ре. Учебное пособие Издательство Нижневартовского государственного университета 2017
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
2.1.5. Физические свойства нефтей Плотность нефти составляет 700–1 000 кг/м 3 (при нормальных условиях. С повышением температуры плотность нефти уменьшается, поэтому для приведения ее к нормальным условиям вводят температурную поправку [11]: 20 20 t t , где – коэффициент объемного расширения нефти (0,0006 0,0008). Вводят также относительную плотность нефти [11]: 4 20 В н Здесь н – плотность нефти при 20 Св плотность воды при 4 СВ США, например, температурный стандарт – 60 °F (15,56 С. Зависимость плотности нефти от давления (те. глубины залегания неоднозначна. Так, в х гг. Коренев исследовал 250 образцов нефти в 70% с глубиной залегания плотность понижается, в 12% – повышается без какой-либо закономерности. Вязкость. 1. Динамическая вязкость определяется, как известно, из уравнения Ньютона [11]: Здесь F – сила трения между слоями жидкости при ее движении коэффициент динамической вязкости dυ/dx – градиент скорости в направлении, перпендикулярном потоку жидкости S – площадь соприкосновения слоев. В системе единиц СИ коэффициент динамической вязкости имеет следующую размерность = 2 м с Н = Пас. Пользуются также внесистемной единицей 1 Пз = 10 -1 Пас, или 1 сПз = 1 м Пас. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью [11]: 1 2. Кинематическая вязкость [11]: Коэффициент кинематической вязкости в системе СИ имеет размерность мс, в системе СГС измеряется в стоксах: 1 Ст = 10 -4 мс. 3. Относительная (условная) вязкость показывает во сколько раз кинематическая вязкость нефти при 20 С больше вязкости воды при 4 С. Единицы измерения условной вязкости – градусы условной вязкости °ВУ t , определяющие отношение времени истечения из вискозиметра 200 см нефти ко времени истечения 200 см воды при температуре 20 С. Связь между коэффициентом кинематической вязкости и °ВУ t выражается зависимостью [11]: 4 0 0 10 0631 , 0 0731 , 0 ВУ ВУ Физические свойства нефти в пластовых условиях значительно отличаются от поверхностных. Это связано с повышением давления и температуры, а главное, способностью нефти растворять в себе газ при высоких давлениях. Поэтому с увеличением давления вязкость нефти уменьшается за счет растворенного в ней газа (более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже. С повышением температуры вязкость нефти уменьшается в соответствии с формулой Френкеля для однородной жидкости кТ о ж e , где Е – энергия активации, необходимая для перехода частиц жидкости из одного состояния равновесия в другое к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. На практике, как правило, пользуются экспериментально определяемой зависимостью коэффициента динамической вязкости от температуры. Чаще всего это зависимость вида ) ( 0 T T о ж e , где γ – показатель степени, характерный для данной конкретной нефти в измеренном диапазоне температур Т–Т 0 ; μ 0 – вязкость нефти при температуре Т. 2.1.6. Свойства природных газов Газ в месторождении – это всегда смесь, которая характеризуется массовыми или молярными концентрациями компонентов. Массовая концентрация какого-либо компонента [13]: % 100 i i m i m m c , где m i – масса го компонента в смеси. Молярная концентрация с, где n i – число молекул го компонента в смеси. Можно ввести и объемную концентрацию с, где V i – объем го компонента в смеси. Но по закону Авогадро равные объемы любых газов при постоянных давлении и температуре содержат одинаковое число молекул. Например, объем одного кмоля газа при Т = 0 °C, P = 1 атм. равен 22,4 м, те. объем го компонента пропорционален числу его молей. Следовательно, с, те. объемный состав газа можно считать равным молекулярному. Плотность газа может быть найдена по его средней молекулярной массе, которая определяется по молекулярному составу м, где М – молекулярная масса компонентов. Или по массовому составу 100 100 1 2 2 1 1 n i i m i n m n m m cм M C M C M C M C M Тогда плотность смеси газов при нормальных условиях равна 3 4 , 22 м кг М см cм Относительная плотность газа по воздуху (табл. 2.1) [13]: 97 , 28 293 , 1 ) 1 0 ( см возд см см o в см см М М М атм P C t Таблица 2.1 Относительная плотность газа по воздуху Газ Воздух Азот СОН СН 4 С 2 Н 6 С 3 Н 8 С 4 Н 10 см 1 0,97 0,518 1,191 0,55 1,038 1,52 2,0065 Из таблицы 2.1 видно, что газы (у которых см 1) могут накапливаться в оборудовании, что является взрывоопасным. Экспериментально плотность газа газа определяют специальными газовыми пикнометрами по скорости истечения газа из малых отверстий, т.к. из кинетической теории газов следует, что 2 газа, следовательно 1 2 2 2 2 1 v v , где 2 – искомая плотность, а 1 – например, плотность воздуха. Так как скорость истечения обратно пропорциональна времени, то 2 2 1 t , следовательно, 1 2 2 1 2 2 t t и 2 1 2 2 1 В пластовых условиях необходимо пересчитать плотность газа на пластовое давление. Полагая газ идеальным, имеем [13]: пл пл р p 0 Следует также иметь ввиду, что для смеси идеальных газов справедливы законы Дальтона и Амага. Закон Дальтона. Общее давление смеси газов, находящихся в определенном объеме, равно сумме парциальных давлений (которыми обладал бы каждый газ, если бы занимал один и тот же объем) [13]: i p p , где p – общее давление смеси газов p i – парциальное давление го газа в смеси. Закон Амага выражает аддитивность парциальных объемов компонентов газовой смеси [13]: Дроссельный эффект Известно, что при адиабатическом расширении или сжатии газа имеет место изменение его температуры. Этот эффект – понижения температуры T при снижении давления p в условиях адиабатического расширения газа – называют также эффектом Джоуля – Томсона. Математически он выражается следующим уравнением [13]: p T , где α – коэффициент Джоуля – Томсона – для газов, в отличие от жидкостей, величина обычно положительная, имеющая порядок К/МПа. Вязкость газов Из кинетической теории идеальных газов известно, что вязкость газа может быть определена аналитически по формуле [13]: 3 , где υ – средняя скорость движения молекул, λ – средняя длина пути свободного пробега молекул. Следовательно, если давление в газе увеличивается, то его плотность также увеличивается, а длина свободного пробега молекул уменьшается. При этом скорость молекул газа не меняется. Таким образом, вязкость газа также не меняется. Если в газе увеличивается температура, скорость его молекул значительно возрастает, тогда как плотность и длина свободного пробега остаются неизменными. Это приводит к увеличению вязкости газа, что принципиально отличает поведение газа при высоких температурах от нефти (рис. 2.1.1) [13]. Рис. 2.1.1. Динамическая вязкость газов при атмосферном давлении в зависимости от температуры Рис. 2.1.2. Зависимость отношения вязкости газа к его вязкости при нормальных условиях от приведенных давлений и температур 1 – гелий 2 – воздух 3 – азот 4 – углекислый газ 5 – сероводород 6 – метан 7 – этилен 8 – этан 9 – пропан 10 – бутан 11 – бутан 12 – пентан 13 – гексан 14 – гептан 15 – октан 16 – нонан; 17 – декан В тоже время, если в газе одновременно увеличиваются и давление и температура, то вязкость газа в целом уменьшается, как и у жидкостей при подобных условиях. Это объясняется тем, что в реальных газах вязкость обусловлена перелетом молекул из слоя в слой, и при больших давлениях этот процесс также, как и у жидкостей, затруднен, однако при повышении температуры скорость молекул увеличивается, перелет становится легче, и вязкость газа уменьшается (рис. 2.1.2) [13]. 2.1.7. Коэффициент сверхсжимаемости природных газов Как известно, соотношение между параметрами – характеристиками состояния газа (давлением, объемом и температурой) – определяется законами газового состояния. Для идеального газа это уравнение Клапейрона – Менделеева [13]: RT M m PV , где m – масса газа М – его молярная масса, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, Р – давление, V – объем газа. Но реальные газы не подчиняются этому закону. Для математического описания состояния реальных газов выявились 2 пути. Первый путь – введение поправочных членов в уравнение Клапейрона – Менделеева Уравнение Ван-дер-Ваальса, в котором введены две константы, учитывающие взаимодействие молекул газа и их собственный объем [13]: RT b V V a P 2 , где V – объем газа 2 V a – слагаемое, учитывающее силу притяжения молекул газа, b – поправка на собственный объем молекула 3p кр V 2 кр ; b = кр кр, кр – критические параметры. Последнее уравнение записано для одного моля вещества. Для вещества, имеющего массу m, уравнение запишется в виде [13]: 2 2 2 RT M m b M m V V a M m P Уравнение состояния Редлиха – Квонга, в котором b V V T V 5 , 0 2 , те. [13]: 5 , 0 RT b V b V V T a P Уравнение Пенга – Робинсона, включающее 3 константы [13]: ) ( 1 Третья константа s в этом уравнении учитывает нецентраль- ность сил взаимодействия между сложными молекулами. Кроме этих уравнений известны также уравнение Битти – Бриджмена с пятью константами, уравнение Бенедикта – Вебба – Рубина, в которое введены 8 констант, и другие (как известно, в физике существует множество модификаций уравнения Ван-дер- Ваальса: уравнения Диттеричи, Бертло, Клаузиуса, Камерлинг- Оннеса и т.д.). Второй путь – введение в уравнение коэффициента, характеризующего степень отклонения реального газа от закона идеального газа, коэффициента сверхсжимаемости газа Z [13]: RT M m Z PV , где Характер изменения функции T P Z Z , можно установить по изменению объема реального газа в сравнении с идеальным при прочих равных условиях с изменением температуры и давления (рис. 2.1.3, 2.1.4). На рисунке 2.1.3 использовано понятие приведенных параметров безразмерных величин, показывающих во сколько раз действительные параметры состояния газа больше или меньше критических [13]: кр пр P P p / , / кр пр T T T Рис. 2.1.3. Зависимость коэффициента сверхсжимаемости природного газа от приведенных абсолютных давления Р пр и температуры Т пр В идеальных газах (по определению силами взаимодействия между молекулами можно пренебречь) молекулы занимают незначительный объем по сравнению с объемом газа и не испытывают сил притяжения друг к другу. В реальных газах молекулы обладают определенными размерами и массой и взаимодействуют друг с другом (поэтому реальный газ приближается к идеальному при низких давлениях, когда число молекул в единице объема мало и Z = 1). Рис. 2.1.4. Зависимость коэффициента сверхсжимаемости азота от давления и температуры Далее рассмотрение процесса можно разделить наследующие этапы I. С повышением давления молекулы сближаются и вначале притягиваются, помогая внешним силам сжимать газ, те. реальные газы сжимаются сильнее, а Z уменьшается. II. Затем, когда газ сжат до такой степени, что близок по свойствам к жидкости, начинают действовать силы отталкивания, и степень сжатия становится меньше, чем при малых давлениях, те. Z возрастает при дальнейшем увеличении Р. Вопросы для самоконтроля 1. В каких фазовых состояниях могут находиться флюиды в земной коре 2. На какие основные виды подразделяют продуктивные залежи в зависимости от фазового состояния и соотношения углеводородов 3. Какие залежи относят к газоконденсатными газогидратным? 4. Как классифицируют нефти по групповому составу 5. В чем особенность физических свойств АСВ нефти 6. Как зависят плотность и вязкость нефти от давления и температуры. Как зависят плотность и вязкость газа от давления и температуры 8. В чем состоят законы Дальтона и Амага для газов 9. Как рассчитывают плотность смеси газов 10. Что такое коэффициент сверхсжимаемости газов Поясните его зависимость от давления и температуры. 140 2.2. Физические свойства пластовых углеводородов 2.2.1. Растворимость газов в нефти Известно, что нефть, газ и вода разделяются в залежах и распределяются по структуре, как правило, в соответствии с удельным весом. Однако нефть и газ не при любых условиях могут существовать в пласте раздельно. Это определяется относительным содержанием газа в пласте, давлением, температурой и растворимостью газов в нефти. Все важнейшие свойства нефти – вязкость, сжимаемость, плотность, термическое расширение и другие – зависят отколи- чества растворенного в ней газа. Газонасыщенность нефтей при различных давлениях и температурах определяется обычно экспериментально (термодинамические расчеты очень сложны. При небольших давлении и температуре растворимость газа в нефти подчиняется закону Генри [15]: ж, (2.2.1) те. количество газа V r , растворенного приданной температуре в объеме жидкости ж, пропорционально давлению р газа над поверхностью жидкости [15]: , ж г pV V (2.2.2) коэффициент растворимости газа = (4 5)10 -5 Па -1 В реальных газах коэффициент растворимости зависит, кроме давления и температуры (чем выше температура, тем углеводородный газ хуже растворяется, от природы газа и жидкости, их состава и других факторов. Так, разные компоненты нефтяного газа обладают различной растворимостью, причем с увеличением молекулярного веса газа коэффициент растворимости возрастает. Особенно плохо растворяется азот (рис. 2.2.1) [15]. Из рисунка 2.2.1 видно, что чем менее растворим газ (N 2 , CH 4 ), тем лучше выполняется закон Генри. В высокомолекулярных газах при больших давлениях происходит обратное испарение компонентов нефти в сжатый газ. Растворимость газа зависит также от свойств нефти, в которой он растворяется чем больше содержится в нефти парафиновых углеводородов, тем лучше растворимость газов, а повышение содержания ароматических углеводородов уменьшает растворимость. Но, как видно из рисунка, на процесс растворения газа в нефти в большей степени влияет все же состав газа, чем состав нефти. Рис. 2.2.1. Изотермы растворимости газа в различных нефтях (Т, С, Р, Н) при температуре 50 С Кроме того, количество растворяющегося или выделяющегося газа зависит от характера процесса 1) контактный процесс (одноступенчатый) – при котором весь выделившийся газ находится в контакте с нефтью 2) дифференциальный процесс – выделяющийся газ непрерывно отводится из системы 3) ступенчатый (многократный) процесс – по мере снижения давления выделившийся газ отводится из системы и замеряется порциями. Количественно процесс разгазирования характеризуют коэффициентом разгазирования – количеством газа, выделяющегося из единицы объема нефти при снижении давления на единицу графически – кривыми разгазирования (рис. 2.2.2) [15]. Вводится также понятие газонасыщенности нефти (объемного количества растворенного в нефти газа при фиксированных давлении и температуре. Типичные изотермы газонасыщенности приведены на рисунке 2.2.3 [15]. Рис. 2.2.2. Кривые разгазирования нефти при разных температуре и плотности нефти ρ: 1 – 20 С, ρ = 809 кг/м 3 ; 2 – 100 С, ρ = 809 кг/м 3 ; 3 – 105 С, ρ = 824 кг/м 3 Рис. 2.2.3. Изотермы растворимости газа в нефти |