автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Фазовые состояния и физический свойства смесей нефти с двуокисью углерода, применяемой для увеличения нефтеотдачи (на примере месторождений Самарской области)

МЕЖОТРАСЛЕВОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС "НЕФТЕОТДАЧА"

ВСЕСОЮЗНОЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ им. АКАДЕМИКА А.П.КРШЮВА

На правах рукописи УДК 622.276.42:541.123.7

ФАЛОВСКИй ВЯЧЕСЛАВ ИВАНОВИЧ

ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЯ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСЕЙ НЕФТИ С ДВУОКИСЬЮ УГЛЕРОДА, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ (НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 05.15.06 - Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук -

Москва - 1992 г.

Работа выполнена во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследовательском институте имени академика А.П.Крылова (ВНИИ,) и в Государственном институте по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности "Гипровостокнефть".

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор М.Д.Розенберг.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.Н.Закиров;

кандидат технических наук Ю.В.Капырин.

Ведущая организация - Производственное объединение "Куибышевнефгь".

Защита диссертации состоится " 24" ■ апреля 1592 г. в Ю час. на заседании специализированного Совета Д.104.02.01 ВАК СССР во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследовательском институте имени академика А.П.Крылова по адресу: 125422, Москва, Дмитровский проезд, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ.

Автореферат разослан " марта_ 199 с г.

Учёный секретарь специализированного Совета, кандидат геолого-минералоги-

М.М.Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из методов интенсификации разработки месторождений и повышения нефтеотдачи является вытеснение нефти с помощью двуокиси углерода. За рубежом, в том числе в Зенгрии и США, этот способ воздействия на пласты применяется а настоящее время на промышленном уровне. 3 нашей стране проведен ряд опытно-промышленных испытаний оазличных модификаций данного метода. 3 частности, на Радаезском и Козловском месторождениях двуокись углерода закачивалась в пласт в жидком виде. 3 связи с этим становится актуальным решение проблем, связанных с проектированием и анализом разработки нефтяных залежей в таких условиях. Одной из них является описание массопереноса между нефтью и вытесняющей её жидкой двуокисью углерода в различных точках пласта при построении математической модели многофазной многокомпонентной фильтрации. Нефть включает в себя большое число компонентов, которые имеют широкий, непрерывный спектр физико-химических свойств. Для представления её состава а композиционных моделях используются, как правило, условные компоненты, обладающие усреднёнными сэойствами фракций. Зо-первых, потому, что подробный анализ нефти технически очень сложен, и, ао-вторых, по причине существенного усложнения расчётов при сильной детализации состава. Однако, точность пэогноза Фазозого поведения и расчёта физико-химичэских свойств фаз Фильтрующейся системы зависит от способа, с помощью которого произведено оазделение нефти на псевдокомпо-нэнты.

Цель работы__ заключается в разработке экспериментальных основ изучения фазозых равновесий и выборе псевдокомпонентов, необходимых для математических моделей, предназначенных для расчёта процессов разработки месторождений с помощью жидкой двуокиси углерода.

Основные задачи исследования

1. Изучение фазовых состояний, физико-химических свойств фаз и особенностей межфазного массообмена в смесях двуокиси углерода с нефтями Козловского и Радаевского месторождений Самарской области.

2. Определение количества и свойств условных компонентов, необходимых для аналитического описания фазового поведения изученных смесей, достаточно хорошо согласующегося с экспериментальными данными.

3. Адаптация уравнения состояния к выбранному способу разделения системы двуокись углерода - нефть на псевдокомпоненты и представление суммы данных, необходимых для расчётов при проектировании разработки.

Методы решения поставленных задач. Основным методом решения задач исследования явилось проведение лабораторных экспериментов.

При проведении экспериментальных раббт были использованы глубинные пробы нефти пласта А^ Козловского месторождения, реком-бинированные пробы Радаевской нефти, пласта Б^, приготовленные на основе поверхностной нефти из того же месторождения, а также двуокись углерода, соответствующая по кондициям углекислому газу, применяемому для калибровки хроматографов.

Исследования проведены, в основном, на оборудовании, разработанном автором совместно с Б.Н.Райхманом и В.В.Панафидиным. При этом использованы как общепринятые, так., и разработанные ав- ' тором методики. Все экспериментальные исследования, обобщение полученного материала выполнены автором. Отбор проб пластовой и поверхностной нефти, определение физических свойств разгазирован-ных жидкостей, нефтяных фракций, их хроматографический анализ, определение состава газов сепарации выполнены сотрудниками отдела исследования нефтей института "Гипровостокнефть".

Работа поставлена в соответствии с тематическими планами НИР института "Гипрозостокнефть" 1981 и 1983-1988 г.г.

Научная новизна. 3 диссертационной работе получены новые результаты:

1. 3 гетерогенных смесях жидкой СО2 с нефтями Козловского и Радаэвскогэ месторождений выявлено, что состав Фракции, экстра- ■ гируемой из нзФти в углвкислотную Фазу, практически нз зависит от общего состава смзси. Сравнение состава экстракта с данными многолетних гзохимичзских исследований нзфтей Самарской области позволяет распространить полученный результат на остальные нефти месторождений перми и карбона в этом регионе.

2. При изменении дазления а интервале 9,2-19,5 МПа состав углеводородной части углекислотных Фаз практически постоянен.

3. Состав осадка высокомолекулярных соединений нейти, выпадающего з данных смесях, меняется а зависимости от соотношения в них дзуокиси углерода и нефти.

Разделение нефти на три условных компонента, два из которых практически нз участвуют в массообменэ между нефтяной и углзкис-лотной базами, позволяет с необходимой точностью описывать Фазовое состояние и Физические свойства фаз в смесях СО^ с нефтями, характерными для залежей перми и карбона Самарской области.

5. С достаточной для практики точностью мольные коэффициенты распределения участвующего в межфазном массопереносе условного' нефтяного компонента можно считать не зазисящими от давления при изменении последнего в интервале, реальном для пластов залежей рассматриваемого типа.

Практическая ценность работы. Предлагаемый'способ выбора условных компонентов а системах жидкая СО^ - неФть, полученная опытным путем зависимость коэффициентов распоеделения легкого псездокомпонзнта от состава углекислотных Фаз и адаптированное к

экспериментальному материалу уравнение Пенга-Робинсона могут быть использованы при математическом моделировании вытеснения нефти жидкой двуокисью углерода на месторождениях Самарской области, приуроченных к отложениям перми и карбона, в случае, когда возникнет необходимость проектирования разработки данных месторождений с применением указанного способа воздействия на пласт.

Результаты экспериментального изучения равновесий в смесях жидкой двуокиси углерода с нефтью могут быть использованы для проверки возможности описания фазового поведения подобных систем с помощью различных уравнений состояния.

Реализация результатов исследования. Основные результаты, полученные при изучении равновесий в смесях двуокиси углерода с нефтями Козловского и Радаевского месторождений, вошли в РД 040148311-3-90 - "Временную инструкцию по промышленному применению композиций для регулирования подвижности двуокиси углерода с целью повышения эффективности её воздействия на пласт", а также были использованы при разработке "Программы опытно-промышленных работ по регулированию подвижности жидкой двуокиси углерода на пилотном участке Сергеевского купола Радаевского месторождения".

Основные положения, представляемые к защите.

1. Аппаратура для изучения фазовых равновесий в системах жидкая двуокись углерода - нефть.

2. Методика изменения состава при исследовании нефтеуглекис-лотных смесей.

3. Результаты экспериментального изучения фазовых состояний, составов и свойств фаз в смесях жидкой двуокиси углерода с нефтями пластов А^ Козловского и Б^ Радаевского месторождений.

4. Доказательство постоянства состава нефтяной фракции в уг-кислотных фазах ^с точностью, соизмеримой с погрешностью анализа.) в широких интервалах изменения концентраций и давления.

5. Возможность адаптации уравнения Пенга-Робинсона к равновесным данным в системе (Х^-нефтъ в случае, когда она состоит из двух жидких фаз.

6. Способ выбора условных компонентов, позволяющий моделировать гидродинамический процесс вытеснения с помощью четырёхкомпо-нентных систем.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 19 научно-технической конференции молодых ученых и специалистов института ТатНИПИнефть (г.Бугульма, 1985 г.), на секции разработки нефтяных месторождений и нефтепромысловой геологии Учёного Совета института "Гипровостокнефть" (1988 и 1991 г.г.,), на. секции Учёного Совета ВНИИ по направлению фундаментальных исследований повышения нефтеотдачи (1986-1990 г.г.,).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 научных статьях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объём работы составляет 148 страниц, включая 96 страниц машинописного текста, ¿2. таблицы, ¿1 рисунка и список литературы из 148 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе даётся обзор публикаций широкого круга авторов, в котором рассмотрено состояние вопросов, связанных с лабораторным и теоретическим изучением метода повышения нефтеотдачи с помощью двуокиси углерода. Показано, что использование данного метода воздействия на пласт возможно на достаточно большом числе

месторождений с различными свойствами коллекторов и насыщающих их жидкостей.

Проанализированы результаты, полученные при изучении воздействия двуокиси углерода на свойства пластовых жидкостей и вмещающих пород, данные одномерного физического моделирования вытеснения нефти двуокисью углерода. Описаны различные типы вытеснения, отличающиеся расположением области гетерогенных равновесий на фазовой диаграмме системы двуокись углерода - нефть. Рассмотрены пути использования параметров равновесия в математических моделях фильтрации многофазного многокомпонентного потока, что является необходимым этапом проектирования разработки нефтяных месторождений в условиях закачки в пласт двуокиси углерода. Отмечается, что при этом возникает проблема выбора условных компонентов для описания состава нефти.

Этим вопросам посвящены работы отечественных исследователей: И.М.Амерханова, Г.А.Бабаляна, А.Ю.Бруслова, А.И.Вашуркина, А.Т.Горбунова, В.Б.Губанова, И.И.Дунюшкина, М.Б.Ежова, Ю.В.Жел-това, П.И.Забродина, Е.А.Зискина, Б.И.Леви, А.Ю.Намиота, Т.Л.Не-, нартович, В.Г.Пантелеева, Е.И.Рубина, М.Д.Розенберга, В.Г.Скрипки, М.Л.Сургучева, Г.С.Степановой, Р.М.Тер-Саркисова, А.Б.Тума-сяна и других, а также зарубежных: А.Бана, В.Балинта, И.Гарднера, Е.Гонзалеса, В.Джозендала, В.Йеллига, Н.Мангена, Р.Меткалфа, Ф.Орра, М.Силвы, Ф.Сталкапа, Л.Холма, Г.Шнайдера, Л.Ярборо и других.

Во второй главе описана методика изучения составов и физических свойств равновесных фаз в смесях жидкой двуокиси углерода и нефти, дана характеристика объектов исследования.

Основные экспериментальные результаты были получены с помощью установки, на которой готовились гомо- и гетерогенные равновесные смеси. Её основным узлом является поршневой сосуд высокого давления, помещенный в воздушный термостат. Поршень отделя-

ет поджимную жидкость от рабочей камеры, объём которой может изменяться от 70 см3 до 5 дм3. С поршнем жестко соединён полый шток. £го верхняя часть оканчивается головкой со смотровым окном. Рабочая камера снабжена верхним и нижним запорными вентилями, которые используются для подачи в неё компонентов смеси и для выпуска равновесных фаз в сепаратор или вискозиметр. Перемешивание осуществляется с помощью электромагнитной падающей мешалки. Предусмотрено гравитационное разделение равновесных фаз, что достигается при длительном отстое системы после перемешивания, который обеспечивается с помощью терморегулятора, позволяющего осуществлять длительное термостатирование аппаратуры без присутствия обслуживающего персонала. Дозировка загружаемых компонентов и замер объёма отбираемых на анализ порций равновесных фаз производится с помощью механических прессов, снабженных электроприводом. Они служат также для поддержания изобарических условий в рабочей камере при приготовлении смеоей, в ходе сепарации равновесных фаз и загрузки вискозиметра.

Состав и плотность углекислотных и нефтяных частей равновесных смесей определялись по результатам сепарации, а вязкость нефтяных фаз - с помощью вискозиметра ВВДУ. При этом использовались общепринятые методики. Для сепарации углекислотных фаз были разработаны насадочные сепараторы, позволившие обеспечить изотермические условия в процессе разгазирования и необходимую четкость разделения жидкости и газа.

Основные технические характеристики установки: рабочее давление - до 30 МПа, температура - от 30 до 70°С. Точность замера давления определяется классом используемых манометров. Температура в рабочей камере поддерживается с точностью до 0,1°С. В ходе контрольных испытаний установки плотность жидкой двуокиси углерода была воспроизведена с точностью до 5-6 кг/м3, а содержание С02 в растворе заданной концентрации - с точностью до 2 масс.#.

В тех же пределах были отличия этих параметров в двух параллельных опытах со смесями двуокиси углерода и нефти Козловского месторождения.

В третьей главе описаны экспериментальные работы по изучении фазовых равновесий в смесях С0£ с нефтями указанных месторождений, которые проводились с целью получения данных, необходимых для математического моделирования вытеснения нефти двуокисью углерода.

На первом этапе исследований был определен фазовый состав изучаемых систем, Установлено, что при пластовой температуре, которая равна 2б,5°С для Радаевского и 30°С.для Козловского месторождения, и давлении до 19,6 МПа нефти данных месторождений и жидкая двуокись углерода обладают ограниченной взаимной растворимостью. Пределы растворимости в этих условиях составили, соответственно, 19,4 и 30,8 масс.#. При растворении СО^ в нефтях их давление насыщения заметно возрастает, но в обоих случаях не превышает 9 МПа как для одно-, так и для двухфазных смесей. Поэтому можно заключить, что при термобарических условиях, которые могут .реально существовать в пластах при закачке двуокиси углерода, она будет образовывать с изученными нефтями жидкие двухфазные смеси.

При исследовании таких систем существенным моментом является выбор способа изменения их общего состава. Хотя путей изменения состава нефтеуглекислотных смесей существует бесчисленное множество, практический интерес представляет лишь траектория, которая соответствует изменению составов нефти и жидкой двуокиси углерода в процессе их совместной фильтрации. Было решено смоделировать реализуемый в пласте непрерывный процесс в виде ступенчатого в сосуде равновесия. Составы совместно фильтрующихся жид-, ких фаз за фронтом вытеснения моделировались с помощью многоступенчатой экстракции, в ходе которой одна порция пластовой нефти несколько раз промывалась чистой двуокисью углерода. Составы фаз

в области пласта, прилегающей к фронту вытеснения, имитировались при смешивании порции пластовой нефти с различными количествами углекислотной фазы - жидкой двуокиси углерода, содержащей нефтяной экстракт.

Таким путем на основе нефти Козловского месторождения было приготовлено 2 гомогенных и 7 гетерогенных смесей при 19,6 МПа и по 4 гетерогенные смеси при 12,7 и 15,6 МПа. Все они затем были подвергнуты сепарации с определением газовых факторов, составов газов и жидкостей, молекулярной массы и плотности жидкостей. Кроме того, разгазированные жидкости, полученные в шести двухфазных смесях при давлении равновесия 19,6 МПа, были разогнаны на широкие фракции: бензиновую (н.к. - 200°С,), керосиновую (200-330°С; и остаток. Для бензинов и керосинов определены физические свойства: молекулярная масса, плотность и показатель преломления.

В результате проведенных исследований выяснено, что с ростом количества двуокиси углерода, побывавшей в контакте с нефтью, • последняя становится тяжелее, уменьшается растворимость углекислого газа в ней, падают газовый фактор и количество углеводородных компонентов в газе, все меньше нефтяных фракций переходит в двуокись углерода, уменьшается количество конденсата, выпавшего при сепарации углекислотной фазы, он становится несколько тяжелее. Вместе с тем, зависимость свойств разгазированных жидкостей от общего состава смеси отражается лишь на качестве бензинов, а параметры керосинов практически не меняются. Для исходной нефти и пяти углекислотных фаз, подвергнутых разгонке, была рассчитана молекулярная масса фракции, включающей в себя бензин и нефтяные компоненты, перешедшие при сепарации в таз. Интервал изменения этой величины оказался соизмеримым с разбросом," обусловленным погрешностью измерения, хотя углекислотные фазы были выделены из смесей, существенно отличающихся общим содержанием СС^. Колебания значений мольной концентрации углекислого газа в нефтяных

фазах относительно среднего значения оказались одного порядка с ошибкой опыта, при этом не выявлено какой-либо зависимости этой величины от общего состава смеси и давления равновесия. Аналогичное заключение можно сделать и относительно молекулярной массы фракции Сд+ в углекислотных фазах и, наконец, зависимость общего мольного содержания газовых компонентов в нефтяных фазах от плотности сепарированной нефти удалось приблизить одной кривой со средним отклонением +1,2$, независимо от давления равновесия.

Таким образом, полученный фактический материал позволяет предположить, что состав нефтяной фракции, экстрагируемой из нефти жидкой двуокисью углерода, практически не зависит от давления и общего состава смеси, а изменение свойств разгазированных жидкостей в зависимости от общего состава смеси и давления равновесия следует объяснить не столько, вымыванием из нефти компонентов в порядке уменьшения их коэффициентов распределения, сколько различием в выносе углеводородов из нефти вследствие разницы в газовых факторах.

Предположение подтвердилось при детальном изучении состава углекислотных фаз, основным компонентом которых является двуокись углерода. Это обстоятельство' и сделало необходимыми данные исследования, так.как погрешность в замере концентрации СО2 существенно сказывается на точности определения состава экстракта. Выход из положения был найден в том, чтобы с помощью селективного поглотителя значительно уменьшить концентрацию СС^ в углекислотных фазах и, тем самым, резко снизить погрешность определения состава нефтяной фракции. Такая работа была проведена с помощью раствора едкого калия для четырех нефтеуглекислотных смесей различного состава.

Три смеси двуокиси углерода с Козловской нефтью (А-В; были приготовлены при давлении 19,6 МПа. Координатой их общего состава может служить плотность нефти после сепарации равновесных нефтя-

ных фаз, которая изменяется в интервале Ь72-91ь кг/м3. Четвертая смесь приводилась в состояние равновесия при давлении 9,2 МПа. Равновесные углекислотные фазы отделялись от нефтяных и подавались в сосуд высокого давления с раствором щелочи. После интенсивного перемешивания смесь отстаивалась. Таким путем нефтяные экстракты были выделены в концентрированном виде, благодаря чему удалось существенно повысить точность определения их состава. При этом в газированных жидкостях определялось содержание компонентов до Сд включительно, а сепарированные разгонялись на широкие фракции - бензин, керосин и остаток. Первые две детально анализировались. Определялись интегральные показатели - молекулярная масса, плотность, а также общий состав бензиновых фракций и содержание насыщенных углеводородов в керосинах. Полученный фактический материал полностью согласуется со сделанным ранее предположением. В таблице I дано содержание основных компонентов в бензиновых фракциях углекислотных фаз и исходной нефти.

Таблица I

Характеристика составов широких бензиновых фракций исходной нефти и углекислотных фаз

Компоненты

I,

Мамовое £Оде£жание_;_ % „и „и

¡Смесь А рмесь Б рмесь В рмесь Г р^фть'

Н. гексан 5,1 7Д 6,8 7,9 6,1

3 метилгексан 5,4 5,3 5,1 5,3 5,2

2 метилгексан 2,6 2,7 2,5 3,0 2,8

Н. гептан 11,3 10,1 10,2 10,1 10,5

3 метилгептан 3,9 2,6 2,9 3,2 3,3

Н. октан 14,1 10,2 11,4 10,2 12,1

Н. нонан и др. 5,5 4.4' 4,3 4,5 4,8

■Исследованы также равновесия в 3-х смесях С02 с нефтью Рада-евского месторождения при 19,6 МПа. Результаты аналогичны описанным для Козловской нефти.

Фактический материал, полученный при исследовании равновесий в смесях 'обеих нефтей с двуокисью углерода, позволил найти неформальное решение проблемы разделения их на псевдокомпоненты. Систему нефть-СС>2 можно рассматривать как трехкомпонентную, состоящую из двуокиси углерода, легкого и тяжелого компонентов. Под легким подразумевается нефтяная фракция, экстрагируемая двуокисью углерода. Её состав допустимо принять независимым от общего состава смеси и давления. К тяжелому компоненту следует отнести оставшуюся часть нефти, практически не участвующую в массообмене.

Экспериментальные данные по фазовым составам в системе двуокись углерода - нефть Козловского месторождения были интерполированы, после чего построена фазовая диаграмма для принятого выбора условных компонентов. Она показана на рисунке I. Средние отклонения опытных данных от графической интерполяции для нефтяных фаз составили 2,2% по СО2, 1,1% по легкому и 1,1% по тяжелому компонентам. Для углекислотных фаз этот'параметр по обоим компонентам равен 1,2$. Такой разброс соизмерим с погрешностью эксперимента. Практически с той же точностью фазовая диаграмма описывает и экспериментальные данные, полученные для системы двуокись углерода - нефть Радаевского месторождения.

Этот результат согласуется с материалами, полученными в Гипровостокнефти в ходе подробного геохимического изучения составов нефтей Самарской области, на основании к<?торых сделан вывод об их генетическом единстве. В частности, не^т^ перми и карбона • в данном регионе имеют близкие составы легких и средних фракций, которые и определяют массообмен между нефтью и жидкой двуокисью углерода. Козловская и Радаевская нефти типичны для данного класса нефтей. Поэтому есть основания полагать, что результаты, по-' лученные для них в рамках данной работы, могут быть распространены на другие нефти залежей перми и карбона Самарской области.

Двуокись углерода

А 100.0

"Тяжёлый" "Лёгкий"

Рис. I. Псевдотройная фазовая диаграмма системы двуокись углерода - нефть Козловского месторождения.

В смесях СО2 с нефтью Козловского месторождения изучены физические свойства равновесных фаз (плотность и вязкость для нефтяных и плотность для углекислотных). .

Фазовая диаграмма системы (Х^-нефть была использована для расчёта коэффициентов распределения двуокиси углерода и легкого псевдокомпонента. Для решения вопроса о правомерности их использования необходимо было выяснить вероятность выпадения осадка асфальтосмолистых веществ в изученных системах и влияние этого процесса на равновесные составы. С этой целью проведен комплекс

работ, в результате чего выяснено", что выпадение осадка происходит при смешивании обеих нефтей с двуокисью углерода, причем состав его меняется в зависимости от соотношения компонентов смеси. Полученные данные были использованы для оценки погрешности, которую может внести неучет выпадения осадка. Выяснено, что, в основном, этим фактором можно пренебречь при использовании мольных коэффициентов распределения.

В четвертой главе описана адаптация уравнения Пенга-Робин-сона к экспериментальным данным, полученным при изучении системы СС^-нефгь Козловского месторождения, приведен пример его использования для математического моделирования вытеснения нефти из пласта жидкой двуокисью углерода. Расчёты проведены В.Я.Блехманом на ПЭВМ IBM AT 386/387 по программе "0MIX", разработанной им во ВНИИ совместно с М.Н.Муркесом и В.А.Рождественским, для определения показателей разработки применялись данные, рекомендованные в "Уточненном проекте разработки по Козловскому нефтяному месторождению Куйбышевской области", составленному в Гипровостокнефти в I97b году.

Уравнение Пенга-Робинсона является одной из последних и наиболее удачных модификаций известного уравнения Ван-дер-Ваальса. Для чистых компонентов оно имеет вид:'

n g RT

р * 5) +6(лМ) ~ (v-b) • где:

Р - давление; Т - температура; V - мольный объём; R - универсальная газовая постоянная; Ц и 6 - параметры поправок к давлению и объёму за счёт неидеальности флюида. Уравнение может быть представлено в виде уравнения третьей степени относительно коэффициента сжимаемости системы. Параметры Я и б рассчитываются по формулам, включающим температуру, константу R . а также критические давление и температуру компонента, лроме того, в вы-

ражение для расчёта Я входит ацентрический фактор. Формулы расчёта 0 и 5 многокомпонентных смесей ("правила смешения") содержат концентрации компонентов и коэффициенты парного взаимодействия.

Если для многих индивидуальных компонентов критические параметры, давление насыщенного пара, необходимое для расчёта ацентрического фактора, коэффициенты парного взаимодействия являются табулированными величинами, то получение подобной информации для широких нефтяных фракций затруднительно. В настоящее время существует несколько корреляций для расчёта критических параметров фракции дебутанизированного конденсата. Расчёт псевдокритических давления и температуры для тяжелого и фракции Сд+ легкого псевдокомпонентов нефти Козловского месторождения по приближениям, предлагаемым рядом авторов, показал, что использование разных методик может привести к расхождению результатов более, чем на 10%. Ацентрический фактор для рассматриваемых компонентов можно рассчитать лииь по приближенной формуле Эдмистера со средней погрешностью +16,5^ и, наконец, необходимо отметить, что составы нефтяных и конденсатных остатков могут существенно отличаться.

Порядок адаптации уравнения состояния к экспериментальному материалу бил выбран с учётом указанных обстоятельств и включал в себя следующие операции.

1. Расчёт критических параметров тяжелого псевдокомпонента

и фракции легкого псевдокомпонента по корреляциям для дебутанизированного конденсата.

2. Расчёт ацентрических факторов и параметров, характеризующих внутреннее давление и собственный объём молекул псевдокомпонентов ^ 0 и & ), причем для легкого псевдокомпонента эти параметры рассчитывались по составу, критическим параметрам индивидуальных веществ, остатка и правилам смешения.

3. Подбор коэффициентов парного взаимодействия между двуокисью углерода-и псевдокомпонентами путем сравнения коэффициентов сжимаемости, рассчитанных по уравнению состояния, с опытными значениями, полученными из данных по плотности равновесных фаз.

Расчёт' летучестей по экспериментальным составам равновесных фаз, корректировка параметров О и>6 .

5. Изменение первоначальных значений критических давления и. температуры, ацентрических факторов в соответствии с откорректированными Я и 6 .

Операции, начиная с п.2 повторяются до тех пор, пока уравнение состояния не будет удовлетворительно описывать экспериментально полученные составы равновесных фаз и их плотности.

В процессе адаптации уравнения состояния были несколько изменены критические параметры чистой двуокиси углерода. Кроме того выявлено, что удовлетворительное описание равновесных фаз в разных областях концентрационного интервала невозможно при неизменных свойствах тяжелого псевдокомпонента. Поэтому было принято решение разделить его на два, отличающихся по свойствам условных компонента. Эти различия занимают лишь часть интервала между соответствующими характеристиками углеводородов ароматического и парафинового рядов.

Растворение СО^ в углеводородах сопровождается объёмным эффектом, т.е. объём раствора меньше суммы объёмов чистых компонентов. Кажущаяся плотность двуокиси углерода в растворе значительно выше её плотности в чистом состоянии в тех же условиях, т.е. свойства частиц, определяющие объёмные соотношения в растворе и в чистой двуокиси углерода, будут разными, что сказывается и на значениях критических параметров, /равнение состояния оказалось чувствительным и к изменению состава тяжелого псевдокомпонента, которое обусловлено осаждением высокомолекулярных соединений. В зависимости от общего состава нефтеуглекислотной смеси меняется

состав осадка. Этот процесс моделируется разделением тяжелого псевдокомпонента на две составляющих и изменением их соотношения в нефтяных фазах при перемене общего состава смеси.

Свойства четырех условных компонентов, выбранных для списания системы СО^-нефть Козловского месторождения с помощью уравнения Пенга-Робинсона, приведены в табл. 2. Приняты следующие зна-. чения коэффициентов парного взаимодействия (нумерация та же, что и в табл. 2): С12 = 0,1100; С13 = 0,0800; С^ = 0,0650; С23 = = 0,0050; = 0,0275; С^ = 0,0. В качестве первого псевдокомпонента выбрана двуокись углерода. Состав второго дан в табл. 3.

Таблица 2

Свойства псевдокомпонентов

¡Л! ~ Молекулярная!- I I Ер™^ па^меда ~ ~ " I I ^¿¿рй-нента | масса |темпё^атура,! давление, ^ольный3объём,^™

I 44 352,0 6,29 105 0,5873

2 119 612,96 2,79 480 0,2863

3 450 930,28 1,386 1830 0,4729

4 510 879,65 1,090 2100 0,4004

Значения критических мольных объёмов псевдокомпонентов по^ добраны для описания вязкости равновесных фаз с помощью корреляции Лоренца и Брея. При этом использованы экспериментальные данные по вязкости нефтяных фаз различного состава при разных давлениях .

На рисунке 2 представлены зависимости коэффициентов распределения псевдокомпонентов, рассчитанные по адаптированному уравнению состояния и по фазовой диаграмме - интерполяции экспериментальных данных. Практически нет различий между этими величинами, обусловленных давлением, как по опытным, так и по расчетным данным. С помощью расчёта можно получить'значения коэффициентов

Таблица 3

Мольный состав легкого псевдокомпонента, %

Компоненты Концентрации | Компоненты ¡Концентрации

Азот 3,8 3 метилпентан 1.7

Метан 5,5 Н.гексан 3,0

Этан 6,2 Метилциклопентан 0,6

Пропан 9,4 Циклогексан 0,4

Изобутан 1,4 Сумма изогептанов 3,3

Н.бутан 6,2 Н.гептан 2,4

Изопентан 2,8 Метилциклогексан 0,8

Н.пентан 4,2 Сумма изооктанов 3,8

Циклопентан 0,2 Н.октан 1.7

¿,3 диметилбутан 0,9 Остаток ^фракция Су , молекулярная масса 40,7

распределения для третьего и четвертого условных компонентов. Однако, они на два порядка меньше соответствующих величин для второго псевдокомпонента в нефтяных фазах, богатых тяжелыми фракциями. В околокритической области концентрация тяжелых компонентов в углекислотных фазах менее 1%. Таким образом, расчёт по уравнению состояния не противоречит рпыту и в том плане, что дает пренебрежимо малые концентрации тяжелых компонентов в углекислотных фазах.

Сравнение значений плотности равновесных фаз, определенных опытным и расчетным путями, показало, что точность адаптированного уравнения Пенга-Робинсона в данном случае имеет один порядок с погрешностью опыта. Это верно, по крайней мере, в интервале составов, соответствующем изменению содержания экстракта в угле-кислотной фазе от 1% до околокритического, составляющего три четверти от критической концентрации. В тех же концентрационных границах отклонения расчетных величин вязкости нефтяных фаз, оп-

1.5

Ъ// //\ к/ / /

у/ /У

1.0

10 20 Мольное содержание экстракта в углекислотной фазе, %

30

Рис. 2. Зависимость коэффициентов распределения псевдокомпонентов от состава углекислотной фазы.

I - СС^, эксперимент; 2 - то же,-расчёт; 3 - "лёгкий" псевдокомпонент, эксперимент; 4 - то же, расчёт; 5, б - "тяжёлые" псевдокомпоненты, расчёт.

О

ределенных с помощью формулы Лоренца и Брея, от экспериментальных значений укладываются в обычный для данной корреляции интервал.

Адаптированное уравнение состояния было использовано в математической модели, имитирующей плоский элемент пласта при пятиточечной схеме расположения скважин. Характеристики коллектора были приняты следующими: пористость - 0,22; проницаемость по керну -0,24 Д; нефтенасыщенная толщина пласта - 6,5 м; начальная нефте-насыщенность - 0,6; начальное пластовое давление - 1^,94 МПа; температура - 30°С. Модель пласта имела размеры 500x500 м реальности залежь разбурена сеткой скважин 450x500 и). Забойное давление в нагнетательной скважине принято равным 19,6 МПа, в добывающей - 6,62 МПа.

Приводятся результаты гидродинамического расчёта. Показаны динамика фронта вытеснения и остаточная нефтенасыщенность элемента пласта на момент прорыва вытесняющего агента в добывающую скважину. Приводятся профиль концентрации двуокиси углерода и зависимости нефтедобычи и нефтеотдачи от количества закачанного агента. Хорошо промытым участкам соответствует коэффициент вытеснения свыше 0,9, что согласуется с результатами, полученными А.Ю.Намиотом и З.Б.Губановым при физическом моделировании вытеснения, близкого к смешивающемуся. Картина изолиний остаточной нефтенасыщенности отражает, в основном, особенности положения фронта вытеснения в различные промежутки времени.

В й В О Д Ы

1. Созданы методика и экспериментальная установка для изучения фазовых состояний, физических свойств фаз в смесях пластовых нефтей с жидкой двуокисью углерода.

2. Определен фазовый состав смесей СО^ с нефтями Радаевского и Козловского месторождений в пластовых условиях. Изучены составы и свойства равновесных фаз в широком интервале изменения общего состава смесей и давления.

3. На основании анализа фактического материала, полученного при исследовании гетерогенных нефтеуглекислотных смесей, выявлены особенности массообмена между двумя жидкими фазами и предложено рассматривать нефть в системах данного рода состоящей из трех условных компонентов, один из которых участвует в межфазном мас-сопереносе, а два других - нет.

4. для изученных нефтей построена псевдотроиная фазовая диаграмма системы СО^-нефть, на которой тяжёлые псевдокомпоненты, не участвующие в массопереносе, объединены в один условный ком-юнент.

5. Установлено, что наблюдаемое в свободном объёме выпадение эсадка высокомолекулярных соединений не оказывает существенного злияния на мольный состав равновесных фаз.

6. Показано, что полученные качественные результаты могут 5ыть распространены на другие нефти перми и карбона Самарской области.

7. Выполнена адаптация уравнения Пенга-Робинсона к нефти Созловского месторождения. Достигнуто удовлетворительное соответ-:твие расчётов физических свойств равновесных фаз и коэффициентов эаспределения псевдокомпонентов с результатами экспериментов.

Ь. Показана возможность применения полученных результатов 1ля гидродинамических расчётов многокомпонентной фильтрации в :истеме нефть - двуокись углерода.

Основное содержание диссертации опубликовано з следующих >аоотах: .

I. Изменение свойств нефти пласта Б2 Радаевского месторожде-:ия при смешении её с углекислотой // Тр. Гипровостокнефти. -.уйбышев, 1983. - С. £¿1-128. (В соавторстве со Штофом М.Д., айхманом Б.Н., Никитиной Р.В.).

2. Изменение свойств нефти пласта А^ Козловского месторождения при её смешении с углекислотой // Тр. Гипровостокнефти. -Куйбышев, 1984. - С. 102-105. (В соавторстве со Штофом М.Д., Райхманом Б.Н., Никитиной Р.В.).

3. Влияние двуокиси углерода на растворимость асфальтосмо-листых веществ в нефти // НТИС Нефтепромысловое дело и транспорт нефти. - М.: ВНИИОЗНГ. - 1985. - И. - С. Ь-10. ^В соавторстве со Штофом М.Д., Райхманом Б.Н.).

4. К методике изучения механизма вытеснения нефти двуокисью углерода // Тр. Гипровостокнефти. - Куйбышев, 19о5. - С. 72-82. (В соавторстве со Штофом М.Д., Райхманом Б.Н.,).

5. Аппаратура для изучения равновесных фаз в смесях нефти с жидкой двуокисью углерода // Гос. ин-т по проектир. и исследоват. работам в нефт. пром-сти. - Куйоышев, 19о9. - Ь с. - Деп. во ВНИИОЭНГе 03.04.89. - № 1697-нг89. (В соавторстве с Райхманом Б.Н. и Панафидиным В.В..).

6. Особенности массообмена между тяжелой нефтью и жидкой двуокисью углерода // Тр. Гипровостокнефти. - Куйбышев, 1990. -С. 93-103.

7. Физическое и математическое моделирование вытеснения нефти жидкой двуокисью углерода // Тр. Гипровостокнефти. - Самара, 1991. - С. 46-59. (В соавторстве с Розенбергом М.Д., Блехма-

ном В.Я.) .

Соискатель

Ротапринт ВНИИ. Зак. 22 Тир.100 Подписано к печати 26.02.92