Часть 1 - Томский политехнический университет

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
National Research Tomsk Polytechnic University
Дисциплина
«Физико-химические основы и технологии подготовки,
транспорта и хранения углеводородов»
Модуль 1.
Введение. Основные физико-химические свойства
скважиной продукции, определяющие условия
подготовки, транспорта и хранения
Часть1
Разработчик: к.х.н., доцент каф. ТХНГ Н.В. Чухарева
Томск 2014
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Характеристика, состав и свойства
скважинной продукции
Из скважин вместе с нефтью или газом
поступают:
1. пластовая вода;
2. попутный газ или нефть;
3. твердые частицы механических примесей,
горных пород, затвердевшего цемента.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
В скважинах углеводороды находятся:
•
в жидком состоянии
•
в газообразном состоянии
•
в виде газожидкостных смесей.
Согласно ГОСТ Р 51858-2002
Сырая нефть – трёхфазная система, содержащая нефть, растворённый газ,
пластовую воду и механические примеси.
Товарная нефть – однофазная нефтяная система, подготовленная к поставке
потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и
технических документов
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Элементный состав нефти
• углерод ( 82… 87%),
• водород (11… 14,5%),
• кислород (до 0,35%, редко до 0,7%),
• азот (до 1,8%),
• сера (до 5,3%, редко до 10%).
В незначительных количествах содержится еще более 50
элементов, в т.ч. металлы (кальций, магний, железо, алюминий,
ванадий, никель, натрий и др) и галогены (хлор и йод).
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Фракционный состав НЕФТИ
Принято разделять нефти и нефтепродукты путем перегонки на
отдельные компоненты, каждый из которых является менее сложной
смесью. Такие компоненты называют фракциями или дистиллятами.
Нефть и ее фракции характеризуются температурными пределами
начала кипения и конца кипения
Определяют по ГОСТ 11011–85
или по ГОСТ 2177
Аппарат ректификации АРН-2
ГОСТ 11011-85
Перегонка нефти до
температуры 500 0С
Полуавтоматический аппарат АФС-1
ГОСТ 2177-82
Технические характеристики
Мощность колбонагревателя макс., Вт1000
Диапазон регулирования мощности нагрева,
%
20-100
Диапазон температур, °С
35…400
Погрешность измерения температуры:
паров нефтепродукта, °С ±0,5
температуры теплоносителя в бане, °С
±1,2
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
Пример кривой ИТК фракций нефти
Суммарный выход фракций, % масс.
продукции,
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Нефти различных месторождений различаются
по фракционному составу – содержанию легких,
средних и тяжелых дистиллятов
Большинство нефти содержит:
• 15…25% легких бензиновых фракций,
выкипающих до 180 °С;
• 45…55% фракций, перегоняющихся до 300…350
°С.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Основные фракции нефти:
28–180 С – широкая бензиновая фракция;
140–200 С – уайт–спирит;
180–320 С – широкая керосиновая фракция;
150–240 С – осветительный керосин;
180–280 С – реактивное топливо;
140–340 С – дизельное топливо (зимнее);
180–360 С – дизельное топливо (летнее);
350–500 С – широкая масляная фракция;
380–540 С – вакуумный газойль.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
Групповой состав нефти
(химическая классификация)
6 классов нефти:
• парафиновые,
• парафино-нафтеновые,
• нафтеновые,
• парафино-нафтено-ароматические,
• нафтено-ароматические,
• ароматические.
продукции,
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Групповой состав нефти
(технологическая классификация)
3 класса нефти:
метановая нефть - в нефти преобладает
углеводороды метанового ряда АЛКАНЫ
нафтеновая нефть - в нефти преобладают
углеводороды нафтенового ряда НАФТЕНЫ
ароматическая нефть - в нефти
преобладают углеводороды ароматического
ряда АРЕНЫ
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Алканы нефти СnН2n+2 - это насыщенные
углеводороды (в них отсутствуют двойные связи).
Жидкие
От С5 до С15 , жидкости, входящие в
состав бензиновых (С5…С10) и
керосиновых (С11…С15) фракций нефти.
Газообразные
С1…С4: метан, этан, пропан,
бутан и изобутан, а также 2,2–
диметилпропан
Твердые
С16 и выше при нормальных условиях –
твердые вещества, входящие в состав
нефтяных парафинов и церезинов.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
простейший циклоалкан –
циклопропан (С3Н6)
Нафтеновые углеводороды нефти СnН2n
(циклоалканы) - циклические насыщенные углеводороды
Ароматические углеводороды (арены)
СnH2n-6 (n>6).
Простейшим углеводородом ароматического ряда
является бензол С6Н6.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Гетероатомные соединения
Гетероатомные соединения – соединения, в которых
кроме углерода и водорода в состав молекул входят
кислород, сера, азот, металлы, неметаллы. Они
разделяются на следующие классы.
Кислородсодержащие
Серосодержащие
Азотсодержащие
Смолы и асфальтены
Подавляющая часть гетероатомных соединений содержится в наиболее
высокомолекулярных фракциях нефти, выкипающих выше 300 оС. В
нефтях Западной Сибири на их долю приходится ≈ до 15 %.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЕЙ
По содержанию парафинов
•малопарафинистые (не выше 1,5 %)
•парафинистые (1,51 … 6.00 %)
•высокопарафинистые (выше 6,00 %)
По содержанию серы
По содержанию смол
•малосмолистые (меньше 5 %)
•смолистые (5… 15 %)
•высокосмолистые (выше 15 %)
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
ПЛОТНОСТЬ НЕФТИ
АБСОЛЮТНАЯ
кг/м3 или г/см3
отношение массы
вещества к его
объему
 абс  m V
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ,
безразмерная величина, чаще
используемая на практике
отношение абсолютной плотности
нефти к плотности
дистиллированной воды , взятых при
определенных температурах.
 отн 
 абс.нефти
Н
2
О
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
По величине плотности нефти условно
разделяют на три группы:
Лёгкие ρ= до 820 кг/м3
выход светлых
фракций
наибольший
Средние ρ=820…900 кг/м3
Тяжелые ρ=900 и более кг/м3
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
При изменении давления и температуры плотность нефти
также изменяется, поэтому плотность есть функция от давления
и температуры
   ( Р, Т )
При повышении температуры плотность нефти уменьшается
 (T )   20 1   (20  T )
ρ20 – плотность нефти при условиях 20 оС;
ζ – коэффициент объёмного расширения (табличная величина) - физическая величина,
равная относительному изменению объема при изменении температуры на один градус
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Значения коэффициента объёмного расширения
Плотность
нефти, кг/м3
ξ, 1/0С
Плотность
нефти, кг/м3
ξ, 1/0С
800-819
0,000937
920-939
0,000650
820-839
0,000882
940-959
0,000607
840-859
0,000831
960-979
0,000568
860-879
0,000782
980-999
0,000527
880-899
0,000738
1000-1200
0,000490
900-919
0,000693
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Для расчета плотности нефти в зависимости от
давления используется формула:
P  P0 

 P    0 1 

K


где ρ0 – плотность нефти при нормальных условиях;
Р – давление, Па;
Ро– атмосферное давление, Па;
K – модуль упругости нефти 1,53· 109 Па (1500 МПа)
бензина около 109 Па (1000 МПа)
Для расчета плотности нефти в зависимости и от давления и
от температуры используется объединенная формула:
P  P0 

 P, T    0 1   20  T  
K 

Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Плотность нефти
определяют по ГОСТ 3900–85
Ручной способ
определения
Ареометры
(нефтеденсиметры)
Автоматический
способ
определения
Цифровой автоматический
плотномер DE 45
Определение плотности
сырой нефти с высоким
давлением насыщенных
паров
Автоматические
анализаторы (плотномеры)
Диапазон
измерения 0...3 г/см3.
Точность 0,00005 г/см3.
Термостатирование пробы
в диапазоне +4...90°С
Объем образца 2-5 мл.
Время измерения 40 сек.
Определение автоматическим методом
плотности сырой нефти проводят по АСТМ Д
5002 (Приложение А к ГОСТ Р 50802–95)
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
ВЯЗКОСТЬ
ДИНАМИЧЕСКАЯ
Вязкость - это свойство
текучих тел оказывать
сопротивление перемещению
одной их части относительно
другой
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Кинематическая вязкость отношение динамической вязкости
к плотности текучего тела
Динамическая вязкость μ
1 сПз = 10-3 кг/ м∙с = 10-3 Па∙с
1 сСт = 10-2 Ст = 10-6 м2/с = 1 мм2/с

 

Где  - динамическая
(абсолютная) вязкость, кг/м∙с
Если для характеристик свойств нефти
используется модель вязкой Ньютоновской
жидкости, то касательное напряжение
пропорционально градиенту скорости между
слоями, рассчитанному на единицу
расстояния между ними:
dU
 
dy
 - абсолютная плотность нефти
, кг/м3
 4L 
P    
 D
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Вязкость
Формула Рейнольдса — Филонова:
v(T )  v0 e
 k (T T0 )
Определение вязкости
по ГОСТ 33-2000
ν0 — кинематическая вязкость
жидкости при температуре То;
к — опытный коэффициент.
ВРУЧНУЮ
ВИСКОЗИМЕТР
ЭНГЛЕРА
Принцип действия определение времени
свободного истечения
фиксированной порции
испытуемой жидкости из
камеры прибора через
калиброванный каппилярный
вискозиметр
АВТОМАТИЧЕСКИ
АВТОМАТИЧЕКИЙ
ВИСКОЗИМЕТР
CANNON CAV-2000
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Текучесть - тело обладает способностью
легко деформироваться при минимальных
касательных напряжениях, т. е. такое
тело обладает текучестью  – величиной
обратной динамической вязкости:
 
скважиной
продукции,
1

Тепловые свойства нефтей характеризуются
• теплоёмкостью,
• теплопроводностью,
• теплотой сгорания.
1500…2500 Дж/(кг·К)
Коэффициент теплопроводности () для
нефтей находится в интервале 0,1–0,2
Вт/(м·К)
Высшая и низшая
теплота сгорания
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Под теплоёмкостью (С ) понимается количество
теплоты (dQ), которое необходимо передать единице
массы этого вещества (m), чтобы повысить его
температуру (dT) на 1 С или К
dQ
С
m  dT
C (T ) 
31.56
 20
Величина теплоёмкости зависит от
температуры, поэтому каждое её значение
необходимо относить к определенной
температуре (Сt ) или к интервалу температур.
(762  3.39T )
20 - плотность нефти при 20 °С,
кг/м3
Т - абсолютная температура, К;
С – теплоемкость, Дж/(кг-К).
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Теплопроводность нефтей () определяет перенос энергии от
более нагретых участков неподвижной нефти к более холодным.
Описывается законом теплопроводности Фурье и характеризует
количество теплоты ( dQ ), переносимой в веществе через
единицу площади ( S ) в единицу времени ( t ) при градиенте
температуры ( dT/dx ), равном единице:
dT
dQ   
 S dt
dx
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Теплота сгорания (теплотворная способность)
характеризует количество тепла, выделившегося
при полном сгорании 1 кг топлива до углекислоты
и воды.
высшая (Qв)
количество тепла,
выделившегося при сгорании 1
кг топлива при наличии в нём
влаги
низшая (Qн)
количество тепла, выделившегося
при сгорании 1 кг топлива за
вычетом тепла, направленного на
испарение воды и влаги
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Температура застывания - это температура, при
которой нефть, налитая в пробирку под углом 45о,
остаётся неподвижной в течение 1 минуты
При отсутствии экспериментальных данных о
температурах застывания можно воспользоваться
расчетной формулой:
Tзастываниия
 4.254(ln  50 ) 2  48.347 ln  50  59.5

1  0.184 50
ν50 — вязкость при 50 °С, сСт
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Испарение – процесс перехода вещества из
жидкого или твёрдого состояния в газообразное
Для отрыва молекул от жидкой фазы и перехода их в паровую
или газообразную необходимо затратить энергию,
называемую скрытой теплотой испарения.
Испарение жидкости или
конденсацию паров осуществляют:
однократное
многократное
постепенное
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Агрегатное различие фаз (жидкость–газ) при
одинаковых термобарических условиях определяется только
различием их компонентного состава по следующим
показателям:
Температурой вспышки (воспламенения)
Пожаровзрывоопасностностью
Электризацией
 Токсичностью нефтей
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Температура вспышки – это температура, при которой
пары жидкости, нагретые при определенных условиях,
образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при
поднесении к ней открытого пламени.
Углеводородные жидкости
Т всп. ≤ 61 0С
легковоспламеняющиеся
Т всп. > 61 0С
горючие
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Пожаровзрывоопасность нефти характеризуется
способностью смесей их паров с воздухом воспламеняться и
взрываться
Нижний предел взрываемости - это
концентрация паров жидкости в воздухе,
ниже которой не происходит вспышки
смеси при внесении в эту смесь горящего
предмета.
Верхний предел взрываемости
соответствует такой концентрации паров
нефти в воздухе, выше которой смесь не
взрывается, а горит.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Температура воспламенения - это температура, при которой
жидкость при поднесении открытого пламени горит.
Температура самовоспламенения – это температура нагрева
жидкости, при которой ее пары воспламеняются без поднесения
открытого огня.
В зависимости от температуры воспламенения
установлено пять групп пожароопасных смесей:
Т1 > 450 °С;
Т2 = 300 … 450 °С;
Т3 = 200 … 300 оС;
Т4 = 135 … 200 °С;
Т5 = 100 … 135 °С.
Модуль1:
Основные
физико-химические
свойства
определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
скважиной
продукции,
Электризация углеводородных жидкостей обусловлена их высоким
электрическим сопротивлением, то есть диэлектрическими свойствами (ε),
которые показывают, во сколько раз взаимодействие между
электрическими зарядами в данном веществе меньше, чем в вакууме, при
прочих равных условиях
Величины диэлектрической проницаемости изменяются в
следующих диапазонах:
для воздуха → 1…1,0006;
для нефтяного газа → 1,001…1,015;
для нефти → 1,86…2,38;
для смол и асфальтенов → 2,7…2,8;
для воды → 80…80,1.
Токсичность нефтей и нефтепродуктов заключается в том, что их пары
оказывают отравляющее действие на организм.
Благодарю за внимание!
Перечень рекомендуемой литературы по
дисциплине
Основная:
•
Сваровская Н.А. Подготовка, транспорт и хранение скважинной продукции. /Учебное пособие. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2009. – 268 с.
•
Транспорт скважинной продукции [Электронный ресурс] : учебное пособие / Н. В. Чухарева [и др.];
Национальный исследовательский Томский политехнический уни-верситет (ТПУ). — 1 компьютерный файл
(pdf; 16.3 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2011. — Заглавие с титульного экрана. — Электронная версия печатной
публикации. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe Reader. Режим доступа:
http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2012/m239.pdf
•
Чухарева Н.В. Технологические расчеты простых и сложных нефтегазопроводов [Электронный ресурс] :
учебное пособие / Н. В. Чухарева, А. А. Вострилова; Национальный исследовательский Томский
политехнический универси-тет (ТПУ), Институт природных ресурсов (ИПР), Кафедра транспорта и хранения
нефти и газа (ТХНГ). — 1 компьютерный файл (pdf; 1.9 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2012. — Заглавие с
титульного экрана. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Си-стемные требования: Adobe Reader. Режим
доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2012/m403.pdf
•
Чухарева Н.В. Исследование углеводородных систем при опреде-лении качественных характеристик в
системе магистральных трубопроводов [Элек-тронный ресурс] : учебное пособие / Н. В. Чухарева, А. А.
Новиков; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — 1 компьютер-ный
файл (pdf; 4.98 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2009. — Заглавие с титульного экра-на. — Электронная версия
печатной публикации. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe Reader. Режим
доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2012/m124.pdf
•
Новиков А.А., Чухарева Н.В. Физико-химические основы процессов транспорта и хранения нефти и газа /
Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 164 с.
Дополнительная:
•
Коновалов Н.И., Мустафин Ф.М., Коробов Г.Е. и др. Оборудование резервуаров / Учебное
пособие. – Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2005. – 214 с.
•
Васильев Г.Г., Коробов Г.Е., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Трубопроводный транс-порт нефти.
/Под ред. М.С. Вайнштока. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. – Т. 1. – 408 с.