Часть 2 - Томский политехнический университет
advertisement
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 Часть 3 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, Мировые запасы газа, по прогнозу, достигают 120 триллионов кубометров. Страной с наибольшими запасами природного газа является Россия. Начальные разведанные запасы природного газа на 2006 год составляют более 58000 млрд. м3 Классификация природного газа Месторождения горючих газов подразделяют на: газовые, в которых скопление газов не связано с другими полезными ископаемыми; газонефтяные, где газообразные углеводороды растворены в нефти или находятся над нефтяной залежью в виде так называемой газовой шапки; газоконденсатные, в которых газ обогащен жидкими углеводородами. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной В состав природных газов входят: •углеводороды; (алканы CnH2n+2 и циклоалканы CnH2n) •неуглеводороды; (N2, СО2, Н2S, ртуть, меркаптаны RSH) •инертные газы (гелий, аргон, криптон, ксенон) продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Газы, добываемые из чисто газовых месторождений содержат более 95% метана. Они представляют собой сухой газ, практически свободный от тяжелых углеводородов. Газы, добываемые вместе с нефтью. Это физическая смесь сухого газа, пропан – бутановой фракции (сжиженного газа) и газового бензина. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений. Они состоят из сухого газа и жидкого углеводородного конденсата. Углеводородный конденсат состоит из большого числа тяжелых углеводородов. Кроме того, присутствуют N2, СО2, H2S, Не, и др. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной Состав газа газоконденсатных месторождений, объёмный % продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, По товарным качествам нефтяные газы условно подразделяются на СУХИЕ ПОЛУЖИРНЫЕ Сухость газа оценивается коэффициентом сухости kсух k сух. СН 4 , % УВ ЖИРНЫЕ тяж., % Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Попутный газ Объём газа (в м3), выделившегося при одностадийной сепарации при нормальных условиях на тонну добытой нефти называется газовым фактором и измеряется в м3/тонну Газовый фактор – зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений – может изменяться от 1-2 до нескольких тысяч м3/т нефти – может меняться в процессе разработки месторождения Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, К газообразным углеводородам применимы законы для идеальных систем С точки зрения химии, если в системе силами взаимодействия между молекулами можно пренебречь, то такую систему можно рассматривать как идеальную. С точки зрения термодинамики идеальным называется газ, внутренняя энергия которого зависит только от температуры Для определения многих физических свойств природных газов используется уравнение состояния Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, При умеренных давлениях и температурах свойства газов достаточно хорошо моделируются уравнением состояния Клайперона-Менделеева РV m V – объем газа; R 0T PV mRT m – масса газа; P RT μ - молярная масса газа, кг/кмоль; Ro – универсальная газовая постоянная , 8314 Дж/кмоль·К Для газов применимо понятие удельного объема газа Vуд. , равного отношению объема газа к его массе: Vуд. V m Для конкретного газа рассчитывается своя газовая постоянная: 1 R R0 Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной Другим уравнением состояния, которое более точно состояние газов, является уравнение Ван-дер-Ваальса n2a Р 2 V nb nRT V P – давление, Па V – объём, м3 R – 8,31 Дж/(моль× К) T – температура, К (К =оС+273,15) a, b – коэффициенты Ван-дер-Ваальса RTc a 8Pc 27 R 2Tc2 b 64 pc Тс, Рс – критическое давление и критическая температура продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, В 1975 г. Д.Робинсон и Пенг разработали модификацию уравнения Ван-дер-Ваальса RT a P V b V (V b) B(V b) R 2T 2 a 0.457 Pc RTc b 0.7778 Pc Термодинамические расчеты газожидкостных равновесий в пакете многих компьютерных программ, в том числе и программ HYSYS основаны на уравнении Пенг-Робинсона Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Любой газ: при нормальных физических условиях (Т = 0 оС и Р = 101,325 кПа, 760 мм рт. ст.) занимает объём, равный 22,414 м3, при стандартных физических условиях (Т = 20 оС и Р = 101,325 кПа) занимает объём, равный 24,055 м3. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, К расчёту физико-химических свойств газа, как многокомпонентной смеси применяется принцип аддитивности, то есть каждый компонент газа в смеси ведёт себя так, как если бы он в данной смеси был один. V Vi Ni ρсм ρi Ni Pсм Pi Ni Ni – объемная доля индивидуального газового компонента в смеси, % Как аддитивные величины рассчитывают все физико-химические свойства газа Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Если известна средняя молекулярная масса газовой смеси , то плотность смеси газовых компонентов может рассчитываться как отношение молекулярной массы смеси газа к его мольному объёму Для нормальных условий плотность газовой смеси или газа см 22,414 Дан один моль метана CH4. Найти плотность метана при н.у. и с.у.? Для стационарных условий плотность газовой смеси или газа см 24,055 Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, При стандартных условиях (Р= 0,1013МПа и Т=293К) плотность природного газа составляет примерно 0,7 кг/м3. Для расчетов на практике часто используют относительную плотность газовой смеси по воздуху. отн. смеси смеси воздуха Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Для описания реальных газовых систем в уравнение Клайперона-Менделеева вводится поправка: z – коэффициент сверхжимаемости, характеризующий степень отклонения реального газа от закона идеального газа Р Z P, T R T Р, Т - Это приведенные параметры давления и температуры Приведённые параметры индивидуальных компонентов - это безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа: температура, давление, объём, плотность и другие больше или меньше критических. ТТ Т кр . Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Для всех газов в состоянии термодинамического равновесия существует одно соотношение между давлением P, абсолютной температурой Т и плотностью (или удельным объемом ), называемое уравнением состояния. P, Vуд , T 0 Конкретный вид зависимости устанавливается в ходе калориметрических измерений, однако для большинства газов эта зависимость имеет одни и те же характерные особенности. Геометрически зависимость уравнения состояния представляется двумерной поверхностью в трехмерном пространстве переменных P, V уд ,T Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Для всех газов существует так называемая критическая изотерма ( выделена жирной линией), выше и ниже которой свойства газа качественно различны. n Т см еси крит N i Ti крит i 1 n Рсм еси крит N i Рi крит i 1 V´´ V уд. кр. V´ Точка К называется критической точкой данного газа, при этом величины температуры, давления и удельного объема отражают индивидуальные свойства газа и являются его константами. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной Критические параметры- это табличные величины продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Вернемся к коэффициенту сверхсжимаемости газа Z. Это безразмерная величина, определяемая либо графически, либо расчетным методом Существует множество аппроксимационных формул для вычисления коэффициента Z. Однако свойства реальных газов столь сложны, что универсальных формул для всех газов не существует, поэтому в разных случаях используются различные приближенные формулы. Самой распространенной является формула: Z ( Р, Т ) 1 0,4273 Р Т 3, 668 Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Пример Характеристики газовой смеси представлены в таблице: Найти значения коэффициента Z сжимаемости этой смеси при давлении 6,5 МПа и температуре +25 0С. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Вязкость углеводородного газа при нормальных условиях невелика и не превышает значения 0,01 сантипуаза (сПз) ≈ 10 -3Па·с Неуглеводородные компоненты: азот, углекислый газ, сероводород, гелий, в том числе и воздух, являются более вязкими составляющими природного газа. Величины вязкости для них изменяются в диапазоне от 0,01 до 0,025 сПз. Повышение давления от 0,1 до 1,2 МПа не влияет на величину вязкости газа, поскольку уменьшение средней длины пробега молекулы и средней скорости движения молекулы компенсируется увеличением величины плотности. При давлениях выше 1,2 МПа эти закономерности изменяются. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Особое влияние на величину вязкости газа оказывает азот. При содержании в углеводородном газе более 5 % азота следует учитывать его влияние на вязкость газа и оценивать средневзвешенную вязкость смеси по принципу аддитивности: смеси N азота азота 1 N азота УВ μсм – динамическая вязкость смеси газов; μазота и μУВ – динамические вязкости азота и углеводородов; Nазота – молярная доля азота в составе газа. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной Растворимость углеводородного газа в нефти Процесс растворения газа при небольших давлениях и температурах описывается законом Генри , то есть с повышением давления растворимость газа растёт до определённого давления, зависимость носит линейный характер Плохо растворимые газы (N2, СН4) лучше подчиняются закону Генри, чем хорошо растворимые (СО2, С2Н6, С3Н8). продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Объем растворенного газа в нефти: Vг P Vж Vг – объём растворённого газа при данной температуре; К – константа Генри (К = f()); – коэффициент растворимости газа; Vж – объём жидкости-растворителя; Р – давление газа над поверхностью жидкости. Коэффициент растворимости газа () показывает, какое количество газа (Vг) растворяется в единице объёма жидкости (Vж) при данном давлении: Vг α Vж P 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, Газ выделяется из нефти по двум способам дегазации КОНТАКТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ выделившийся газ находится в контакте с нефтью выделившийся из нефти газ непрерывно отводится из системы Коэффициент разгазирования определяется количеством газа, выделившегося из единицы объёма нефти при снижении давления на единицу. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Растворимость углеводородного газа в воде изменяется в широких пределах и достигает 4-5…10-5 м3/м3 ·Па Растворимость углеводородов в воде также подчиняется закону Генри, но в отличие от нефти, вид зависимости носит нелинейный характер. С увеличением давления растворимость газа в воде увеличивается. С увеличением температуры растворимость газов в в воде вначале растет, а затем снижается, пройдя через минимум. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Растворимость углеводородных газов в воде С увеличением температуры и минерализации растворимость газа в воде любой природы снижается Кривые растворимости газа в дистиллированной (1,2) и соленой воде - 2М раствор NaCl (3,4) при различных температурах и давлениях. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Растворимость углеводородного газа (м3/м3) в минерализованной пластовой воде оценивают по различным формулам, одна из которых : газав пласт.воде газав пресной воде 1 k M газа в пресной воде определяется по графикам; k – поправочный коэффициент на минерализацию в зависимости от температуры, определяется по таблицам; М – содержание солей, %. Значения поправочных коэффициентов на минерализацию в зависимости от температуры Температура, оС 20 38 66 93 121 Коэффициент, k 0,091 0,074 0,050 0,044 0,033 Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной Дросселирование и давление насыщенных паров для индивидуальных газов и газовых смесей. Дросселирование – расширение газа при прохождении через местное гидравлическое сопротивление (штуцер, задвижку, регулятор давления, различные негерметичности в оборудовании промыслов и другие), сопровождающееся изменением температуры. продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Давление, при котором газ находится в термодинамическом равновесии с нефтью, называется давлением насыщенного пара при данных термобарических условиях Давление насыщенных паров определяет летучесть нефти нефтепродуктов, оказывающую влияние на условия их хранения, транспортировки и применения Для индивидуальных углеводородов давление насыщенных паров (Qi) есть функция, зависящая только температуры: Qi =ƒ(Т) В смеси углеводородов давление насыщенных паров является функцией температуры и общего давления смеси: Qсм = ƒ(Т, Рсм) Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения При температуры, давление насыщенных паров Чем тем скважиной продукции, Индивидуальные газы плотность газа, это увеличение При одинаковых температурах с молекулярной массы углеводородного газа давление насыщенных паров 1 – метан; 2 – этан; 3 – пропан; 4 – изобутан; 5 – бутан; 6 – изопентан; 7 – пентан; 8 – изогексан; 9 – гексан; 10 – изогептан; 11 – гептан; 12 – октан; 13 – нонан; 14 – декан Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Фазовое состояние При движении нефти и газа по внутрипромысловому транспорту газонефтяная система сопровождается непрерывными фазовыми превращениями Интенсивность выделения газовой фазы из нефти зависит от: • темпа снижения давления и температуры при движении нефтяного потока; • наличия в составе нефти лёгких углеводородов (С2–С6); • молекулярной массы нефти; • вязкости нефти. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной Однокомпонентная газо-жидкостная система Для однокомпонентной системы кривая давления насыщенного пара С является одновременно кривой точек начала кипения и точек росы. При всех других Р и Т этан находится в однофазном состоянии (либо в газообразном , либо в жидком). продукции, Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, С появлением в системе второго компонента большие различия появляются и в диаграммах "давление – температура" Многокомпонентная система Крайние левая и правая кривые соответствуют давлениям насыщенных паров для легкого (слева) и более тяжелого компонента (справа). Между ними расположены фазовые диаграммы смесей. Явления существования двух фаз при изотермическом или изобарическом расширении (сжатии) смеси в области выше критических температур и давлений называются ретроградными явлениями или процессами обратного испарения и конденсации. Модуль1: Основные физико-химические свойства определяющие условия подготовки, транспорта и хранения скважиной продукции, Фазовые переходы в нефти, воде и газе подчиняются определённым закономерностям, в основе которых лежит понятие равновесия фаз. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонентов меньше, чем это следует из условия равновесия. Схема переноса вещества между двумя фазами 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.
