Свойства пластовых вод

ЛЕКЦИЯ 2

Строение молекулы и структурные особенности воды.

 

Масса воды состоит из 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода. Это простейшее химическое соединение одного атома кислорода и двух атомов водорода. Известно три изотопа водорода – протий, дейтерий, тритий и шесть изотопов кислорода. Поэтому в природных условиях выявлено 18 разновидностей молекул воды. Природная вода в основном состоит из молекул ¹Н₂¹⁶О, а остальные разновидности присутствуют в ничтожно малых количествах.

Природная вода обладает многими аномальными физическими свойствами:

1. Плавление льда сопровождается сжатием вещества (жидкой воды), которое достигает максимума при температуре 4 °С.

2. Вода имеет аномальные более высокие температуры плавления и кипения.

3. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, теплотой плавления и испарения.

4. Вода имеет аномальную растворяющую способность для солей и высокую диэлектрическую проницаемость.

5. Вязкость воды при повышении давления в интервале температур 0–30 °С уменьшается, а при более высоких температурах увеличивается.

Аномальные свойства воды зависят от её структуры, которая обусловлена наличием особого типа молекулярной водородной связи.

Атом кислорода находится в центре молекулы. Ядра атомов водорода по отношению к ядру атома кислорода составляют между собой угол 105⁰3¹ в жидкой воде и 109⁰30¹ во льду.

Пространственное расположение орбит вращения электронов молекуле воды создает дипольное распределение электрических зарядов.

Молекула воды имеет тетраэдрическое строение с двумя положительными и двумя отрицательными полюсами. Каждая молекула воды взаимодействует с четырьмя другими молекулами, создавая льдоподобную решетку. Такая упорядоченная структура взаимосвязи молекул воды придает ей свойства твердого тела с наличием значительного пространства между молекулами. Молекула воды совершает около 1000 колебаний в секунду.

По одной из моделей структуры воды связь между молекулами воды и других жидкостей с водородными связями осуществляется через водородные мостики, образующие кольцевые структуры. Создаются агрегаты молекул, взаимосвязанных между собой.

Аномальные свойства воды учитываются при решении вопросов нефтяной геологии. На этой основе могут быть разработаны различные модели использования воды.

В горных породах встречаются следующие виды воды:

кристаллизационная; прочносвязанная; капиллярная; остаточная; свободная (гравитационная).

Все указанные виды воды обладают различными свойствами, часто противоположными, и удерживаются в пористой среде различными силами.

Вода в нефтяной залежизанимает пониженные зоны и находится в большинстве случаев под залежью и вокруг нее и называется подошвенной, или краевой. Вода, находящаяся в пропластках, называется промежуточной.

Верхние и нижние воды залегают выше и ниже нефтяного пласта.

В продуктивных пластах залежи вместе с углеводородами также содержится вода, оставшаяся со времени образования залежи, поэтому её называют остаточной.

Водоносные и продуктивные части пластов являются единой связанной гидродинамической системой.

Остаточная вода в залежи находится со времени образования залежи.

В пористой среде остаточная вода существует как капиллярно-связанная, адсорбционная, пленочная, свободная.

С увеличением проницаемости среды количество остаточной воды в породе уменьшается.

Содержание остаточной воды в породах может меняться от нескольких процентов до 70 % и более от суммарной емкости пор.

Наименьшее количество остаточной воды отмечается в пластах со щелочной водой и наибольшее – в присутствии пресной воды.

Минерализация остаточной воды зависит от литологии пород коллекторов и находится в пределах 15–22 %. Остаточная вода имеет плотность 1,2–1,4 г/см³, обладает высокой проводимостью, низкой диэлектрической проницаемостью 2–2,5, температурой замерзания –20…–193 °С, концентрацией солей 100–300 г/л, повышенным содержанием хлора и повышенной радиоактивностью.

Распределение нефти, остаточной воды и газа в залежи влияет на фазовые проницаемости, а значит, и на процессы движения нефти.

В пласте остаточная вода может находиться в виде пленки, покрывающей поверхность поровых каналов (гидрофильная поверхность), или в виде отдельных жилок, включений в центрах пор (гидрофобная поверхность среды).

В последнем случае нефть смачивает поверхность пор.

От первоначального распределения жидкостей и газов в пласте зависят характеристики пласта:

· смачиваемость пород вытесняющими жидкостями,

·   количество остающейся нефти,

· интенсивность капиллярных процессов.

Определение количества остаточной воды в породе проводят на извлеченном керновом материале. Керн помещают в растворитель (толуол), далее при кипении растворителя отделяется вода. Определяется водо-, нефте-, газонасыщенность породы.

Быстрый метод определения остаточной воды в керне – центрифугирование. С увеличением скорости оборотов центрифуги жидкость вытесняется с пор все меньшего диаметра. С некоторой скорости вращения увеличение скорости практически не влияет на оставшуюся в порах воду, её и считают остаточной.

Изменяя скорость ценрифугирования и определяя количество выделившейся воды, можно построить зависимость «капиллярное давление – водонасыщенность» и по ней определить среднюю остаточную водонасыщенность пород исследуемого пласта.

Применяют также и метод полупроницаемых мембран (перегородок) вытеснения воды из керна азотом, воздухом или нефтью, метод вакуумирования и др.

Переходные зоны нефть–вода (ВНК), нефть–газ (ГНК), вода–газ (ВГК).

Водонефтяная зона имеет различную мощность в зависимости от свойств и состава пород и физико-химических свойств воды и нефти. В песчаниках высокой проницаемости мощность переходной зоны исчисляется сантиметрами, в мелкозернистых – метрами (6–8 м).

Для оценки величины переходной зоны используют геофизические методы и экспериментальные. В переходной зоне распределение нефти и воды очень сложное. Для анализа используют зависимость «капиллярное давление – водонасыщенность».

При вытеснении нефти водой во время эксплуатации месторождения на строение водонасыщенного контакта влияет прирост давлений и фазовые проницаемости системы, проницаемость, капиллярный подъем, физико-химические свойства жидкости.

Радиоактивность пластовых вод обусловлена содержанием в них урана, радия и радона. Практически все подземные воды в различной степени радиоактивны. При заводнении залежи поверхностными водами вокруг залежи образуется оторочка радиоактивных вод, обусловленная как радиоактивностью остаточных подземных вод, так и выщелачиванием из горных пород радиоактивных элементов. Такая радиоактивная оторочка вод является надежным критерием прохождения водонефтяного контакта.

Минерализация пластовых вод нефтяных месторождений колеблется от единиц г/м³ до сотен кг/м³. Минеральные вещества представлены солями натрия, кальция, магния и др. Основными солями являются хлориды, карбонаты и сульфаты. Помимо этого в водах может содержаться йод, бром, редкоземельные элементы, органические вещества.

Нефтяные залежи в большинстве случаев находятся в зоне затрудненного водообмена, но иногда присутствуют и пресные воды.

Плотность пластовых вод возрастает с увеличением минерализации и может достигать 1500 кг/м³ при концентрации солей 642,8 кг/м³.

Сжимаемость пластовых вод изменяется в пределах (3,7–5,0)10-10 м²/Н, а при наличии растворенного газа может значительно увеличиваться:

где βвг – коэффициент сжимаемости воды с растворенным газом;

βв – коэффициент сжимаемости чистой воды; Vг – количество газа, растворенного в воде, м3/м3.

Термическое расширение воды E = ΔV/(V ⋅ΔT) колеблется от 18 · 10^-5 до 90 · 10^-5 1/град, возрастает с увеличением температуры и уменьшается с ростом пластового давления.

Вязкость пластовых вод зависит от температуры и концентрации растворенных солей, влияние давления незначительно.

С увеличением температуры вязкость воды уменьшается, а с увеличением минерализации – повышается.

На величину вязкости воды влияет не только минерализация, но и состав солей.

Наибольшей вязкостью характеризуются хлоркальциевые воды в 1,5–2 раза больше, чем чистая вода.

Газы в воде растворены в небольших количествах и мало влияют на вязкость.

Электропроводность пластовых вод находится в прямой зависимости от их минерализации, так как соли в воде находятся в ионном состоянии, а положительно и отрицательно заряженные ионы являются переносчиками электрических зарядов. Величина удельного сопротивления подземных вод изменяется от 0,02 до 1,00 Ом · м.

Дистиллированная вода и лед не являются проводниками электрического тока. Так как нефть и газ имеют низкую электропроводность, а минерализованные подземные воды – высокую электропроводность, то эти свойства используют для контроля за продвижением водоуглеводородных контактов.

  Электропроводность воды используют для определения пористости и водо-, газо-, нефтенасыщенности коллекторов.

Растворимость газов в воде незначительна. Тем не менее площадь контакта газовой залежи с подстилающей водой очень большая, и при высоком давлении вода будет содержать большие объемы газа.

С увеличением температуры растворимость газов сначала уменьшается, а затем возрастает. С увеличением минерализации растворимость газов в воде уменьшается.

На растворимость газов в воде также влияет размер молекул газа. В подземных водах наиболее распространенными газами являются кислород, углекислый газ, сероводород, водород, азот и благородные газы, а также метан и тяжелые углеводороды.

Выпадение осадков из пластовых вод может происходить из попутно извлекаемой воды в нефтепромысловом оборудовании и на различных участках пласта.

Это отложения карбоната кальция СаСО₃, сульфата кальция (СаSО₄ 2Н₂О гипса, СаSО₄ ангидрита), сульфата бария ВаSО₄.

 Помимо этого могут отлагаться другие соли, механические примеси, продукты жизнедеятельности бактерий, частицы нефти, силикаты, парафины.

Большинство отложений имеет кристаллическую структуру, сформированную в сложных гидродинамических условиях широкого интервала температур и пресыщений раствора солями, примесями.

Пресыщенные растворы образуются при закачке вод, химически несовместимых с пластовыми или в связи с изменением термодинамических условий, химического состава пластовых вод, смешением вод разных горизонтов на забое, а также влиянием других факторов.

Для борьбы с отложениями солей используют различные преобразователи солей, растворители. Например, растворы карбоната, бикарбоната натрия и калия, соляную кислоту, гидроокиси натрия и калия, каустическую соду (едкий натрий).