Лекции по физики нефтяного пласта

 Ml M2 Мз Mn — молекулярные массы компонентов.

Если задан массовый состав смеси в процентах, то ее средняя  молекулярная масса вычисляется  по формуле 

 

 

                      100 

Мсм =  ————————       :                                 (III.4)           

 g1/M1+g/M+...+gn/Mn  

Где g, , g,.... gn-массовые доли компонентов, %. 

 

Плотность смеси                               

 Мсм

ρ_см =   ——— :  [ кг/м³],                                                (III.5)              

22,41

Относительную плотность  определяют по формуле 

 

 

       ρ_см               ρ_см               

 Δсм = ———— = —————                                  

 ρ_в               1,293

где ρ_см и ρ_в - плотность смеси и воздуха при температуре 0^oС и нормальное давление.

Состав и характеристика жидкой смеси.

Средняя молекулярная масса  жидкой смеси определяется по формулам (III.4) и (III.14) 

 

Средняя плотность жидкой смеси                              

100                                         100Мсм

ρ_см = ——————————— = —————————————— ; (III.14)           

 gl /ρ1+ g2/ρ2…+…gn/ρn    Xl Ml/ρ1+ XlM2/ρ2+…+Xn Mn/ρn

где g1, g2, gn- массовые доли компонентов жидкой смеси % ;

x1, х2, хn - молярные доли компонентов жидкой смеси

M1, М2... Mn - молекулярные массы компонентов;

Мсм- средняя молекулярная масса жидкой смеси;

ρ1, ρ 2 ... ρ n -плотность компонентов жидкой смеси кг/м³.

Объем паров после испарения жидкости можно посчитать по формуле         

 G                     G

Vo= ——  = 22,41 ——;                             (III.15)           

 ρ_о                    M

где M - молекулярная масса углерода;

ρ_о - плотность паров углеводорода при нормальном давлении и температуре 0° С;

G- масса жидкого углеводорода  кг.

Коэффициент сверхсжимаемости газов.

Для определения многих физических свойств природных газов (коэффициента сверхсжимаемости, плотности, энтальпии, энтропии коэффициента летучести др.) используются уравнения состояния.

Уравнением состояния  называет аналитическая зависимость  между параметрами, описывающими поведение  простого или сложного вещества. В  качестве таких параметров используются давление, объем и температура.

Менделеев - Клайперон предложили уравнение состояние идеальных  газов.

PV=GRT                                    (III.16)

Где Р - абсолютное давление , Па ;      

V - объема, м³;      

 G - масса вещества, кг ;      

 Т - абсолютная температура  , К ;      

 R - удельная газовая постоянная, кДж / (кг*К).

Степень отклонения реального  газа от закона идеального газа (коэффициент  сверхсжимаемости).          

 PV

Z= ——— = 1          

 GRT

Z - коэффициент, характеризующий степень отклонения реального газа от закона идеальных газов (коэффициента сверхсжимаемости)

Приведенными  параметрами индивидуальных компонентов называются безразмерные величины, показывающие во сколько раз действительные параметры состояния газа (давление, абсолютная температура, объем, плотность, коэффициент отклонения) больше или меньше критических

Рпр = Р/Ркр ; Тпр = Т/Ткр ; Vпp = V/ Vкр ; ρ_пр = ρ/p_кр ;

Zп p= Z/ Zp:                                                                               (III.20)

Вопросы для самопроверки.

1. Как изменяются физические  свойства нефти в пределах  залежи и причины различия  свойств нефти в ней.

2. Что называется приведенным  давлением и температурой и  каков смысл их

использования при отображении  зависимости коэффициента сжимаемости  газов от давления и температуры?

3. Как определяется плотность  газов, и какими единицами она  описывается?

4. Как рассчитать количество  жидкой и газовой фаз в системе  при различных давлениях и  температурах.

 

Раздел III. Состав и физические свойства природных газов и нефтей.

Лекция 7. 

 

Тема: Упругость  насыщенных паров. Растворимость газов  в нефти и воде. Давление. Насыщения  нефти газом. Сжимаемость нефти. Объемный коэффициент. Плотность и  вязкость пластовой нефти.

Упругость насыщенных паров.

Насыщенный пар представляет собой двухфазную систему- смесь  жидкости и пара с граничными значениями х=0: и х=1;

где х - паросодержание смеси. Состояние насыщенного пара вполне определяется давлением (или температурой) и паросодержанием. Если углеводороды содержатся в смеси, то общее давление смеси влияет на упругость паров  каждого компонента. Упругость паров  компонента повышается с увеличением  общего давления. Это влияние ничтожно при низких давлениях (до 1 МПа), при  высоких же давлениях упругость  паров резко увеличивается. У  смеси углеводородов упругость  паров - функция и температуры, и  общего давления, т.е Q= f(t,p). Упругость паров жидкой смеси (т.е. общее ее давление), по закону суммы парциальных давлений, зависит от упругости отдельных компонентов при данной температуре и от их молярных концентрации. Парциальное давление каждого компонента определяется как произведение его молярной концентрации на упругость паров в чистом виде.

Растворимость газов  в нефти и в воде.

От количества растворенного  в пластовой нефти газа зависят  все ее важнейшие свойства: вязкость, сжимаемость, термическое расширение, плотность и т.д. При небольших  давлениях и температурах растворимость  газов в нефти практически  подчиняется закону Генри - количество газа Vг, растворенного при данной температуре в объеме Vж жидкости пропорционально давлению Р газа над поверхностью.                                             

  Vг=αРVж:                                               (III.82)

Где α - коэффициент растворимости  газа [ м²/Н ]

 

 

 

α = Vг/(VжP)                                                                                         (III.83)              

 

 

Из формулы следует, что  коэффициент растворимости учитывает  количество газа, растворяющего в  единице объема жидкости при увеличении давления на единицу. Коэффициент растворимости  нефтяных газов изменяется в широких  пределах и достигает (4-5)* 10^-5 М³/(М³*Па)

Контактным или одноступенчатым принято называть такие процессы, при которых весь выделяющийся газ находится в контакте с нефтью. При дифференциальном процессе выделяющийся из раствора газ непрерывно отводится из системы.

 

Коэффициентом разгазирования принято называть количество газа, выделяющегося из единицы объема нефти при снижении давления на единицу. По мере снижения давления коэффициент разгазирования увеличивается. Но закономерность эта не всегда соблюдается.

Растворимость углеводородных газов в воде незначительна. Содержание углеводородного газа в воде можно  выразить в виде молярных долей:

Ni = n_i/(Σn_i+n_в)                                                                           (III.85)

или же в виде объема газового компонента, растворенного в единице  массы, или объема Vв воды.         

 Vг                       Vi

bi = —— :      Gi= ——— :                                           (III.86)           

G                     Vb

В этих формулах ni и nв — соответственно число молей (грамм-молекул) i-го компонента в водном растворе и число молей воды; Vi - объемы газового компонента, приведенного к нормальным условиям. G массы воды в (г), в которой растворен компонент.

Величины Ni и bi связаны соотношением  

 

 

               bi

Ni΄=                                                                                                       (III .87)         

 Σ bi+124,4

где значение Σ bi для большинства газов значительно меньше, чем 124,4 и поэтому можно принять

Ni΄ = bi/124,4 = 0,804*10^-3bi                                                                 (III.88)

Для выражения растворимости  газа в воде используется также константа  равновесия.

Ki = Ni΄΄/Ni΄                              Ni΄ = Ni΄΄/ Ki

где Ni΄΄, Ni΄ - молярные доли компонентов в газовой и жидкой фазах.

С увеличением температуры  растворимость газов в начале уменьшается, а затем возрастает, пройдя через минимум. 

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Температура минимальной  растворимости газов зависит  от давления.  

 

С повышением минерализации  ухудшается растворимость газов  в воде. 

 

Давление насыщения  нефти газом.

Давлением насыщения пластовой  нефти называют максимальное давление, при котором газ начинает выделяться из нефти при изотермическом ее расширении в условиях термодинамического равновесия. Давление насыщения зависит от соотношения  объемов нефти и растворенного  газа, от их состава и пластовой  температуры.

Сжимаемость нефти. Объемный коэффициент.

Нефть, как и все жидкости, обладает упругостью, т.е. способность  изменять объем под действием  внешнего давления.

Упругость жидкости измеряется коэффициентом сжимаемости (при  объемной упругости)

Βн = - 1/V *  ΔV/ΔP                                                                             (III.89)

Где ΔV – изменение объема нефти; ΔP – изменение давления; V – исходный объем нефти.

Для жидкости следует использовать термин сжимаемости, а для газов  – сверхсжимаемость

Коэффициент сжимаемости  зависит от состава пластовой  нефти, температуры и абсолютного  давления.

С количеством растворенного  газа в нефти связан также объемный коэффициент b, характеризующий соотношение объемов нефти в пластовых условиях к объему этой же нефти после отделения газа на поверхности.

b = Vпл/Vдег                                                                            (III.90)

где Vпл – объем нефти в пластовых условиях; Vдег - объем этой же нефти при атмосферном давлении и температуре t⁰ = 20⁰C после дегазации.

Используя объемный коэффициент, можно определить усадку нефти, т.е. уменьшение объема пластовой нефти  при извлечении ее на поверхность (в %).

Усадка нефти.

U = (b-1)/b * 100%                                                                   (III.91)

Усадка нефти у поверхности  U = (b-1)*100% 

 

Плотность и вязкость пластовой нефти.

В связи с изменением в  пластовых условиях объема нефти  под действием растворенного  газа и температуры плотность  ее в пласте ниже плотности сепарированной нефти. Известны нефти, плотности которых  в пласте меньше 500кг/м³ при плотности сепарированной нефти 800кг/м³.

С повышением давления в  плотность нефти значительно  уменьшается при насыщении ее углеводородными газами (метаном, пропаном, этиленом).

Вязкость их уменьшается  с повышением количества газа в растворе, с увеличением температуры: повышения  давления вызывает некоторое увеличение вязкости. Увеличение вязкости нефти  с ростом давления заметно лишь при  давлениях выше давления насыщения.  

 

Вопросы для самопроверки.

1. Объясните сущность  растворимости газов в нефти  и воде.

2. Какие факторы и как  влияют на вязкость пластовой  нефти.

3. Какова схема фазовых  превышений двух и многокомпонентных  систем.

4. Какие особенности характерны  для зависимости динамической  вязкости от давления и температуры.  

 

Раздел III. Состав и физические свойства природных  газов и нефтей.

Раздел 4. Фазовые  состояния углеводородных систем. 

 

Лекция 8. 

 

Тема: структурно-механические свойства аномально-вязких нефтей. 

 

 

 

Реологические характеристики нефтей в значительной степени определяются содержанием в них смол, асфальтенов  и парафина. Асфальтены, представляющие собой наиболее высокомолекулярные соединения нефти, плохо растворяются в углеводородах и поэтому  нефти, содержащие асфальтены представляют собой коллоидные системы. Мицеллы  асфальтенов стабилизируются смолами.

При значительном содержании парафина и асфальтенов вязкость нефти зависит от скорости сдвига, т.е. она приобретает свойства неньютоновских жидкостей вследствие возникновения  пространственных структур, состоящих  из коллоидных частиц асфальтенов, парафина и смол. При высоких пластовых  температурах структурно-механические свойства нефтей проявляются значительно  слабее. Особенно интенсивно в пластовых  условиях образования пространственной сетки происходит при понижении  температуры пласта вследствие нагнетания холодной воды ниже температуры начала кристаллизации парафина.