Изучение плотностей газовых конденсатов и их фракций при различных температурах и давлениях в жидкой фазе

Оптимизация и интенсификация процессов добычи и переработки газовых конденсатов и их фракций требует наличия их надежных теплофизических свойств в широком интервале параметров состояния. Важнейшими свойствами фракций газовых конденсатов являются — плотность и сжимаемость. Существующие методы прогнозирования указанных свойств дают погрешности, порой достигающие 5% при атмосферном давлении и до 20% при повышенных давлениях. В связи с отсутствием необходимой исходной информации (физико-химических и теплофизических свойств), эти методы принципиально не могут быть использованы для экспериментального и теоретического исследования. Физика конденсированного состояния не позволяет в настоящее время надежно прогнозировать указанные свойства для таких сложных многокомпонентных углеводородных систем, какими являются газовые конденсаты и их фракции. Развитие физики жидкого состояния требует дальнейшего накопления экспериментальных данных о теплофизических свойствах многокомпонентных углеводородных систем.

Для исследования плотности нами были отобраны газовые конденсаты семи месторождений: Юбилейное, Некрасовское, Майкопское, Рыбальское и Перещепинское и фракции Опошнянского и Солоховского месторождений. Физико-химические свойства приведены ниже в таблице 1 и 2.

Таблица 1. Физико-химические свойства газовых конденсатов, А так же, отобраны фракции двух газовых конденсатов: Опошнянского и Солоховского месторождений. Физико-химические свойства их приведены в таблице 2. газовый конденсат теплофизический Прежде всего, плотность исследуемых углеводородов была тщательно изучена при атмосферном давлении. При этом использовались два метода определения плотности: пикнометрический и гидростатического взвешивания поплавка в изучаемой жидкости. Оба метода достаточно подробно описаны в [1,2]. Значения плотности при атмосферном давлении необходимы для расчета массы исследуемых жидкостей при исследованиях в области высоких давлений.

Таблица 2. Физико-химические свойства фракций газовых конденсатов.

Пикнометрический методом определения плотности при постоянной температуре является стандартным ГОСТ 3900–47. Методом гидростатического взвешивания плотность газовых конденсатов измерялась в интервале температуры от -10 С до начала кипения. Взвешивание поплавка с нитью (нихромовой проволокой диаметром 0,1 мм) производили на аналитических весах типа ВЛА-200г-М, с разрешающей способностью 10−7 кг. Весы устанавливались на кронштейне, жестко закреплённом в стене. Поплавок, изготовленный полым из стекла марки «пирекс», заполняли резаной медной проволокой. Под весами устанавливали термостат, в котором помещали тонкостенный стакан из нержавеющей стали, заполненный до определённого уровня исследуемым газовым конденсатом. Между свободной поверхностью жидкости и верхней кромкой стакана устанавливали теплоизолирующую гирлянду, изготовленную из фторопластовых пластин. Температуры ниже комнатной достигались с использованием жидкого азота. Температуру исследуемого газового конденсата определяли с помощью термометра типа ТСП с погрешностью 0,1 С. Плотность газового конденсата определяли из следующего уравнения:

(1).

где М 1 — масса гирь, уравновешивающая поплавок с проволочкой в воздухе;

М 1/ - масса гирь, уравновешивающая проволочку без поплавка в воздухе;

М 2 — масса гирь, уравновешивающая поплавок с проволочкой в исследуемой жидкости;

М 2/ - масса гирь, уравновешивающая проволочку без поплавка в исследуемой жидкости;

Vв — объём стеклянного поплавка при температуре воздуха;

Vt — объём стеклянного поплавка при температуре опыта;

в — плотность воздуха;

— плотность исследуемого газового конденсата.

Относительная погрешность измерения плотности газового конденсата при атмосферном давлении описанными методами не превышала 0,05%, что подтверждалось опытами на дистиллированной воде и н-гексане [3].

Для измерения плотности и сжимаемости газовых конденсатов в области температур от -10 до +200С и давлений от 0,098 до 60 МПа был выбран метод пьезометра переменного объема [4]. При выборе метода исследования плотности и сжимаемости основным требованием было создание установки с минимальными коммуникациями и минимальным объёмом нетермостатируемых полостей (так называемый «вредный объём»).

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1. Толстостенный пьезометр высокого давления 4 имеет емкость 177,75 см 3, в нижней части пьезометр имеет разъём 27, уплотнённый с помощью медной прокладки. Пьезометр помещали в жидкостной термостат 2. Электродвигатель 18 интенсивно перемешивает термостатирующую жидкость. В термостате при этом в области температур ниже комнатных в качестве термостатирующей жидкости использовался керосин, выше комнатных — веретяное масло. Для получения низких температур использовался жидкий азот в сосуде дьюара 10. Подача азота в змеевик 3 термостата по трубке 12 с созданием избыточного давления в сосуде дьюара нагревателем 9, питаемого автотрансформатором 11. Температура в термостате регулировалась электрическим нагревателем 5. В качестве регулятора температуры 7 использовался контактный термометр 8. Колебания температуры в термостате находились в пределах ±0,1%. В верхней части пьезометра с помощью резьбового соединения 20 укрепляли поршневой пресс высокого давления 19. Поршень пресса уплотнялся набором чередующихся между собой стальных и фторопластовых шайб.

Перемещения поршня отсчитывались с помощью стрелочного индикатора 14 с погрешностью 0,01 мм. Индикатор 14 закреплялся на штоке 13. В свою очередь шток закреплялся шарнирно на прессе 19. Специальные пазы в патрубке 15 удерживали шток от проворачивания. В верхней части поршня находился вентель 16 для отбора исследуемой жидкости в емкость 17. Пьезометр закреплялся с помощью патрубка 20 на крышке термостата 21. Температура в пьезометре 4, во время опытов, измерялась с помощью термометра сопротивления 22 типа ТСП с погрешностью 0,1 С.

В нижней части к пьезометру (штуцер 27) подсоединяли с помощью толстостенного капилляра с внутренним диаметром 2 мм разделительный сосуд 23. В качестве разделительного элемента использовали малогабаритный трубчатый манометр 26 с электроконтактным сигнальным устройством, предупреждающим о приближении стрелки к начальному и конечному показаниям манометра 1.

Электрические провода из разделительного сосуда 23 выводились через специальное уплотнение 24. Погрешность срабатывания сигнального устройства находилась в пределах 10−2 МПа.

Давление в процессе эксперимента измеряли с помощью грузопоршневого манометра марки МП-600 класса точности 0,05.

Плотность исследуемой жидкости определялась по формуле:

(2).

где m — масса жидкость в пьезометре;

V t, p — объём пьезометра в зависимости от температуры (t, C) и давления (p).

Массу жидкости m определяли по данным о плотности и известному объёму пьезометра при атмосферном давлении (p0).

Объём пьезометра определяли по формуле.

(3).

где V0 — объём пьезометра при t=20 С и атмосферном давлении;

— температурный коэффициент расширения пьезометра;

— барический коэффициент расширения пьезометра;

Средняя относительная погрешность измерений плотности газовых конденсатов в исследованных интервалах температуры и давления при доверительной вероятности 0,95 не превышала ± 0,1%. Перед началом опытов на установке были выполнены контрольные измерения на дистиллированной воде и н-гексане. Результаты измерений в пределах погрешности опытов согласуются со справочными данными [3].

В качестве примера в таблице 3 представлены экспериментальные значения плотности газовых конденсатов и фракций Опошнянского и Солоховского месторождений.

Рисунок 1. Установка для измерения плотности жидкостей при высоких температурах и давлениях.

Таблица 3. Псевдокритические параметры состояния.

Для обобщения полученных экспериментальных данных по плотности нами были использованы методы термодинамического подобия свойств веществ. При этом фракции рассматривались как однокомпонентные жидкие углеводороды, т. е. как некоторые гипотетические углеводороды со своими критическими параметрами состояния, которые вернее называть псевдокритическими параметрами состояния. Псевдокритические параметры состояния исследованных фракций газовых конденсатов рассчитывались с использованием физико-химических данных на основе методик, предложенных Л. П. Филипповым.

Псевдокритическая плотность определялась по формуле:

(4).

певдокритическая температура:

(5).

и псевдокритическое давление:

(6).

где скр — плотность при критической температуре Ткр;

с — плотность при температуре Т;

— производная плотности от температуры;

ркр — критическое давление;

м — средняя молярная масса;

R — универсальная газовая постоянная.

Для расчета псевдокритических параметров необходимо знать хотя бы два значения плотности при двух соответствующих значениях температуры и молярную массу жидкости. Имея температурную зависимость плотности газовых конденсатов, рассматриваются значения:

(7).

Средние молярные массы, исследованных газовых конденсатов определялись как опытным путем, известными методиками, [5] и по расчетной методике, описанной в [6]. Указанные выше физические величины приведены в таблице:

Относительная плотность исследованных газовых конденсатов на псевдокритической изобаре представлена на рисунке 2.

Уравнение, описывающее полученный график, имеет вид:

(8).

где с0, ф — значение плотности газовых конденсатов на критической изобаре; скр — псевдокритическое значение плотности газовых конденсатов; ф=Т/Ткр — приведенная температура; Ткр — псевдокритическая температура.

Рисунок 2. Относительная плотность газовых конденсатов на псевдокритической изобаре: 1 — Юбилейное месторождение, 2 — Некрасовское месторождение, 3 — Щебелинское месторождение, 4 — Опошнянское месторождение, 5 — Солоховское месторождение, 6 — Рыбальское месторождение, 7 — Перещепинское месторождение.

На основе экспериментальных данных была получено уравнение, описывающее плотность газовых конденсатов при различных температурах и давлениях:

(9).

где ,.

.

.

.

где с (0,ф) — значение плотности газового конденсата при критическом давлении, которое находится в определенной зависимости от температуры;

с (0,0) — значение плотности газового конденсата при критическом давлении и критической температуре;

аij — безразмерные коэффициенты при ф (i, j — целые числа от 0 до 3);

После подстановки найденных коэффициентов, получим систему уравнений:

(10).

(11).

(12).

(13).

Из полученных экспериментальных данных следует, что качественная зависимость плотности газовых конденсатов от температуры и давления аналогична чистым углеводородам. Однако, количественно эти зависимости отличаются от исследованных ранее плотностей чистых углеводородов в широком интервале параметров состояния [3].

• 1. Магомадов А. С. Теплофизические свойства высоковязких нефтей: Монография. — Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2000. — С. 44−45.
• 2. Магомадов А. С., Мальцев Р. Г. Экспериментальное исследование плотности газовых конденсатов при различных температурах и давлениях// Материалы пятой Всероссийской науч. конф. Энергои ресурсосберегающие технологии и установки — Краснодар: КВВАУЛ, 2007. — С. 145−149.
• 3. Варгафтик. Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Наука, 1972. — 720 с.
• 4. Кириллин В. А. Шейндлин А.Е. Исследование термодинамических свойств веществ. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 550 с.
• 5. Нефтепродукты. Методы испытания часть 2. — Издательство стандартов, 1977. — 530 с.
• 6. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей. ВНИПИНефть, Термодинамический центр В/О Нефтехим, М.: Химия, 1974. — С. 128−129.