Фазовые состояния углеводородов

Введение
c ACTODD
Залежи нефти и газа представляют собой смеси различных компонентов, которые под P & T могут существовать в разных состояниях.
Эти состояния называются фазами.
Фазовые состояния – ключевой аспект в понимании природы и поведения флюидов в пласте, во время добычи и при транспортировке

Определения
c ACTODD
Система
 Количество вещества в пределах заданных границ в определенных условиях, состоящие из нескольких компонентов
 Если существует движение через границу, то система меняется
Компоненты
 Чистые вещества, составляющие систему
 Метан, этан, вода

Определения
c ACTODD
Фазы
 Однородная часть системы, ограниченная поверхностью раздела
 Пример: лед, жидкая вода, пар
Равновесие
 Система находится в равновесии, если физические свойства отдельных фаз не изменяются со временем.

Определения
c ACTODD
Интенсивные свойства (Intensive Properties)
 Независимы от количества вещества
 Пример: плотность, коэффициент сжимаемости
Экстенсивные свойства (Extensive Properties)
 Зависят от количества вещества
 Пример: объем и масса

Влияние температуры и давления
c ACTODD
Температура
 Индикатор (показатель) кинетической энергии молекул.
 Мера измерения кинетической энергии молекул.
 Увеличивается при нагревании
 Увеличение скорости молекул
 Молекулы отдаляются друг от друга

Влияние температуры и давления
c ACTODD
Давление
 Отражает частоту соударений молекул со стенками емкости
 Большее количество молекул увеличивает давление
Межмолекулярные силы: силы притяжения и отталкивания между молекулами
 Силы притяжения увеличиваются при отдалении
 Силы отталкивания увеличиваются при приближении

Газы и жидкости
c ACTODD
Газы
 Молекулы расположены далеко друг от друга
 Силы притяжения между молекулами
Жидкости
 Близкое расположение молекул
 Силы отталкивания позволяют противостоять сжатию

Фазовое поведение однокомпонентной системы
c ACTODD
Перед изучением более сложных углеводородных систем необходимо изучить однокомпонентную систему
Фазовые диаграммы
Диаграммы давления и температуры или давления и объема
Отображает фазовые состояния при различных условиях

c ACTODD
Кривая кипения
Тройная точка
Критическая точка
Вода
Газ
Диаграмма давление-температура для однокомпонентного вещества

Диаграмма давление-температура для однокомпонентного вещества
c ACTODD
Кривая парообразования
Разделяет области жидкой фазы от газовой
Условия на линии - совместное существование жидкости и газа

Диаграмма давление-температура для однокомпонентного вещества
c ACTODD
Критическая точка
Максимальное значение кривой парообразования
Критическая температура, Tc
Критическое давление, Pc
Верхняя граница сосуществования жидкости и газа
General definition:
The point at which all intensive properties of the gas and liquid are equal

Диаграмма давление-температура для однокомпонентного вещества
c ACTODD
Тройная точка
Отображает давление и температуру, при которых совместно существуют три фазы

Диаграмма давление-температура для однокомпонентного вещества
c ACTODD
Линия сублимации

Диаграмма давление-температура для однокомпонентного вещества
c ACTODD
Линия плавления

Диаграмма давление-температура
c ACTODD
P1
Однокомпонентная жидкость при давлении Р1

Диаграмма давление-температура
Значительное снижение давления. Незначительное изменение объема
Давление насыщения
P2
Пузырьки газа в равновесии с жидкой фазой
c ACTODD
P1
P2
Однокомпонентная жидкость при давлении Р1

Диаграмма давление-температура
c ACTODD
P1
P2
Давление насыщенияP2
P3
Увеличение объема
Увеличение газовой фазы, уменьшение жидкости
Давление постоянное
Однокомпонентная жидкость при давлении Р1

Диаграмма давление-температура
c ACTODD
P1
P2
P3
P4
Давление точки росы P4
Маленькие капли жидкости
Давление постоянное
Давление насыщенияP2
Однокомпонентная жидкость при давлении Р1
Увеличение объема

Диаграмма давление-температура
c ACTODD
P1
P2
P3
P4
P5
Дальнейшее расширение газа
Падение давления
Давление насыщенияP2
Увеличение объема
Однокомпонентная жидкость при давлении Р1
Давление точки росы P4

Диаграмма давление-температура
c ACTODD
P1
P2
P3
P4
P5

Поведение вдоль кривой парообразования
c ACTODD
From A to B via VP line
A - жидкая фаза
P1
Между A&B на линии – газ и жидкость
P3
P5
В - газовая фаза

Поведение в критической точке
c ACTODD
At A liquid phase
А – жидкая фаза
Е – сжатая жидкая фаза
From E to F from liquid to gas with no phase boundary От Е до F из жидкости газ без четких границ
G - газовая фаза
В – газовая фаза

Выше критической точки
c ACTODD
3 – жидкая фаза?
Фаза с высокой плотностью
3-4 переход от свойств жидкости к свойствам газа без определенного фазового перехода
At 4 gas phase

PT диаграмма для этана
c ACTODD

Диаграмма давление-объем
c ACTODD
1. Single phase liquid
Bubble point first gas bubble
P4
Dew point Last drop of liquid
All gas
P1
P2
P5
T = Tc критическая температура
T
Двухфазная зона
Однофазная зона
T>Tc Smooth change from liquid to gas. No definite phase distinction.
Reflects
compressibilty of liquid

Диаграмма давление-объем
c ACTODD
ГМТ точек кипения и точек росы
Жидкость
газ
Две фазы
Одна фаза

Диаграмма давление-объем для этана
c ACTODD

3D фазовая диаграмма для однокомпонентного вещества
c ACTODD

Двухкомпонентная система
c ACTODD
Один компонент легче другого
Компоненты смешиваемы

Диаграмма давление-объем для двухкомпонентной системы
c ACTODD
Изотермы схожи с изотермами однокомпонентного вещества
Давление уменьшается от точки кипения до точки росы
Композиционный состав жидкой фазы и газа меняется
Физические свойства – функция композиционного состава

Compositions
Легкие компоненты Тяжелые компоненты
Жидкая смесь
В точке кипения
Жидкость
Газ
Жидкость в точке росы
Газ
Смесь газов
Диаграмма давление-объем для двухкомпонентной системы

Диаграмма давление-объем для двухкомпонентной системы
Диаграмма для 52.4 моль% N-гептана и N-пентана

Диаграмма давление-температура для двухкомпонентного вещества
c ACTODD
Кривая парообразования для однокомпонентного вещества
Преобразуется в широкую область сосуществования двух фаз

c ACTODD
Линия точек кипения и точек росы соединяются в критической точке
Смесь характеризуется критическими давлением и температурой
Диаграмма давление-температура для двухкомпонентного вещества

c ACTODD
Точка кипения
Процентный состав жидкости
Точка росы
Диаграмма давление-температура для двухкомпонентного вещества

c ACTODD
Разный состав смеси соответствует определенной форме двухфазной области.
Увеличение содержания компоненты А сдвигает двухфазную область влево
Увеличение содержания компоненты В сдвигает двухфазную область вправо
Диаграмма давление-температура для двухкомпонентного вещества
PCAB намного выше, чем PCA и PCB

Диаграмма Давление-Температура для смеси этана и гептана
c ACTODD
Критические точки для различных смесей
Критическое значение для однокомпонентной системы
ГМТ критических точек

Ретроградная конденсация
c ACTODD
В двухфазной области возможны значение температуры выше критической температуры и давление выше критического давления
Крикодентерма.
Максимальная температура совместного существования двух фаз
Крикоденбара
Максимальное давление совместного существования двух фаз

Ретроградная конденсация
c ACTODD
Крикодентерма
Крикоденбара
Поведение при постоянной температуре между критической температурой и крикодентермой
1
2
3
Точка 1 – одна фаза
fluid
Точка 2 – точка росы
Точка 3 – максимальное кол-во жидкости
4
Точка 4 – точка росы
5
Точка 5 – чистый газ

Ретроградная конденсация
c ACTODD

Многокомпонентная система УВ
c ACTODD
Пластовые флюиды содержат сотни различных компонент
Мультикомпонентная система
Фазовые переходы аналогичны двухкомпонентной системе
.

Фазовые состояния многокомпонентной системы УВ
c ACTODD
Liquid
Bubble point Давление насыщения
Первый пузырек газа
40% жидкости
Dew point
Последняя капля жидкости
Точка росы
Только газ

Классификация пластовых флюидов
c ACTODD
Black Oil
 Тяжелая нефть
 Малоусадочная нефть
Легкая нефть
 Летучая нефть
Ретроградный газ
Влажный газ
Сухой газ

Фазовые состояния пластовых флюидов
c ACTODD
Single Phase region Liquid
Black Oil
Volatile Oil
Gas Condensate
Gas
Single Phase region
Gas

Нефтяная система – Тяжелая нефть
c ACTODD
Tc выше пластовой температуры
Выше давления насыщения – ненасыщенный флюид
При давлении насыщения – насыщенный флюид
1. Undersaturated
2. Saturated
Bubble point pressure
1&2 – одна фаза.
Сепаратор – две фазы жидкость/газ 85/15% - малоусадочный флюид
Separator
3. Two phases in reservoir

Нефтяная система – Тяжелая нефть
c ACTODD
1. Недосыщенная
2. Насыщенная
Bubble point pressure
Separator
3. Two phases in reservoir
Широкая двухфазная область
Высокое содержание
жидкости
Тяжелые УВ
GOR<500scf/stb
Плотность нефти 30oAPI
Черный цвет

Нефтяная система – Легкая нефть
c ACTODD
Сепаратор – два фазы жидкость/газ 65/35%
Высокое содержание легких УВ
Tc is higher than the reservoir temperature
Separator

Нефтяная система – Легкая нефть
c ACTODD
Двухфазная область меньше, чем для тяжелой нефти
Меньшее количество тяжелых УВ
Темный цвет
API<50o
GOR<8000scf/stb
Separator

Ретроградный газ
c ACTODD
Одна фаза
Точка росы
Максимальное содержание жидкой фазы
Область ретроградной конденсации
Точка росы
Газовая фаза
Существует между критической температурой и крикодентермой

Ретроградный газ
c ACTODD
Конденсат неподвижен
Потеря добычи
При высоких значениях конденсата
Возможность циклической закачки газа

Циклическая закачка газа
c ACTODD
Для предотвращения образования конденсата регулируют условия однофазного потока
Импорт газа
Продажа конденсата
Обратная закачка сухого газа
Конденсат
Добывающая скважина
Газоводяной контакт
Сепарация
Газ

Циклическая закачка газа
c ACTODD
Закачка продолжается до прорыва сухого газа
Сухой газ имеет меньшую вязкость чем влажный
Газ
Импорт газа
Продажа конденсата
Закачка сухого газа
Конденсат
Добывающая скважина
Газоводяной контакт
Сепарация

Циклическая закачка газа
c ACTODD
Залежь сухого газа
Экспорт газа
Добывающая скважина
Продажа газа
Газоводяной контакт

Влажный газ
c ACTODD
Добыча конденсата в сепараторе

Сухой газ
c ACTODD
Вне двухфазной области
Сепаратор за двухфазной областью
Не выпадает конденсат
GOR>100,000 scf/stb

Расположение двухфазных областей
c ACTODD