Физические основы разработки углеводородных месторождений,

Часть 2

0. 2.1 Классификация углеводородных месторождений и содержащихся в них пластовых флюидов

В нефтегазопромысловой литературе встречаются некоторые отличия в классификациях пластовых углеводородов, в наиболее широко используемой, углеводородные пластовые флюиды делят на: природный газ, газоконденсат и нефть.

Углеводородные пластовые флюиды в зависимости от их состава и различных соединений, давления и температуры могут находится в залежи в различных состояниях – газообразном, газожидкостном, жидком или твердом. Газ в залежи может находится в чистом виде либо растворенный в нефти и выделяющийся из нее в процессе добычи. Также газ может располагаться в виде газовой шапки в повышенной части залежи, при этом часть жидких углеводородов нефти в виде паров содержится и в газовой фазе.

В зависимости от пластовых условий залегания (температуры и давления), количественных соотношений входящих в состав углеводородных соединений и фазовых состояний в недрах земли залежи подразделяются на:

1) нефтяные, содержащие только нефть, насыщенную в различной степени газом;

2) газонефтяные, в которых основная часть залежи нефтяная, а газовая шапка не превышает по объему условного топлива нефтяную часть залежи;

3) нефтегазовые, к которым относятся газовые залежи с нефтяной оторочкой, в которой нефтяная часть составляет по объему условного топлива менее 50%;

4) газовые, содержащие только газ;

5) газоконденсатные, содержащие газ с конденсатом;

6) нефтегазоконденсатные, содержащие нефть, газ и конденсат.

В газовых залежах по содержанию C₅₊ выделяются следующие группы газоконденсатных залежей:

1) низкоконденсатные - с содержанием конденсата менее 25 г/м³;

2) среднеконденсатные - с содержанием конденсата от 25 до 100 г/м³;

3) Высококонденсатные - с содержанием конденсата от 100 до 500 г/м3;

4) уникальноконденсатные - с содержанием конденсата более 500 г/м³.

0. 2.2 Состав природных газов

Согласно молекулярной теории, газ – это агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы почти свободно и хаотично движутся, сталкиваясь друг с другом, при этом время столкновения много меньше времени их пробега. В отличие от жидкости газ не обладает свободной поверхностью.

Природные газы, добываемые на углеводородных месторождениях, представляют собой многокомпонентные смеси углеводородных и неуглеводородных компонентов, которые в пластовых условиях могут находиться в свободном газовом состоянии (в виде отдельных скоплений газовых залежей либо газовых шапок, газонефтяных и нефтегазовых месторождений) либо в растворенном состоянии (в нефти или воде).

Из углеводородных компонентов, входящих в состав природного газа, преобладают алканы (парафиновые углеводороды), с общей формулой С_nН_2n+2.

Из неуглеводородных компонентов природные газы содержат азот (N₂), угле­кислый газ (диоксид углерода) (СО₂), сероводород (Н₂S), водяной пар (Н₂О), а также редкие или инертные газы: гелий (He), аргон (Ar), криптон (Кr) и др.

Алканы (насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения) – это парафиновый ряд, представляющий собой предельные полностью насыщенные соединения (рис.2.1, а), линейного или разветвленного строения, и начинающийся с метана (СН₄) (рис.2.1, б), на который, по разным газовым месторождениям Тюменской области, может приходиться от 80 до 99 % от общего объемного состава природного газа, и который, при нормальных физических условиях представляет собой бесцветный газ. Также в состав природных газов, входят и другие более тяжелые углеводородные компоненты из ряда алканов, такие как, этан (С₂H₆) (рис.2.2, а), пропан (С₃H₈) (рис.2.2, б), бутан (С₄H₁₀) (рис.2.3), и в незначительных количествах могут содержаться, пентан (С₅H₁₂), гексан (С₆Н₁₂), гептан (С₇Н₁₄) и более тяжелые по числу атомов углерода и водорода. На долю этана, пропана, бутана и пентана, в составе природных газов, может приходиться от 1 до 20 % и более. Все последующие за метаном алканы, называются его гомологами, так как образуют с ним единый гомологический ряд, то есть имеют схожие химические свойства. Обычно состав природных газов определяется не полностью, а до бутана (С₄Н₁₀) или гексана (С₆Н₁₄) включительно, а все остальные компоненты объединяются в остаток и обозначают С₅₊ или С₇₊.

Рисунок 2.1 – Структурная формула алканов: а – общая формула парафиновых углеводородов С_nH_2n+2; б – метан СН₄

Рисунок 2.2 – Структуры: а) Этан, С₂Н₆; б) Пропан, С₃Н₈

Алканы, начиная с бутана – имеют изомеры, которыми называются вещества с одинаковым составом, но различающиеся в химическом строении. Начиная с бутана, алканы могут формировать как длинную без ответвлений цепь (n-С_nН_2n+2), так и создавать ответвления от нее, образуя изомеры. С увеличением числа атомов углерода в молекулах резко возрастает число изомеров парафиновых углеводородов, например бутан, может иметь две вариации в строении структурной цепи, длинную без ответвлений цепь n-С₄H₁₀ или н-С₄H₁₀ (рис. 2.3 а) и одну ответвленную цепь i-С₄Н₁₀ или и-С₄Н₁₀ (рис. 2.3 б). Пентан имеет три вариации, длинную без ответвлений цепь n-С₅H₁₂ (рис.2.4), и две ответвленные цепи i-С₅H₁₂ (рис. 2.5 а) и neo-С₅H₁₂ (рис. 2.5 б). Гексан С₆Н₁₄ имеет пять вариаций в строении структурной цепи, гептан С₇Н₁₆ – девять, октан С₈Н₁₈ – восемнадцать, нонан С₉Н₂₀ – тридцать пять, декан С₁₀Н₂₂ – семьдесят пять.

Рисунок 2.3 – Структуры бутана, С₄Н₁₀: а) нормальный бутан

n-C₄H₁₀ (формула – СН₃(СН₂)₂СН₃); б) изобутан i-C₄H₁₀ (формула – СН(СН₃)₃)

Рисунок 2.4 – Структура нормального пентана, с формулой СН₃(СН₂)₃СН₃

Рисунок 2.5 – Изомерия пентана: а) Изопентан (i-С₅H₁₂), с формулой СН₃СН₂СН(СН₃)₂; б) Неопентан (neo-С₅H₁₂), с формулой (СН₃)₄С

Структурные изомеры отличаются физическими свойствами. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и, соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при более низкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.