Каталог

Помощь

Корзина

Свойства пластовых жидкостей. Лекция 7

Оригинальный документ?

ЛЕКЦИЯ 7

 

     СВОЙСТВА ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

1. Физическое состояние нефти и газа при различных условиях

 

Углеводороды в зависимости от их состава, давления и температуры могут находиться в залежи в различных состояниях - газообразном, жидком или в виде газожидкостных смесей.

При большом количестве газ располагается в виде газовой шапки в верхних частях структуры. При этом часть жидких углеводородов нефти в виде паров содержится и в газовой фазе. Под высоким давлением в пласте плотность газа приближается по величине к плотности легких углеводородных жидкостей. В таких условиях некоторое количество углеводородов растворяется в сжатом газе. Если же количество газа в залежи по сравнению с объемом нефти мало, а давление достаточно высокое, газ полностью или частично растворяется в нефти. Поэтому в зависимости от условий залегания и количественного соотношения нефти и газа залежи подразделяются на:

1. газовые;

2. газоконденсатные;

3. газонефтяные (с большой газовой шапкой и нефтяной оторочкой);

4. нефтяные (с различным содержанием газа).

В связи с изменчивостью факторов, определяющих состояние газонефтяных смесей, резко очерченных границ, разделяющих месторождения на отдельные типы, не существует.  Для более обоснованного подразделения залежей на газовые, газоконденсатные и газонефтяные пользуются характеристиками фазовых превращений, протекающих по-разному в зависимости от состава углеводородов и условий их залегания.


 2. Химический состав нефти и газа

 

В зависимости от химического состава нефти и газа изменяются их свойства в пластовых условиях и определяются закономерности движения их в пласте.  Нефти состоят в основном из углеводородов метанового или парафинового ряда общего состава CnH2n+2 и полиметиленов или нафтенов (CnH2n). Кроме парафинов и нафтенов в нефти в небольшом количестве содержатся и ароматические углеводороды. Большое значение для практики имеют некоторые классы органических соединений кислорода, азота, серы и других элементов. Эти соединения содержатся в небольших количествах, но из-за высокой поверхностной активности существенно влияют на свойства жидкостей на границах раздела фаз. Адсорбция этих компонентов на поверхности пород резко изменяет ее свойства, а на границах раздела жидкостей образуются прочные межфазные пленки. В результате этого увеличивается стойкость эмульсий, изменяются условия фильтрации пластовых жидкостей и т.д. Газы в подавляющем большинстве представляют собой смеси, состоящие, главным образом, из предельных углеводородов - метана и его гомологов. Наряду с углеводородами в их состав входят азот, углекислота, сероводород и редкие газы. Попутные нефтяные газы месторождений Удмуртии содержат большое количество азота и поэтому не пригодны для использования в качестве энергоносителей.

Состав нефтей и нефтегазовых смесей выражается в виде массовой или объемной концентрации компонентов в процентах и мольных долях. Массовая концентрация какого-либо компонента газовой смеси равна массе этого компонента, деленной на массу смеси.

Состав нефтей и нефтегазовых смесей выражается в виде массовой или объемной концентрации компонентов в процентах и                                                           (1)

Объемная концентрация соответственно равна объему i-го компонента к объему смеси, а мольная - отношению числа молей i-го компонента к суммарному числу молей в системе. Зависимость между мольной и объемной концентрациями компонентов вытекает из закона Авогадро. Так как равные объемы любых газов при одинаковых термобарических условиях содержат одинаковое число молекул, то объем i-го компонента смеси будет пропорционален числу молей i-го компонента:

Объемная концентрация соответственно равна объему i-го компонента к объему смеси, а мольная - отношению числа молей ,                                                              (2)

где К - коэффициент пропорциональности.

Следовательно,

Следовательно, , (3)  ,                                                  (3)

т.е. мольная концентрация компонента  при атмосферных условиях практически совпадает с объемной концентрацией этого компонента.

В таблице 1 приведен средний состав газов с газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений России.  При нормальных условиях углеводороды от метана CH4 до бутана C4H10 находятся в газообразном состоянии, а остальные в жидком. Пропан и бутан с повышением давления легко переходят в жидкое состояние. Упругость насыщенных паров углеводородов, то есть то давление, при котором газ начинает конденсироваться и переходить в жидкое состояние, повышается с ростом температуры и она тем выше, чем ниже плотность углеводородов. Упругость пара является нелинейной функцией температуры. Все процессы разработки месторождений и добычи нефти связаны с изменением термобарических условий залегания углеводородов. Поэтому законы термодинамики широко используются для объяснения происходящих при этом явлений и для расчета поведения углеводородных систем в различных условиях.


 Таблица 1

Средний состав газов с газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений России

Месторождение

Объемный состав газа, %

Относительная плотность

 

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12+ высшие

CO2

H2S

N2+R

 

Газовые месторождения

Дашавское

98,2

0,35

0,15

0,12

0,05

0,1

нет

1,0

0,563

С.-Ставропольское

98,0

0,31

0,44

0,05+высшие

 

 

 

 

Газлинское

97,2

3,2

0,9

0,47

0,13

0,1

нет

2,5

0,568

Газоконденсатные месторождения

Вуктыльское

71,8

8,7

3,9

1,8

6,4

0,1

-

4,3

-

Карадагское

94,4

3,27

0,8

0,64

0,66

0,2

нет

-

-

Оренбургское

85,2

5,0

1,7

0,8

1,9

0,6

-

4,8

-

Нефтяные месторождения

Ромашкинское

39,0

20,0

18,5

6,2

4,7

0,1

нет

11,5

1,07

Старогрозненское

34,4

20,0

20,6

19,8

6,9

2,5

нет

-

-

Туймазинское

42,0

21,0

18,4

6,8

4,6

0,1

нет

7,1

1,062

Мухановское

30,1

20,2

23,6

10,6

4,8

1,5

2,4

6,8

1,186


 

3. Отклонение состояния реальных газов от законов идеального газа

 

Уравнение состояния идеальных газов при различных условиях в той или иной степени всегда не соответствует уравнениям состояния реальных газов. Законы растворимости реальных газов в нефтях и пластовых водах, зависимости плотности и вязкости газов от давления и температуры также не подчиняются законам идеального газа.


Состояние газа характеризуется давлением (р), температурой (Т) и объемом (V). Соотношение между этими параметрами определяется законами газового состояния, которые широко используются в практике добычи нефти и газа. Состояние реальных газов описывается различными уравнениями. Например, уравнение Ван-Дер-Ваальса имеет вид:

Состояние газа характеризуется давлением (р), температурой (Т) и объемом (V). Соотношение между этими параметрами определяется законами                                                (4)

где a - сила притяжения молекул;

      b - собственный объем молекул газа.

Сложность использования уравнения (4) на практике связана с тем, что в реальности всегда существует некая смесь газов. Хорошее совпадение с экспериментальными данными для газов, плотность которых не превышает двух третей от плотности газа при критических условиях, получают при использовании уравнения Битти-Бриджмена

Сложность использования уравнения (4) на практике связана с тем, что в реальности всегда существует некая смесь,                          (5)

где R - газовая постоянная

Т - абсолютная температура 

величины a, b, c, A0  и B0 - постоянные для данных компонентов природного газа.

Уравнение состояния легких углеводородов Бенедикта, Вебба и Рабина имеет вид

Уравнение состояния легких углеводородов Бенедикта, Вебба и Рабина имеет вид, (6),     (6)

где d -молярная плотность (моли в ед. объема)

параметры А0, В0, С0, а, b, с, a, g - постоянные величины для индивидуальных веществ. Для смесей газов эти величины являются функцией состава смеси. Численные значения этих параметров для смеси углеводородов определяются по следующим формулам:

параметры А0, В0, С0, а, b, с, a, g - постоянные величины для индивидуальных веществ. Для;          параметры А0, В0, С0, а, b, с, a, g - постоянные величины для индивидуальных веществ. Для;     параметры А0, В0, С0, а, b, с, a, g - постоянные величины для индивидуальных веществ. Для;

Формула 10;        Формула 11  ;     Формула 12;

Формула 13 ;  Формула 14,

где Формула 15 - молярные доли компонентов в смеси;

Формула 16; Формула 17 и т.д. - числовые значения констант соответствующих компонентов.

Обычно для расчета состояния реальных газов пользуются обобщенным газовым законом в виде уравнения Клапейрона, в которое вводится поправка  (коэффициент сжимаемости), учитывающая отклонение реальных газов от законов сжатия и расширения идеальных газов:

Обычно для расчета состояния реальных газов пользуются обобщенным газовым законом в виде уравнения Клапейрона, в которое    ,                                                           (7)

где      Формула 19- давление, Па;

            Формула 20- объем газа, м3;

            Формула 21 - коэффициент сжимаемости;

            Формула 22 - масса газа, кг;

            Формула 23 - газовая постоянная, Дж(кг*град);

            Формула 24 - температура, оК.

Характер изменения коэффициента сжимаемости с изменением температуры и давления можно установить, учитывая отличия реальных газов от идеального. В идеальном газе молекулы занимают незначительный объем по сравнению с объемом газа и не испытывают сил притяжения друг к другу. Молекулы же реального газа обладают определенными размерами, массой и взаимодействуют друг с другом. Поэтому реальный газ приближается к идеальному при низких давлениях, когда число молекул в единице объема невелико. 

Следовательно, при низких давлениях величина коэффициента сжимаемости должна быть близка к единице. С повышением давления молекулы сближаются и силы взаимодействия между ними помогают внешним силам, сжимающим газ. 

Следовательно, с ростом давления коэффициент сжимаемости вначале уменьшается. Когда же сжатый газ по своим свойствам приближается к жидкости, межмолекулярные расстояния уменьшаются настолько, что начинают проявляться взаимоотталкивающие силы между молекулами, препятствующие дальнейшему уменьшению объема газа. В этих условиях углеводородный газ сжимается меньше, чем при малых давлениях, т.е. значения коэффициента сжимаемости возрастают с увеличением давления. Для оценки коэффициента сжимаемости пользуются зависимостью его от приведенного давления и приведенной температуры (при условии, что газ состоит на 95-96% из метана):

  Следовательно, с ростом давления коэффициент сжимаемости вначале уменьшается. Когда же сжатый газ по своим свойствам приближается;        Следовательно, с ростом давления коэффициент сжимаемости вначале уменьшается. Когда же сжатый газ по своим свойствам приближается  ,                                   (8)

где      Формула 27 и Формула 28 - давление и температура газа;

            Формула 29 и Формула 30  - критические давление и абсолютная температура i-го компонента;

Формула 31  и Формула 32   - среднекритические (псевдокритические) абсолютная температура и давление.

Формула 33 - мольная концентрация i-го компонента.

Различные газы, имеющие одинаковые приведенные температуру и давление, находятся в “соответственных состояниях”. По принципу соответственных состояний термодинамические свойства веществ (в том числе и коэффициенты сжимаемости) с равными приведенными температурой и давлением приблизительно одинаковы, т.к. при этом различные газы находятся как бы в одинаковом приближении к жидкому состоянию.

С помощью коэффициента сжимаемости легко определить объемы газа в различных условиях:

С помощью коэффициента сжимаемости легко определить объемы газа в различных условиях (9)                                                             (9)

Отношение Формула 35 называется объемным коэффициентом газа и используется для пересчета объема газа в нормальных условиях в объем газа в пласте и наоборот.

 

4. Плотность газов

 

За относительную плотность газа принимается отношение плотности газа к плотности воздуха в одном и том же объеме при нормальных условиях.

За относительную плотность газа принимается отношение плотности газа к плотности воздуха в одном и том же                                                                  (10)

Плотность газов измеряют специальными газовыми пикнометрами или эффузивным методом, который основан на измерении скорости истечения газа через отверстия малого радиуса. В соответствии с кинетической теорией отношение квадратов скоростей истечения газов через малые отверстия обратно пропорционально их плотностям. Выражая скорость истечения через время, определяют плотность газа, как

Плотность газов измеряют специальными газовыми пикнометрами или эффузивным методом, который основан на измерении скорости истечения газа                                                                  (11)

Приняв плотность воздуха за единицу, находят относительную плотность изучаемого газа.

Плотность газа можно также определить по его относительной молекулярной массе. Для смеси газов их средняя  молекулярная масса рассчитывается по известному мольному компонентному составу газа по формуле

Плотность газа можно также определить по его относительной молекулярной массе. Для смеси газов их средняя молекулярная                                   (12)

где       (12)где - средняя относительная молекулярная масса газа - средняя относительная молекулярная масса газа

            Формула 40 - относительная молекулярная масса i-го компонента

            Формула 41 - мольные доли компонентов.


Один киломоль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 м3. Следовательно, относительную плотность газа по воздуху можно определить по его средней молекулярной массе из соотношения

 Один киломоль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 м3. Следовательно, относительную плотность газа по                                                             (13)

Кроме того, по известной плотности газа Формула 43 при нормальных условиях его средняя молекулярная масса равна

Кроме того, по известной плотности газа при нормальных условиях его средняя молекулярная масса равна (14)                                                                 (14)         

Плотности многих углеводородных газов и сероводорода больше плотности воздуха. Поэтому они могут накапливаться в помещениях насосных станций, в колодцах. Это необходимо учитывать при проектировании промыслового хозяйства, при проведении работ на промыслах.

 

5. Вязкость газов

 

Вязкость - одно из свойств газов, определяющих закономерности движения их в пласте. Вязкость газа в зависимости от изменения параметров, характеризующих его состояние, изменяется сложным образом. При низких давлениях и температурах свойства реальных газов приближаются к идеальным. Динамическая вязкость газа связана с его плотностью (Формула 45), средней длиной свободного пути(Формула 46 ) и средней скоростью молекул (Формула 47) соотношением

Вязкость - одно из свойств газов, определяющих закономерности движения их в пласте. Вязкость газа в зависимости                                                                  (15)

С повышением давления плотность газа возрастает, но при этом уменьшается средняя длина свободного пробега молекул, а скорость их остается неизменной.

С увеличением температуры вязкость газов возрастает, т.к. скорость движения молекул увеличивается при постоянных плотности и длине свободного пробега. Отмеченный характер изменения вязкости газов объясняется проявлением внутреннего трения. Количество движения из слоя в слой передаются вследствие перелета молекул газа в движущиеся относительно друг друга слои. При этом возникают силы, тормозящие движение одного слоя и увеличивающие скорость движения другого. С повышением температуры увеличивается скорость и количество движения, передаваемое в единицу времени, и, следовательно, увеличивается вязкость. При давлении близком к атмосферному вязкость газов почти не зависит от иго величины. Однако при высоких давлениях вязкость газов изменяется аналогично изменению вязкости жидкости. Газы с более высокой молекулярной массой имеют, как правило, и большую вязкость.

Для экспериментального определения вязкости газов при различных условиях разработано много методов. Основные из них: капиллярный; метод измерения скорости падения шарика в исследуемом газе; методы вращения цилиндров и затухания вращательных колебаний диска, подвешенного в исследуемом газе.