МОДЕЛИ ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Введение

Введение
Композиционная модель – многокомпонентное описание.
Модель черной нефти – двухкомпонентное описание
(товарная нефть, природный газ)

Углеводороды
Углеводороды
Алкены
Алкилы
Циклоалканы
( Нафтены )
Нестабильные

Алканы
Алканы или парафины – насыщенные углеводороды с открытой цепью атомов.
Формула –
Структура - стабильна

Изомеры
Вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную массу, но различное строение молекул, а потому обладающие разными свойствами, называются изомерами.
Число изомеров увеличивается с увеличением количеств атомов углерода.

Изомеры

Нафтены
Циклоалканы (циклопарафины) имеют замкнутое циклическое строение.
Формула -
Структура –
стабильна.

Ароматические
углеводороды
Ароматические углеводороды – это циклические, непредельные углеводороды, содержащие ядро бензола.
Формула –
Структура стабильна.

Асфальтены
Асфальтены – очень вязкие, полутвердые, темно-коричневые углеводороды.
Содержат большое количество серы, азота, кислорода.

Неуглеводородные компоненты
Сера – 0.04%-5%.
Сера, сероводород (токсичен) – коррозийны
Сульфиды – не коррозийны.
Кислород – до 0.5%.
Азот – 0.1% - 2%
Углекислый газ - вызывает коррозию

Упрощенное описание пластовой нефти
Модель черной нефти
Дегазированная
нефть
Растворенный
газ
Газовый
фактор
Объемный коэффициент
пластовой нефти

Композиционное описание
Композиционная модель
Парафины
Предельное С число
(С6 или С9)
С+ компонент
Физические свойства
ИЗВЕСТНЫ
Эффективный молекулярный
и удельный веса

Типы залежей
Нефтьl + растворенный газ
Газовые конденсаты с растворенными тяжелыми компонентами
Однофазная жидкость вблизи критики
(легкая нефть или конденсат)

Общий анализ (какую модель выбрать?)

Модель черной нефти

Основные параметры модели черной нефти. Растворимость газа
Rs – это такое количество
стандартных кубических футов
газа, которое может быть
растворено в одном барреле
нефти (при стандартных
условиях) в пластовых условиях.
Единицы измерения: SCF/STB

Основные параметры модели черной нефти. Растворимость газа
bubble point
pressure

Основные параметры модели черной нефти. Объемный коэффициент нефти
Объем нефти в пластовых условиях больше, чем объем нефти при стандартных условиях.
Выделение газа.
Расширение нефти, вызванное уменьшением давления.
Сжатие нефти в результате уменьшения температуры

Основные параметры модели черной нефти. Объемный коэффициент нефти
Bo – объем пластовой нефти
требуемый для производства
одного стандартного барреля
нефти.
Единицы измерения:
res bbl/STB

Основные параметры модели черной нефти. Сжимаемость нефти

Основные параметры модели черной нефти. Удельная плотность жидкости
Относительная плотность жидкости это отношение ее истинной плотности к плотности воды при нормальных условиях.
0API gravity:

Эмпирические корреляции. Вязкость нефти
Вязкость дегазированной нефти Beggs and Robinson:
Вязкость дегазированной нефти Egbogah and Ng:
Влияние растворенного газа:

Эмпирические корреляции. Давление насыщения, объемный коэффициент (Standing)
Для расчета давления разгазирования
Для расчета объемного коэффициента

Подведем итоги.

Подведем итоги.
Нефть и газ сложные многокомпонентные системы, содержащие алканы, нафтены, ароматические УВ, смолы и асфальтены.
Существует два подхода к описанию этих систем: упрощенный - черная нефть, композиционный с расчетом компонентного изменения фаз.
Выбор модели осуществляется по: значению газового фактора, плотности выделяемого из нефти газа, плотности газа в АРI0
В модели черной нефти основными характеристиками жидкой фазы являются: коэффициент сжимаемости, объемный коэффициент, плотность, давление разгазирования, вязкость.
Существуют эмпирические зависимости указанных параметров от плотности АРI0

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МОДЕЛИ.
ФАЗОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

Для чего нужны PVT?
Продуктивность скважины невозможно рассчитать правильно, не зная свойств флюидов
Зимой многие нагнетательные скважины замерзают, но показатели добычи нефти выше, чем летом. Почему? Вода занимает ¾ вертикальной трубы длиной 2,4 км. Каково давление в забойной зоне?
Свойства нефти и газа в скважине непостоянны. Как рассчитать Pwf?

Для чего нужны PVT?
Извлечен 1 м³ нефти. Как заполнилось созданное пустое пространство?
Извлечены 1,000,000 тонн нефти и 300,000 тонн газа. Как заполнилось созданное пустое пространство?
Как добыча нефти влияет на среднее пластовое давление? На PVT-свойства флюидов?

PVT - Определения
Фаза (состояние) описывает агрегатное состояние системы (газообразное, жидкое, твердое);
Компонент относится к отдельным составным частям независимо от состояния системы;
Моль – грамм-молекулярный вес;
Мольная доля – отношение количества молей компонента к общему количеству молей в смеси;
Массовая доля – отношение массы компонента к общей массе смеси

Фазовая диаграмма
(чистые вещества)
Tc
Pc

Диаграмма
«давление-температура» (P-T)

Диаграмма
«давление-объем» (P-V)

Двухкомпонентная система
Диаграмма «давление-объем»

Диаграмма
«давление-температура»

Фазовая диаграмма смесей
этана и n-гептана
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
No. Содержание этана
1 100.00
2 90.22
3 70.22
4 50.25
5 29.91 6 9.78
7 6.14
8 3.27
9 1.25
10 n-гептана
Состав
1400
1200
1000
400
600
800
200
0
200
300
400
500
100
Давление, psia
Температура, °F

Ретроградная конденсация
Upper dew
point
lower
dew point

Тяжелая нефть
Широкая двухфазная
область
Высокий процент
жидкой фазы
Большая доля тяжелых
углеводородов
Газовый фактор <500
SCF/STB
Вязкость более 30ºAPI
Tres Tc

Легкая нефть
После сепарации соотношение нефть, газ 65/35%.
Большая концентрация легких и промежуточных УВ
Вязкость API<50o
Газовый фактор<8000scf/stb

Газоконденсатные системы
Больше легких
Углеводородов
Меньше тяжелых
углеводородов
Газовый фактор <70 000
SCF/STB
<60ºAPI
TC Tres Tmax

Природный газ (жирный газ)
Газовый фактор <100 000
SCF/STB
Конденсат >50ºAPI
Tres

Природный газ (сухой газ)
Газовый фактор >100 000
SCF/STB
Tres

Сравнение фазовых диаграмм
пластовых флюидов

Сравнение фазовых диаграмм пластовых флюидов
Black Oil
Volatile Oil
Gas Condensate
Gas

Пять пластовых флюидов
25
Тяжелая нефть
Критическая
точка
Давление, psia
График точки
насыщения
Сепаратор
График пластового
давления
График точки
росы
90
80
90
70
60
50
40
10
30
20
% жидкости
Температура, °F
Давление
Температура
Сепаратор
% жидкости
График точки насыщения
График точки росы
График точки росы
Летучая нефть
График
пластового
давления
3
2
1
5
10
30
20
40
50
60
70
80
90
Критическая
точка
Ретроградный газ
Жирный газ
Сухой газ
Нелетучая нефть
Летучая нефть
Давление
Температура
% жидкости
2
1
График пластового
давления
Сухой газ
Сепаратор
График точки росы
1
50
25

Основные тенденции добычи
Газосодержание
Газосодержание
Газосодержание
Газосодержание
Газосодержание
Время
Время
Время
Время
Время
Время
Время
Время
Время
Время
Жидкости
нет
Жидкости
нет
Сухой
газ
Жирный
газ
Ретроградный
газ
Летучая
нефть
Нелетучаая
нефть
° API
° API
° API
° API
° API

Подведем итоги.

Подведем итоги.
Фазовое поведение системы обычно отражается на р-Т и р-V диаграммах состояния.
Для многокомпонентных систем линия кипения на р-Т диаграмме переходит в конечную область, ограниченную линиями кипения и росы. Эти линии соединяются в критической точке.
Ширина и конфигурация этой области и положение линии пластового давления связаны с понятиями тяжелая(нелетучая), легкая (летучая) нефть, газоконденсат, жирный и сухой газ.
Ретроградные явления заключаются в выделении жидкости из газа, а затем ее испарении при снижении давления в системе и выделении газа из жидкости, а затем его растворения при снижении температуры.

Описание фазового поведения с помощью уравнений состояния
Поправочный коэффициент z – функция от состава газа, давления и температуры.
Z приближается к
1 при p стремящихся к 0
При малых давлениях
Vactual меньше чем Videal
При больших давлениях
Vactual больше чем Videal

Уравнения состояния, Ван дер Ваальс, 1873
Два уточняющих члена используются для описания реального газа.
Внутреннее давление отталкивания a/V2.
Поправка b определяет объем занимаемый молем газа при бесконечном давлении.
Уравнение состояния реального газа
может быть переписано в форме

Уравнение состояния Ван дер Ваальса
Можно переписать уравнение через коэффициент
сверхсжимаемости
где
и
Значения А и В положительные константы, характеризующие вещество.

Уравнение состояния Ван дер Ваальса
Уравнение позволяет построить P vs. V изотермы

Уравнение состояния Редлиха-Квонга, 1949
Предложено большое количество уравнений состояния с большим количеством констант.
Наибольшее развитие получили все же кубические уравнения
Поправки a и b в этих уравнениях функции температуры
В критической точке

Приложение с смесям
Для смесей используются правила определения констант через параметры индивидуальных компонентов
Для уравнений Соаве-Редлиха-Квонга и Пенга-Робинсона
и
Kij коэффициенты бинарного взаимодействия
Они не имеют определенного физического смысла.
Для каждого уравнения свои значения коэффициентов,
определяются экспериментально, для индивидуальных
углеводородов составлены таблицы коэффициентов.

Расчет парожидкостного равновесия
Уравнения для расчета паро-жидкостного равновесия используются для анализа процессов сепарации и в композиционных моделях.

Идеальные растворы
Закон Рауля
(растворы жидкости)
Закон Дальтона
(газовые смеси)

Идеальное равновесное распределение компонентов
Коэффициент распределения определяется как отношение концентрации компонента в газовой фазе к его концентрации в жидкости.
Из законов Рауля и Дальтона следует

Коэффициенты распределения
Kj определяется для конкретного давления и температуры.
Другие названия: K-коэффициент,
K- константа,
константы равновесного парожидкостного распределения

Фугитивность
Понятие фугитивности f, вводится для расчетов равновесия реальных систем, аналог парциального давления в идеальной смеси.
Фугитивность –функция термодинамического состояния, однозначно связана с функцией Свободной энергии.
Отношение фугитивности к давлению называется коэффициентом фугитивности.

Фугитивность
Фугитивность это мера способности молекул перейти из одной фазы в другую(Danesh)
Условием равновесия в многокомпонентной системе является равенство фугитивностей компонентов в жидкой и газовой фазах.

РЕАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Теория идеальных растворов не подходит для описания углеводородных систем при их добыче, транспорте и переработке.
Теория идеальных растворов применима только при низких давлениях и средних температурах.
Имеются различные методы расчета равновесия неидеальных систем.
Однако термодинамические основы расчета фазового равновесия и концепция констант равновесия используются и для неидеальных систем.
Неидеальные константы равновесия определяются из экспериментов или рассчитываются с использованием уравнений состояния реальных систем.

Схема использования уравнения состояния для расчета фазового равновесия
Danesh

Процедура расчета фазового равновесия с использованием уравнения состояния.
Определить пробные значения коэффициентов распределения (например, в приближении идеального раствора)
Определить долю жидкости и пара по уравнениям парожидкостного равновесия.
Решить уравнение состояния записанное относительно коэффициента сверхсжимаемости Z.
Выбрать минимальный корень для жидкости, максимальный для газа.
Рассчитать коэффициенты фугитивности для каждого компонента в жидкой и газовой фазах
Рассчитать константы распределения.
Повторять процедуру для новых Kj-ых до сходимости.

Для чего нужны столь сложные расчеты фазового равновесия?
Эти расчеты позволяют определить соотношения жидкой и газовой фаз, их состав, а следовательно свойства. Это важно как для расчетов гидродинамики, так и процессов сепарации (в скважинах, наземном оборудовании).
В каждом расчетном блоке пласта соотношения объемов газа и жидкости определяют фазовые проницаемости и подвижности фаз. Их компонентный состав определяет плотность и вязкость фаз. Таким образом гидродинамика пластовых жидкостей зависит от перераспределения компонентов между газом и нефтью.

Подведем итоги.

Подведем итоги.
Коэффициент сверхсжимаемости Z вводится для учета поправок на неидеальность газа.
Наибольшее распространения для описания уравнения состояния реальных газов получили кубические уравнения Соаве-Редлиха-Квонга, Пенга-Робинсона.
В задачах гидродинамики и сепарации необходимо по общему составу смеси, давлению и температуре рассчитать соотношение объема газовой и нефтяной фаз, их компонентный состав и основные физические свойства фаз.

Подведем итоги.
Расчет состава и объемного соотношения фаз производится на основе условия равенства фугитивностей компонентов в каждой фазе, фугитивность рассчитывается по выбранному уравнению состояния. Расчет этой сложной системы уравнений осуществляется итерационным способом.
Для расчета гидродинамики такая итерационная процедура проводится в каждой ячейке пласта в каждый момент времени, поэтому расчеты занимают значительно больше времени.