2. Химический состав смесей.

В целом, природные углеводородные газы представляют собой смесь предельных углеводородов вида С_nН_2n+2. Основную часть природного газа составляет метан CH4 — до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — этан C₂H₆, пропан C₃H₈, нормальный бутан n-C₄H₁₂, изобутан i-C₄H₁₂ и пентан С₅H₁₄, а также такие химические компоненты, как азот N₂, углекислый газ CO₂, сероводород H₂S, гелий He, аргон Ar и др. Чистый Природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах, так называемых одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Природные газы подразделяют на следующие группы:

1. Газ, добываемый из чисто газовых месторождений и представляющий собой сухой газ, свободный от тяжелых углеводородов.

2. Газы, добываемые вместе с нефтью (растворенные или попутные газы). Это физические смеси сухого газа, пропанобутановой фракции (жирного газа) и газового бензина.

3. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений — смесь сухого газа и жидкого углеводородного конденсата. Углеводородный конденсат состоит из большого числа тяжелых углеводородов (С₅ + высш., С₆ + высш. и т.д.), из которых можно выделить бензиновые, лигроиновые, керосиновые, а иногда и более тяжелые масляные фракции.

4. Газы газогидратных залежей.

Вещественный состав природного газа определяет его основные физические свойства, такие как вязкость, теплоемкость, плотность и др.

3. Физические свойства смесей.

Основные параметры, характеризующие состояние газа, – это давление P, температура T и объем V. Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между давлением, объемом и температурой. Такая зависимость описывается законом Клапейрона – Менделеева:

где R – универсальная газовая постоянная.

Но данное уравнение описывает состояния идеального газа. Идеальным называется газ, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают. Реальные углеводородные газы не подчиняются законам идеальных газов. Для учета отклонения поведения реальных газов от идеальных в уравнение состояния вносится поправочный коэффициент, учитывающий объем молекул и силу межмолекулярного взаимодействия:

где Z – коэффициент сжимаемости, выражает отклонения поведения реальных газов от идеального (для идеальных газов Z = 1).

4. Коэффициент сжимаемости и критические и приведенные параметры газа.

Коэффициент сжимаемости Z реальных газов — это отношение объемов равного числа молей реального V и идеального V_и газов при одинаковых термобарических условиях (т.е. при одинаковых давлении и температуре):

Значения коэффициентов сжимаемости наиболее надежно могут быть определены на основе лабораторных исследований пластовых проб газов. При отсутствии таких исследований прибегают к расчетному методу оценки Z по графику Г. Брауна. Для каждого газа существует определенная температура, выше которой газ нельзя перевести в жидкое состояние под любым давлением. Эта температура называется критической T_кр. Соответствующая критической температуре изотерма зависимости P от V имеет точку перегиба, которой соответствуют критическое давление P_кр и критический объем V_кр.

Чаще всего во многих расчетах используются приведенные параметры вещества, которые определяются с помощью следующих уравнений:

Следует отметить, что критическая температура смеси находится между критическими температурами компонентов, а критическое давление смеси всегда выше, чем критическое давление любого компонента. Для определения коэффициента сжимаемости Z реальных газов, представляющих собой многокомпонентную смесь, находят средние из значений критических давлений и температур каждого компонента, затем по правилу аддитивности находят псевдокритическое давление всей смеси и псевдокритическую температуру смеси:

Приведенные псевдокритические давление и температура, необходимые для пользования графиком Брауна, представляют собой псевдокритические значения, приведенные к конкретным давлению и температуре (к пластовым, стандартным или каким-либо другим условиям). По полученным значениям на точке пересечения на графике рисунка 1 вычисляют коэффициент сжимаемости.

1. Зависимость коэффициента сжимаемости углеводородного газа от приведенных псевдокритических давлений и температур.

В тех случаях, когда в природном газе содержится значительное количество тяжелых углеводородов или неуглеводородных компонентов, определение коэффициента сверхсжимаемости по двум приведенным параметрам может привести к серьезным погрешностям. В этом случае рекомендуется вводить третий параметр – характеристический.

Одним из наиболее употребительных является фактор ацентричности молекул, который для смеси вычисляется аналогично, как вычисляли псевдокритические температуры и давления

Коэффициент сжимаемости определяется по формуле

где Z⁰ – коэффициент сжимаемости простых веществ, а Z¹ – коэффициент сжимаемости, учитывающий несферичность молекул.

Определение первого и второго слагаемого проводят по соответствующим графикам рисунков 2, 3.

2. Коэффициент сжимаемости простых веществ.

3. коэффициент сжимаемости, учитывающий несферичность молекул.

В случае необходимости аналитического определения коэффициента Z, в частности для расчетов с помощью вычислительной техники, можно использовать методы, основанные на уравнениях состояния газа с вириальными коэффициентами. Подробно на этом останавливаться не будем