Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

[ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78

термодинамика нефтяного пласта

Подземные воды и скопления ЯВЛЕНИЙ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ нефти или газа в земной коре

размещаются в пустотах горных пород - в кавернах, каналах и трещинах различной структуры, размеров и протяженности, образуя многокомпонентные и многофазные термодинамические системы. Твердую фазу такой системы называют пористым или трещиноватым коллектором в зависимости от характера пустот. Подземные коллекторы характеризуются различными статистическими показателями: пористостью т, поверхностью смачивания /, проницаемостью к, упругостью р, теплоемкостью с, теплопроводностью Я и т. д. В случае макроскопически неоднородного коллектора объемные показатели (та, /, с) являются функциями координат, а показатели переноса тепла и вещества {%, к) зависят также и от направления переноса.

Особый характер термодинамических процессов, происходящих в многокомпонентной системе или в пористой среде, обусловлен рядом таких факторов как интенсивный теплообмен между компонентами среды благодаря большой площади контакта, наличие конвективного переноса тепла при движении вещества через пористое тело, сильное торможение тепловых эффектов вследствие большой инертной теплоемкости пористого тела, значительное трение при неремещении жидкостей и газов в мелких норах, контактные (поверхностные) капиллярные и химические явления на контактах фаз, неизбежные теплопроводные потери и пр. Комплекс указанных факторов является предметом исследования в настоящей работе за исключением контактных явлений, влиянием которых на данном начальном этане будем пренебрегать.

В качестве независимых неременных, определяющих термодинамическое состояние пористой среды, принимаем давление р и температуру Т. В недрах Земли значения этих параметров медленно, но постоянно изменяются и в течение геологических периодов достигают значительных отклонений. Однако для малых интервалов времени, соответствующих продолжительности периодов разработки нефтяных и газовых залежей, естественное термодинамическое состояние подземных коллекторов, не затронутых разработкой, можно считать практически неизменным, т. е. очень близким к состоянию

термодинамического равновесия. Поэтому, рассматривая термодинамические явления в подземных коллекторах, будем полагать, что исходное состояние залежей нефти и газа до начала их разработки отвечает состоянию термодинамического равновесия.

Представление о термодинамическом равновесии, к которому стремится всякая ограниченная система в неизменных внешних условиях, положено в основу классической термодинамики. В состоянии термодинамического равновесия прекращается перенос тепла и вещества, а статистические или макроскопические параметры, характеризующие систему, сохраняют постоянное значение во времени. Небольшие случайные отклонения от равновесного состояния, наблюдающиеся в пределах малых объемов системы, или так называемые флюктуации существенно не меняют макроскопической картины равновесия системы в целом.

Любое нарушение гидростатического состояния уравновешенной пластовой системы влечет за собой и нарушение ее термодинамического равновесия. Поэтому, изучая термодинамические явления в нефтяной или газовой залежи в процессе разработки, будем встречаться и с неуравновешенными системами. Однако благодаря очень медленному течению термодинамических процессов в пластах можно разложить такую систему на ряд макроскопически малых участков, состояние которых близко квазистатическому, а термодинамические параметры внутри каждого участка принять постоянными, т. е. не зависящими от координат. В пределах каждого такого участка будут выполняться законы классической термодинамики. Взаимодействие между соседними участками будет подчинено законам теплопроводного и конвективного переноса тепла и вещества в пористой среде.

§ 2. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ Равновесное состояние однородной системы определяется функциональной связью между давлением р, объемом V и температурой Т для единицы массы вещества или так называемым уравнением состояния

F{p,V,T) = 0. (1.1)

Конкретное представление о температуре как о мере интенсивности теплового движения впервые получено в молекулярной физике. Оказалось, что кинетическая энергия теплового движения в каждой степени свободы молекулы одинакова для всех веществ, находящихся в контакте в состоянии термодинамического равновесия независимо от массы молекул того или иного вещества и от числа их степеней свободы. Через зону контакта разных тел выравниваются кинетические энергии поступательного движения молекул, а с позиций термодинамики выравниваются температуры соприкасающихся дгел. Методами статистической физики выводится также и уравнение состояния для идеализированных молеодглярных систем. Уравнение

состояния реального вещества необходимо проверить и уточнить OHMTiBbiM путем. Значение уравнения состояния чрезвычайно важно, так как законы термодинамики только тогда приобретают конкретное прикладное значение, когда вид функции {I. 1) известен.

Из общего уравнения состояния {I. 1) вытекает следующее общее соотношение

Соотношение (1. 2) позволяет установить общую взаимосвязь между коэффициентами температурного расширения а, объемной упругости Р и температурным модулем упругости б, где

Из определений (I. 2) и (1. 3) следует, что

а = рб. (1.4)

Уравнение состояния для идеального газа имеет вид

pV = RT, (I. 5)

где R - газовая постоянная в кГ • см/кг • °С. Универсальная газовая постоянная для 1 кмоля равна т • R = 847 800 кГ • см/молъ • °С, где т - молекулярный вес.

Уравнение (I. 5) хорошо описывает состояние сильно разреженных реальных газов.

Состояние реальных газов удобно определять но формуле

pV = zRT, (I. 6)

где z - опытный поправочный коэффициент - функция давления р и температуры Т, - указывающий на относительное отклонение произведения pV реального газа от идеального. Следует отметить, что формула (I. 6) для технических целей достаточно точная и более простая, чем формулы Ван-дер-Ваальса или Клаузиуса; при этом понятие параметра z содержит определенный физический смысл.

Значения параметра z как функции давления и температуры определяются опытным путем и оформляются в виде графиков; они выражают итог взаимодействия между молекулярными силами притяжения и отталкивания. Для малых давлений и низких температур значение z обычно меньше единицы, а для больших давлений и высоких температур - больше единицы. Случай z = I отвечает такому соотношению молекулярных сил, которое имеется в идеальном газе, случай Z << 1 - преобладанию сил притяжения, случай z > 1 - преобладанию сил отталкивания.

На рис. 1 [5] приводится график значений коэффициента z для углеводородных газов в функции приведенных безразмерных температур и давлений Рд.