§ 4. Дроссельный эффект при движении жидкостей и газов в пористой среде

Дросселирование — эффект уменьшения давления га­зового потока при его движении через сужения в каналах. Дроссельным называется термодинамический процесс, ха­рактеризующийся постоянством энтальпии.

Вследствии адиабатического расширения жидкостей и газов при прохождении через пористые среды и влияния дроссельного процесса наблюдаются термические эффекты. Адиабатическое расширение жидкостей и газов, сопровождающееся понижением температуры, незначительно влияет на температурные измене­ния внутри пласта и забоев действующих скважин вследствие большой теплоемкости С_р горных пород. Заметные изменения температуры на забоях скважин происходят вследствие дрос­сельного процесса. При этом интенсивность изменения темпера­туры характеризуется коэффициентом Джоуля—Томсона, кото­рый представляет собой частную производную от температуры Т по давлению р при постоянной энтальпии И. (VII.14)

Температурные изменения при фильтрации через пористую среду жидкостей и газов зависят от перепада давлений р=р_п—р_з между пластом (р_п) и забоем (р_з) и определяются форму­лой , (VII.15)

где — интегральный коэффициент Джоуля—Томсона.

Из формулы (VII.14) следует, что коэффициент Джоуля— Томсона можно представить состоящим из двух членов —пер­вый из них определяет нагревание вещества при фильтрации за счет работы сил трения, второй — охлаждение за счет адиабати­ческого расширения. Для жидкостей

Поэтому жидкости, насыщающие пористую среду, нагреваются в процессе истечения в скважину из пласта. Значения интеграль­ного коэффициента для нефти изменяются в пределах от 0,4 до 0,6 °С/МПа, для воды —0,235 °С/МПа. При дроссельном процессе повышение температуры нефтей достигает 5—6 °С на 10 МПа депрессии.

Для реальных газов коэффициент Джоуля — Томсона полу­чим из уравнения (VII.14) и уравнения состояния pV=zRT:

где K = C_P/C_V.

Из уравнения (III.16) следует, что если положительно, то <0, т. е. газ при дросселировании охлаждается при <0; >0, т. е. газ нагревается. При = 0 имеем точку инверсии ( = 0). Кривая точек инверсии соответствует линии поворота сетки графиков z(p_np, Т_пр) коэффициента сверхсжимаемости углеводородных газов (см. нижнюю часть линий на рис. III.2). Как следует из этого рисунка, температура и давление инверсии высокие, и поэтому обычно имеем эффект охлаждения газов при истечении из пласта в скважины.

Зависимость изменений температур от перепада давлений для заданного дроссельного процесса может быть определена графическим способом из энтальпийной диаграммы (см. рис. Ш.10).

Дифференциальные коэффициенты Джоуля—Томсона ε при различных р находятся как производные функции T=f(p) для данного значения р. Значение ε обычно увеличивается по мере снижения давления. Интегральный коэффициент Джоуля— Томсона определяется по формуле (VII.17)

где р_п и р_з— начальные и конечные давления.

Предельное изменение температуры T вследствие дроссель­ного эффекта определяется по формуле (VII.15).

Опыт показывает, что при высоких пластовых давлениях (20—30 МПа.) без больших погрешностей можно пользоваться средними (интегральными) коэффициентами , соответствую­щими интервалу давлений 5—10 МПа.

Для углеводородных газов дифференциальные коэффици­енты находятся в пределах от —3°С/МПа до —6°С/МПа.

Дроссельный эффект используется в промысловой практике для установления зон притока нефти, воды и газа. При поступ­лении нефти и воды наблюдается разогрев работающего интер­вала, а при поступлении газа — охлаждение. Различие в значениях ε для воды, нефти и газа позволяет по температурным изме­нениям призабойной зоны отбить в пласте также и границы пе­рехода нефть — вода, нефть — газ, вода — газ.

Тепловые явления в пластах и в скважинах положены в ос­нову новых методов исследования строения залежей и коллекторских свойств пласта.