Растворимость газов в нефти и воде

От количества растворённого в пластовой нефти газа зависят все её важнейшие свойства: вязкость, сжимаемость, термическое расширение, плотность и другие.

Распределение компонентов нефтяного газа между жидкой и газообразной фазами определяется закономерностями процессов растворения. Способность газа, растворятся в нефти и воде, имеет большое значение на всех этапах разработки месторождений от добычи нефти до процессов подготовки и транспортировки.

Сложность состава нефти и широкий диапазон давлений и температур затрудняют применение термодинамических уравнений для оценки газонасыщенности нефти при высоких давлениях.

Процесс растворения для идеального газа при небольших давлениях и температурах описывается законом Генри:

или , (2.35)

где Vж – объём жидкости-растворителя;

a – коэффициент растворимости газа;

Vг – объём газа, растворённого при данной температуре;

Р – давление газа над поверхностью жидкости

К – константа Генри (К = f(a)).

Коэффициент растворимости газа (a) показывает, какое количество газа (Vг) растворяется в единице объёма жидкости (Vж) при данном давлении:

. (2.36)

Коэффициент растворимости зависит от природы газа и жидкости, давления, температуры.

Природа воды и углеводородов различна. Углеводородная составляющая нефтяного газа растворяется хорошо в углеводородных системах, в нефти, а в воде хуже. Неуглеводородные компоненты нефтяного газа, такие как СО, СО2, Н2S, N2 растворяются лучше в воде. Например, пластовая вода сеноманского горизонта Западной Сибири очень газирована, она содержит приблизительно 5 м 3 газа СО и СО2 на 1 т пластовой воды.

Растворимость углеводородов в нефти подчиняется закону Генри. С повышением давления растворимость углеводородного газа растёт.

С повышением температуры растворимость углеводородных газов в нефти ухудшается.

Рис. 2.5. Изотермы растворимости газов при температуре 50 о С в нефтях:

1. – ромашкинская (Р); 2. – сураханская (С); 3. – небитдагская (Н);

4. – туймазинская (Т) по данным Т.П. Сафроновой и Т.П. Жузе

Разные компоненты нефтяного газа обладают различной растворимостью в нефтяных системах. С увеличением молекулярной массы газового компонента коэффициент растворимости его в углеводородных системах возрастает. На степень растворения углеводородных газов больше влияет не молекулярная масса растворителя, а его природы.

Растворимость углеводородных газов в нефти увеличивается с повышением содержания в ней парафиновых углеводородов. Работает принцип подобия: подобное растворяется в подобном. При высоком содержании ароматических углеводородов в нефти ухудшается растворимость в ней газов.

Растворимость углеводородов в водене подчиняется закону Генри.

Из эксперимента известно, что при давлении 35 атм и температуре 35°С нефтяной газ растворяется в воде в количестве (Vг/Vж) = 1 м 3 /м 3 . Однако, при повышении давления в 10 раз до 350 атм растворимость газа увеличилась всего в 4 раза и составляет 4 м 3 /м 3 . Это объясняется тем, что с повышением давления растворимость газов (a) в воде увеличивается, согласно закону Генри.

Однако с увеличением давления возрастает и растворимость солей в воде, то есть увеличивается минерализация воды. При увеличении минерализации (М), растворимость газов в воде уменьшается (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Изменение растворимости природного газа в воде в зависимости от минерализации

Этим и объясняется отклонение зависимости растворимости углеводородов в воде от линейного вида, и при повышенных давлениях не подчинению закону Генри (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Кривые растворимости газа в чистой и соленой воде при различных температурах и давлениях: 1,2 – дистиллированная вода; 3,4 – 2 М раствор NaCl

Растворимость углеводородного газа в минерализованной воде оценивается по эмпирической формуле:

где aпл – растворимость нефтяного газа в пластовой воде, м 3 м 3 ;

aпр – растворимость нефтяного газа в пресной воде (рис. 2.8);

k – поправочный коэффициент на минерализацию в зависимости от температуры (табл. 2.5);

М – содержание солей, %.

Значения поправочных коэффициентов на минерализацию в зависимости от температуры

Рис. 2.8. Зависимость растворимости природного газа в пресной воде от температуры при различных давлениях

Рассмотримпример. Определить растворимость углеводородных газов в пластовой воде при давлении 105 атм, температуре 35°С и минерализации 30000 мг/л (3 %).

Решение. Для определения растворимости углеводородных газов в пластовой воде пользуемся формулой 2.37. Находим значение коэффициента растворимости газа в пресной воде (a), используя рис. 2.8. При температуре 5 о С и давлении 105 атм величина a = 2,16 м 3 /м 3 . Величина поправочного коэффициента оцениваем на основе данных таблицы 2.5, k ≈ 0,07. Растворимость углеводородного газа в пластовой воде рассчитываем по 2.37:

aрт = 2,16 · (1 – (0,0 7 · 3) = 2,16 · 0,79 = 1,7 (м 3 /м 3 ).

Растворимость газа зависит от температуры. С увеличением температуры растворимость углеводородов в воде вначале уменьшается, а затем возрастает, пройдя через максимум (рис. 2.9). Причем температура минимальной растворимости различных газов возрастает с увеличением размера молекулы газа. Температура минимальной растворимости газов зависит от давления.

Рис. 2.9. Изменение температуры минимальной растворимости этана в зависимости от давления при 0 o С

Коэффициент растворимости нефтяных газов в воде изменяется в широких пределах и достигает 4-5·10 -5 м 3 /(м 3 ·Па).

Количество выделившегося из нефти газа зависит не только от содержания газа в нефти, но и от способа дегазирования. Различают контактное разгазирование, когда выделившийся газ находится в контакте с нефтью, и дифференциальное разгазирование, когда выделившийся из нефти газ непрерывно отводится из системы. Строгое соблюдение условий дифференциального дегазирования в лабораторных условиях затруднено, поэтому оно заменяется на ступенчатое дегазирование, используется многократное (ступенчатое) разгазирование.

В процессе добычи нефти встречаются оба способа дегазирования. В начальные периоды снижения давления от давления насыщения, когда газ ещё неподвижен относительно нефти, происходит контактное разгазирование. В последующий период, по мере выделения газа из нефти, газ быстрее движется к забою скважины и можно говорить о дифференциальном разгазировании

При дифференциальном способе разгазирования нефти количество газа, остающегося в растворенном состоянии (условия по давлению разгазирования одинаковые) будет больше, чем при контактном способе (рис. 2.10). Это связано с преимущественным переходом в паровую фазу метана в начале процесса дегазации. С удалением метана из системы при дифференциальном способе разгазирования нефти в паровой фазе увеличивается содержание тяжелых углеводородов, что вызывает повышение растворимости их в нефти.

При движении газа по пласту наблюдается так, называемый, дроссельный эффект – уменьшение давления газового потока при его движении через сужения в каналах. При этом наблюдается изменение температуры. Интенсивность изменения температуры при изменении давления характеризуется коэффициентом ДжоуляТомсона:

где DТ – изменение температуры;

a – коэффициент Джоуля–Томсона (зависит от природы газа, давления, температуры);

DР – изменение давления.

Понижение температуры при движении газа в пласте даже при больших перепадах давления сравнительно невелико. В пластовых условиях, как правило, движение газа происходит в изотермических условиях. Ближе к забою, особенно в забойных штуцерах, процесс дросселирования газа может привести к значительному снижению температуры, что имеет большое значение при эксплуатации нефтяных месторождений с высоким содержанием парафина.

Факторы, влияющие на растворимость газов в жидкостях

факторы, влияющие на растворимость газов в жидкостях:

если у газа полярные молекулы, то они лучше растворяются в полярных растворителях

если газы реагируют с растворителем, то их растворимость увеличивается

ПР: NH3 + H2O ® NH4OH аммиачная вода или нашатырный спирт(w=10%)

если молекулы газов в растворе распадаются на ионы, то их растворимость увеличивается

— температура и давление

если насыщенный р-р – равновесное состояние, то влияние внешних факторов оценивается по принципу Ле-Шателье

растворение газов в жидкостях экзотермический процесс —

при нагревании растворимость газов в жидкостях уменьшается

только растворение инертных газов в некоторых органических растворителях эндотермический процесс

объем системы при растворении газов в жидкостях уменьшается –

при повышении давления растворимость газов в жидкостях увеличивается

ПР: при недостаточном кровоснабжении(болезни и травмы сосудов), болезни крови.. ткани недополучают O2

развивается гипоксия тканей, которая может закончиться гибелью клеток

если больной будет дышать воздухом под высоким давлением,

то растворение кислорода в крови увеличится. и ткани получат больше кислорода

так действует гипербарическая оксигенация, применяемая для лечения гипоксии тканей

при понижении давления растворимость газов в жидкостях уменьшается

ПР: водолазы под водой дышат воздухом под высоким давлением..

при подъеме на поверхность водолазы дышат воздухом под обычным давлением

на глубине в крови растворено больше газов, чем на поверхности

при быстром подъеме водолазов на поверхность в крови образуются пузырьки газов,

которые не могут оставаться в крови из-за снижения растворимости

газовые пузырьки в крови закупоривают мелкие сосуды(эмболия) и нарушают кровоснабжение тканей

так развивается кессонная болезнь

при постоянной температуре растворимость газов в жидкостях пропорциональна давлению газов над раствором

где С – моляльная концентрация газа в жидкости в моль/1000 г растворителя,

k — коэффициент или постоянная Генри для газа

равен молям газа, растворяющегося в 1000 г растворителя при р=1 атм

зависит от природы газа, природы растворителя, температуры

если газы реагируют с растворителем или газы в растворе распадаются на ионы, то закон Генри не действует

при постоянной температуре растворимость газов газовой смеси в жидкостях

пропорциональна парциальному давлению газов над раствором

парциальное – давление отдельного газа в газовой смеси

общее давление газа p равно сумме парциальных давлений pi всех газов газовой смеси

парциальное давление газа зависит от молярной доли газа c в газовой смеси и рассчитывается по формуле

учитывая, что у газов молярная доля равна объемной доле j, парциальное давление рассчитывается по формуле

— электролиты в растворе

298)закон Сеченова.механизм влияния электролитов на растворимость газов.

электролиты в растворе снижают растворимость газов

где С – моляльная концентрация газа,

С0 – моляльная концентрация газа в чистом растворителе,

Р – коэффициент или постоянная Сеченова, зависит от природы газа, природы электролита, температуры

с – концентрация электролита

механизм влияния электролитов на растворимость газов:

ионы электролитов гидратируются молекулами растворителя

при этом число свободных молекул растворителя уменьшается, и растворимость газов уменьшается

идеальный – раствор, в котором не происходит взаимодействия молекул в-ва и молекул растворителя,

при образовании идеального раствора не изменяется объем р-ра, нет тепловых эффектов

особенность идеального раствора –

давление насыщенного пара любого компонента раствора пропорционально концентрации компонента в растворе

насыщенный – пар, который находится в равновесии с жидкостью в закрытой системе жидкость Û газ:

сколько пара образуется при испарении жидкости, столько пара конденсируется, превращаясь в жидкость

давление насыщенного пара жидкости при данной температуре постоянно для данной жидкости

при повышении температуры давление насыщенного пара жидкости увеличивается

к свойствам идеального раствора приближен разбавленный р-р неэлектролита

Источники:

http://helpiks.org/4-56998.html

http://sdamzavas.net/1-56465.html