1.2. Физико-химические свойства углеводородного газа

Лекция № 3

Горючие природные газы образуют или самостоятельные залежи - газовые месторождения или являются спутниками в нефтяных месторождениях.

Нефтяной газ - смесь предельных углеводородов парафинового ряда С_nH_2n+2 , в которой содержится метан, этан, пропан, бутан. Метан обычно преобладает (до 98%). Нередко присутствуют газы CO₂, N₂, H₂S и др. По товарным качествам нефтяные газы условно подразделяют на сухие (СН₄ свыше 85%, конденсата менее 10 см³/м³), тощие (СН₄ до 73%, конденсата 10-30см³/м³), жирные (СН₄ до 68%, конденсата более 30см³/м³). Конденсат – это жидкий продукт сепарации подземных газов. Он состоит из жидких в атмосферных, но газообразных в подземных условиях углеводородов - пентана и более тяжелых УВ.

Физическими свойствами газов, учитываемыми в уравнениях гидродинамики, являются: плотность (), динамическая () и кинематическая () вязкость, критическое давления (Т_кр) и критическая температура (Т_кр). К ним также относятся сверхсжимаемость (z) и растворимость () газов в нефти.

Плотность. Обычно пользуются не абсолютной плотностью, поскольку она зависит от давления (Р) и температуры (T), а относительной - по отношению к воздуху. Эта плотность представляет отношение масс единиц объема газа и воздуха, взятых при одинаковых термобарических условиях. Плотность нефтяных газов по воздуху меняется от 0,554 (для метана) до 3,459 для гептана. Средняя плотность углеводородных газов по воздуху 0,7.

Вязкость газа - определяет свойство газа оказывать сопротивление взаимному перемещению его соседних слоев.

Различают динамическую () и кинематическую () вязкости.

В системе СИ за динамическую вязкость принимается вязкость такой среды, на площадь слоя которой в 1 м² действует сила внутреннего трения 1н при перепаде скоростей между движущимися слоями 1с^-1. Это означает, что размерность динамической вязкости [] = .

В технике распространена единица измерения в системе CГCE.

[]_CГCE = .

Соотношение между ними

Пас = .

1Пас = 10 пуаз

Кинематическая вязкость определяется через соотношение динамической вязкости и плотности:

; .

Сверхсжимаемость. Поведение реальных газов не вполне подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева и имеет вид:

где: m - масса газа в кг-молях,  - молекулярная масса, кг; z - коэффициент сверхсжимаемости, определяемый в лаборатории или экспериментальным путем.

В последнем случае величину z определяют по схеме:

1. Вычисляют для газовой смеси средневзвешенные значения критического давления и критической температуры, называемые псевдокритическими.

где: Р_ki и T_ki - критические (табличные) значения давления и температуры для газовых компонентов смеси, _i - процентное или объемное содержание i-й компоненты в смеси.

Критическая температура Т_к газа – это такая температура, выше которой газ ни при каком давлении не может перейти в жидкость, а близкое к этой температуре давление перехода газа в жидкость называют критическим – Р_к.

2. Вычисляют приведенные псевдокритические температуру и давление, как:

;

где: Р_r и T_r - приведенные псевдокритические значения; Р_абс и Т_абс - абсолютные значения давления и температуры.

3. Пользуясь номограммой Брауна по значениям Р_r и Т_r определяют сверхсжимаемость z:

Зная коэффициент сверхсжимаемости, можно рассчитать, какой объем будет занимать газ в пластовых условиях:

где: V₀, p₀, t₀ - соответственно, объем, давление и температура (по Цельсию) газа в атмосферных условиях на поверхности, а V_p и t _p, соответственно, объем газа и температура в пластовых условиях.

Растворимость газов. Согласно закону Генри количество растворимого в жидкости газа при Т=const прямо пропорционально давлению. В пластовой нефти всегда содержится растворенный газ. Его тем больше, чем больше пластовое давление. Для реальных газов существует отклонение от закона Генри. Жирные газы лучше растворяются в нефти, чем сухие. Для сухих газов зависимость растворимости от давления - прямая линия, а для жирных - кривая. Кроме того, углеводородные газы лучше растворяются в легких, чем в тяжелых нефтях. С повышением температуры способность растворяться газов в жидкости понижается из-за увеличения упругости паров.

Максимальное давление, при котором в процессе изотермического расширения нефти начинается выделение сорбированного ею газа, называется давлением насыщения (Р_нас). Давление насыщения равно сумме парциальных давлений растворенных газовых компонентов и зависит от температуры, состава и свойств сорбента и не может быть больше пластового давления. Нефти и пластовые воды с давлением насыщения равным пластовому давлению называются насыщенными. Это бывает, как правило, в присутствии газовой шапки.

При понижении пластового давления ниже давления насыщения происходит выделение газа из нефти в порядке обратном их растворению: вначале выделяются сухие (трудно растворимые), затем жирные (легкорастворимые). Возможность выделения газа из нефти при Р Р_нас нужно учитывать при фильтрации, т.к. потеря газа нефтью ухудшает ее движение в коллекторе. Нефть становится более вязкой и, кроме того, падает ее фазовая проницаемость.