Badania napięcia międzyfazowego oraz zwilżalności

Napięcie powierzchniowe cieczy na granicy z inną fazą jest właściwością, która w znacznym stopniu ma wpływ na: ciśnienie kapilarne, przepuszczalności względne czy zwilżalność, które z kolei wpływają na wydobycie płynów złożowych. Do pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy stosowane są różne metody m.in. metoda kropli leżącej lub wiszącej, która oparta jest na podstawowym równaniu kapilarności podanym przez Younga i Laplace’a (Dandekar, 2006).

Do badań napięcia międzyfazowego na granicy ropa naftowa-solanka wykorzystano Goniometr OCA 25-PMC 750 DataPhysics. Zastosowano metodę kropli wiszącej, która bazuje na związku pomiędzy kształtem kropli cieczy, jej ciężarem oraz siłami napięcia powierzchniowego cieczy. Siły napięcia powierzchniowego dążą do nadania kropli kształtu kulistego, jednakże pod wpływem siły ciężkości kropla ulega wydłużeniu (rys. 4.28), a jej końcowy kształt uwarunkowany jest równowagą tych sił (Morita i in., 2002).

Do badań napięcia powierzchniowego użyto oryginalne płyny złożowe. Ropa naftowa pochodziła z KRNiGZ Glinnik znajdującej się terenie gminy Kamionka oraz gminy Garbów, obejmujące miejscowości Amelin oraz Meszno (basen lubelski). Gęstość i lepkość ropy naftowej wynosiły odpowiednio 871 kg/m3

i 11,89 mPa·s. Wykorzystana w badaniach solanka o mineralizacji 102 g/dm³ reprezentowała chlorkowo-sodowy typ chemiczny. W wyniku przeprowadzonych badań zmierzono napięcie międzyfazowe na granicy ropa naftowa-solanka równe 51,98 mN/m, przy temperaturze pokojowej w warunkach normalnych.

116

Ponieważ płyny złożowe (ropa naftowa, gaz ziemny, solanka) w złożu znajdują się w wysokich temperaturach i ciśnieniach, bardzo ważne jest zbadanie wpływu warunków złożowych na wielkość napięcia międzyfazowego. Zmiany napięcia międzyfazowego związane z temperaturą i ciśnieniem silnie wpływają na transport mediów w złożu. W celu określenia możliwości transportu płynów złożowych w skałach węglanowych dewonu zbadano napięcie międzyfazowe na granicy ropa naftowa-solanka w temperaturach 24-60^oC (rys. 4.29). Zaobserwowano spadek napięcia międzyfazowego (z 51,98 mN/m do 47,91 mN/m) ze wzrostem ciśnienia i temperatury. Wynika to z faktu, że przy wzroście temperatury wzrasta energia kinetyczna molekuł, a cząsteczki przechodzą w stan wzbudzony. Siły spójności zmniejszają się, wraz ze wzrostem termicznej aktywności cząsteczkowej powodując obniżenie napięcia powierzchniowego. Pomiary napięcia międzyfazowego zostały wykonane z dokładnością ± 0,01 mN/m, przy maksymalnym błędzie pomiaru ± 1 mN/m i temperatury 0,9ºC. Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że na wartość napięcia powierzchniowego wpływają m.in. warunki w jakich dokonuje się pomiar (np. temperatura, ciśnienie) oraz dobór cieczy zastosowanej do przeprowadzenia badania.

Rys. 4.29. Napięcie powierzchniowe na granicy ropa naftowa-solanka przy różnych temperaturach

Z napięciem powierzchniowym związana jest zwilżalność oraz kąt kontaktu, który jest wskaźnikiem zwilżania powierzchni skały przez dany płyn złożowy, w obecności innego płynu złożowego. Od stopnia zwilżania zależą: przestrzenny rozkład płynów złożowych w przestrzeni porowej, wartości nasyceń resztkowych poszczególnymi fazami, wartości przepuszczalności względnych dla poszczególnych płynów złożowych (Such, 2002a).

Kąt kontaktu jest wielkością trudno mierzalną. Można go wyznaczyć bezpośrednio umieszczając kroplę ropy na wypolerowanej powierzchni skały i zatapiając cały układ

47,5 48 48,5 49 49,5 50 50,5 51 51,5 52 52,5 20 30 40 50 60 70 N ap ięcie p ow ier zc h nio we [mN/m] Temperatura [ºC]

117

w innym płynie złożowym (solance). W tej metodzie mierzy się kąt „przez‖ fazę o większej gęstości (por. rys. 3.9).

Badania zwilżalności wybranych próbek skał węglanowych zostały wykonane za pomocą testu Amott’a w laboratorium PVT&Core Analysis na Politechnice Kreteńskiej (rys. 4.30). Ze względu na bardzo niską przepuszczalność analizowanych skał węglanowych (rzędu μD) oraz długi czas wykonania analizy (kilka tygodni) badania nie powiodły się. Ponieważ w metodzie tej płyn zwilżający jest wchłaniany przez skałę wypierając płyn niezwilżający, przy niskich wartościach porowatości efektywnej i przepuszczalności oraz skomplikowanej wewnętrznej strukturze ośrodka porowatego analizowanych skał węglanowych objętość wypieranej wody była niemożliwa do pomierzenia.

Rys.4.30. Badania zwilżalności próbek skał węglanowych metodą Amott’a

W celu oceny typu zwilżalności analizowanych skał węglanowych wykonano pomiary wielkości kąta kontaktu na granicy solanka – ropa naftowa – skała złożowa dla siedmiu wybranych próbek (wapienie i dolomity) pochodzących z otworów Kock IG-2 (próbka 15330), Komarów IG-1 (15333), Korczmin IG-1 (15334), Ruskie Piaski IG-2 (15339), Terebin IG-2 (15344), Terebin IG-4 (15346).

Badania wielkości kąta zwilżania skał węglanowych ropą naftową w środowisku solanki przeprowadzono wykorzystując Goniometr OCA 25-PMC 750 DataPhysics. Sprzęt pozwala na wyznaczenie kąta zwilżania z dokładnością ±0,1°. Przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania komputerowego oszacowano średni kąt zwilżania na podstawie zliczonych 200 wyników, z maksymalnym błędem pomiaru ±1,5º. Zastosowano

118

metodę pomiarową procedurę "pęcherzyka na uwięzi" przeprowadzoną na płytkach o wymiarach 15 x 20 x 3 mm. Kuwetę szklaną wypełniono odpowiednią objętością solanki złożowej o 10% zasoleniu. Kroplę ropy naftowej o objętości 1,15 µl formowano za pomocą strzykawki zakończonej igłą na powierzchni skały zanurzonej w solance złożowej. Po ustaleniu się równowagi adsorpcyjnej wykonywano fotografię pęcherzyka na powierzchni płytki, z której odczytywano prawy oraz lewy kąt kontaktu (zwilżania). Badania wykonano w warunkach normalnych i złożowych (wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia).

Jak było wspomniano w części teoretycznej pracy (rozdział 3) kąt zwilżania jest funkcją napięcia miedzyfazowego na styku skała zbiornikowa-solanka-ropa naftowa. Zwilżalność skały zbiornikowej jest przejawem równowagi termodynamicznej pomiędzy płynami złożowymi w porach, a minerałami budującymi ścianki porów. Na zwilżalność mają więc wpływ: temperatura, ciśnienie i skład chemiczny płynów złożowych. W celu zbadania zmiany zwilżalności określono kąt kontaktu w temperaturze 60oC oraz przy ciśnieniu w komorze 35 MPa (350 bar) dla wybranych próbek skał węglanowych dewonu (tab. 4.6).

Tabela 4.6.

Wielkości kąta kontaktu i typów zwilżalności skał węglanowych dewonu

Nr próbki

Temperatura pokojowa (24⁰C) Temperatura złożowa (600

C) Średnia wartość

kąta kontaktu [αº] ^{Typ zwilżalności}

Średnia wartość

kąta kontaktu [αº] ^{Typ zwilżalności}

15329 78,1 ± 0,6 mieszany 39,2 ± 0,9 wodozwilżalny 15330 88,8 ± 1,1 mieszany 36,6 ± 1,3 wodozwilżalny 15333 76,6 ± 0,8 mieszany 43,5 ± 1,1 wodozwilżalny 15334 88,6 ± 1,5 mieszany 51,4 ± 1,4 wodozwilżalny 15339 98,8 ± 0,7 mieszany 44,8 ± 0,9 wodozwilżalny 15344 88,2 ± 0,9 mieszany 49,1 ± 1,0 wodozwilżalny 15346 99,4 ± 0,9 mieszany 43,2 ± 1,2 wodozwilżalny

Biorąc pod uwagę wartości kąta kontaktu (zwilżania) Anderson (Anderson, 1986) wyróżnił następujące rodzaje skał: hydrofilowe (0-75º), o mieszanej zwilżalności (75-115º) oraz hydrofobowe (115-180º). Na podstawie tej klasyfikacji analizowane skały węglanowe cechują się zwilżalnością mieszaną. Wartości kątów kontaktu analizowanych próbek były w zakresie od 76,6º (15333) do 99,4º (15346).

119

Rezultaty wykonanych pomiarów potwierdziły wpływ temperatury na charakter zwilżalności. W podwyższonej temperaturze (60°C) i ciśnieniu (35 MPa) pomiary kąta kontaktu dla wszystkich próbek wskazywały na silną wodozwilżalność ośrodka skalnego. Dla warunków występujących w złożu wartość kąta kontaktu wynosiła od 36,6º do 51,4º (±1,4º).

Przedstawiono kąt kontaktu (zwilżania) w warunkach normalnych oraz złożowych dla wybranych próbek skał węglanowych (rys. 4.31 i 4.32). Dla próbki nr 15339 w warunkach normalnych oznaczono wartość kąta kontaktu (zwilżania) - 98,8º, zgodnie z klasyfikacją skała ma typ mieszanej zwilżalności. W temperaturze 60ºC kąt zmniejszył się do 44,8ºC (rys. 4.31b). W przypadku próbki nr 15334 średni kąt zwilżania na granicy solanka-ropa naftowa-skała złożowa wynosił 88,6º, co również wskazywało na mieszany typ zwilżalności ośrodka skalnego (rys. 4.32). Wzrost temperatury i ciśnienia złożowego spowodował spadek wartości kąta (51,4o

) i zmianę typu zwilżalności ośrodka w kierunku wodozwilżanego.

Rys. 4.31. Kąt kontaktu na granicy solanka-ropa naftowa-skała złożowa dla próbki nr 15339 w temperaturze otoczenia (a) i 60ºC (b)

Rys. 4.32. Kąt kontaktu na granicy solanka-ropa naftowa-skała złożowa dla próbki nr 15334 w temperaturze otoczenia (a) i 60ºC (b)

CA left: 81.2o CA right: 81.2o CA left: 135.2o CA right: 135.3o CA left: 128.6o CA right: 128.6o CA left: 93.3o CA right: 89.4o

120