УДК 550.822.3:552+53

Новый способ определения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород

В.П. ПОТАПОВ (КО ВНИГНИ)

В настоящее время для определения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород разработан ряд способов [1,2,4,5,7]. Сравнительный анализ показал, что им свойственны те или иные недостатки. Так, например, в общепринятом экстракционно-дистилляционном способе применяются в качестве растворителя высокотоксичные, легковоспламеняющиеся вещества.

Кроме того, технология способа исключает возможность изучения свойств нефти, содержащейся в образце породы. К недостаткам способа следует отнести также его низкую точность при анализе образцов пород, масса которых менее 20 г при содержании воды не выше 0,2 см³ [6]. Анализ данных других методов измерения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород выявил, что некоторые из них или сложны в исполнении [1,2,5], или не обеспечивают необходимую точность измерения воды в образцах пород, размер которых меньше стандартного [4]. С целью повышения точности определения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород, имеющих размер меньше стандартного, был разработан способ, основанный на свойстве селективной проницаемости полимерных пленок для паров полярных и неполярных жидкостей [3].

Селективная проницаемость полимерных пленок рассмотрена в работе [3], где показано, что механизм проникновения через пленку паров жидкостей может быть различным и зависит от свойств пленки. Одни исследователи считают, что пары жидкости первоначально сорбируются пленкой, диффундируют через ее толщу, после чего десорбируются. Другие предполагают, что пленки имеют поры и допускают возможность фильтрации по ним.

Особенности проникновения смеси паров воды и нефти через полимерные пленки в научной литературе не нашли отражения, тем не менее известно, что смесь паров воды и высших спиртов проникает через целлофановую пленку селективно с высоким коэффициентом разделения [3]. Учитывая это и принимая во внимание, что пары нефти представляют собой смесь преимущественно неполярных веществ, было сделано предположение, что целлофановая пленка будет хорошо разделять смесь паров нефти и воды. С целью проверки высказанного предположения были изучены фильтрационные свойства целлофановой пленки.

Для опытов была взята целлофановая пленка толщиной 30 мкм (ГОСТ 7730-75) из гидратцеллюлозы. Ее поверхность существенно гидрофильная. В воде пленка набухает, при этом поглощенная ею вода гидратирует макромолекулярные слои. Энергия связи слоев воды с макромолекулой гидратцеллюлозы изменяется в широких пределах, поэтому в среде насыщенного водяного пара между молекулами внешних гидратных слоев и молекулами водяного пара устанавливается динамическое равновесие. Структура пленки по одним данным сплошная, по другим - капиллярно-пористая [3]. Чтобы правильно построить технологию способа измерения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород, необходимо было выяснить, какая из существующих моделей структуры целлофановой пленки ближе к действительности. Если пленка имеет сплошную структуру, то она и при наличии перепада давления не пропускает газ.

В отличие от азота дистиллированная вода при тех же условиях перепада давления проникает через целлофановую пленку, при этом между перепадом давления и объемной скоростью фильтрации существует зависимость, которая описывается уравнением линейного вида:

где - объемная скорость фильтрации дистиллированной воды, см³/ч; - перепад давления на пленке, кПа [1].

Известно, что такой характер зависимости имеет место, если среда фильтрации с капиллярно-пористой структурой[1].

Таким образом целлофановая пленка в сухом состоянии проявляет себя как сплошная среда, а во влажном при >1 кПа как капиллярно-пористая. Такое сочетание взаимно исключающих характеристик возможно, если материал пленки при взаимодействии с водой становится неравномерно прочным. В этом случае при создании на пленке некоторого минимального напряжения на сдвиг происходит нарушение ее целостности по ослабленным участкам, при этом сплошная структура пленки преобразуется в капиллярно-пористую. Реальность высказанного предположения о вероятном механизме структурных преобразований подтверждается тем, что фильтрация воды через пленку начинается только при перепаде давления выше 1 кПа.

Результаты опытов позволяют сделать вывод о том, что целлофановая пленка и в сухом, и во влажном состояниях при < 1 кПа, имеет сплошную структуру. Поэтому разработка технологии разделения паров воды и нефти должна базироваться на представлении о диффузионном механизме их проникновения через толщу пленки.

Чтобы осуществить селективное проникновение одного из компонентов смеси через пленку, необходимо по толщине пленки создать градиент его концентрации. Чаще всего по толщине пленки создается градиент концентрации быстропроникающего компонента. В рассматриваемой системе таким компонентом являются пары воды. На рис. 1 приведена схема прибора для реализации данного процесса.

Прибор состоит из эксикатора, заполненного свежепрокаленным хлористым кальцием, испарительных камер с образцами пород. Камеры имеют крышку, на торце которой закреплена пленка из целлофана. Крышка герметично закрывает корпус камеры, что достигается за счет уплотнительной прокладки. Для выпуска воздуха из камеры есть отверстие, которое герметично закрывается запорной иглой.

Последовательность операций следующая. Первоначально определяют массу крышки, затем массу камеры с помещенным в ней образцом породы и герметично закрытой крышкой. По окончании взвешивания испарительную камеру с образцом помещают в эксикатор над свежепрокаленным хлористым кальцием. Так как упругость водяных паров над хлористым кальцием ничтожно мала, а над поверхностью образца близка к величине давления насыщенного пара, то в эксикаторе устанавливается диффузионный поток молекул воды, направленный от образца породы к хлористому кальцию. Путем периодического взвешивания испарительной камеры с помещенным в ней образцом породы определяют начало стабилизации их массы. Им считается время, начиная с которого масса испарительной камеры с образцом изменяется за одни сутки менее чем на 0,005 г. Установлено, что с этого момента образец породы полностью теряет содержащуюся в нем воду. По окончании сушки производят разборку испарительной камеры, при этом определяют массу крышки и по полученным данным рассчитывают количество воды, испарившейся из образца. Расчетное уравнение имеет вид:

где - масса воды, испарившейся из образца породы; и -масса испарительной камеры до и после высушивания; и -масса крышки камеры до и после высушивания.

Динамика сушки водонасыщенного, керосиноводонасыщенного и керосинонасыщенного образцов отражена на рис. 2. Из анализа полученных кривых испарения следует, что процесс переноса воды от образца породы к хлористому кальцию завершается полностью по прошествии четырех суток. Наличие в порах образца керосина не влияет заметно на скорость переноса воды от образца к хлористому кальцию. Пары керосина полностью задерживаются в испарительной камере. Кривые испарения воды имеют прямолинейные ветви, которые отражают динамику испарения свободной (начальная ветвь) и связанной воды (конечная ветвь).

Используя методические указания [7], в образцах пород по кривым испарения можно получить содержание связанной воды. Преимуществом нового варианта сушки является возможность определения связанной воды по неэкстрагированным образцам, у которых свойства внутрипоровой поверхности близки к ее свойствам в пластовых условиях. Так как содержание связанной воды в породе зависит от свойств внутрипоровой поверхности, то по полученным данным можно точнее определить содержание связанной воды в продуктивных пластах и тем самым надежнее оценить содержащиеся в них запасы нефти.

Оценка точности предлагаемого способа производилась на образцах пород, нефтеводонасыщенность которых моделировалась следующим образом.

В качестве модели нефти использовался керосин, а пластовой воды - раствор хлористого натрия, имеющий концентрацию 0,5 N. Исследуемые образцы пород высушивались до постоянной массы, затем способом капиллярной пропитки насыщались керосином, после чего взвешивались и устанавливались в герметично закрывающихся бюксах, содержащих по 1 см³ раствора хлористого натрия. По окончании пропитки образцы помещались в испарительные камеры, после чего производилось их высушивание. Остатки раствора оттитровывают 0,1 N раствором азотнокислого серебра и по полученным данным рассчитывают количество воды, впитавшейся в испытуемые образцы пород. Точность моделирования водонасыщенности образцов пород описанным методом составляет 0,01 см³.

Проверка точности предложенного способа определения содержания воды в нефтенасыщенных образцах горных пород по контрольным образцам показала, что расхождение между истинным и определенным содержанием воды в образцах пород изменяется в пределах 0,0009-0,05 г и в среднем по 11 определениям равно 0,02 г. Следовательно, погрешность созданного способа несколько ниже погрешности общепринятого экстракционно-дистилляционного метода [6].

Предлагаемый способ определения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород экономически эффективен при массовых измерениях, поэтому рекомендуется к использованию при анализе нефте- и водонасыщенных образцов, отбираемых в скважинах сверлящими керноотборниками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амикс Дж., Басс Д., Уайтинг Р. Физика нефтяного пласта. Пер. с англ. М., Гостоптехиздат, 1962.

2. Березин В.М. Метод сушки образцов породы над хлористым кальцием для определения водонасыщенности кернов. - Труды УфНИИ. М., 1967,вып. 17, с. 48-51.

3. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М., Химия, 1975.

4. Калинко М.К. Методика исследования коллекторских свойств кернов. М., Гостоптехиздат, 1962.

5. Колганов В.И., Серегин О.М. Газометрический метод определения водонасыщенности керна. РНТС. ВНИИОЭНГ. Сер. Нефтепромысл. дело. М., 1971, вып. 1, с. 100-103.

6. Марморштейн Л.M. Методические рекомендации по изучению физических свойств горных пород. Л., НИИГА, 1976.

7. Методические рекомендации по исследованию коллекторов нефти и газа физическими и петрографическими методами. Под ред. В.И. Горояна, В.И. Петерсилье. М., изд. ВНИГНИ, 1978, с.142-151.

Рис. 1 Схема прибора для определения содержания воды в образцах нефтенасыщенных пород:

1 - бюкс; 2 - крышка бюкса; 3 - флянец; 4 - пленка из целлофана; 5 - запорная игла; 6 - прокладка; 7 - образец породы; 8 - хлористый кальций; 9 - эксикатор; 10 - крышка эксикатора

Рис. 2. Кривые испарения воды и керосина из образцов горных пород.

Образец: 1 - водонасыщенный, 2 - керосиноводонасыщенный, 3 - керосинонасыщенный