Методички к лабам по ТЭГС / Методичка по плотности газа
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина» А.Н. Тимашев, Т.А. Беркунова, Э.А. Мамедов ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГАЗА Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Технология эксплуатации газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений» для студентов специальностей: РГ, РН, РБ, МБ, МО, ГР, ГИ, ГП, ГФ Под редакцией профессора А.И. Ермолаева Москва 2012
Определение плотности газа. Методические указания к проведению лабораторных работ/ А.Н. Тимашев, Т.А. Беркунова, Э.А. Мамедов – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. – 28 с. Изложены способы лабораторного определения плотности газа. В основу положен действующий ГОСТ 17310 – 2002. Методические указания предназначены для студентов нефтегазовых вузов специальностей: РГ, РН, РБ, МБ, МО, ГР, ГИ, ГП, ГФ. Издание подготовлено на кафедре разработки и эксплуатации газовых и га- зоконденсатных месторождений. Печатается по решению учебно-методической комиссии факультета разра- ботки нефтяных и газовых месторождений. 2
| Стр. | ||
| Введение………………………………………………………………. | 4 | |
| 1. | Основные определения………………………………………………. | 5 |
| 1.1. | Плотность природного газа при атмосферном давлении………….. | 5 |
| 1.2. | Относительная плотность газа………………………………………. | 6 |
| 1.3. | Плотность природного газа при давлениях и температурах………. | 6 |
| 2. | Лабораторные методы определения плотности природного газа…. | 10 |
| 2.1. | Пикнометрический метод…………………………………………… | 10 |
| 2.1.1. | Расчетные формулы………………………………………………….. | 10 |
| 2.1.2. | Порядок определения плотности…………………………………… | 12 |
| 2.1.3. | Расчет плотности газа………………………………………………… | 14 |
| 2.2. | Определение плотности газа методом истечения………………….. | 15 |
| 2.2.1. | Вывод соотношений для определения плотности исследуемого га- | |
| за……………………………………………………………………….. | 15 | |
| 2.2.2. Порядок проведения работы…………………………………………. | 17 | |
| 2.2.3. Обработка результатов измерений………………………………….. | 19 | |
| Контрольные вопросы……………………………………………….. | 21 | |
| Литература……………………………………………………………. | 22 | |
| Приложение А………………………………………………………… | 23 | |
| Приложение Б…………………………………………………………. | 23 | |
| Приложение В………………………………………………………… | 27 | |
3
Введение Физические свойства природных газов и углеводородных конденсатов ис- пользуются как на стадии проектирования разработки и обустройства месторож- дений природных газов, так и при анализе и контроле разработки месторождения, работы системы сбора и подготовки продукции газовых и газоконденсатных скважин. Одним из главных физических свойств, подлежащих изучению, является плотность газа месторождений. Поскольку состав газа месторождений природных газов является сложным, состоящим из углеводородных (алканы, циклоалканы и арены) и неуглеводород- ных компонентов (азот, гелий и др. редкоземельные газы, а также кислые компо- ненты Н 2 S и СО 2 ), возникает необходимость лабораторного определения плотно- сти газов. В данном методическом указании рассмотрены расчетные способы опреде- ления плотности газа по известному составу, а также два лабораторных метода определения плотности газа: пикнометрический и метод истечения через капил- ляр. 4
1. Основные определения 1.1. Плотность природного газа при атмосферном давлении Плотность газа равна массе М , заключенной в единице объема v вещест- ва. Различают плотность газа при нормальных н Р 0,1013 мПа , Т 273 К и
| стандартных с Р 0,1013 МПа , Т 293 К | в условиях, а также при любых дав- | |||||||||
| лении Р и температуре Т Р , Т . | При | известной молекулярной массе | газа | |||||||
| плотность при нормальных условиях равна | ||||||||||
| М | , кг / м 3 , | (1) | ||||||||
| н | ||||||||||
| 22,41 | ||||||||||
| при стандартных условиях | ||||||||||
| М | , | кг / м 3 , | (2) | |||||||
| с | 24,04 | |||||||||
Где М – молекулярная масса газа, кг/кмоль; 22,41 и 24,04, м 3 /кмоль – молярный объем газа соответственно при нормальных (0,1013 МПа, 273 К) и стандартных (0,1013 МПа, 293 К) условиях. Для природных газов, состоящих из углеводородных и неуглеводородных компонентов (кислых и инертных) кажущаяся молекулярная масса М к определяется по формуле
| ê | |||
| Ì | i n i | ||
| Ì ê | 1 | êã / êì î ëü , | (3) |
| 100 | |||
где М i – молекулярная масса i-го компонента кг/кмоль; n i –мольный процент i-го компонента в смеси; к – число компонентов в смеси (природном газе). Плотность природного газа см равна
| к | |||||
| i n i | |||||
| см | 1 | кг / м 3 | при 0,1 МПа и 293 К | (4) | |
| 100 | |||||
| см | М к | кг / м 3 | при 0,1 МПа и 293 К | (5) | |
| 24,04 | |||||
5
i – плотность i-го компонента при 0,1 МПа и 293 К. Данные по индивидуальным компонентам приведены в таблице 1. Пересчет плотности при различных условиях температуры и давлении 0,1013 МПа (101,325 кПа) в приложении В. 1.2. Относительная плотность газа В практике инженерных расчетов часто используется понятие относитель- ная плотность , равная отношению плотности газа к плотности воздуха при одинаковых значениях давления и температуры. Обычно принимают в качестве эталонных нормальные или стандартные условия, при этом плотность воздуха со- ответственно составляет в 0 1,293 кг / м 3 и в 20 1,205 кг / м 3 . Тогда относитель- ная плотность природного газа равна
| н | (6) | |
| 1,293 | ||
| с | (7) | |
| 1,205 | ||
1.3. Плотность природного газа при давлениях и температурах Плотность газа для условий в продуктивном пласте, стволе скважины, газо- проводах и аппаратах при соответствующих давлениях и температурах определя- ется по следующей формуле
| Р , Т см | Р 293 z 0 | кг / м 3 , | (8) |
| z T 0,1013 | |||
где Р и Т давление и температура в месте расчета плотности газа; 293 К и 0,1013 МПа – стандартные условия при нахождении см ; z , z 0 – коэффициенты сверхсжимаемости газа соответственно при Р и Т и стан- дартных условиях (значение z 0 = 1). Наиболее простым способом определения коэффициента сверхсжимаемости z является графический метод. Зависимость z от приведенных параметров пред- ставлена на рис. 1. 6
Для однокомпонентного газа (чистого газа) приведенные параметры опре- деляются по формулам
| Р | Р | и Т | Т | , | |||||||
| пр | Р | пр | Т | c | |||||||
| с | |||||||||||
| где Р с | и Т c – критические параметры газа. | ||||||||||
| Для многокомпонентных (природных) газов предварительно рассчитывают- | |||||||||||
| ся псевдокритические давления и температуры по зависимостям | |||||||||||
| к | |||||||||||
| Р nск | n i P c i | /100 | (9) | ||||||||
| 1 | |||||||||||
| к | |||||||||||
| Т nск n i Т c i /100, | (10) | ||||||||||
| 1 | |||||||||||
| где P c | и Т c – критические параметры i -го компонента газа. | ||||||||||
| i | i | ||||||||||
| Так как состав природного газа определяется до бутана С 4 Н 10 | или гексана С 6 Н 14 | ||||||||||
включительно, а все остальные компоненты объединяются в остаток (псевдоком- понент) С 5+ или С 7+ , в этом случае критические параметры определяются по фор- мулам
| Р | 357 | d c | , МПа | (11) | |||||
| 5 | |||||||||
| М с | 800 | ||||||||
| крс 5 | |||||||||
| 5 | |||||||||
| 0,5 | d c | 0,5 | |||||||
| T крс 5 | 353,5 22,35 М | 5 | , К | (12) | |||||
| с 5 | 800 | ||||||||
При 100 М с 5 240и700 d с 5 950, М с 5 – молекулярная масса С 5+ (С 7+ ) кг/кМоль; d c 5 – плотность псевдокомпонента С 5+ (С 7+ ), кг/м 3 .
| Зависимость между М с | и d c | находится по формуле Крэга | ||
| 5 | 5 | |||
| d c | 1030 М c | , кг / м 3 | (13) | |
| 5 | ||||
| М c 44,29 | ||||
| 5 | ||||
| 5 | ||||
7
Таблица 1 Показатели компонентов природного газа
| Показатели | Компоненты | ||||||||||
| СН 4 | С 2 Н 6 | С 3 Н 8 | iС 4 Н 10 | nС 4 Н 10 | iС 5 Н 12 | nС 5 Н 12 | N 2 | Н 2 S | CО 2 | воздух | |
| Молекулярная масса, | 16,04 | 30,07 | 44,1 | 58,12 | 58,12 | 72,15 | 72,15 | 28,01 | 34,08 | 44,01 | 28,96 |
| М кг/кмоль | |||||||||||
| Плотность, кг/м 3 0,1 | 0,7168 | 1,356 | 2,01 | 2,703 | 2,668 | 3,457 | 3,457 | 1,25 | 1,539 | 1,977 | 1,293 |
| МПа, 273 К | |||||||||||
| Плотность, кг/м 3 0,1 | 0,6679 | 1,263 | 1,872 | 2,5185 | 2,4855 | 3,221 | 3,221 | 1,1651 | 1,434 | 1,842 | 1,205 |
| МПа, 293 К | |||||||||||
| Относительная плот- | 0,555 | 1,049 | 1,562 | 2,091 | 2,067 | 2,674 | 2,490 | 0,967 | 1,19 | 1,529 | 1,00 |
| ность | |||||||||||
| Критический объем, | 99,6 | 147 | 200 | 258 | 255 | 306 | 312 | 89,5 | 98,5 | 94,1 | – |
| дм 3 /кмоль | |||||||||||
| Критическое давление, | 4,61 | 4,87 | 4,25 | 3,63 | 3,80 | 3,38 | 3,38 | 3,40 | 8,9 | 7,37 | – |
| МПа | |||||||||||
| Критическая темпера- | 190,66 | 305,33 | 369,85 | 407,84 | 425,16 | 460,39 | 469,8 | 126,2 | 373,2 | 304,1 | – |
| тура, К | |||||||||||
| Критическая сжимае- | 0,29 | 0,282 | 0,276 | 0,276 | 0,274 | 0,270 | 0,270 | 0,290 | 0,284 | 0,274 | – |
| мость, z кр | |||||||||||
| Ацентрический фактор | 0,011 | 0,099 | 0,153 | 0,183 | 0,199 | 0,227 | 0,251 | 0,039 | 0,097 | 0,239 | – |
| Уд.объем газа, м 3 /кг | 1,400 | 0,746 | 0,510 | 0,385 | 0,385 | 0,321 | 0,321 | 0,799 | 0,650 | 0,506 | – |
| 0,1 МПа и 273 К | |||||||||||
R 8,3144 êÄæ êì î ëü Ê
2. Лабораторные методы определения плотности природного газа 2.1. Пикнометрический метод Пикнометрический метод установлен стандартом ГОСТ 17310-2002, в соот- ветствии с которым определяется плотность (относительная плотность) газов и газовых смесей. Сущность метода заключается во взвешивании стеклянного пикнометра объемом 100-200 см 3 последовательно с осушенным воздухом и осушенным ис- следуемым газом при одинаковой температуре и давлении. Плотность сухого воздуха – величина эталонная. Зная внутренний объем пикнометра, можно определить плотность природного газа неизвестного состава (исследуемого газа). Для этого предварительно определяется внутренний объем пикнометра («водное число»), поочередно взвешивая пикнометр с осушенным воздухом и дистиллированной водой, плотности, которых известны. Затем взве- шивается пикнометр, заполненный исследуемым газом. Разность масс пикнометра с исследуемым газом и пикнометра с воздухом, поделенная на значение объема пикнометра («водное число») прибавляется к значению плотности сухого воздуха, что составляет в итоге плотность исследуемого газа. Вывод расчетных формул показан ниже. 2.1.1. Расчетные формулы Плотность природного газа пикнометрическим способом определяется на основе следующих соотношений:
| г | вз | М г | М вз | (14) |
| V | V | |||
| п | п |
г – плотность газа в условиях проведения замеров, г/дм 3 кг ; м 3 вз – плотность воздуха в условиях проведения замеров, г/дм 3 кг ; м 3 М г – масса газа в пикнометре, г; М вз – масса воздуха в пикнометре, г; 10
Источник