3.3 Расчет фазовых равновесий углеводородных смесей

Количественные характеристики углеводородных смесей и их измене­ние при различных термобарических условиях имеют важное значение при обосновании технологии разработки и эксплуатации газоконденсатных залежей, а также при проектировании режимов работы технологических промысловых установок при подготовке газа и конденса­та. Для этого проводится комплексное исследование свойств пластовой угле­водородной смеси, в результате которых устанавливаются следующие газоконденсатные характеристики залежи:

- состав пластового газа и содержание в нем конденсата;

- давление начала конденсации углеводородов в пласте и давление максимальной конденсации;

- фазовое состояние газоконденсатной системы в пластовых условиях;

- изотермы конденсации пластового газа;

- количество и состав конденсата, выделяющегося из 1 м³ газа при различных давлениях и температурах;

- потери конденсата (углеводородов, остающихся в пласте) при раз­работке залежи без поддержания пластового давления в зависимости от степени падения его в процессе и за весь срок эксплуатации залежи;

- количество конденсата (и его состав), извлекаемого из газа по ме­ре падения давления в залежи в процессе ее эксплуатации.

Подлежат исследованию также фазовые превращения и свойства газоконденсатных смесей как в условиях скважин, так и газосепараторов и газопроводов. Процессы фазовых превращений углеводородных смесей исследуются в лабораторных условиях, на которые требуется много времени, наличия точной аппаратуры на высокое давление, а также непрерывности процесса отбора и анализа проб. Однако, например, при разработке первых месторождений Краснодарского края было установлено, что добыча конденсата по отдельным месторождениям на 3040% ниже рассчитанной по лабораторным данным. Тем не менее, лабораторные исследования являлись основным методом прогнозирования фазовых превращений при разработке ГКЗ.

Вместе с тем развитию расчетных методов уделялось и уделяется большое внимание, однако из-за многообразия составов ГК – смесей, в которых компоненты "кипят" в широком диапазоне температур, создать аналитически строгие расчетные методы сложно, поэтому чаще используют в расчетах приближенные методы.

Приближенные расчеты. Расчетные методы оценки фазового состояния углеводородов основаны на законе Дальтона-Рауля:

(3.2)

где Р - общее давление смеси;

у_i и x_i - молярные концентрации компонентов соответственно в паровой и жидкой фазах;

Q_i - давление насыщения паров индивидуальных компонентов смеси.

Левая часть уравнения (3.2) - парциальное давление i -го компонен­та в паровой фазе; правая – парциальное давление того же компонента в жидкой фазе.

Уравнение (3.2) описывает условие равновесия системы. При нарушении его вследствие влияния температуры или давления в системе начинается перераспределение углеводородов между фазами. Это продолжается до тех пор, пока парциальные давления каждого компонента в газе и жидкости не станут одинаковыми.

Углеводороды, имеющие при данной температуре большее давление насыщенных паров, чем общее давление в системе, будут иметь и более высокую концентрацию углеводородов в паровой фазе, чем в жидкой, и наоборот.

Используя (3.2), при заданных Р и Т можно рассчитать концентрацию любого компонента в одной из сосуществующих в равновесии фаз, если известна его концентрация в противоположной фазе.

Понятие «константа фазового равновесия» нельзя признать точным, т.к. соотношение у_i / х_i, действительно постоянно при фиксированных значениях Р и Т лишь для идеальных растворов (когда это соотношение не зависит от состава сосуществующих фаз), и тогда константы равновесия следует называть идеальными константами.

В общем случае константы равновесия определяют двумя методами:

- экспериментально;

- расчетным способом.

Суть первого приема заключается в том, что в сосуд высокого давления помещается исследуемая газоконденсатная смесь и в нем создаются определенные Р и Т (термодинамическое равновесие фаз). При постоянных Р и Т специальными пробоотборниками отбираются пробы паровой (газовой) и жидкой фаз и на хромотографах любого типа определяют компонентные составы фаз (обычно в молярных долях, возможно и объемных процентах). Результаты от деления полученных величин в паровой и жидкой фазах дают для данных Р и Т значения константы фазовых равновесий. Затем изменяют Р и Т в установке и снова вычисляют результаты и т.д. Удобнее при этом фиксировать для системы Т, так как разработка ГКЗ протекает в виде изотермического понижения давления в залежи.

При низких Р и Т константы равновесия углеводородов мало зависят от состава смеси. При высоких Р и Т они могут быть найдены экстраполя­цией их действительных значений, если известно давление схождения, значение которого определено составом смеси.

Экспериментальное определение К_i - весьма длительная и сложная процедура, так как моделирование в аппаратах высокого давления (автоклав РVТ) не учитывает влияния пористой среды (т.е. капиллярных, поверхностных сил и возможного выпадения твердой фазы из растворов). Определенные экспериментально значения К_i нельзя использовать для других составов исходной смеси.

Следовательно, при эксплуатации газоконденсатной залежи, газонефтяной (ГНЗ) и нефтяной (НЗ), когда составы продукции скважины изменяются непрерывно, эксперименты необходимо вести тоже непрерывно, что практически невозможно. Таким образом, объективно необходим аналитический вариант оценки К.

С физической точки зрения "летучесть" - это "исправленная упругость насыщенных паров компонентов идеальных растворов" или "исправленное" парциальное давление компонентов идеальных газовых смесей. "Летучесть" f_i - «исправленное» давление, после подстановки значе­ния которого в уравнение идеальных газов или растворов они становятся пригодными для описания свойств реальных газов и растворов. При этом "летучесть" при различных Р и Т должна определяться эксперимен­тально для каждого реального газа.

Для идеального однокомпонентного газа "летучесть" f равна общему давлению Р, а для смеси идеальных газов - парциальному давлению компонентов, т.е. f_i = У_i·Р.

При термодинамическом равновесии паровой и жидкой фаз имеет место равенство давлений, температур и химических потенциалов компонентов в фазах. При равенстве фазовых давлений и температур химические потенциалы компонентов численно равны летучестям компонентов смеси в фазах.

В расчетах фазовых равновесий используются также уравнения фа­зовых концентраций, методика определения констант фазового равновесия по давлению схождения и др. [39].