ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 618-625
УДК 532.546:536.421:622.276
ФИЛЬТРАЦИЯ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ УГЛЕВОДОРОДНОЙ жидкости В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
© 2004 г. М. А. Фатыхов
Башкирский государственный педагогический университет, г. Уфа Поступила в редакцию 03.03.2003 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований начального градиента давления битумной нефти, зависимости изменения температуры в модели пласта и дебита "скважины" со временем в сверхвысокочастотном электромагнитном поле. Установлен эффект сильного затухания неньютоновских свойств битумной нефти. Показана неравномерность распределения температуры по толщине пласта, зависящая от начального дебита скважины и продолжительности воздействия на призабойную зону пласта.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы возросло внимание к исследованию теплофизических и гидродинамических процессов в различных многофазных средах при воздействии на них высокочастотных электромагнитных полей [1-9]. В связи с возникшими новыми разнообразными применениями развитие таких исследований представляет огромный практический интерес. Так, например, ограниченность запасов традиционных нефтей и высокие темпы их потребления вызывают необходимость разработки месторождений битумных нефтей. Извлечение их известными в практике нефтедобычи сква-жинными методами недостаточно эффективно.
Методы добычи битумных нефтей связаны с двумя проблемами: 1) неблагоприятные коллек-торские свойства - низкая теплопроводность, малая проницаемость, отсутствие пластовой энергии; 2) углеводородная составляющая в пористом теле (пласте) находится в неподвижном состоянии, связанном, в частности, с наличием начального градиента давления О, выше которого начинается движение флюида, или в малоподвижном состоянии, обусловленном высокой динамической вязкостью флюида п [10]. Для фильтрации такого флюида линейный закон имеет вид
V = -П1ТЕ)- С(Т Е)}' (1)
где Т - температура среды, Е - напряженность электрического поля, к - проницаемость пласта, р -давление в пласте.
Эти особенности пористого тела и содержащегося в нем углеводородного флюида показывают, что предлагаемые физические методы воздействия должны способствовать, в частности, улучшению коллекторских свойств пласта и возникновению пластовой энергии. Кроме того, необходимо изменить физические свойства углеводородного
флюида в большом объеме, например, существенно снизить вязкость высоковязких нефтей, а в случае битумных нефтей следует преодолеть их неньютоновские свойства. Так как к, п, О, в частности, зависят от температуры, наиболее полно всем этим сложным условиям удовлетворяет случай воздействия мощными высокочастотными электромагнитными полями.
Этот процесс сопровождается одновременным проявлением в пласте электродинамических, термодинамических и гидродинамических явлений [11]. Изучение их позволяет, во-первых, вести контроль за обработкой пласта высокочастотным электромагнитным полем, во-вторых, управлять данным процессом, и, в-третьих, оценить эффективность этого метода. Теоретические исследования названных вопросов приведены в ряде работ [6-9, 11-27]. Однако в расчетах используются в основном гипотетические параметры, что объясняется прежде всего слабым освещением в литературе результатов экспериментальных исследований процесса высокочастотного электромагнитного воздействия на нефтяные пласты. Поэтому необходимо экспериментально исследовать электро-, термо- и гидродинамические процессы, происходящие в пласте при электромагнитном воздействии.
Следует отметить, что в работе [28] описаны результаты экспериментального исследования воздействия высокочастотного электромагнитного поля на течение нефти в капилляре и зависимости характеристик течения от напряженности поля и свойств нефти. В работе [29] выявлено увеличение в два раза расхода через пористую среду при сверхвысокочастотном электромагнитном воздействии на диэлектрическую жидкость (керосин), помещенную в коаксиальный резонатор, и стабилизация расхода через некоторое время, показана также взаимосвязь увеличения расхода от
температуры. Результаты этих исследований трудно сопоставимы с процессами, происходящими в призабойной зоне скважины. В работах [12, 29-31] представлено изменение температуры в пористой среде, насыщенной нефтью, в зависимости от времени. Аналогичные исследования проведены в промысловых условиях. Их результаты приведены в работах [32-34]. Однако при этом изучены изменения температуры во времени только внутри насосно-компрессорных труб. По ним судят о закономерностях нагрева нефтяного пласта в целом. Между тем научный интерес представляет выяснение особенностей процессов (не только тепловых), происходящих вдали от насосно-компрессорных труб. Очевидно, в связи с серьезными материальными затратами в реальных условиях решить данную проблему трудно, поскольку на удалении от скважины следует иметь много контрольных точек.
При изучении возможности применения электромагнитной энергии для нагревания призабойной зоны скважины необходимо ответить на следующие вопросы. Во-первых, какая часть энергии доходит до призабойной зоны скважины, если источник энергии находится на поверхности у устья скважины. Во-вторых, какая часть закачанной энергии попадает в нефтеносный пласт. В работах [12, 30] приводится оценка степени затухания электромагнитной энергии в стволе скважины, межтрубное пространство которой свободно от жидкости. Показано, что если глубина скважины составляет 1000 м, то до призабойной зоны пласта доходит 50% электромагнитной энергии при частоте 10 МГц и 5% при частоте 300 МГц. В работе [5] представлены результаты исследования влияния среды, заполняющей межтрубное пространство скважины, на эффективность передачи электромагнитной энергии в пласт по стволу. В зависимости от значений электрофизических параметров этой среды и материала труб скважины возможно значительно большее затухание электромагнитной энергии в межтрубном пространстве. Что касается второго вопроса, то решение его зависит от значений диэлектрических параметров нефтеносного пласта, степени отражения электромагнитных колебаний от него и коэффициента поглощения в нем электромагнитных волн. Эта проблема представляет собой предмет отдельных исследований.
Следует также заметить, что высокочастотное и сверхвысокочастотное электромагнитные воздействия отличаются только способами их генерирования и ввода в рабочую среду, а принципиального различия в механизме взаимодействия с пластом нет. Если используется термин "сверхвысокочастотное" электромагнитное воздействие, то подразумевается и высокочастотный диапазон.
Физические основы фильтрации неньютоновской жидкости в высокочастотном электромаг-
нитном поле. Предположим, что в нефтяном пласте создано мощное высокочастотное монохроматическое электромагнитное поле вида
E = Eoexp(jюt); H = Hoexp(jюt).
(2)
Здесь E, H - векторы напряженности электрического и магнитного полей, записанные в комплексной форме (точка над величиной), Eo, lio -векторы комплексной амплитуды электромагнитных полей, зависящие от пространственных координат, ю = 2nf - циклическая, f - прямая частота электромагнитного поля, j - мнимая единица.
В случае монохроматического поля вида (2) систематического накопления электромагнитной энергии не происходит и усредненный по периоду поля вектор Пойнтинга определяет плотность объемных источников тепла [35]:
Чп =
ю£о еП tg 5п
(Eo
E*),
(3)
где "звездочка" обозначает сопряженную величину.
При этом анализе продуктивная порода рассматривается как некий однородный диэлектрик с потерями, электрофизические свойства которого выражаются соотношениями
ёп(ю, T, p) = eo[en(ю, T, p) - jе'П(ю, T, p)],
tg 5n =
юёпё
ün < юеoеП, | = |io.
(4)
oc n
Здесь ёn - комплексная диэлектрическая проницаемость, е'п, e'n - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости продуктивной породы, tg 5n - тангенс угла диэлектрических потерь, ün - удельная электропроводность, е0, |0 - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Условия ün < юе0 en, | = |0 означают, что продуктивная порода является слабоэлектропроводным немагнитным диэлектриком.
Распределения напряженностей в пространстве
Eo, Ho определяются из решений уравнений Максвелла. Диэлектрические характеристики продуктивной породы, входящие в эти уравнения, зависят от частоты электромагнитного поля ю, а также от температуры T и давления p [36]. Поэтому распределение электромагнитного поля в среде определяется ее термодинамическим состоянием, которое является переменным во времени. Эти закономерности обусловливают характер изменения диэлектрических свойств среды в пространстве и во времени.
Кроме вышеприведенных факторов, воздействие мощного высокочастотного электромагнит-
Физические свойства модели пласта, его компонентов и окружающей пласт породы
" ■——Параметр Среда Твердая фаза Битумная нефть Пласт Глина
Плотность, кг/м3 2600 961 2050 1400
Коэффициент теплопроводности, Вт/м К 0.374 1.89 1.1 0.903
Удельная теплоемкость, Дж/кг К 740.1 2190 1220 1844
Относительная диэлектрическая проницаемость 5 2.34 7.5 -
Тангенс угла диэлектрических потерь 0.045 0.018 0.05 -
Коэффициент проницаемости, Дарси - - 6 -
ного поля оказывает существенное влияние на такие физико-химические явления, как поверхностное натяжение, электрокапиллярные и электрокинетические эффекты, а также на процессы диффузии, адсорбции фильтрации, фазовых переходов в пористой среде [37].
При воздействии мощного высокочастотного электромагнитного поля на пористую породу, содержащую неньютоновскую битумную нефть, будет происходить объемный прогрев большой области призабойной зоны пласта с распределенными источниками тепла вида (3), что обусловливает плавление асфальто-смолистых веществ и, как следствие, исчезновение неньютоновских свойств нефти (О = 0 в (1)), дальнейшее интенсивное выделение растворенных газов, испарение легких фракций углеводородов, интенсификацию явления пиролиза и другие физико-химические явления.
Таким образом, описанные в этом разделе статьи термогидродинамические, физико-химич
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.