Физико-химические свойства нефти, газа, воды и их смесей

Физико-химические свойства нефти, газа, воды и их смесей

2

Мнг - молярная масса нефти с растворенным в ней газом, Мг - молярная масса газа (кг/кмоль). Если неизвестна молярная масса нефти с растворенным в ней газом, то молярную долю растворенного в нефти газа можно рассчитать по уравнению 1.22:

(1.22)

Мн - молярная масса дегазированной нефти.

Молярную массу пластовой нефти можно определить из 1.21 и 1.22

(1.23)

Поскольку молярный объем газа в стандартных условиях (20оС, 0,1МПа) можно принять равным 24,05м3/кмоль, из 1.22 следует

(1.24)

Для определения молярной массы пластовой нефти из 1.23 следует

(1.25)

Важной характеристикой химическиго состава пластовой и сточной вод является содержание в ней водородных ионов. Часть молекул воды находится в диссоциированном состоянии:

Н2О=Н++ОН-

Состояние равновесия при данной температуре характеризуется константой:

К= (1.28)

Где СН+, СОН- - концентрация ионов водорода и гидроксида в воде соответственно, моль/л; СН2О - концентрация молекул воды, моль/л.

Концентрация воды постоянна и равна 55,56 моль/л. поэтому из (1.28) следует

Кв=55,56К= СН++ СОН-, где Кв - ионное произведение воды (табл. 2).

Таблица 2 Ионное произведение воды

При нейтральной реакции концентрации ионов водорода и гидроксида равны, следовательно СН++ СОН-=( СН+)2. Так как при температуре 22оС Кв=10-14, то СН+=10-7моль/л. отрицательное значение логарифма концентрации водородных ионов обозначается рН.

рН=-lg СН+ (1.29)

Следовательно, реакции водных растворов при 22оС с помощью этого показателя будут характеризоваться следующим образом:

рН=7 - нейтральная; рН 7 - щелочная; рН 7 - кислая.

Плотность сепарированной нефти в зависимости от температуры можно рассчитать исходя из определения коэффициента термического расширения нефти

(1.38)

где , плотность сепарированной нефти при 20оС и температуре t соответственно, кг/м3, - коэффициент термического расширения нефти, зависимостью которого от температуры в диапазоне 10 - 120оС можно пренебречь и рассчитывать его по формулам:

(1.39)

Для растворения в нефти газа необходимо повысить давление и привести систему в равновесие. Увеличение давления уменьшает объем нефти, растворение же в ней газа увеличивает его. Эти два процесса противоположного изменения объема нефти можно учесть раздельно введением двух различных коэффициентов: сжимаемости нефти и «набухания» ее.

Таким образом, объем нефти при растворении в ней газа при постоянных давлении и температуре газонасыщенностью Го можно рассчитать по формуле:

(1.40)

где V- объем сепарированной нефти при постоянных давлении и температуре в системе, м3; Г0 - отношение объема газа, растворенного в нефти к объему этой нефти, приведенные к стандартным условиям; - коэффициент изменения объема нефти из-за изменения ее насыщенности газом.

(1.41)

где - плотности нефти и газа, растворяемого в нефти, при 20оС и 0,1 МПа, кг/м3.

Уменьшение объема сепарированной нефти (?Vp) из-за сжатия ее до определенного давления (pпл) рассчитывают по формуле:

(1.42)

где - коэффициент сжимаемости сепарированной нефти (можно принять равным 6,5*10-4 Мпа-1).

Увеличение объема нефти из-за ее нагревания до температуры tпл рассчитывают по формуле:

(1.43)

где - коэффициент термического расширения нефти

Кажущуюся плотность растворенного газа определяют по формуле

(1.44)

При отсутствии экспериментальных данных для ориентировочных оценок вязкости нефти при 20оС и атмосферном давлении можно пользоваться следующими формулами:

Если кг/м3,

то (1.56)

Если кг/м3,

то (1.57)

Где - вязкость и плотность сепарированной нефти при 20 оС и атмосферном давлении, мПа*с и кг/м3 соответственно.

Затем рассчитывают число Рейнольдса и определяют режим движения жидкости:

(2.2)

В зависимости от него находят коэффициент гидравлического сопротивления:

При Re2000 ( ламинарный режим)

(2.3)

При 2000Re4000 (критический режим)

(2.4)

При Re>4000 (турбулентный режим) для расчета используют формулу Альтшуля:

(2.5),

или частные формулы для трех областей турбулентного режима:

Зона гладкого трения 4000<Re<10D/kэ (kэ - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб, мм)

(2.6)

Зона смешанного трения 10D/kэ <Re<500D/kэ

Зона шероховатого трения Re>500D/kэ - (2.5, а)

После этого рассчитывают полную потерю напора (давления) в трубопроводе по формуле:

; (2.7)

и строят график зависимости или и по заданному Н илиР находят искомую пропускную способность.

Можно воспользоваться рекомендованными в специальной литературе значениями оптимальной скорости движения жидкости в трубопроводе в зависимости от вязкости (табл.1). В этом случае по известной или рассчитанной вязкости жидкости выбирают оптимальную линейную скорость течения. По известному диаметру рассчитывают пропускную способность и полученное значение проверяют путем расчета полной потери давления в трубопроводе при найденной пропускной способности. Если полная потеря давления выше заданной - задаются другой скоростью.

Таблица 1 - Рекомендуемые оптимальные скорости движения жидкости в трубопроводе в зависимости от вязкости

Перепад давления, обусловленный гидравлическим сопротивлением при движении газожидкостного потока, определяют по формуле Дарси-Вейсбаха:

Число Рейнольдса:

При Re 2300

При Re 2300

Кинематическая вязкость определяется по формуле Монна:

где - расходное объёмное газосодержание двухфазного потока (расходный параметр, определяется для трубных условий):

где Vг, Vж - объёмный расход газа и жидкости при средних давлении и температуре в трубопроводе.

Плотность смеси:

где

ж, г - плотность жидкости и газа при средних давлении и температуре в трубе;

- величина истинного газосодержания.

Истинное газосодержание является сложной функцией, зависящей от физических свойств жидкости и газа, диаметра и наклона трубопровода, расхода жидкости и газа. Закономерности изменения - доли сечения потока, занятой газом, от указанных параметров устанавливаются только экспериментально - путём мгновенных отсечек потока или просвечиванием гамма-лучами.

.

Доля сечения потока, занятая жидкостью, составит: .

Средняя скорость смеси:

Определение структур потока и истинного газосодержания производится по критериям, разработанным во ВНИИГаз Мамаевым и Одишария.

Эмульсионная структура

Критерий Фруда:

При 0,988

При 0,988

определяется по специальным графикам.

Пробковая структура

При движении смеси на подъём:

При движении смеси по горизонтальным и нисходящим трубопроводам:

где - угол между осью трубы и горизонталью.

Расслоенная структура.

Перепад давления, обусловленный гравитационными силами, определяется из уравнения:

где

hв hy - высоты восходящих и нисходящих участков, м;

в, н - истинная плотность смеси на этих участках, определённая с учётом истинного газасодержания :

при восходящем потоке:

при нисходящем потоке:

Тогда:

Гидравлический расчет трубопроводов, транспортирующих многофазные жидкости

Для расчета трубопроводов, транспортирующих разрушенные неустойчивые эмульсии используют методику Гужова А.И. и Медведева В.Ф. порядок расчета по этой методике следующий.

1. Рассчитывают объемную долю дисперсной фазы в эмульсии:

,

2. Определяют тип дисперсной фазы исходя из того, что наиболее плотная упаковка капель пластовой воды в эмульсии достигается при и дальнейшая концентрация их приводит к инверсии фаз в эмульсии.

и

3. Определяют плотность эмульсии по одной из формул:

; ;

где , - плотность нефти и воды, кг/м3; - обводненность в долях единицы; Gн иGв объемные расходы нефти и воды

4. Рассчитывают динамическую вязкость эмульсии по формуле Бринкмана

при

при

5. Определяют среднюю скорость течения эмульсии в трубопроводе:

6. Находят кинематическую вязкость эмульсии:

7. Вычисляют число Рейнольдса:

;

8. Рассчитывают коэффициент гидравлического сопротивления

9. Определяют перепад давления на расчетной длине трубопровода

(- разность начальной и конечной геодезических отметок трубопровода, м; g - ускорение свободного падения, м/с2)