СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОСТИ ВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ
METHOD FOR DETERMINATION OF DISPERSION DEGREE FOR WATER AND GAS MIXTURE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для определения параметров мелкодисперсной водогазовой смеси (МДВГС) перед закачкой в пласт.
Установлено, что добычу остаточной нефти из заводненных пластов обеспечивает смешивающее вытеснение углеводородными газами, при котором достигается сверхнизкое межфазное натяжение на контакте фаз. Такие условия возникают при вытеснении нефти агентами, которые практически полностью устраняют отрицательное влияние капиллярных сил на вытеснение нефти. Технологический процесс, использующий попутный нефтяной газ (ПНГ) для закачки в нефтенасыщенный пласт, решает целый ряд промышленно и экологически значимых проблем. Одна из перспективных областей применения ПНГ - обратная закачка в пласт под высоким давлением для повышения нефтеотдачи и интенсификации добычи нефти. Обратная закачка извлеченного газа используется в качестве вторичного способа добычи нефти и, несмотря на дополнительные расходы, связанные с необходимостью его очистки и компремирования, в то же время продлевает срок эксплуатации нефтяного месторождения, обеспечивая дополнительные объемы добычи нефти. Таким образом, газ можно многократно использовать в течение всего периода активной эксплуатации нефтяного месторождения. Известен способ разработки обводненной нефтяной залежи на поздней стадии, включающий закачку рабочего агента через нагнетательные скважины в нестационарном режиме, при этом периодически через нагнетательные скважины закачивают водогазовую смесь, состоящую из пластовой воды и диспергированного в ней очищенного нефтяного газа с размерами пузырьков до 5 мкм (пат РФ №2236573). Известен также способ разработки нефтяной залежи на поздней стадии, включающий установление характера распределения текущих нефтенасыщенных толщин или текущей нефтенасыщенности пласта-коллектора, периодическую эксплуатацию высокообводненных скважин, находящихся в зонах пониженных значений нефтенасыщенных толщин или нефтенасыщенности, эксплуатацию скважин, находящихся в зонах повышенных значений нефтенасыщенных толщин или коэффициента нефтенасыщения, на форсированных режимах отбора жидкости, закачку через нагнетательные скважины водогазовой дисперсной смеси (ВГДС), состоящей из пластовой воды и диспергированного в ней очищенного нефтяного газа, отличающийся тем, что закачку ВГДС осуществляют, периодически изменяя степень ее дисперсности: сначала - закачку ВГДС с размерами газовых пузырьков, соизмеримыми с размером поровых каналов, промытых водой, до тех пор, пока обводненность добываемой продукции снизится на 2-6,1%, затем - закачку ВГДС с размерами газовых пузырьков, соизмеримыми с размерами капиллярных и субкапиллярных нефтесодержащих поровых каналов, до тех пор, пока обводненность добываемой продукции после указанного снижения повысится на 0,5-2,5%, сохраняя указанное периодическое изменение степени дисперсности ВГДС в течение всего периода ее закачки (пат. РФ №2318997).
Смешение нефтяного газа с пластовой водой обеспечивается инжекцией пластовой воды нефтяным газом: газ, поступающий под большим давлением, подсасывает воду, распыляясь в ней мелкими пузырьками. Для большей степени диспергирования газа используется различные диспергаторы. Однако настройка каждого диспергатора для получения МДВГС требует калибровки, т.е. исследования зависимости распределения размеров пузырьков от настройки режимов работы эжектора и диспергатора в промысловых условиях.
Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют надежные способы измерения размеров газовых пузырьков в жидкости при высоком газосодержании и наличии в анализируемой смеси посторонних включений (пыли, окалины, капель, несмешивающихся с водой жидкости и т.п.)
Известные методы определения дисперсности водогазовых смесей (акустические и оптические) пригодны для проведения измерений в тщательно очищенных от примесей жидкостях в достаточно узких диапазонах газонасыщенности (Акустический журнал, 1961, т.7, №4, стр.421-427; Всесоюзный симпоз. по физике акустико-гидродинамических явлений и оптоакустике. Тезисы докладов. М.: Наука, 1979, стр.42-43; Михалев А.С., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М. Лазерный интерференционный метод определения параметров пузырьков газа, Метрология, 2009, №9, стр.3-14; Патент РФ №2037806).
Общим недостатком перечисленных методов измерения и контроля дисперсности водогазовых смесей является невозможность эффективно использовать их в условиях нефтепромысла.
В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения размеров газовых пузырьков в жидкости при значительной газонасыщенности, малочувствительного к наличию в системе посторонней дисперсной фазы (загрязнений), и простого устройства для его реализации в условиях нефтепромысла.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения степени дисперсности водогазовой смеси (пены) под давлением, включающий получение водогазовой смеси под повышенным давлением и перевод ее в измерительную емкость при том же давлении. (Васильев В.К., Быкова Т.Н., Маркин А.А. Устойчивость пен под давлением. Нефтепромысловое дело, №5, 1976, с.27-29).
Недостатком этого способа является необходимость проведения измерений с помощью микроскопической съемки, что требует наличия микроскопа с регистрирующей аппаратурой, что свою очередь исключает возможность проведения измерений в случае непрозрачности дисперсионной (непрерывной) фазы или при наличии в ней посторонних примесей, а также невозможность проведения оперативных измерений в условиях нефтепромысла
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение проведения измерения дисперсности водогазовой смеси как для прозрачной, так и для условий с непрозрачной (или загрязненной) дисперсионной среды.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Способ основан на экспериментальном факте, заключающемся в том, что при расслоении полидисперсной водогазовой смеси в первую очередь разрушаются наиболее крупные пузырьки. Так как избыточное давление газа в пузырьке ΔР, находящемся в равновесии с жидкостью, связано с размером пузырька r и коэффициентом поверхностного натяжения σ формулой Лапласа:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi></mrow><mi>r</mi></mfrac><mtext>                                                                      (1)</mtext></mrow>
i
при разрушении пузырьков с размером r давление в герметичном сосуде с водогазовой смесью увеличится на величину:
<mrow />
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mtext>                                                                 (1a)</mtext></mrow>
К
по мере расслоения водогазовой смеси давление в газовом слое, образующемся над слоем стекающей на дно герметичного сосуда и слоем водогазовой смеси, будет увеличиваться. Регистрируя изменение давления в сосуде и объем газа, можно рассчитать начальное распределение газовых пузырьков по размеру. Конечное значение приращения давления ΔР (после полного расслоения смеси на газ и жидкость) характеризует средневесовой радиус пузырьков в водогазовой смеси в момент отбора пробы и заключения ее в герметичный сосуд, а отношение объема (уровня) жидкости в сосуде к объему, занятому выделившимся газом, водогазовое отношение.
0
0
Из линии нагнетания мелкодисперсной водогазовой смеси (МДВГС) при давлении нагнетания Р отбирается проба в герметично закрываемую емкость с объемом V (по определению МДВГС готовится монодисперсной или с достаточно узким распределением размеров пузырьков). В крышке и дне емкости вмонтированы датчики давления, температуры. Устройство снабжено ультразвуковым измерителем объема, выполненным в виде многолучевого эхолота или УЗИ-сканера, датчик которого размещен в крышке емкости.
i
i
1
В процессе исследования регистрируется изменение давления под крышкой сосуда ΔP и соответствующее ему приращение объема свободного газа ΔV. Количество газа, содержащегося в объеме ΔV, рассчитывается по уравнению Менделеева-Клайперона
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mi>I</mi></msub><mi>R</mi><mi>T</mi><mo>;</mo><mtext>                                                          (2)</mtext></mrow>
i
n - количество молей газа, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура.
г
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>K</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub><mi>R</mi><mi>T</mi><mo>;</mo><mtext>    </mtext></mrow></mstyle><mtext>                                                           (3)</mtext></mrow>
Общее количество газа m, содержащегося в отобранной пробе, также рассчитывается по уравнению Менделеева-Клайперона
г
0
0
имея в виду, что m=Мn, где М - среднее значение молекулярной массы закачиваемого газа, а n - количество молей газа в пробе, рассчитанное по формуле (3).
iг
г
В процессе измерений получается зависимость ΔР от объема свободного газа в сосуде. Эта зависимость преобразуется (с использованием приведенных выше соотношений) в зависимость от относительной доли текущего значения массы свободного газа m/m
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>i</mi><mi>г</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>m</mi><mi>г</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                              (4)</mtext></mrow>
Дифференцирование последней зависимости позволяет, с использование соотношения (1а), получить распределение размеров газовых пузырьков в МДВГС.
Возможность осуществления заявляемого способа и устройства доказывается использованием в отечественной и зарубежной практике оборудования для нагнетания газа и газожидкостных смесей с использованием насосов объемного вытеснения, наличием серийно выпускаемых высокоточных датчиков давления и температуры, а также прецизионных ультразвуковых сканеров.
Пример реализации способа
0
4
0
3
Емкость - V=0,100 м, газ СН (М=16), Р=50000 Па, σ=0,073н/м
Р (Па)
50000
50100
50500
51000
51500
52000
52100
ΔР (Па)
0
100
500
1000
1500
2000
2100
r<sub>i</sub> (<sub>мм</sub>)
∞
≥1,46
≥0,29
≥0,146
≥0,097
≥0,073
≥0,069
ΔV<sub>i </sub>(м<sup>3</sup>)
0
0,001
0,003
0,03
0,07
0,08
0,081
Т
293
293
293
293
293
293
293
n<sub>i</sub> (моль)
0
0,02
0,062
0,628
1,48
1,71
1,73
m<sub>iг</sub> (грамм)
0
0,32
0,995
10,04
23,68
27,32
27,68
M<sub>г</sub>
27,68
m<sub>iг</sub>/m<sub>г</sub>
0
0,012
0,0359
0,363
0,856
0,986
Фракция пузырей с радиусом r<sub>i,</sub> мм
≥1,46
0,29-1,46
0,146-0,29
0,097-0,146
0,073-0,097
0,069-0,073
Доля, %
1,2
2,4
32,7
49,3
13,0
1,4