6. Фазовые состояния углеводородных систем

При движении нефти и газа в пласте, стволе скважины, системах сбора и подготовки меняются давление и температура, что обусловливает изменение фазового состояния углеводородов — переход из жидкого в газообразное состояние и наоборот. Так как нефть и газ состоят из большого числа разнообразных по своим свойствам компонентов, то при определенных условиях часть этих компонентов может находиться в жидкой фазе, а другая — в паровой (газовой) фазе. Очевидно, что закономерности движения однофазной системы в пласте и стволе скважины значительно отличаются от закономерностей многофазного движения. Условия дальнего транспорта нефти и газа и последующей переработки требуют отделения легко испаряющихся компонентов от жидкой конденсированной фракции. Поэтому выбор технологии разработки месторождения, системы внутрипромысловой подготовки нефти и газа во многом связан с изучением фазового состояния углеводородов в меняющихся термодинамических условиях.

Фазовые превращения углеводородных систем иллюстрируются диаграммами фазовых состояний, показывающими связь между давлением, температурой и удельным объемом вещества.

На рис. 1.'5, а приведена диаграмма состояния чистого газа,

(этана). Сплошными линиями на диаграмме показана связь между давлением и удельным объемом вещества при постоянных температурах. Линии, проходящие через область, ограниченную пункФирной кривой, имеют три характерных участка. Если рассматривать одну из линий области высоких давлений, то сначала рост давления сопровождается небольшим увеличением удельного объема вещества, которое обладает сжимаемостью и в этой области находится в жидком состоянии. При некотором давлении изотерма резко изламывается и имеет вид горизонтальной линии. При постоянном давлении происходит непрерывное увеличение объема вещества. В этой области жидкость испаряется и переходит в паровую фазу. Испарение заканчивается в точке второго излома изотермы, после которого

/ |Х

^;Х)

■‘л

Температура, °С

1.4. Вязкость метана при различных давлениях и температурах

Рис.

изменение объема сопровождается почти пропорциональным уменьшением давления. В этой области все вещество находится в газообразном состоянии (в паровой фазе). Пунктирной линией, соединяющей точки излома изотерм, ограничена область перехода вещества из жидкого в паровое состояьие или наоборот (в сторону уменьшения удельных объемов). Эта область соответствует условиям, при которых вещество находится одновременно в двух состояниях жидком и газообразном (область двухфазного состояния вещества). Пунктирная линия, расположенная влево от точки С, называется кривой точек парообразования. Координаты точек данной линии — давление и температура, при которых начинается кипение вещества. «Вправо от

.г CD

2—1020 \Vi 17

V

г

' Ж

Филиал УПГУ в г Усиискс

точки С лежит пунктирная линия, называемая крифй точек конденсации или точек росы. Она показывает при к^ких давлениях и температурах начинается конденсация парб — переход вещества в жидкое состояние. Точка С, лежащая в вершине двухфазной области, называется критической точкой. При давлении и температуре, соответствующих этой точке, свойства паровой и жидкой фаз одинаковы. Кроме того/ для чистого вещества критическая точка определяет наивысшие значения давления и температуры, при которых вещество может одновременно находиться в двухфазном состоянии. При рассмотрении

Удельный оВъем, Зм³/кг Температура.,⁰С

Рис. 1.5. Диаграмма состояния чистого газа

изотермы, не пересекающей двухфазную область видно, что свойства вещества изменяются непрерывно и переход вещества из жидкого состояния в газообразное или наоборот происходит, минуя двухфазное состояние.

На рис. 1.5,6 приведена диаграмма состояния этана, перестроенная в координатах давление — температура. Так как чистое вещество из одного фазового состояния в другое переходит при постоянном давлении, то кривые точек испарения и конденсации на этой диаграмме совпадают и заканчиваются критической точкой С. Полученная линия разграничивает области жидкого и парообразного состояний вещества. В двухфазном состоянии вещество может находиться только при давлениях и температурах, соответствущих координатам этой линии.

Закономерности фазовых переходов сложнее, если вещество представляет собой многокомпонентную систему (рис. 1.6).

В

Рис. 1.6. Диаграмма состояния многокомпонентного газа

Удельный объем Температура

диаграммой чистого вещества диаграмма в этих координатах имеет вид петли (рис. 1.6,6). Кривая точек начала парообразования, являющаяся границей, разделяющей области жидкого и двухфазного состояний вещества, и кривая точек росы, отделяющая двухфазную область от области парообразования, соединяются в критической точке С. В данном случае критическая точка не является точкой максимального давления и температуры, при которых одновременно могут существовать две фазы, но как и в случае чистого вещества в критической точке плотность и состав фаз одинаковы.

Для многокомпонентной системы точка М с максимальной температурой, при которой возможно двухфазное состояние, называется крикондентермой, а точка N с соответствующим давлением — криконденбарой. Между этими точками и критической точкой существуют две области, в которых поведение

отличие от чистого вещества для многокомпонентных систем изменение объема в двухфазной области сопровождается и изменением давления (рис. 1.6,а). Для полного испарения жидкости необходимо непрерывно понижать давление и наоборот для полной конденсации газа надо непрерывно повышать давление. Поэтому давление точки начала парообразования для многокомпонентной системы выше давления точки начала конденсации и при перестроении диаграммы фазовых состояний в координатах давление — температура кривые точек начала испарения и точек росы не совпадают. По сравнению с фазовой

смеси отличается от поведения чистого вещества. При изотермическом сжатии, например при температуре Т₂ по' линии ЕА, смесь после пересечения в точке Е линии точек росы частично конденсируется и переходит в двухфазное состояние. С дальнейшим повышением давления доля жидкой фазы возрастает, но лишь для определенного давления, соответствующего точке Д. Последующее увеличение давления от точки Д до точки В ведет к уменьшению доли жидкой фазы, а затем смесь снова переходит в парообразное состояние. Давление в точке Д, при котором образуется максимальное количество жидкой фазы, называется давлением максимальной конденсации.

Аналогичные явления наблюдаются и при изобарном нагревании жидкости по линии ЛИГЕ. Первоначально смесь находится в однофазном жидкостном состоянии. После пересечения линии точек начала парообразования в точке Л в смеси появляется паровая фаза, количество которой растет до точки Н. Последующее повышение температуры ведет к уменьшению объема паровой фазы вплоть до возвращения всего вещества в жидкое состояние в точке Г.

Области, в которых конденсация и испарение происходят в направлении, обратном фазовым превращениям чистого вещества, получили название ретроградных областей (на рис. 1.6,6 они заштрихованы). Явления, происходящие в этих областях, называют ретроградным (обратным) испарением и ретроградной (обратной) конденсацией. Эти явления широко используются в процессах внутрипромысловой подготовки газа для выбора условий, при которых обеспечивается максимальное отделение газового конденсата.

Петлеобразная форма диаграммы фазовых состояний (см. рис. 1.6,6) характерна для всех многокомпонентных смесей, но форма петли, положение критической точки и ретроградных областей зависят от состава смеси. Если состав пластовой смеси таков, что крикондентерма располагается левее изотермы, соответствующей пластовой температуре (линии FT₃), то по мере снижения давления при разработке месторождения эта смесь будет находиться только в однофазном газовом состоянии. Смеси углеводородов такого состава образуют газовые месторождения.

Если состав смеси таков, что пластовая температура находится между критической температурой и температурой крикон- дентермы (линия АТ₂), то такие углеводородные смеси образуют газоконденсатные месторождения. В процессе снижения давления при пластовой температуре из них будет выделяться жидкая фаза, называемая конденсатом.

Для нефтяных месторождений критическая точка располагается правее изотермы пластовой температуры (линия GT_X). Если точка G с координатами, соответствующими начальному пластовому давлению и пластовой температуре, расположена выше линии начала парообразования, то нефть находится в однофазном жидком состоянии и недонасыщена газом. Только при снижении давления ниже давления насыщения (точка D) из нефти начинает выделяться газовая фаза. Нефтяные месторождения, состав углеводородной смеси которых таков, что начальное пластовое давление (точка К) ниже давления насыщения, имеют газовую шапку, которая представляет собой скопившуюся в верхней части залежи газовую фазу.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте элементарный, групповой и фракционный составы нефти.

2. Как определяют плотность нефти?

3. Какими показателями характеризуют вязкость нефти и как они связаны между собой?

4. Какие компоненты входят в состав природных газов, как определяют их содержание?

5. Что понимают под термином «газовый конденсат»?

6. Запишите закон состояния реального газа и объясните порядок определения входящего в него коэффициента сверхсжимаемости.

7. Нарисуйте и объясните диаграммы фазовых состояний чистого газа и многокомпонентной системы.