Состояние нефтяных газов в пластовых условиях

Теория к разделу

В пластовых условиях газы в зависимости от их состава, давления и температуры (термобарического режима в пласте) могут находиться в различных агрегатных состояниях – газообразном, жидком, в виде газожидкостных смесей.

Природные газы, добываемые из газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, состоят из углеводородов (УВ) метанового ряда СН₄-С₄Н₁₀: метана, этана, пропана, изобутана и н-бутана, а также неуглеводородных компонентов: H₂S, N₂, CO, CO₂, H₂, Ar, He, Kr, Xe и других.

Состав газовых смесей выражается в виде массовой или объемной концентрации компонентов в процентах и мольных долях:

, (4.1)

где N_i - масса i-го компонента;

Σ N_i - суммарная масса смеси.

, (4.2)

где V_i - объем i-го компонента в смеси;

Σ V_i - суммарный объем газа.

, (4.3)

где n_i - число молей i-го компонента в смеси;

Σ n_i - суммарное число молей газа в системе.

Уравнение состояния Клапейрона–Менделеева связывает давление, температуру и объем газа, представленного в виде физически однородной системы, при условиях термодинамического равновесия.

, (4.4)

где Р – давление, Па;

V – объем газа, м³;

G – масса газа, кг;

R – газовая постоянная, Дж/(кг • К);

T – абсолютная температура, К.

Газовая постоянная R численно равна работе расширения 1 кг идеального газа в изобарическом процессе при увеличении температуры газа на 1 К.

Уравнение состояния Клапейрона–Менделеева справедливо для идеального газа и для нефтяных систем работает в области давлений, близких к атмосферному. При давлениях Р > 10 атм нефтяной газ из идеальной системы переходит в неидеальную и описывается уравнением Клайперона-Менделеева с коэффициентом сжимаемости z, который учитывает отклонение реальных газов от законов сжатия и расширения идеальных газов.

Ниже записано уравнение состояния смеси газов в пластовых условиях, выраженное через мольные доли компонентов:

. (4.5)

Коэффициент сжимаемости газа z функционально зависит от приведенных давлений и температур, z = f (T_прив, Р_прив).

С приближением давления и температуры к их критическим значениям свойства газовой и жидких фаз становятся одинаковыми, поверхность раздела между ними исчезает и плотности их уравниваются.

Критическая температура (Т_кр) – максимальная температура, при которой свойства газовой и жидкой фаз находятся в равновесии.

Критическое давление (Р_кр) – давление паров вещества при критической температуре.

Среднекритические (псевдокритические) параметры смеси газов определяются по правилу аддитивности:

, (4.6)

. (4.7)

Приведенными параметрамисмеси газов называются безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа: температура, давление, объем, плотность и другие больше или меньше среднекритических.

, (4.8)

. (4.9)

В соответствии с законом Авогадро один моль газа занимает объем при нормальных условиях 22, 414 л, а при стандартных условиях 24, 055л.

Нормальным условиям ( н.у. ) соответствуют абсолютная температура 273, 15 К и абсолютное давление 0, 1 МПа.

Стандартным условиям ( с.у. ) соответствуют температура 20°С (293, 15 К) и абсолютное давление 0, 1 МПа.

Объем газа в пластовых условиях определяется из соотношения Бойля-Мариотта:

, (4.10)

, (4.11)

. (4.12)

Объемный коэффициент газа оценивается отношением объема газа в пластовых условиях к объему, занимаемому газом при н.у.:

, (4.13)

. (4.14)

Типовая задача

Дана исходная таблица. Используя ее, мы определяем коэффициенты сжимаемости ( z ) и объемный коэффициент газа ( b ), занимающего первоначальный объем ( V_о ) 1000 м³ при нормальных условиях для пластовых условий: Р_пл = 100 атм, t_пл = 50°С, следующего состава ( V_i, %) (табл. 4.1):

Таблица 4.1

Компонент, V_i	%
метан (СН₄)
этан (С₂H₆)
пропан (C₃H₈)	5, 1
изобутан (i-C₄H₁₀)	0, 8
н-бутан (n-C₄H₁₀)	1, 7
изопентан (i-C₅H₁₂)	0, 6
н-пентан (n-C₅H₁₂)	0, 3
гексаны (C₆H₁₂)	0, 5

Решение:

1) Рассчитываем приведенное давление по формуле:

. (4.15)

Для расчета Р_пр и T_пр используем критическое давление и критическую температуру смеси газов. Данные для каждого компонента представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Компонент	N_i, доли	P_кр, атм	Т_кр, К	N_i • P_{i кр}, атм	N_i • T_{i кр}, К
СН₄	0, 82	47, 32		38, 80	156, 62
С₂H₆	0, 09	49, 78		4, 48	27, 45
C₃H₈	0, 051	43, 38		2, 21	18, 87
i-C₄H₁₀	0, 008	38, 25		0, 31	3, 26
n-C₄H₁₀	0, 017	38, 74		0, 66	7, 23
i-C₅H₁₂	0, 006	33, 89		0, 20	2, 77
n-C₅H₁₂	0, 003	34, 1		0, 10	1, 41
C₆H₁₂	0, 005	30, 52		0, 15	2, 54
				S = 46, 92	S = 220, 14

2) Рассчитываем приведенную температуру по формуле:

. (4.16)

Для расчета T_пр используем критические температуры компонентов Т_i _кр. Данные для каждого компонента представлены в таблице 4.2.

3) Определяем z по графикам z = f ( P ) при Т = const ( рис.4.1 ), (Оркин К. Г. стр. 90, Гиматудинов Ш.К. стр. 97, Амикс Дж. cтр. 237). Для нашего случая z = 0, 81.

4) Объем газа в пластовых условиях определяем, используя закон Бойля–Мариотта (формула 4.12 ):

5) Объемный коэффициент газа оценивается отношением объемов газа в пластовых условиях к объему при н.у. (формула 4.14 ):

Рис. 4.1.Графики зависимости коэффициента сверхсжимаемости Z углеводородного газа от приведенных псевдокритических давления Р_пр и температуры Т_пр (по Г.Г. Брауну). Шифр кривых – значения Т_пр

4.2. Задания для самостоятельной работы

Для известного состава газа найти коэффициент сжимаемости ( z ), объем газа в пластовых условиях ( V_пл, м³), объемный коэффициент b для пластовых условий ( Р_пл, атм; t_пл, °С) при первоначальном объеме ( V_о, м³). Исходные данные представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3

B
CH₄	84, 2	92, 1	93, 1	89, 6	89, 3	86, 4	89, 5	90, 2	92, 6
C₂H₆	11, 5	3, 7	2, 9		6, 9	9, 1	7, 2	5, 5	4, 2
C₃H₈	3, 2	2, 8	3, 1	2, 6	2, 8	2, 9	1, 7	3, 1	1, 9
i-C₄H₁₀	0, 7	0, 9	0, 3	0, 6	0, 7	0, 9	0, 7	0, 9	0, 4
n-C₄H₁₀	0, 4	0, 5	0, 6	0, 2	0, 3	0, 7	0, 9	0, 3	0, 9
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	94, 3	95, 0	92, 6	91, 7	91, 7	89, 6	89, 7	90, 8	91, 4
C₂H₆	2, 4	0, 9	4, 4	5, 3	5, 1	6, 0	6, 7	5, 2	4, 2
C₃H₈	2, 4	2, 6	1, 9	1, 7	1, 6	3, 2	2, 8	2, 6	2, 7
i-C₄H₁₀	0, 2	0, 9	0, 6	0, 7	0, 9	0, 3	0, 4	0, 8	0, 9
n-C₄H₁₀	0, 7	0, 6	0, 5	0, 6	0, 7	0, 9	0, 4	0, 6	0, 8
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	87, 6	89, 5	87, 6	89, 7	92, 3	91, 4	90, 7	90, 8	89, 7
C₂H₆	8, 0	6, 0	7, 7	7, 0	5, 1	6, 3	7, 4	6, 8	6, 2
C₃H₈	2, 9	3, 3	3, 2	1, 8	1, 6	1, 3	1, 4	1, 5	2, 8
i-C₄H₁₀	0, 6	0, 7	0, 9	0, 8	0, 6	0, 7	0, 3	0, 2	0, 4
n-C₄H₁₀	0, 9	0, 5	0, 6	0, 7	0, 4	0, 3	0, 2	0, 7	0, 9
V_o
P_пл
t_пл

Продолжение табл. 4.3

B
CH₄	89, 8	90, 1	92, 3	90, 4	88, 6	89, 4	89, 5	89, 7	89, 5
C₂H₆	6, 3	5, 9	2, 5	5, 7	8, 5	6, 4	5, 7	4, 8	5, 6
C₃H₈	2, 6	3, 1	3, 6	2, 0	2, 2	2, 1	2, 8	3, 6	3, 2
i-C₄H₁₀	0, 5	0, 6	0, 7	0, 9	0, 4	0, 9	0, 8	0, 6	0, 8
n-C₄H₁₀	0, 8	0, 3	0, 9	1, 0	0, 3	1, 2	1, 2	1, 3	0, 9
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	90, 1	91, 2	90, 3	89, 9	90, 7	91, 2	91, 7	90, 5	90, 7
C₂H₆	6, 0	5, 3	5, 4	6, 0	5, 2	4, 0	6, 2	6, 3	6, 8
C₃H₈	2, 4	2, 6	2, 8	2, 7	2, 8	2, 8	1, 5	2, 8	1, 4
i-C₄H₁₀	0, 9	0, 2	0, 6	0, 7	0, 7	0, 8	0, 3	0, 2	0, 7
n-C₄H₁₀	0, 6	0, 7	0, 9	0, 7	0, 6	1, 2	0, 3	0, 2	0, 4
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	90, 1	89, 3	84, 2	85, 2	91, 6	90, 4	87, 5	92, 1	90, 7
C₂H₆	7, 2	6, 1	10, 5	10, 5	5, 5	5, 7	8, 6	4, 6	6, 2
C₃H₈	1, 8	2, 8	4, 1	2, 8	2, 5	2, 3	2, 7	1, 5	1, 9
i-C₄H₁₀	0, 5	0, 9	0, 9	0, 9	0, 3	0, 8	0, 5	0, 8	0, 3
n-C₄H₁₀	0, 4	0, 9	0, 3	0, 6	0, 1	0, 8	0, 7	1, 0	0, 9
V_o
P_пл
t_пл

Продолжение табл. 4.3

B
CH₄	91, 2	86, 5	86, 7	89, 4	87, 2	91, 5	90, 8	92, 9	87, 6
C₂H₆	6, 5	10, 4	9, 4	5, 6	10, 1	5, 2	6, 3	4, 7	7, 6
C₃H₈	1, 3	2, 7	2, 7	3, 7	1, 9	2, 8	2, 5	1, 9	4, 2
i-C₄H₁₀	0, 7	0, 3	0, 5	0, 6	0, 3	0, 3	0, 3	0, 4	0, 3
n-C₄H₁₀	0, 3	0, 1	0, 7	0, 7	0, 5	0, 2	0, 1	0, 1	0, 3
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	87, 1	90, 6	92, 3	90, 4	86, 7	88, 9	92, 3	89, 9	88, 1
C₂H₆	6, 9	4, 8	5, 1	6, 1	6, 8	7, 1	5, 5	6, 4	6, 9
C₃H₈	4, 9	3, 6	2, 4	2, 5	5, 1	2, 9	1, 3	2, 9	3, 8
i-C₄H₁₀	0, 7	0, 6	0, 1	0, 7	0, 9	0, 8	0, 7	0, 6	0, 8
n-C₄H₁₀	0, 4	0, 4	0, 1	0, 3	0, 5	0, 3	0, 2	0, 2	0, 4
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	90, 9	91, 1	89, 1	86, 8	89, 5	90, 1	90, 4	86, 4	90, 8
C₂H₆	5, 7	6, 1	5, 2	10, 7	6, 8	6, 8	5, 4	10, 1	5, 6
C₃H₈	2, 4	1, 3	3, 9	2, 3	2, 3		1, 7	2, 4	1, 4
i-C₄H₁₀	0, 7	0, 8	0, 9	0, 1	0, 7	0, 9	0, 6	0, 6	0, 7
n-C₄H₁₀	0, 3	0, 7	0, 9	0, 1	0, 7	0, 2	1, 9	0, 5	1, 5
V_o
P_пл
t_пл

Продолжение табл. 4.3

B
CH₄	91, 1	89, 9	88, 4	90, 2	88, 5	88, 8	85, 6	85, 7	90, 9
C₂H₆	4, 8	5, 8	8, 6	4, 6	7, 2	6, 1	10, 5	10, 5	5, 5
C₃H₈	3, 1	2, 6	1, 6	1, 6	2, 8	4, 1	2, 8	2, 5	2, 3
i-C₄H₁₀	0, 6	0, 8	0, 9	0, 8	0, 9	0, 9	0, 3	0, 8	0, 5
n-C₄H₁₀	0, 4	0, 9	0, 5	2, 8	0, 6	0, 1	0, 8	0, 5	0, 8
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	89, 9	88, 9	92, 3	91, 5	89, 6	85, 8	86, 4	91, 1	88, 1
C₂H₆	5, 7	8, 6	4, 6	6, 2	6, 5	10, 4	9, 4	6, 3	6, 6
C₃H₈	2, 7	1, 5	1, 9	1, 3	2, 7	2, 7	3, 7	1, 9	4, 2
i-C₄H₁₀	0, 8	0, 7	0, 7	0, 3	0, 5	0, 6	0, 3	0, 3	0, 7
n-C₄H₁₀	0, 9	0, 3	0, 5	0, 7	0, 7	0, 5	0, 2	0, 4	0, 4
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	86, 8	89, 1	91, 6	91, 2	87, 8	89, 4	90, 6	90, 5	88, 8
C₂H₆	7, 6	6, 9	4, 8	5, 1	6, 1	6, 8	7, 1	5, 5	6, 4
C₃H₈	4, 9	3, 6	2, 4	2, 5	5, 1	2, 9	1, 3	2, 9	3, 8
i-C₄H₁₀	0, 6	0, 1	0, 7	0, 9	0, 8	0, 7	0, 6	0, 8	0, 7
n-C₄H₁₀	0, 1	0, 3	0, 5	0, 3	0, 2	0, 2	0, 4	0, 3	0, 3
V_o
P_пл
t_пл

Продолжение табл. 4.3

B
CH₄		85, 6	90, 7	91, 7	87, 8	89, 6	88, 1	91, 9
C₂H₆	6, 9	10, 7	6, 3	5, 1	7, 7			4, 2	5, 1
C₃H₈	2, 4	2, 3	1, 6	1, 8	3, 1	2, 9	2, 7	2, 6	1, 7
i-C₄H₁₀	0, 8	0, 9	0, 8	0, 9	0, 6	0, 9	0, 8	0, 4	0, 6
n-C₄H₁₀	0, 9	0, 5	0, 6	0, 5	0, 8	0, 6	0, 4	0, 9	0, 6
V_o
P_пл
t_пл
B
CH₄	91, 2	90, 3	89, 7
C₂H₆	5, 3	6, 4
C₃H₈	1, 9	1, 9	1, 8
i-C₄H₁₀	0, 9	0, 9	0, 8
n-C₄H₁₀	0, 7	0, 5	0, 7
V_o
P_пл
t_пл

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 Следующая ⇒