Введение к работе
Актуальность работы
К настоящему времени значительно изменилась структура запасов углеводородного сырья; доля трудноизвлекаемых нефтей во всем мире возросла более чем в три раза. Высокие вязкости и аномальное поведение при фильтрации затрудняют извлечение этих ископаемых из пластов, а также осложняют транспортировку и переработку добытого сырья. Изучение реологических свойств нефтяных дисперсных систем (НДС) имеет большое практическое значение, а также представляет значительный научный интерес, т. к. вязкость является важной характеристикой межчастичного взаимодействия.
Увеличение доли трудноизвлекаемых запасов вызвало активное развитие физико-химических методов увеличения нефтеотдачи. Одно из наиболее перспективных направлений в этой области - разработка гелеобразующих составов (ГОС) - изначально маловязкие жидкости, в пластовых условиях превращающиеся в гель. Понимание механизмов структурообразования в нефтяных системах и в нефтевытесняющих жидкостях позволит повысить эффективность физико-химических методов увеличения нефтеотдачи.
Несмотря на насущную потребность изучения процессов структурообразования в нефтехимии, прогресс в этой области был затруднен в силу объективных причин. В частности, традиционные методы исследования (капиллярная и ротационная вискозиметрия) имеют принципиальные ограничения при работе со структурообразующими жидкостями. При изучении динамики процессов структурообразования наиболее перспективны вибрационные методы исследования, развиваемые, в частности, в настоящей работе.
К концу XX века, благодаря развитию электроники, появились быстродействующие вибрационные вискозиметры, позволяющие проводить непрерывную регистрацию изменяющейся вязкости жидкостей. Впервые появилась возможность изучения кинетических аспектов структурообразования.
Несмотря на внедрение метода вибрационной вискозиметрии в практику реологических измерений, остается непреодоленным ряд методологических трудностей. Исследование процессов структурообразования осложняется тем, что регистрация реологических свойств должна охватывать в одном и том же эксперименте переход от маловязкой ньютоновской жидкости к сформировавшейся коллоидной структуре. При этом вязкость может меняться на порядки величин, что сопровождается появлением упругих свойств у изучаемого объекта. Поэтому разработка адекватных методов таких измерений представляет собой нетривиальную задачу.
Цель работы
Исследовать непрерывную динамику реологического поведения нефтяных систем и гелеобразующих составов в процессе структурообразования.
рос национальная!
БИ6ЛИ0ТЇКА 3
Разработать методы интерпретации данных экспериментальной вискозиметрии, полученных в условиях изменяющейся вязкости и возникновения упругости изучаемого объекта.
Задачи работы
Модифицировать вибрационный вискозиметр для работы, как с жидкими, так и с твердообразными средами.
Выявить признаки возникновения «твердообразности» в ситуациях, характерных для добычи и транспорта нефти.
Описать взаимодействие колеблющегося пробного тела со стенками измерительного сосуда в цилиндрическом измерительном узле вискозиметра.
Получить решения соответствующего волнового уравнения и предложить способы интерпретации результатов измерения.
Исследовать вид получаемого решения при различных условиях и разработать компьютерные программы для вспомогательных расчетов, определяющих реологические параметры из данных вискозиметрических измерений.
Методы исследования
Выбор методов, использованных в работе, обусловлен поставленными целями и соответствующими задачами. Экспериментальное исследование реологического состояния изучаемых жидкостей выполнено методом вибрационной вискозиметрии (вискозиметр «Реокинетика», ИХН СО РАН). Свойства объектов описывали с помощью метода электромеханических аналогий в терминах механического «сопротивления». Интерпретация экспериментальных данньж основана на проведенном аналитическом исследовании динамики сдвиговых волн в измерительной ячейке, и использует компьютерные программы для необходимых вспомогательных расчетов.
Объекты исследования
Модельный углеводородный (УВ) раствор твердого парафина, имитирующий наиболее склонную к структурообразованию нефть. Также проводились эксперименты с объектами, полученными путем усложнения модельного раствора добавками смол, выделенных из реальных нефтей.
Процессы структурообразования в гелеобразующих составах изучались на примере характерных представителей различных типов используемых в практике ГОС:
Полимерный раствор, отвердевающий под влиянием сшивающего агента.
Полимерный раствор, отвердевающий под влиянием изменения температуры.
Неорганические композиции, отвердевающие под влиянием условий пласта (рН и температуры).
Научная новизна работы
Зарегистрирована непрерывная динамика реологических характеристик в процессе фазовьж переходов, связанньк с изменением температуры. Изучено влияние состава нефтяных смол на их депрессорную активность и выяснено, что у смол, гетероатомные части которьж различаются незначительно, она зависит от числа парафиновьж атомов углерода в средней молекуле. По-видимому, начиная с некоторого необходимого размера гетероагомной части, её состав оказывает неселективное защитное действие.
Впервые зарегистрированы начальные этапы гелеобразования в растворах на основе полимеров и неорганических соединений. Выявлены общие закономерности проявления твердообразного состояния в вибрационном эксперименте: наличие индукционного периода и область квазипериодических колебаний механического сопротивления.
Впервые предложена волновая интерпретация наблюдаемьж экстремумов механического сопротивления.
Предложен способ исследования динамики вязкости и упругости в процессе перехода золь-гель на основе разработанной в данной работе концепции интерференционного резонанса.
Практическая ценность
1. Изменения, внесенные в конструкцию измерительной установки, расши
ряют возможности вибрационной вискозиметрии в области возникновения
«твердообразного» состояния вещества. Они могут быть использованы при
разработке новых технических средств контроля реологического состояния
водонефтяньж систем.
2. Предложенный способ оценки динамики возникновения упругости может
быть использован при разработке новьж гелеобразующих составов для пере
распределения фильтрационных потоков в продуктивном пласте.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается сравнением полученньж данньк с результатами авторов, исследовавших аналогичные системы традиционными методами; физической непротиворечивостью полученньж результатов; большим количеством измерений и их хорошей повторяемостью. Перед каждой серией измерений проверялась исправность работы установки и проводилась калибровка прибора.
Личный вклад автора
В работу включены результаты, полученные автором лично или при его непосредственном участии. Все эксперименты и обработка полученных данных проведены автором лично. Необходимые теоретические исследования выполнены совместно с А. В. Богословским, который также модифицировал вибрационный вискозиметр при скромном участии автора.
Защищаемые положения
1. Понижение температуры застывания углеводородной жидкости происхо
дит симбатно концентрации содержащихся в ней смолисто-асфальтовых ве
ществ.
Депрессорная активность нефтяных смол, средние молекулы которых содержат достаточно большой объем гетероатомных фрагментов, зависит от величины углеводородной части молекулы. Смолы с большим числом парафиновых атомов в молекуле проявляли большую депрессорную активность.
При формировании твердообразных тел и в углеводородной и в водной фазе, независимо от конкретного механизма гелеобразования, в ячейках конечного размера наблюдается квазипериодическая интерференционная стадия динамики вязкого механического сопротивления.
Расстояние между соседними максимумами интерференционной картины характеризует скорость формирования упругих свойств объекта. Предложено уравнение, связывающее наблюдаемую динамику механического сопротивления с изменением вязкости и модуля упругости исследуемого вещества.
Результаты измерения вязкого сопротивления в сосудах разной величины позволяют выявить динамику модуля упругости отвердевающего объекта.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись и докладывались на научной конференции молодых ученых «Химия нефти и газа» (Томск, 1999 г., 2001 г.), научно-практической конференции «Добыча, подготовка и транспорт нефти и газа» (Томск, 1999 г., 2001 г., 2004 г.), втором международном симпозиуме «Наука и технология УДС» (Уфа, 2000 г.), всероссийской конференции «Актуальные проблемы нефтехимии» (Москва, 2001 г.), 21-ом международном симпозиуме по реологии (Осташкове, 2002 г.), 5-ой международной конференции «Химия нефти и газа» (Томск, 2003 г.), 22-ом международном симпозиуме по реологии (Валдай, 2004 г.).
Результаты работы регулярно представлялись на научных семинарах Института химии нефти СО РАН.
Публикации
По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей, 6 докладов и тезисы 6 докладов на конференциях, также получено 2 Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 123 наименований.
Выражаю искреннюю признательность научным руководителям, заведующей лабораторией коллоидной химии нефти, доктору технических наук, профессору Любови Константиновне Алтуниной и с. н. с. этой же лаборатории, кандидату химических наук Андрею Владимировичу Богословскому за всемерную поддержку и помощь в выполнении данной диссертационной работы.
