Природные газы, добываемые из газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, состоят из углеводородов (СН4 – С4Н10, для Н.У. и С.У.), а также неуглеводородных компонентов (H2S, N2, CO, CO2, Ar, H2, He).
При нормальных и стандартных условиях в газообразном состоянии существуют только углеводороды С1–С4. Углеводороды С5 и выше в нормальных условиях находятся в жидком состоянии.
Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, содержат более 95% метана (табл. 1).
Таблица 1. Химический состав газа газовых месторождений, об. %
| Месторождение | СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 | N2 | СО2 | Относит.п лотность |
| Северо- Ставропольское | 98,9 | 0,29 | 0,16 | 0,05 | – | 0,4 | 0,2 | 0,56 |
| Уренгойское | 98,84 | 0,1 | 0,03 | 0,02 | 0,01 | 1,7 | 0,3 | 0,56 |
| Шатлыкское | 95,58 | 1,99 | 0,35 | 0,1 | 0,05 | 0,78 | 1,15 | 0,58 |
| Медвежье | 98,78 | 0,1 | 0,02 | – | – | 1,0 | 0,1 | 0,56 |
Содержание метана на газоконденсатных месторождениях – 75-95% (табл.
2).
Таблица 2.Химический состав газа газоконденсатных месторождений, об. %
| Месторождение | СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 | N2 | СО2 | Относит.п лотность |
| Вуктыльское | 74,80 | 7,70 | 3,90 | 1,80 | 6,40 | 4,30 | 0,10 | 0,882 |
| Оренбургское | 84,00 | 5,00 | 1,60 | 0,70 | 1,80 | 3,5 | 0,5 | 0,680 |
| Ямбургское | 89,67 | 4,39 | 1,64 | 0,74 | 2,36 | 0,26 | 0,94 | 0,713 |
| Уренгойское | 88,28 | 5,29 | 2,42 | 1,00 | 2,52 | 0,48 | 0,01 | 0,707 |
Газы, добываемые вместе с нефтью (попутный газ) представляют собой смесь метана, этана, пропан-бутановой фракции (сжиженного газа) и газового бензина. Содержание метана – около 35-85%. Содержание тяжёлых углеводородов в попутном газе 20-40%, реже – до 60% (табл. 3).
Таблица 3. Химический состав газа нефтяных месторождений (попутного газа), об.
%
| Месторождение | СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12 | N2 | СО2 | Относит.п лотность |
| Бавлинское | 35,0 | 20,7 | 19,9 | 9,8 | 5,8 | 8,4 | 0,4 | 1,181 |
| Ромашкинское | 19,1 | 17,8 | 8,0 | 6,8 | 8,0 | 1,5 | 1,125 | |
| Самотлорское | 53,4 | 7,2 | 15,1 | 8,3 | 6,3 | 9,6 | 0,1 | 1,010 |
| Узеньское | 50,2 | 20,2 | 16,8 | 7,7 | 3,0 | 2,3 | – | 1,010 |
Тяжёлым нефтям свойственны сухие нефтяные газы (с преобладанием метана).
kсух
= СН4
åТяж.УВ
´100%
(14)
Под тяжелыми УВ понимаются углеводороды от этана (С2Н6) и выше. Лёгким нефтям свойственны жирные газы:
åТяж.УВ
kжирн =
СН4
´100%
(15)
Нефтяной газ при нормальных условиях содержит неполярные углеводороды (смесь компонентов от С1 до С4), и с точки зрения физики к ним можно применять законы для идеальных систем. С точки зрения математики – это аддитивная система. Следовательно, к нему при нормальных условиях применимы аддитивные методы расчётов физико-химических и технологических параметров (Псмеси):
n æ ö
Псмеси
=åПi×giçNi,Vi÷, (16)
i=1 è ø
где gi – весовая доля; Ni – мольная доля; Vi – объёмная доля;
Пi – параметр i-го компонента.
Плотность смеси газов рассчитывается следующим образом:
ρсм
=åρi×Ni. (17)
При нормальных условиях плотность газа rг = Mi/ 22,414.
Нефтяной газ представлен в виде смеси углеводородов, поэтому для оценки его физико-химических свойств необходимо знать, как выражается состав смеси.
Массовая доля (gi) – отношение массы i-го компонента, содержащегося в системе к общей массе системы:
mi
|
n
å mi
i =1
å gi
= 1.
(18)
Молярная (мольная) доля (Ni) – отношение числа молей i-го компонента к общему числу молей в системе:
ni
|
n
å ni
i =1
å Ni
= 1.
(19
n = mi
|
i
где mi – масса i-го компонента; Мi – молекулярный вес.
gi =
Ni× Mi,
åNi× Mi
gi 1
Ni = ´
Mi
(21)
Объёмная доля (Vi) – доля, которую занимает компонент в объёме системы.
Vi =
Vi
n
åVi
i=1
= gi ´ 1
ρi
= Ni × Mi
ρi
´ 1
åNi × Mi
ρi
(22)
Для идеального газа соблюдается соотношение Vi = Ni.
Молекулярная масса смеси рассчитывается следующим образом:
M см
n
= åМi× Ni,
i=1
M см =
(23)
Относительная плотность газа по воздуху:
ρo =
ρсм
см ρ
возд
. (24)
Для нормальных условий ρвозд» 1,293; для стандартных условий ρвозд» 1,205.
Если плотность газа задана при атмосферном давлении (0,1013 МПа), то пересчёт её на другое давление (при той же температуре) для идеального газа производится по формуле:
ρ =ρo P
Pатм
. (25)
Смеси идеальных газов характеризуются аддитивностью парциальных давлений и парциальных объёмов.
Для идеальных газов давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов (закон Дальтона):
n
P = åpi
i=1
, (26)
где Р – давление смеси газов;
рi – парциальное давление i-го компонента в смеси, или
pi = Ni× P. (27)
åpi
= P× åNi,
где åNi
=1. (28)
Т. е. парциальное давление газа в смеси равно произведению его молярной доли в смеси на общее давление смеси газов.
Аддитивность парциальных объёмов компонентов газовой смеси выражается законом Амага:
n
V = åVi
i=1
где V – объём смеси газов;
Vi – объём i-го компонента в смеси. или
(29)
Vi = Ni × V. (30)
Для определения многих физических свойств природных газов используется уравнение состояния.
Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между параметрами, описывающими изменение состояние вещества. В качестве таких параметров используется давление, температура, объём.
Состояние газа при стандартных условиях характеризуется уравнением состояния Менделеева-Клайперона:
PV = QRT, (31)
где Р – абсолютное давление, Па; V – объём, м3;
Q – количество вещества, кмоль; Т – абсолютная температура, К;
R – универсальная газовая постоянная Па×м3/(кмоль×град).
У этого уравнения есть свои граничные условия. Оно справедливо для идеальных газов при нормальном (1 атм.) и близких к нормальному давлениях (10-12 атм.).
При повышенном давлении газ сжимается. За счёт направленности связи С-Н происходит перераспределение электронной плотности, и молекулы газов начинают притягиваться друг к другу.
Для учёта этого взаимодействия в уравнение (3.18) вводится коэффициент сверхсжимаемости z, предложенный голландским физиком Ван-дер-Ваальсом, учитывающий отклонения реального газа от идеального состояния:
PV = zQRT, (32)
где Q – количество вещества, моль.
Физический смысл коэффициента сверхсжимаемости заключается в расширении граничных условий уравнения Клайперона-Менделеева для высоких давлений.
Коэффициент z зависит от давления и температуры, природы газа (критических давлений и температуры).
Критическое давление – давление, при котором газообразный углеводород переходит в жидкое состояние.
Критическая температура – температура, при которой жидкий углеводород переходит в газообразное состояние.
Приведёнными параметрами индивидуальных компонентов называются безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа отклоняются от критических:
Тпривед
= Т
Тср.прив.
P
, где
Тср.прив.
n
=åNi ×Ti крит.
i=1
n
(33)
Pпривед
=
Pср.прив.
, где
Pср.прив.
=åNi ×Pi крит.
i=1
(34)
z = f(Тприв, Рприв) (35)
Существуют графики, эмпирические формулы и зависимости для оценки коэффициента сверхсжимаемости от приведенных давлений и приведенных температур.
Зная коэффициент сверхсжимаемости, можно найти объём газа в пластовых условиях по закону Бойля-Мариотта:
V =z ×Vo × Tпл × Ро
|
о
× Рпл
. (36)
Объёмный коэффициент газа используется при пересчёте объёма газа в нормальных условиях на пластовые условия и наоборот (например, при подсчёте запасов):
B = Vïë
Vo
= z Tïë × Ðî
Ðïë × Òî
(37)