4.3 Пластовые газы

Природные углеводородные газы представляют собой смесь предельных УВ вида С_nН_2n+₂. Основным компонентом является метан СН₄. Наряду с метаном в состав природных газов входят более тяжелые УВ, а также неуглеводородные компоненты: азот N, углекислый газ СО₂, сероводород H₂S, гелий Не, аргон Аr.

Природные газы подразделяют на следующие группы.

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

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

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/м³ называют сухим. При содержании более тяжелых УВ (свыше 150г/м³) газ называют жирным.

Физические свойства газов

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.

Таблица 2.

Основные свойства природных газов в стандартных условиях ^*

Свойства	Обозначения	CH4	C2H6	C3H8	i-C4H10	n-C4H10	i-C5H12
Молекулярная масса	М	16.04	30.07	44.10	58.12	58.12	72.15
Объем 1кг газа, м3		1.40	0.74	0.508	0.385	0.385	0.310
Плотность по воздуху		0.554	1.038	1.522	2.006	2.006	2.490
Масса 1 м3 газа, кг		0.714	1.35	1.97	2.85	2.85	3.22
Критическое давление, МПа	Pкр	4.58	4.86	4.34	3.82	3.57	3.28
Критическая температура, К	Tкр	191	305	370	407	425	461
Свойства	Обозначения	n-C5H12	C6H14	C7H16	N2	CO2	H2
Молекулярная масса	М	72.15	86.17	100.2	28.02	44.01	34.02
Объем 1кг газа, м3		0.310	0.262	0.223	0.799	0.509	0.658
Плотность по воздуху		2.490	2.974	3.459	0.967	1.514	1.173
Масса 1 м3 газа, кг		3.22	3.81	4.48	1.25	1.964	1.517
Критическое давление, МПа	Pкр	3.30	2.96	2.70	3.46	7.50	8.89
Критическая температура, К	Tкр	470	508	540	124.9	304.1	373.4

* При давлении 0.1 МПа и температуре 20 ⁰С

• Молекулярная масса природного газа

, (20)

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

_г = М/V_м =М/24,05, (21)

где V_м - объем 1 моля газа при стандартных условиях. Обычно значение ρ_г находится в пределах 0,73-1,0 кг/м³. Чаще пользуются относительной плотностью газа по воздуху ρ_г.в равной отношению плотности газа ρ_г к плотности воздуха ρ_в взятой при тех же давлении и температуре:

ρ_г.в = ρ_г/ ρ_в (22)

Если ρ_г и ρ_в определяются при стандартных условиях, то

ρ_в = 1,293 кг/м³ и ρ_гв = ρ_г /1,293 кг/м³.

• 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, (23)

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, (45)

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):

Z = V/V_и (25)

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

V – удельный объем;p - давление

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. 12. 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, критической называется такая температура, 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. 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).

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):

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

• 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 V_пл.г к объему того же количества газа V_ст, который он занимает в стандартных условиях, можно найти с помощью уравнения Клайперона ‑ Менделеева:

b_г = V_пл.г/V_ст = Z(P_cтТ_пл/(Р_плТ_ст), (28)

где Р_пл, Т_пл, P_cт,Т_ст ‑ 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.