# Оценка динамических свойств нефти при пластовых условиях

Rustem Z Syunyaev, Roman M Balabin

► To cite this version:

Rustem Z Syunyaev, Roman M Balabin. Оценка динамических свойств нефти при пластовых условиях. Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых, Tomsk Polytechnic University; The Institute of Geology and Oil and Gas Industry, Oct 2005, Tomsk, Russia. <hal-05212120>

HAL Id: hal-05212120

https://hal.science/hal-05212120v1

Submitted on 17 Aug 2025

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution - ShareAlike 4.0 International License
ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТИ
ПРИ ПЛАСТОВЫХ УСЛОВИЯХ

Сюняев Р.З., Балабин Р.М.

Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М. Губкина
119991, ГСП -1, г. Москва, Россия, Ленинский пр-кт, 65
E-mail: BalabinRM@yandex.ru, тел. (095) 335-86-39

Для рентабельной нефтедобычи, улучшения нефтеотдачи пласта и многих других прикладных задач разработки нефтяных месторождений необходим всесторонний анализ, как нефтеносного пласта, так и самой нефти ( её состояния и поведения). Решение данных задач требует привлечения всех возможных методов и средств (как геологических, так и иных) для исследования «чистой» нефти и нефтесодержащих систем в условиях максимально приближенным к реальным. Метод диэлектрической спектроскопии позволяет получить представление и о поведении плотности нефти на глубине. Анализ на основе диэлектрических спектров был проведён для той же Кумкольской нефти. Его результаты будут доложены в устном сообщении. Наша работа может представлять интерес как для лиц, проектирующих и разрабатывающих нефтяные месторождения, так и для геологов и всех тех, кто интересуется движением нефти на глубине (миграция и т. д.).

Для эффективной добычи нефти, улучшения нефтеотдачи пласта и многих других прикладных задач разработки нефтяных месторождений необходим всесторонний анализ, как нефтеносного пласта, так и самой нефти ( её состояния и поведения). Решение данных задач требует привлечения всех возможных методов и средств (как геологических, так и иных) для исследования «чистой» нефти и нефтесодержащих систем в условиях максимально приближенным к реальным.

В нашей работе представлен метод оценки динамической вязкости – как одного из наиболее важных параметров, характеризующих движущуюся жидкость, – нефти Кумкольского месторождения на глубине пласта. Данные по изменению давления и температуры на глубине (на примере двух скважин) получены непосредственно с месторождения. В основу оценки положены диэлектрические спектры, снятые в широком интервале давлений (1 – 10 000 атм.) при различных температурах (294, 310 и 320 К).

Данная работа представляет собой часть обобщенного исследования, целью которого являлось изучение поведения диэлектрических параметров электрической проводимости и диэлектрического отклика нефти в области сверхвысоких давлений при различных температурах выше нормальной температуры застывания.

В экспериментах использован анализатор частотного отклика с интервалом частот от $10^{-3}$ до $10^7$ Гц, разработанный на Физическом Факультете Университета г. Умеа (Швеция). Конструкция диэлектрической ячейки позволяет проводить измерения диэлектрических параметров в диапазоне давлений до 1,5 ГПа, в температурном интервале от 250 до 320 К.

Установка представляет собой два блока, разбивающие общий диапазон измерений на два поддиапазона (от $10^{-3}$ до $10^2$ Гц и от $10^2$ до $10^7$ Гц). Для измерения емкости в первом диапазоне применялся специально созданная компьютеризованная
установка, программа которого задает необходимый шаг в логарифмической шкале частот, контролирует давление и температуру образца. Измерения начинаются в сторону уменьшения от максимального значения с равным шагом по логарифму частоты.

Для второго блока использован анализатор импеданса НР 4192 А, измеряющий непосредственно емкость конденсатора с образцом при наложении переменного напряжения.

Емкость пустой ячейки определяется ее геометрической конфигурацией. Калибровка по известным диэлектрическим жидкостям (гептан, толуол, бензол) дала значение $C_0 = 67,9$ пФ.

Кратко изложим теорию, положенную в основу оценочного расчёта.

Общеизвестно, что диэлектрическая проницаемость ($\epsilon$) является основным параметром, характеризующим отклик исследуемой системы на воздействие внешнего электрического поля. При воздействии переменного поля диэлектрическая проницаемость представляет собой комплексную величину [1]:

$$\epsilon = \epsilon^*(f) = \epsilon'(f) + i\epsilon''(f)$$

зависящую от частоты приложенного напряжения.

В соответствии со сказанным выше, ёмкость конденсатора, содержащего исследуемый образец, так же может быть представлена в комплексном виде:

$$C = C_0\epsilon^* = C_0(\epsilon' + i\epsilon'') = C' + iC''$$

где величина $C' = C_0\epsilon'$ показывает уменьшение напряженности электрического поля в среде, а $C'' = C_0\epsilon''$ – диэлектрические потери, $i$ – мнимая единица. Деление $C$ на $C_0$ позволяет найти $\epsilon'$ и $\epsilon''$.

В нашем исследовании наибольший интерес представляет комплексная часть, так как её можно представить в виде суммы диэлектрических потерь, связанных с переориентацией диполей под воздействием изменяющегося по направлению внешнего поля и тока сквозной проводимости, обусловленного перемещением заряженных частиц в объекте. Эти слагаемый по-разному зависят от частоты, и при малых частотах доминирующим является член, связанный с прямой проводимостью, поскольку он обратно пропорционален частоте [1]:

$$\frac{C''}{C_0} = \epsilon'' = \frac{\sigma}{2\pi f \cdot \epsilon_0}$$

где $C''$ - мнимая часть комплексной емкости, $\sigma$ – проводимость, обусловленная носителями зарядов различной природы.

В области малых частот собственными диэлектрическими потерями можно пренебречь и считать, что диэлектрический отклик определяется только током проводимости. Тогда по измеренным значениям $C''(f)$ возможно определение собственной проводимости нефти ($\sigma$) по приведённому выше соотношению.

На рис. 1 представлен общий вид диэлектрического спектра Кумкольской нефти. Как видно, его можно разделить на низкочастотную и высокочастотную области в предположении, что отклик системы обусловлен различными механизмами.
Диэлектрический отклик, связанный с проводимостью, с ростом частоты уменьшается, а отклик, связанный с релаксацией диполей, для частот меньших частоты максимума диэлектрических потерь - увеличивается. Поэтому спектральный диапазон разделялся далее на низкочастотный (10⁻³ – 10⁻¹ Гц) и высокочастотный (10² – 10⁶ Гц). Анализ поведения емкости в них проводился независимо.

Для данной работы интерес представляет левая (низкочастотная) часть, соответствующая суммарной проводимости.

В общем случае электрическая проводимость материалов определяется движением разных носителей заряда: коллоидных частиц, ионов и одиночных зарядов. Для нефти характерно наличие всех видов проводимости [2], однако вклад их не одинаков при различных условиях.

В частности, можно утверждать, что форетическая проводимость (связанная с движением заряженных частиц) уменьшается при увеличении давления и уменьшении среднего расстояния между частицами в системе, а прыжковая проводимость увеличивается.

По величине проводимости исследуемую нефть можно отнести к органическим полупроводникам. В общем случае для возникновения проводимости молекулы органических веществ должны принадлежать следующим классам [5]:

* низкомолекулярные соединения с конденсированными ароматическими ядрами;

* соединения, содержащие помимо ароматических колец, открытые участки с гетероатомами;

* полимерные молекулы с участками сопряженных связей;

* молекулярные комплексы с переносом заряда, в которых возможен перескок электрона от молекулы к молекуле.

В состав нефтей входят молекулы всех перечисленных групп.

До точки застывания наибольший вклад в общую проводимость вносят форетический и ионный члены, для которых известно правило Вальдена [2,3,4]:

$$ \sigma\eta = \text{const} $$

где σ - проводимость вещества, η - динамическая вязкость.

Форетическая и ионная проводимости определяются кинетической подвижностью заряженных дисперсных частиц или ионов. Уменьшение вязкости при увеличении температуры или уменьшении давления должно приводить к росту вклада этих типов проводимости. Это означает, что при увеличении вязкости η электропроводность системы должна уменьшаться.

На проводимость большое влияние оказывают примеси. В случае с нефтью, речь идёт о смолисто-асфальтеновых веществах (САВ), способных к диссоциации с образованием молекулярного иона. Этот ион в дальнейшем может перемещаться (как самостоятельно, так и в составе коллоидной частицы) под действием внешнего электрического поля. Степень диссоциации САВ невелика, что определяет малое значение диэлектрической проницаемости нефти.

Кинетическая теория жидкостей [6], предполагающая прыжковое движение частиц между соседними положениями равновесия, определяет зависимость проводимости от обратной темпебратуры как экспоненциальную (активационный закон):

$$ \sigma = A e^{-\frac{U(P)}{kT}} $$
где А – предэкспоненциальный множитель, определяемый природой жидкости; U – энергия активации, зависящая от давления. Высказанное предположение подтверждается экспериментальными данными [1].

Авторами была проведена проверка выполнения экспоненциального закона. По приведённому уравнению была рассчитана энергия активации проводимости при различных давлениях (рис. 2). Линейная аппроксимация полученных значений энергии активации как функции давления позволяет определить её значение при атмосферном давлении (Р = 0,0001 ГПа): 18,45 кДж/моль.

Это значение с достаточной точностью согласуется с литературными данными и значениями энергии активации, полученными при атмосферном давлении для Кумкольской нефти: 14,0 - 25,0 кДж/моль.

Совместное использование правила Вальдена и активационного закона для проводимости позволяет получить значения энергии активации вязкого течения как функцию пластового давления:

$$ \eta = \eta_0 e^{\frac{U(P)}{kT}} $$

Окончательно решаем поставленную задачу подстановкой в приведенное уравнение данных по температуре и давлению как функции глубины. Получаем:

$$ \eta(h) = \eta_0 e^{\frac{U[P(h)]}{kT(h)}} $$

т.е. динамическую вязкость Кумкольской нефти как функцию глубины её залегания.

Результат всех расчётов представлен на рис. 3. Как видно, зависимость не является экстремальной, как того можно было ожидать с учётом разнонаправленности воздействия температуры и давления на вязкость (уменьшение значения при повышении температуры и увеличение при повышении давления). На максимальной глубина вязкость исследованной нефти уменьшается почти в два раза.

Дальнейшее улучшение оценочной модели сделано авторами, использую данные по газосодержанию нефти при пластовых давлениях. Данные с поправкой на растворённые газы будут представлены в докладе.

Метод диэлектрической спектроскопии позволяет получить представление и о поведении плотности нефти на глубине. Анализ на основе диэлектрических спектров был проведён для той же Кумкольской нефти. Его результаты будут доложены в устном сообщении.

Наша работа может представлять интерес как для лиц, проектирующих и разрабатывающих нефтяные месторождения, так и для геологов и всех тех, кто интересуется движением нефти на глубине (миграция и т.д.).

2008 г.

Сюняев Р.З., Балабин Р.М. Оценка динамических свойств нефти при пластовых условиях. // Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых : труды Всероссийской научной конференции (с международным участием), 11-14 октября 2005, Томск / Томский политехнический университет; Институт геологии и нефтегазового дела ; гл. ред. А. Ф. Коробейников. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 605 с.
Список литературы:

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. – 4-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 656 с.

2. Нестеров А.Н. Фазовые равновесия и обратимые переходы в нефтяных остатках: дис. канд. хим. наук. М.: МИНХ и ГП им. И.М. Губкина, 1987. – 174 с.

3. Поплавко Ю.М. Физика диэлектриков. Киев, Вища школа, 1980. – 400 с.

4. Сажин Б.И., Лобанов А.М. и др. Электрические свойства полимеров. Л., Химия, 1970. – 376 с.

5. Угай Я.А. Введение в химию полупроводников, 2-е изд. перераб. и доп., М., Химия, 1975. – 340 с.

6. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. М.-Л., АН СССР, 1945. – 424 с.

7. Царев А.В., Балабин Р.М., Карпов С.А., Сюняев Р.З. Оптимизация эксплуатационных и экологических свойств спирто-бензиновых топлив под действием микроволновой обработки. // Альтернативная энергетика и экология.

8. Балабин Р.М. Создание экспресс-метода анализа показателей качества индустриального масла на основе многомерного анализа спектральных данных. // Достижения ученых XXI века: Тезисы докладов международной конференции, Тамбов, 2005. – С. 192–194.

9. Балабин Р.М. Возможности современных математических методов при обработке спектральных данных: бензиновые фракции. // Современные информационные технологии. – Пенза: Пензенская гос. технологическая акад, 2005. – № 1. – С. 139–144.

10. Balabin R.M., Safieva R.Z., Lomakina E.I. Universal technique for optimization of neural network training parameters: gasoline near infrared data example. // Neural Computing Applications.

11. Лихацкий В.В., Балабин Р.М., Сюняев Р.З. Моделирование процессов агрегирования дипольных частиц асфальтенов. // Структура и динамика молекулярных систем, Яльчик.

12. Балабин Р.М., Сюняев Р.З. Построение кривой стеклования нефти по данным диэлектрической спектроскопии. // Структура и динамика молекулярных систем, Яльчик.

13. Балабин Р.М., Сюняев Р.З. Анализ влияния термодинамических параметров на проводимость и вязкость нефти. // Структура и динамика молекулярных систем, Яльчик.

14. Goual L., Firoozabadi A. Measuring asphaltenes and resins, and dipole moment in petroleum fluids. // AIChE Journal. – 2002. – Vol. 48, iss. 11. – P. 2646–2663.

15. Cirkel P.A., van der Ploeg J.P.M., Koper G.J.M. Branching and percolation in lecithin wormlike micelles studied by dielectric spectroscopy. // Physical Review E. – 1998. – Vol. 57, iss 6. – P. 6875.

16. Syunyaev R.Z., Balabin R.M. Frequency Dependence of Oil Conductivity at High Pressure. // Journal of Dispersion Science and Technology.

17. Balabin R.M. Dispersed Structure of Ethanol-Gasoline Fuel According to Dynamic Light Scattering Method. // Journal of Dispersion Science and Technology.

18. Bordi F., Cametti C., Tan J.S., Boris D.C., Krause W.E., Plucktaveesak N., Colby R.H. Determination of Polyelectrolyte Charge and Interaction with Water Using Dielectric Spectroscopy. // Macromolecules. – 2002. – Vol. 35. – P. 7031–7038.

19. Syunyaev R.Z., Balabin R.M., Akhatov I.S. Adsorption of petroleum resins and asphaltenes onto reservoir rock sands studied by near infrared (NIR) spectroscopy. // PetroPhase.

20. Syunyaev R.Z., Likhatsky V.V., Balabin R.M. Dipole moment of asphaltene nanoclusters. // PetroPhase.

21. Ray J., Manning G.S. Effect of Counterion Valence and Polymer Charge Density on the Pair Potential of Two Polyions. // Macromolecules. – 1997. – Vol. 30, iss. 19. – P. 5739–5744.

22. Semenov A.N., Nyrkova I.A., Khokhlov A.R. Polymers with Strongly Interacting Groups: Theory for Non-Spherical Multiplets. // Macromolecules. – 1995. – Vol. 28, iss. 22. – P. 7491–7500.