Пластовые воды и их физические своиства

В нефтяных и газовых пластах содержится вода, которая влияет на фильтрационные свойства пластовой системы и извлекается вместе с углеводородами на поверхность. Наличие пластовой воды необходимо учитывать при подсчете запасов нефти и газа в залежи. Химический состав пластовых вод определяет особенности применения различных химических реагентов для повышения нефтеотдачи пластов и обработок призабойной зоны скважин.

По мере эксплуатации нефтяных месторождений скважины постепенно обводняются. Содержание пластовой воды в скважинной продукции растёт и может достигать 95%. Поэтому важно знать, какое влияние оказывает пластовая вода на процесс добычи нефти и газа.

Состав пластовых вод разнообразен и зависит от природы эксплуатируемого нефтяного пласта, физико-химических свойств нефти и газа.. В реальных условиях пластовые воды содержат соли различных металлов и растворенный газ. Больше всего в воде содержится хлористых солей (до 80-90% от общего содержания солей).

Виды пластовых вод:

- подошвенные (вода, заполняющая поры коллектора под залежью);

- краевые (вода, заполняющая поры вокруг залежи);

- промежуточные (между пропластками);

- остаточные (оставшаяся со времён образования залежи вода).

Все эти виды вод представляют собой единую гидродинамическую систему. Пластовая вода часто является агентом, вытесняющим нефть из пласта, следовательно, её свойства влияют на количество вытесненной нефти.

Особенности внутренней структуры жидкостей. Как известно, твердые тела имеют определенную внутреннюю структуру, соответствующую упорядоченному расположению атомов в кристаллической решетке. Причем на любом расстоянии от выбранного центра это расположение сохраняется. Говорят, что в твердых телах сохраняется ближний и дальний порядок. Это означает, что на определенных расстояниях от выбранного атома имеется определенное число атомов.

В жидкостях картина иная, здесь выполнется только ближний порядок. По мере удаления от центральной (выбранной) молекулы беспорядочное расположение выступает все более явственно. Особенность структуры жидкости состоит в том, что ближний порядок одинаков для любой молекулы.

Эти особенности структуры жидкости связаны с тем, что в отличие от кристаллов, где колебания молекул происходит около четко определенных узлов кристаллической решетки, молекулы жидкости совершают колебания около центров, которые не строго фиксированы по отношению друг к другу. Во время таких колебаний молекула остается в окружении тех же молекул-соседей. Через какое-то число колебаний одна из ближайших молекул случайно перестает быть соседом и, таким образом, медленно изменяется окружение наблюдаемой молекулы.

Эта сменяемость соседей-молекул связана с вязкостью жидкости – чем легче происходит изменение в окружении молекул, тем меньше вязкость. Поэтому возрастание температуры, вызывающее увеличение амплитуды колебаний молекул, приводит к уменьшению вязкости. По этой же причине при одинаковой температуре у жидкости с молекулами более сложной, запутанной формы вязкость будет выше. Это объясняет тот факт, что многие жидкости, такие как клей, масла, жидкие смолы, имеющие сложную форму молекул, обладают и большей вязкостью.

Свойства пластовых вод. Растворимость природного газа в воде невелика и слабо зависит от температуры. На рис. 4 приведена зависимость растворимости природного газа в воде от давления, пригодная для расчетов с точностью 10-15%.

Рис. 4. Зависимость растворимости природного газа в воде от давления

С увеличением минерализации воды растворимость природного газа несколько снижается.

Для практических расчетов можно использовать следующую простую эмпирическую формулу:

где Г_пл, Г_пр – растворимость (газовый фактор) газа, соответственно в пластовой и пресной водах, м³/м³; К – безразмерный поправочный коэффициент (К = 0,094 – 0,5t); У – степень минерализации воды, %.

Сжимаемость пластовой воды изменяется в 1,5-2 раза в зависимости от температуры, давления и количества растворенного газа. Величина сжимаемости оценивается коэффициентом сжимаемости

С увеличением газового фактора сжимаемость пластовой воды возрастает в соответствии с уравнением

где β_р – сжимаемость воды с растворенным газом, Г – газовый фактор, м³/м³

Еще одно важное свойство – тепловое расширение воды, которое характеризуется коэффициентом теплового расширения

.

Из формулы следует, что коэффициент теплового расширения воды (Е) характеризует изменение единицы объёма воды при изменении её температуры на 1°С. По экспериментальным данным в пластовых условиях он колеблется в пределах (18-90)×10^-5 1/°С. С увеличением температуры коэффициент теплового расширения возрастает, с ростом пластового давления – уменьшается. Соответственно изменению объема воды при нагревании уменьшается ее плотность.

Вязкость воды в пластовых условиях зависит, в основном, от температуры и минерализации. От давления вязкость зависит слабо. Наибольшую вязкость имеют хлоркальциевые воды (в 1,5-2 раза больше чистой воды). Вязкость воды слабо зависит от давления, однако с ростом температуры довольно значительно снижается. Ниже приведены значения вязкости воды при различных температурах при давлении упругости паров.

Температура, °С…………
Вязкость, мПа·с…………	1,79	1,31		0,8	0,66	0,55	0,47
Температура, °С…………
Вязкость, мПа·с………….	0,41	0,36	0,32	0,28	0,26	0,2	0,17

Плотность пластовых вод сильно зависит от минерализации, т.е. содержания растворённых солей. В среднем плотность пластовой воды составляет 1010-1210 кг/м³.

Коэффициент сжимаемости воды характеризует изменение единицы объёма воды при изменении давления на единицу:

. (3.30)

Коэффициент сжимаемости воды изменяется в пластовых условиях в пределах 3,7×10^-10 – 5,0×10^-10 Па^-1. При наличии растворённого газа он увеличивается, и приближённо может рассчитываться по формуле:

b_вг = b_в (1+0,05×S), (3.31)

где S – количество газа, растворённого в воде, м³/м³.

Объёмный коэффициент пластовой воды характеризует отношение удельного объёма воды в пластовых условиях к удельному объёму воды в стандартных условиях:

. (3.32)

Увеличение пластового давления способствует уменьшению объёмного коэффициента, а рост температуры – увеличению. Объёмный коэффициент изменяется в пределах 0,99-1,06.

Минерализация воды – содержание растворённых солей в г/л. По степени минерализации пластовые воды делятся на четыре типа:

- рассолы (Q>50 г/л);

- солёные (10<Q<50 г/л);

- солоноватые (1<Q<10 г/л);

- пресные (Q£1 г/л).

Минерализация пластовой воды растёт с глубиной залегания пластов.

По типу растворённых в воде солей различают хлоркальциевые (хлоркальциево-магниевые) и гидрокарбонатные (гидрокарбонатно-натриевые, щелочные) пластовые воды. Тип пластовой воды определяется соотношением ионов растворённых солей:

- анионов: OH^–; Cl^–; SO₄^2–; CO₃^2–; HCO₃^­–;

- катионов: H⁺; K⁺; Na⁺; NH₄⁺; Mg²⁺; Ca²⁺; Fe³⁺;

- ионов микроэлементов: I^–; Br^–;

- коллоидных частиц SiO₂; Fe₂O₃; Al₂O₃;

- нафтеновых кислот и их солей.

Состав воды определяет её жёсткость. Жёсткостью называется суммарное содержание растворённых солей кальция, магния, железа.

Жёсткость подразделяется на временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную).

Временная жёсткость или карбонатная (Ж_к) обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов двухвалентных металлов (кальция, магния, железа).

Постоянная жёсткость или некарбонатная (Ж_нк) обусловлена наличием в воде сульфатов и хлоридов двухвалентных металлов (кальция, магния, железа).

Общая жёсткость воды определяется как сумма карбонатной и некарбонатной:

Ж_о = Ж_к + Ж_нк (3.33)

Жёсткость воды оценивается содержанием в ней солей в миллиграмм-эквивалентах на литр .

Ж_к, Ж_нк оценивают как сумму жесткостей всех i-ых ионов (∑g_i):

, (3.34)

где m_vi – концентрация i-го иона в воде (мг/л);

э_i – эквивалент i-го иона.

, (3.35)

где М_i – молекулярная масса иона;

n – валентность иона.

Ж_­о = Sg_i (3.36)

Тип природной воды характеризуется в зависимости от содержания двухвалентных катионов:

- очень мягкая вода – до 1,5 мг-экв./л;

- мягкая вода – 1,5-3,0 мг-экв./л;

- умеренно жёсткая вода – 3,0-6,0 мг-экв./л;

- жёсткая вода – более 6 мг-экв./л.

Временную (карбонатную) жёсткость можно устранить термическим методом (длительным кипячением) или химическим методом – добавлением гидроксида кальция Са(ОН)₂.

В обоих случаях выпадает в осадок карбонат кальция СаСО₃.

Постоянную жёсткость устраняют химическим способом с помощью добавления соды или щёлочи.

Содержание водородных ионов в воде определяется параметром рН: , где С_н+ – концентрация ионов водорода. В зависимости от рН различают следующие типы воды:

- нейтральная (рН=7);

- щелочная (pH>7);

- кислая (p<7).

Вода, находясь в контакте с нефтью, частично в ней растворяется. Коэффициент растворимости нефти в воде зависит от наличия в воде полярных составляющих. Чем легче нефть, тем меньше в ней растворено воды. Нефти парафинового основания содержат мало воды. С ростом в нефти содержания ароматических углеводородов и гетероатомных соединений, растворимость воды в нефти растёт.

За счёт растворения воды в нефти происходят изменения в зоне водонефтяного контакта. Чёткой границы вода-нефть не существует. За счёт растворения воды образуется т.н. "переходная зона", величина которой зависит от полярности нефти.

Дата добавления: 2014-01-04