какие углеводороды в пластовых условиях являются газами

ГАЗОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

Углеводородные газы (УВГ) являются частью природных углеводородных систем, газовой фазой природных УВ. Природные газы — это УВ растворы, имеющие газообразное в нормальных (атмосферных) условиях состояние, выделенные из состава более сложных природных систем. Типы природных газов земной коры приведены в табл. 1.2. Природные газы находятся на Земле в различном состоянии: свободные в атмосфере и газовых залежах, растворенные в водах, сорбированные, окклюдированные, в виде твердых растворов — газогидратов. Газы, растворенные в нефти и выделяющиеся при разработке и самоизлиянии, называются попутными газами. Высокое энергосодержание, способность к химическим превращениям, низкое загрязнение биосферы обусловливают использование УВГ в качестве наиболее удобного топлива и ценного химического сырья.

Состав и свойства газов

Природные газы бесцветны, легко смешиваются с воздухом, растворимость их в воде и нефти различна. Свойства газов на поверхности и в пластовых условиях отличаются, они во многом определяются термобарическими условиями и физико-химическими параметрами среды. На растворимость природного газа влияют температура, давление, состав газа и нефти. Растворимость газа в нефти повышается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры; она растет в ряду С₁-С₄. Растворимость газа уменьшается с увеличением плотности нефти. Давление, при котором данная нефть полностью насыщена газом, называется давлением насыщения; если давление в залежи падает, то газ выделяется в свободную фазу.

Газонасышенность вод не только показатель газоносности недр. Эти воды сами могут быть источником газа. Добыча растворенного в воде УВ газа успешно ведется в Японии (префектура

Газообразные гомологи метана — тяжелые углеводороды — ТУВ (этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀) имеют большую по сравнению с метаном сорбционную способность и низкий коэффициент диффузии, что позволяет им концентрироваться в газах закрытых пор. Этан имеет наибольшую из всех УВ газов растворимость в воде (0,047 м 3 /м 3 при 20°С). Смеси этих газов с воздухом так же взрывоопасны. Содержание каждого из гомологов в газах чисто газовых залежей обычно менее 0,5%, в нефтяных попутных газах достигает 30%. Газообразные гомологи метана — ценное сырье нефтехимической промышленности; они используются в производстве синтетического каучука, полиэтилена, пластмасс. Промышленное значение имеют газы, содержащие не менее 2-3% ТУВ.

20°С и 0,1 МПа в одном объеме воды растворяется приблизительно один объем СО₂. При давлении 30 МПа и температуре 100°С в одном объеме воды может раствориться 30 объемов СО₂. Двуокись углерода имеет различный генезис: образуется при окислении углеводородов и других органических соединений, при декарбоксилировании органических кислот, при разложении бикарбонатов, возможно и мантийное происхождение СО₂.

Азот (N₂) — бесцветный газ без запаха, содержание его в воздухе 75,5% по весу (78,09 об. %), в природных газах варьирует в широких пределах (от сотых долей до 99%). В нефтяных попутных газах содержание азота изменяется от 0 до 50%. При длительной эксплуатации попутный нефтяной газ обедняется азотом, что связано с его малой растворимостью в нефти. Газ химически инертный. Азот может быть атмосферного, биохимического и глубинного происхождения; в водах верхней части осадочного чехла он чаще всего атмосферный, с глубиной его содержание обычно падает. Показатель ∑УВ/N₂ — коэффициент химической закрытости недр — возрастает с увеличением глубины.

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N и 15 N. Для атмосферного азота характерно отношение 14 N/ 15 N =273 (стандарт). Изотопный состав азота природных газов варьирует в широких пределах: δ 15 N изменяется от —10 до +18‰.

ническим и другим глубинным газам. В.И. Молчанов считает водород обычным газом осадочных пород, не приуроченным к определенному диапазону толщ. Чаще всего водород ассоциируется с соленосными, угленосными и нефтеносными отложениями; он приурочен к наиболее погруженным частям депрессий. В газах нефтегазоносных районов Н₂ присутствует довольно редко. В Западной Сибири из 1000 опробованных участков водород отмечен в восьми, причем он более свойствен вмещающим породам, чем пластам-коллекторам. По мнению В.А. Соколова, водород свойствен газам древних отложений. Селенгинская депрессия Иркутского амфитеатра, например, характеризуется повсеместным присутствием водорода.

Основным источником свободного водорода в земной коре является вода, при взаимодействии которой с окислами металлов при высоких температурах образуется водород; водород также типичный компонент вулканических фумарольных и прочих глубинных газов. Возможен также генезис водорода при биохимическом и радиоактивном разложении ОВ.

В природе газы распространены очень широко и составляют газовую оболочку — атмосферу. Они присутствуют в свободном, растворенном, сорбированном, механически и химически связанном состоянии в гидросфере и литосфере. Существует много классификаций газов по разным признакам: химическому составу, генезису, месту нахождения (В.В. Белоусов, А.Л. Козлов, М.И. Суббота, И.В. Высоцкий, Н.А. Еременко и СП. Максимов и др.).

Одним из первых классификацию природных газов создал В.И. Вернадский (1912). Он подразделил газы по разным принципам: 1) форме нахождения — свободные и растворенные, жидкие и твердые; 2) источникам образования — газы земной поверхности, глубоких частей литосферы и газы, проникающие из мантии; 3) химическому составу — азотные, углекислые, метановые, водородные, сероводородные.

В.В. Белоусов предложил генетическую классификацию природных газов, подразделив их на газы: 1) биохимического, 2) воздушного, 3) химического и 4) радиоактивного происхождения. А.Л. Козлов построил свою классификацию газов также по генетическому принципу и выделил два основных класса: А) газы, образующиеся в земной коре (биохимические, химические, метаморфические); Б) газы миграционные (космические, магматические, мантийные). Генетическая классификация И.В. Высоцкого включает характеристику исходного материала газов, основные газообразующие процессы, форму нахождения и химический состав. Согласно этой классификации выделяются пять генетических типов газов: 1) биохимический, 2) литохимический, 3) радиоактивный — газы, формирующиеся в земной коре, 4) атмосферный — циркуляционные газы, 5) космический — реликтовые газы.

Классификация газов, растворенных в пластовых водах, по составу была предложена М.И. Субботой (1961), а затем Л.М. Зорькиным (1971). Эта классификация приведена в табл. 1.3. Авторы различных классификаций проводят границу углеводородных компонентов для определения класса и типа газа в пределах 75-100%. Разницы в химическом составе свободных и растворенных газов нет. По условиям нахождения газов в породе Е.В. Стадник выделяет три группы: рассеянные газы пород, газы подземных вод и газы залежей. Рассеянные делятся на газы закрытых и открытых пор, среди которых различаются: 1) свободные, 2) растворенные в воде, 3) сорбированные минеральной частью породы, 4) сорбированные органическим веществом, 5) межслоевых пространств минералов (Зорькин и др., 1985).

Природные газовые смеси осадочного чехла по соотношению компонентов, с учетом классификации Л.М. Зорькина (1973), предложено разделять следующим образом: азотные (более 50%), углеводородные (СН_4+ВЫСШ более 50%), кислые (СО₂ более 50%), водородные (Н₂ более 50%) и смешанные, когда концентрация любого компонента не превышает 50% (Зорькин и др., 1985).

Природные газы, как свободные, так и присутствующие в растворенном состоянии в воде, часто представляют собой сложную смесь по составу и генезису, поскольку разные процессы приводят к образованию газов сходного состава.

Источник

Пластовые газы

ПЛАСТОВЫЕ ГАЗЫ, КОНДЕНСАТЫ, ГАЗОГИДРАТЫ

Природные газы подразделяют на следующие группы.

1.- Газ чисто газовых месторождений, представляющий собой сухой газ, почти свободный от тяжелых УВ.

2.- Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений, — смесь сухого газа и жидкого углеводородного конденсата. Углеводородный конденсат состоит из С_5+высш.

3.- Газы, добываемые вместе с нефтью (растворенные газы). Это физические смеси сухого газа, пропанбутановой фракции (жирного газа) и газового бензина.

Газ, в составе которого УВ (С₃, С₄,) составляют не более 75 г/м 3 называют сухим. При содержании более тяжелых УВ (свыше 150г/м3 газ называют жирным).

Газовые смеси характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Для характеристики газовой смеси необходимо знать ее среднюю молекулярную массу, среднюю плотность или относительную плотность по воздуху. Молекулярная масса природного газа

где М_i — молекулярная масса i-го компонента; X_i — объемное содержание i-го компонента, доли ед. Для реальных газов обычно М = 16—20. Плотность газа ρ_г рассчитывается по формуле

Уравнения состояния газов используются для определения многих физических свойств природных газов. Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между давлением, объемом и температурой.

Состояние газов в условиях высоких давления и температуры определяется уравнением Клайперона — Менделеева:

pV = NRT,

где р — давление; V — объем идеального газа; N — число киломолей газа; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура.

Эти уравнения применимы для идеальных газов. Идеальным называется газ, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают. Реальные углеводородные газы не подчиняются законам идеальных газов. Поэтому уравнение Клайперона — Менделеева для реальных газов записывается в виде

pV = ZNRT,

где Z — коэффициент сверхсжимаемости реальных газов, зависящий от давления, температуры и состава газа и характеризующий степень отклонения реального газа от закона для идеальных газов.

Коэффициент сверхсжимаемости 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 сверхсжимаемости 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 пользования графиком необходимо знать так называемые приведенные псевдокритическое давление и псевдокритическую температуру. Суть этих понятий состоит в следующем.

Объем углеводородных газов меняется в зависимости от температуры и давления примерно в соответствии с рис. 4. Каждая из кривых соответствует фазовым изменениям однокомпонентного газа при постоянной температуре и имеет три участка. Отрезок справа от пунктирной линии соответствует газовой фазе, участок под пунктирной линией — двухфазной газожидкостной области и отрезок слева от пунктирной линии — жидкой фазе. Отрезок пунктирной кривой вправо от максимума в точке С называется кривой точек конденсации (точек росы), а влево от максимума — кривой точек парообразования. Точка С называется критической. Значения давления и температуры, соответствующие критической точке С, также называются критическими. Другими словами, критическойназывается такаятемпература, выше которой газ не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Критическим давлением называется давление, соответствующее критической точке перехода газа в жидкое состояние. С приближением значений давления и температуры к критическим свойства газовой и жидкой фаз становятся одинаковыми, поверхность раздела между ними исчезает и плотности их уравниваются. С появлением в системе двух и более компонентов в закономерностях фазовых изменений возникают особенности, отличающие их поведение от поведения однокомпонентного газа. Не останавливаясь на подробностях, 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 сверхсжимаемости Z реальных газов, представляющих собой многокомпонентную смесь, находят средние из значений критических давлений и температур каждого компонента. Эти средние называются псевдокритическим давлением Р_пкр и псевдокритической температурой Т_пкр. Они определяются из соотношений:

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):

где Р и Т— конкретные давление и температура, для которых определяется Z.

Коэффициент сверхсжимаемости Z обязательно используется при подсчете запасов газа, прогнозировании изменения давления в газовой залежи и решении других задач.

Влагосодержание природных газов связано с тем, что природные газы и газоконденсатные смеси контактируют с пластовыми водами различных форм и вследствие чего содержат определенное количество паров воды. Концентрация водяных паров в газе зависит от его состава, давления, температуры. Отношение количества водяных паров (в долях единицы или процентах), находящихся в газе, к максимально возможному содержанию водяных паров в том же газе при тех же условиях называют относительной влажностью газа. Она характеризует степень насыщения газа водяным паром. Количество водяных паров, находящихся в единице объема или массы газа (г/м3 или г/кг), называют абсолютной влажностью.

Пары воды, присутствующие в газах и газоконденсатных смесях, влияют на фазовые превращения углеводородных систем. При определенных термодинамических условиях вода может выделяться из газа (конденсироваться), т.е. переходить в капельно-жидкое состояние. В газоконденсатных системах могут одновременно выделяться вода и конденсат. В присутствии воды давление начала конденсации УВ увеличивается.

Объемный коэффициент пластового газа b_г представляющий собой отношение объема газа в пластовых условиях Vпл.г к объему того же количества газа Vст, который он занимает в стандартных условиях, можно найти с помощью уравнения Клайперона — Менделеева:

где Рпл, Тпл, Pcт,××Тст — давление и температура соответственно в пластовых и стандартных условиях.

Значение величины b_г имеет большое значение, так как объем газа в пластовых условиях на два порядка (примерно в 100 раз) меньше, чем в стандартных условиях.

Источник

Добыча нефти и газа

Изучаем тонкости нефтегазового дела ВМЕСТЕ!

Нефтяные газы и их свойства

Одной из основных характеристик углеводородных газов является относительная плотность, под которой понимают отклонение массы объема данного газа к массе такого же объема воздуха при нормальных условиях.

При эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений в скважинах, газосборных сетях, магистральном газопроводе при определенных термодинамических условиях образуется кристаллогидраты. По внешнему виду они похожи на сажеобразную массу или лед. Гидраты образуются при наличии капельной влаги и определенных давлениях и температурах.

В зависимости от преобладания в нефтяных газах легких (метан, этан) или тяжелых (пропан и выше) углеводородов газы разделяются на

· Жирные- газ, содержащий тяжелые углеводороды в таких количествах, когда из него целесообразно получать сжиженные газы или газовые бензины.

На практике принято считать жирным газом такой, в 1 м3 которого содержится более 60г газового бензина. При меньшем содержании газового бензина газ называют сухим. С тяжелыми нефтями добывают преимущественно сухой газ, состоящий главным образом из метана. В нефтяных газах, кроме углеводородов, содержатся в незначительных количествах углекислый газ, сероводород и др.

Важной характеристикой природного газа является растворимость его в нефти.

Коэффициент растворимости газа (газовый фактор) показывает, сколько газа растворяется в единице объема жидкости при повышении давления на единицу. Коэффициент растворимости в зависимости от условий растворения изменяется от 0.4х10-5 до 1х10-5 Па-1. Со снижением давления до определенного значения (давление насыщения) начинает выделяться растворенный в нефти газ.

По мере поступления от забоя скважины нефти с газом, газ имеет свойство расширяться, в результате- объем газа больше объема поступления нефти.

Газовый фактор не на всех месторождениях, пластах одинаков. Он обычно колеблется от 30 м3/м3 до 100 м3/м3 и выше.

Давление, при котором из нефти начинают выделяться первые пузырьки растворенного газа, называют давлением насыщения пластовой нефти. Это давление зависит от состава нефти и газа, соотношения их объемов и от температуры.

Наибольшая температура, при которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы, велико не было давление, называется критической температурой.

Источник

4.3 Пластовые газы

Природные газы подразделяют на следующие группы.

Газ чисто газовых месторождений, представляющий собой сухой газ, почти свободный от тяжелых УВ.

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

Газ, в составе которого УВ (С₃, С₄,) составляют не более 75 г/м 3 называют сухим. При содержании более тяжелых УВ (свыше 150г/м 3 ) газ называют жирным.

Физические свойства газов

Основные свойства природных газов в стандартных условиях *

Объем 1кг газа, м 3

Плотность по воздуху

Масса 1 м 3 газа, кг

Критическое давление, МПа

Критическая температура, К

Объем 1кг газа, м 3

Плотность по воздуху

Масса 1 м 3 газа, кг

Критическое давление, МПа

Критическая температура, К

* При давлении 0.1 МПа и температуре 20 0 С

Молекулярная масса природного газа

, (20)

Плотность газа ρ_г рассчитывается по формуле

Если ρ_г и ρ_в определяются при стандартных условиях, то

Состояние газов в условиях высоких давления и температуры определяется уравнением Клайперона ‑ Менделеева:

где р ‑- давление; V ‑ объем идеального газа; N ‑- число киломолей газа; R ‑- универсальная газовая постоянная; Т ‑ температура.

Эти уравнения применимы для идеальных газов. Идеальным называется газ, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают. Реальные углеводородные газы не подчиняются законам идеальных газов. Поэтому уравнение Клайперона ‑ Менделеева для реальных газов записывается в виде

где Z ‑ коэффициент сверхсжимаемости реальных газов, зависящий от давления, температуры и состава газа и характеризующий степень отклонения реального газа от закона для идеальных газов.

Коэффициент сверхсжимаемости 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):

Рис. 12. Диаграмма фазового состояния чистого этана (по Ш.К. Гиматудинову):

Критическим давлением называется давление, соответствующее критической точке перехода газа в жидкое состояние.

С приближением значений давления и температуры к критическим свойства газовой и жидкой фаз становятся одинаковыми, поверхность раздела между ними исчезает и плотности их уравниваются. С появлением в системе двух и более компонентов в закономерностях фазовых изменений возникают особенности, отличающие их поведение от поведения однокомпонентного газа. Критическая температура смеси находится между критическими температурами компонентов, а критическое давление смеси всегда выше, чем критическое давление любого компонента. Для определения коэффициента сверхсжимаемости Z реальных газов, представляющих собой многокомпонентную смесь, находят средние из значений критических давлений и температур каждого компонента. Эти средние называются псевдокритическим давлением Р_пкр и псевдокритической температурой Т_пкр. Они определяются из соотношений:

(26)

(27)

где Pкр_i, и Tкр_i ‑ критические давление и температура i-го компонента; Xi ‑ доля i-го компонента в объеме смеси (в долях единицы).

Р_пр=р/р_пкр; Т_пр=Т/Т_{пкр, где} р и Т конкретные давление и температура, для которых определяется Z.

Концентрация водяных паров в газе зависит от его состава, давления, температуры. Отношение количества водяных паров (в долях единицы или процентах), находящихся в газе, к максимально возможному содержанию водяных паров в том же газе при тех же условиях называют относительной влажностью газа. Она характеризует степень насыщения газа водяным паром. Количество водяных паров, находящихся в единице объема или массы газа (г/м 3 или г/кг), называют абсолютной влажностью.

Объемный коэффициент пластового газа b_г представляющий собой отношение объема газа в пластовых условиях V_пл.г к объему того же количества газа V_ст, который он занимает в стандартных условиях, можно найти с помощью уравнения Клайперона ‑ Менделеева:

где Р_пл, Т_пл, P_c_т,Т_ст ‑ давление и температура соответственно в пластовых и стандартных условиях.

Источник