ЛЕКЦИЯ 2 СОСТАВ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

3. Состав и основные параметры природных газов

Природные газы, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений, состоят из предельных углеводородов с общей формулой C_nH₂_n₊₂ и неуглеводородных компонентов: азота (N2), углекислого газа (СО₂), сероводорода (H₂S), инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона). Кроме того, природные газы насыщены парами воды, содержание которых зависит от давления, температуры, состава газа и воды. Число углеродных атомов в молекуле углеводородов п может достигать 17-40.

Метан (СН₄), этан (С₂Н₆), этилен (С₂Н₄) при нормальных условиях (Р_ат ⁼ 0, 1 МПа и Т_ст = 273К) являются реальными газами. Пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀) в нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, при повышенных давлениях - в жидком состоянии, входят в состав сжиженных углеводородных газов. Углеводороды от (С₅Н₁₂) до (С₁₇Н₃₆) при нормальных условиях находятся в жидком состоянии. Все компоненты, входящие в состав природного газа, характеризуются строго индивидуальными свойствами.

По составу компонентов природные газы можно подразделить на три группы:

1. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений. Это сухие
газы без тяжелых углеводородов.

2. Газы, добываемые с нефтью (попутный нефтяной газ), это физическая смесь сухого газа, сжиженного газа и газового бензина.

3. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений. Они со
стоят из сухого газа и жидкого углеводородного конденсата.

Наименьшей частицей, характеризующей вещество, является молекула, состоящая из атомов одного или нескольких элементов. За единицу измерения массы атомов и молекул условно принята 1/12 массы атома изотопа углерода. Масса атома элемента, выраженная в углеродных единицах, называется атомной массой элемента. Сумма атомных масс атомов, образующих молекулу, называется молекулярной массой вещества. Состав природного газа выражается в объемных или массовых долях единицы или процентах. Объемный состав примерно совпадает с молярным, так как объем 1.кмоля идеального газа при одинаковых физических условиях, по закону Авогадро, имеет одно и то же численное значение, в частности, при нормальных условиях равен 22, 41 м³.

Объемный (молярный) состав газа можно пересчитать в массовый для каждого компонента смеси по формуле

(2.1)

где g_i, - массовая доля i-гo компонента в газе;

X_i - объемная доля i-гo компонента;

М_i - молекулярная масса i-гo компонента.

Если состав природного газа задан в массовых долях, то для пересчета его в объемные (молярные) единицы используется формула

(2.2)

где m_i - число молей i-гo компонента в смеси, и m_i=g_i / M_i.

Одним из основных параметров, характеризующим природный газ, является плотность. Плотность газа - масса единицы объема - равна отношению молекулярной массы газа к объему 1 моля. Плотность определяется по формуле

(2.3)

Размерность плотности в системе СИ - кг/м³, в системе СГС - г/см³.

Плотность газа известного состава определяется как сумма произведений плотности отдельных компонентов на их объемное (молярное) содержание X_i:

(2.4)

или по известным молекулярным массам:

(2.5)

Для практических расчетов часто используется относительная плотность газа по воздуху , равная отношению плотности газа к плотности воздуха , взятой при том же давлении и температуре:

(2.6)

т.к. при нормальных условиях равна 1.293 кг/м³. Относительная плотность удобна тем, что не зависит от температуры, давления.

Плотность природных газов при различных давлениях и температурах определяют по формуле

(2.7)

где z - коэффициент сверхсжимаемости природного газа.

4. Дросселирование газа, коэффициент Джоуля-Томсона

При движении газа по технологическому оборудованию происходит снижение (иногда резкое) давления и расширение газового потока. Такое явление отмечается на штуцерах, клапанах, кранах, задвижках, при входе в сепараторы, а также при резкой смене диаметра трубопроводов. Расширение газа обычно сопровождается изменением температуры.

Изменение температуры газа при его адиабатическом расширении (дросселировании) получило название эффекта Джоуля-Томсона. Адиабатическое расширение - расширение, происходящее в энергетически изолированной системе, т.е. без обмена теплотой или работой.

Изменение температуры газа при снижении давления на 0.1 МПа называется коэффициентом Джоуля-Томсона . Значение коэффициента изменяется в широких пределах и может быть положительным или отрицательным. Коэффициент зависит от диапазонов изменения давлений и температур, при которых происходит дросселирование, и от теплоемкости самого газа.

Для природных газов можно определить из выражения

(2.8)

где Ср - изобарная теплоемкость, ккал/кг.моль°С,

- функция определяется по специальному графику.

Пример: Найти . Дано P₁ = 260 кгс/см²; Р₂ = 150 кгс/см²; T_i = 137°С;

С_р = 12, 76. Р_кр, = 47, 38; Т_кр = 200° К.

Находим:

По графику ( , - обобщенная функция f ( Ei ) ) находим, что

= 0, 35, тогда

Для оценки изменения температуры газа при его дрессировании можно пользоваться специальными графиками. Коэффициент Джоуля-Томсона рассчитывается и по данным непосредственных замеров температур и давлений до и после дросселирования.

Пример: до дросселирования P₁ =260 кгс/см², t=120°C, после дросселирования Р₂=150 кгс/см², t=102°C. Тогда средний коэффициент при этом определяют по формуле

(2.9)

5. Влагосодержание природного газа

Природный газ в пластовых условиях до предела возможного насыщен парами воды, поскольку в пласте имеется идеальный контакт газа с водой. Это прежде всего остаточная вода коллектора, занимающая до 40% объема порового пространства, далее в месторождении имеется огромная поверхность контакта газа с подошвенными или краевыми водами.

Влагосодержание природного газа является важнейшим параметром, который определяет в значительной мере технологические режимы эксплуатации скважин и газопромысловых сооружений. Содержание водяных паров в газе характеризуется: абсолютной влажностью - W, относительной влажностью - .

Абсолютная влажность W показывает массу водяных паров в единице объема газовой смеси, приведенной к нормальным условиям (+ 20 °С и 760 мм рт. ст.) и измеряется в г/м³ или кг/1000м³.

Относительная влажность - это отношение фактического содержания паров воды в единице объема газа при данных Р и Т к его влагоемкости, т.е. к количеству водяных паров в том же объеме и при тех же Р и Т при полном насыщении.

Относительная влажность измеряется в долях единицы или в процентах. Полное насыщение оценивается как 100%.

Влагосодержание природного газа зависит от давления; температуры; состава газа; минерализации воды. В процессе эксплуатации месторождений значения температур и давлений во всей цепочке технологического оборудования изменяются.

Снижение температуры вызывает уменьшение водяных паров в газовой фазе. В самом пласте происходит увеличение влагосодержания газа, так как пластовое давление Р_пл (t) падает. Следовательно, объем добываемой конденсатной влаги по мере разработки и эксплуатации залежи возрастает.

Влагосодержание природного газа с относительной плотностью 0, 6 можно с точностью до 10% определить по номограмме влагосодержания, показанной на рис. 1.

Влажность газа с относительной плотностью , отличающейся от 0, 6 при контакте с минерализованной водой, определяется по формуле

(2.10)

где - поправка на минерализацию воды;

- поправка на плотность газа.

Рис 1. Номограмма влагосодержания природных газов

с относительной плотностью 0, 6

Поправка на: 1-NaCl; 2-NaOH; 3-MgCI₂; 4-CaCl₂;

В зависимости от Р и t влагосодержание по номограмме может изменяться от 0.01 до 800 кг/1000м³. Для аналитических (точных) расчетов влагосодержания используется формула

(2.11)

где А - коэффициент, равный влагосодержанию идеального газа;

Р - заданное давление, кгс/см²;

В - коэффициент, зависящий от состава газа. Коэффициенты А, В находят в специальной литературе.

6. Кристаллогидраты природных газов

Большинство компонентов природного газа (метан, этан, пропан, углекислый газ, сероводород, азот) в соединении (в контакте) с водой образуют кристаллогидраты, существующие при определенных давлениях и температурах.

Кристаллогидраты - это физическое соединение молекул газа и воды. Вода образует объемную кристаллическую решетку - каркас, внутри которой располагаются молекулы газа. Внешне похожи на рыхлый желтоватый лед. В одном объеме (1м³) гидратов содержится до 0, 8 м³ воды и до 180 м³ природного газа, приведенного к стандартным условиям. Процесс гидратообразования определяется давлением, температурой, составом газа, составом воды. Условия образования гидратов для различных газов различны и обычно показываются на графиках Р - t в полулогарифмических координатах. Они показаны на рис. 2. При одной и той же

температуре в гидрат переходит сперва более тяжелый газ = 0, 8 - 1, 0 и с повышением давления более легкий - метан = 0, 57. При одном и том же давлении для газов с = 0, 8 - 1, 0 требуется более высокая температура, чем для метана. При добыче и транспорте газа, когда имеет место существенное изменение Р и t газа, происходит выпадение влаги и образование кристаллогидратов, что является крайне нежелательным явлением. Поэтому газ на промыслах осушают различными способами и от влаги и от жидких углеводородов.

Рис. 2. Равновесные условия гидратообразования природных газов различной плотности

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒