя в порах, через пережимы между порами [узкие участки пор], необходимо проделать некоторую работу на преодоление сопротивления, оказываемого силами поверхностного натяжения увеличению поверхности капелек. Это увеличение поверхности вызывается изменением формы капелек при прохождении их через узкие отверстия. По данным Ф.М. Ван Тайла, Б. Паркера и У.У. Скитерса давление, необходимое для проталкивания капельки нефти или пузырька газа диаметром в 1 мм через суженные участки между порами, составляет 0,006 атм, если поверхность капелек при этом удваивается, а поверхностное натяжение равно 50 дн/см. Для того, чтобы на противоположных сторонах капельки создать давление, отличное от 0,006 атм. потребуется, очевидно, напорный градиент, измеряемый по меньшей мере 0,001 атм на 1 мм. Следовательно, гидравлический градиент будет равен примерно 12, что в 1000 раз превышает величину гидравлического градиента в недрах. По-видимому, на глубине поверхностное натяжение значительно меньше, чем на поверхности Земли, вследствие чего частицам нефти и газа значительно легче передвигаться под влиянием гидравлических потоков, а также путем всплывания.

Выводы по вопросу о влиянии капиллярных явлений на аккумуляцию нефти и газа. Капиллярные явления, по-видимому, в значительной степени обусловливают переход нефти и газа из мелких пор в более крупные, а также препятствуют движению нефти и газа через мелкие поры. Возможно, миграция нефти и газа из материнских пород в коллекторы осуществляется за счет капиллярных сил и диффузии через раствор. По-видимому, капиллярный эффект слабо влияет на концентрацию нефти и газа в антиклиналях и в проницаемых коллекторах, выклинивающихся вверх по восстанию. Установлено, что как только нефть и газ попадают в коллекторы, роль капиллярных явлений в их миграции и аккумуляции становится весьма незначительной. Однако там, где нефть и газ заключены в пространственно ограниченные пористо-проницаемые зоны, капиллярные силы могут играть важную роль в миграции нефти и газа в коллектор из соседних относительно менее проницаемых тонкозернистых пород.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: