Вакула Я.В. Основы нефтегазового дела

1.ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

НИ

ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Физическое состояние вещества определяется тремя

параметрами:

ë

м

û

АГ

давлением, температурой, удельным объемом

Давление - сила, действующая по нормали на единицу поверхности.

Единица давления в системе СИ

Н

ка

[Р] = êé

úù = Паскаль [Па]

2

Абсолютное давление Р – давление отсчитываемое от абсолютного нуля.

Если оно больше барометрического (атмосферного) Р0,

Р › Р0

Р = Ро + Ри, где

т

е

(1.1)

Ри

- избыточное давление.

о

Если Р ‹ Ро, то

и

Р = Ро – Рв, где

л

(1.2)

Рв

- показатель вакуумметра, измеряющего разрежение.

б

В расчетах всегда следует пользоваться абсолютным давлением.

В технике измеряют избыточное давление, т.к. измерительные приборы (если

и

они не изолированы от атмосферы), показывают только это давление.

б

Температура - характеризует тепловое состояние вещества, т.е. энергию,

с которой движутся его молекулы.

шкале Цельсия (0С) – t –

н

Нулевая точка по шк ле Цельсия – точка затвердения воды, t = 00С

Нулевая точка по шкалеаяКельвина То = 273,15 К

Соотношение:

Т = t + Т0, Т = t + 273,15

(1.3)

тр

- объем единицы массы вещества.

Удельный бъёмн

о

Vу =

V

1

, где

(1.4)

=

к

m

ρ

V

- объем;

m

е

- масса;

ρ

- плотность.

л

m = V·ρ

(1.5)

Масса н фти

4

В нефтедобывающей практике различают

НИ

нормальный объём – объем при нормальных условиях:

давление Р = Р0 = 0,101325 МПа

температура Т = Т0 = 273,15 К = 00 С

стандартный объем – объем при стандартных условиях:

давление Р = Рст = 0,101325 МПа

температура Т = Тст = 293,15К = 200

С

В ряде стран стандартной температурой является 15,60 С = 600 F

(Фаренгейта).

АГ

2. НЕФТЬ И ГАЗ, ИХ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

2.1. Нефть

е

ка

Нефть представляет собой маслянистую горючую жидкость, обычно

темно-коричневого цвета, со специфическим запах м.тПо химическому составу

Кроме углерода и водорода, в нефтях содержаться в небольших

л

и

В нефтях встречаются следующие группы углеводородов: 1) метановые

(парафиновые); 2)

нафтеновые

3)

ароматическиеб

.

Обычно нефти бывают

смешанного типа

б

в х составе

той или иной группы

с преобладанием

углеводородов.

и

Чем больше атомов водорода входит в состав углеводородов, тем нефть

легче, более светлая,

н

менее вязкая и содержит больше бензиновых фракций.

н

Такой нефтью является метановаяая

нефть, которая наиболее распространена в

природе.

о

ефти самые тяжелые, содержат меньше всего бензина

Ароматические

Углеводороды нефти почти не электропроводны. Нефть хорошо

тр

растворяет йод, серу, смолы, воздух, углекислый газ, легкие углеводороды. В

воде н фтьк

не растворяется, но дает с ней стойкие эмульсии.

Под эмульсией понимают смесь двух взаимно нерастворимых жидкостей,

л

е

сортировку при сборе, транспортировании и переработке.

ка

Один

из основных показателей товарного

нефти - ее

качества

плотность. В России плотность нефти определяют

е

при температуре 20 °С и

атмосферном

давлении (стандартные условия), а тк личество

измеряют в

тоннах.

В мировой практике принято измерять добываемуюо

и продаваемую нефть

л

и

Число баррелей в 1 тонне нефти при температурах 600F и 200С не

одинаковы.

б

Нефтяной баррель равен 158,987 литра (159л), температура 60 °F

соответствует температуре 15,56 °С (15,6и

°С).

Тип нефти (согласно стандарту 2002 г) определяется по ее плотности.

Плотность кг/м3

б

- 750,0 - 830

- особо лёгкая

-0-

- 830,1 - 850

- лёгкая

-1-

н

- средняя

-2-

- 850,1 - 870

3

н

0

- 870,1 -ая895

- тяжёлая

-3-

- 895,1 - 1000

- биуминозная

-4-

тр

= 800 кг/м .

Задача 2.1.1: Плотность нефти при температуре 20 С ρ20

Определить плотностьо

нефти в градусах API и количество баррелей в одной

тонне неф и (Q = 1т) при температуре 200 С и 60 0F.

к

3

).

барр ль в единицах объема (0,159 м

еПо формуле (1.5) Q = V· ρ ( V – объем нефти) → V =

Q

=

1000

= 1,25 м3

ρ

800

Количество баррелей n в 1т:

л

bbl

6

nbbl =

V

=

1,25

= 7,86 баррелей.

НИ

0,159

0,159

Перевод плотности из кг/м3 в градусы API проводится в три этапа:

1000 C = 2120 F

шкале

АГ

1 этап: В температурной

Фаренгейта за ноль градусов

нормальная температура человеческого тела.

00С = 320 F

ка

n0 F= (n–32)(5/9)0C= (п - 32) · 0,555….0С

е

(2.1.1)

m0C = (9/5 m + 32)0 F = (1,8т +32 )0

F

Определяем соотношение температур по шкале Фар нгейта и Цельсия из

выражения 2.1.1:

о

т

n0 F = (n - 32) · 0,555 0C

60 0F = (60 - 32) · 0,555 0С

60 0F = 28· 0,555 0C = 15,56 0C

Т.е. температура 60 0F при

которой

рассчитаны

градусы API

соответствует температуре 15,56 0C (15,6

0C).

и

2 этап

и

б

л

0

Определяем плотность нефти при температуре 15,6 0C

(2.1.2)

ρ15,6

= ρ20 -α × (15,6 - 20) , где

ρ15,6

и ρ20

плотность нефти соответственно при температуре 15,6 и 20 С;

ая

=б1,825-0,00131·ρ20

α

- температурная поправка: α

(2.1.3)

Подставив численные значения в формулы, получим:

α =1,825-0,00131·800 =1,825-1,048=0,777

ρ15,6

= 800 - 0,777 × (-4,4) =800+3,412=803,419 кг/м3.

3 этап

н

н

Плотность в градусах API рассчитываем по формуле:

о

API =

141,5

-131,5

(2.1.4)

ρ

к

15,6

Пло нос ь в данной формуле нужно выразить в т/м3.

API =

141,5

тр-131,5 = 176,126 -131,5 = 44,6

3

е

л

0,8034

V =

1000

= 1,2447 м3

НИ

803,419

Число баррелей

nbbl =

1,2447

= 7,83.

0,159

АГ

Таким образом число баррелей в 1 т нефти:

при t = 20 0С, число баррелей - 7,86

единица API при t = 60 0F (15,6

0С) – 44,6, а число баррелей – 7,83

разница 7,86 - 7,83 = 0,03 баррелей в 1 тонне (4,8 л)

Важнейшее физическое свойство любой жидкости, в том числе и нефти, -

вязкость, т.е. свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению её

частиц при движении.

ка

При ламинарном движении

жидкости (т.е. спокойным потоком, без

е

завихрений) по трубе скорость отдельных слоёв жидкос и неодинакова. Таким

образом, движение жидкости происходит как быт

отдельными слоями,

движущимися с различной скоростью. Поэтому, если представить себе два

о

смежных соприкасающихся слоя жидкости, то вследствие разности скоростей

л

и

их движения между ними будет происходить ещё и относительное движение,

что и вызывает возникновение

сил внутреннего трения, обусловленных

вязкостью жидкостей.

б

Р

S

(2.1.5)

μ =

×

, где

F

Dϑ

μ

- коэффициент вязкости;

и

∆ϑ

- приращение скорости движенияб

одного слоя относительно второго;

∆s

- расстояние между сло ми;

F - поверхность соприкосновения двух слоёв.

Подставляя в формулу вместо величин их единицы измерения (единица

2

ая

н

силы 1Н, площади 1м , расстояния 1м, скорости 1м/с), получим размерность

коэффициента вязкости 1 Н·с/м2 или Па·с.

Единица измере

ия вязкости в системе СИ - Па·с (паскаль - секунда).

В промыслов

нй практике пользуются меньшими единицами вязкости:

п у а з

1 П = 0,1 Па·с

о

1сП = 0,001 Па·с

с а н т и п у а з

Динамическая вязкость воды при +20 °С равна 1 сП, нефти от 1 до 100 и

даже 200 сП.

Задачатр2.1.2: Сила,

необходимая для перемещения одного слоя

относит льно другого, Р = 5 Н, поверхность соприкосновения двух слоёв F = 22

2

к

ϑ = 1,31 м/с, расстояние между слоями

м

, относительная скорость движения

S =е0,1м. Определить коэффициент динамической вязкости. Ответ выразить в

сантипуазах.

л

8

воспользуемся формулой (2.1.5). Подставив численные значения, получим:

НИ

μ =

5

×

0,1

= 0,017 Па·с = 0,17 П = 17 сП.

22

1,31

Для технических целей часто пользуются понятием кинематической

плотности.

μ

АГ(2.1.6)

ν =

ρ

Единицей кинематической вязкости в системе СИ служит 1 м2/с, на

практике пользуются единицей стокс (1Ст =10-4 м2/с).

е

ка

Задача 2.1.3: Динамическая

30 сП. Определить

вязкость нефти равна

т

3

.

коэффициент кинематической вязкости, если плотность нефти 760 кг/м

Решение: по формуле (2.1.6.)

л

и

о

ν =

0,03

= 0,000041 м/с2

= 0,4 Ст.

730

Иногда для оценки

качества

пользуются

у с л о в н о й

нефти

б

вязкостью °ВУt, которая показывает, насколько вязкость нефти больше

вязкости воды.

и

С повышением температуры

любой жидкости, как правило,

вязкость

резко уменьшается. Поэтому при перекачке вязких нефтей и мазутов их обычно

подогревают.

б

На нефтяных месторождениях обычно наблюдается увеличение

температуры с глубиной. Отсюда и вязкость нефти в нефтяных пластах всегда

н

ая

Особенное з аче ие в деле добычи, транспортировки и хранения нефти

имеет ее испаряемн сть. Испарением называется переход жидкостей у

поверхности на

ткрытом воздухе из жидкой фазы в фазу паровую. Этот

переход может

оп оисходить при любой температуре. Если хранить нефть в

откры ом резервуаре, то неизбежно будет происходить ее испарение. Нефть

к

чем выше

будет еря ь наиболее легкие фракции и тем в больших количествах,

е

температуратрокружающей среды.

фракций нефти

при

добыче,

л

Во избежание

потерь легких

транспортировке и хранении весь путь ее от скважины до нефте-

перерабатывающего

завода должен быть

герметизирован,

т.е. .нефть не

до жна иметь соприкосновения с наружным воздухом.

9

В природных газах чисто газовых месторождений преобладает метан,

ка

АГ

содержание которого в смеси углеводородов доходит до 95 -98%.

Газ, извлекаемый вместе с нефтью, называют нефтяным.

Нефтяной газ

по

сравнению

с природным

е

содержит

меньшее

количество метана

(30

– 70 %) и

имеет большее

оличество

тяжелых

сероводород, редкие газы (гелий, аргон), пары рту и.

Нефтяные и природные газы делят на «сухие»

и «жирные», в которых

содержание тяжелых углеводородов позволяет получатьт

из них сжиженные

и

газы или газовый бензин. Сухими считают газы, с держащими менее 60 г

л

бензина в 1 м3 газа, а с большим содержанием относято

к жирным. Как правило,

давлении.

На

практике

используют

«относительную плотность»,

которая является отношением массы определенногоб

объема газа к массе того

б

же объема воздуха при одинаковом давлен и и температуре.

Теплота сгорания - количествои

тепла, выделяющегося при

полном сгорании

1 м3

этого газа. Выражается в кДж/м3

или ккал/м3.

Чем тяжелее компонент, тем выше его теплота сгорания.

Газ в

смеси с

кислородом и воздухом

отличается

повышенной

взрывоопасностью и при определенных пределах концентрации взрываются.

н

показателями, как критическая

Состояние газов определяется такими

н

температура и критическоеаядавление.

понимают температуру, выше

Под

критической температурой газа

о

которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы велико не было давление.

Под критическим давлением понимают давление, при котором газ,

тр

имеющий критическую температуру, переходит в жидкость.

Tкр

Показатели газа (относительная плотность ρг.от., критическая температура

в градусах Кельвина и критическое давление Ркр в МПа), состоящего из

к

нескольких компонентов, определяются как сумма произведений показателей

каждого

омпонента (ρi, Tкр.i, Pкр.i) на его объемное содержание (уi) в газе в

е

долях единицы.

л

10