Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» National Research Tomsk Polytechnic University Томск 2014 Разработчик: к.х.н., доцент каф. ТХНГ Н.В. Чухарева Модуль 1. Введение. Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Часть 1 Дисциплина «Физико-химические основы и технологии подготовки, транспорта и хранения углеводородов»
Из скважин вместе с нефтью или газом поступают: 1. пластовая вода; 2. попутный газ или нефть; 3. твердые частицы механических примесей, горных пород, затвердевшего цемента. Характеристика, состав и свойства скважинной продукции Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
В скважинах углеводороды находятся: в жидком состоянии в газообразном состоянии в виде газожидкостных смесей. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Согласно ГОСТ Р Сырая нефть – трёхфазная система, содержащая нефть, растворённый газ, пластовую воду и механические примеси. Товарная нефть – однофазная нефтяная система, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и технических документов
Элементный состав нефти углерод ( 82… 87%), водород (11… 14,5%), кислород (до 0,35%, редко до 0,7%), азот (до 1,8%), сера (до 5,3%, редко до 10%). В незначительных количествах содержится еще более 50 элементов, в т.ч. металлы (кальций, магний, железо, алюминий, ванадий, никель, натрий и др) и галогены (хлор и йод). Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Фракционный состав НЕФТИ Принято разделять нефти и нефтепродукты путем перегонки на отдельные компоненты, каждый из которых является менее сложной смесью. Такие компоненты называют фракциями или дистиллятами. Определяют по ГОСТ 11011–85 или по ГОСТ 2177 Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Нефть и ее фракции характеризуются температурными пределами начала кипения и конца кипения Перегонка нефти до температуры С Полуавтоматический аппарат АФС-1 ГОСТ Аппарат ректификации АРН-2 ГОСТ Технические характеристики Мощность колбонагревателя макс., Вт 1000 Диапазон регулирования мощности нагрева, % Диапазон температур, °С35…400 Погрешность измерения температуры: паров нефтепродукта, °С ±0,5 температуры теплоносителя в бане, °С ±1,2
Суммарный выход фракций, % масс. Пример кривой ИТК фракций нефти Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Большинство нефти содержит: 15…25% легких бензиновых фракций, выкипающих до 180 °С; 45…55% фракций, перегоняющихся до 300…350 °С. Нефти различных месторождений различаются по фракционному составу – содержанию легких, средних и тяжелых дистиллятов Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
28–180 С – широкая бензиновая фракция; 140–200 С – уайт–спирит; 180–320 С – широкая керосиновая фракция; 150–240 С – осветительный керосин; 180–280 С – реактивное топливо; 140–340 С – дизельное топливо (зимнее); 180–360 С – дизельное топливо (летнее); 350–500 С – широкая масляная фракция; 380–540 С – вакуумный газойль. Основные фракции нефти: Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
парафиновые, парафино-нафтеновые, нафтеновые, парафино-нафтено-ароматические, нафтено-ароматические, ароматические. Групповой состав нефти (химическая классификация) 6 классов нефти: Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Групповой состав нефти (технологическая классификация) метановая нефть - в нефти преобладает углеводороды метанового ряда АЛКАНЫ нафтеновая нефть - в нефти преобладают углеводороды нафтенового ряда НАФТЕНЫ ароматическая нефть - в нефти преобладают углеводороды ароматического ряда АРЕНЫ 3 класса нефти: Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Алканы нефти С n Н 2n+2 - это насыщенные углеводороды (в них отсутствуют двойные связи). Газообразные Жидкие Твердые С 1 …С 4 : метан, этан, пропан, бутан и изобутан, а также 2,2– диметилпропан От С 5 до С 15, жидкости, входящие в состав бензиновых (С 5 …С 10 ) и керосиновых (С 11 …С 15 ) фракций нефти. С 16 и выше при нормальных условиях – твердые вещества, входящие в состав нефтяных парафинов и церезинов. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Нафтеновые углеводороды нефти С n Н 2n (циклоалканы) - циклические насыщенные углеводороды простейший циклоалкан – циклопропан (С 3 Н 6 ) Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Ароматические углеводороды (арены) С n H 2n-6 (n>6). Простейшим углеводородом ароматического ряда является бензол С 6 Н 6.
Гетероатомные соединения Гетероатомные соединения – соединения, в которых кроме углерода и водорода в состав молекул входят кислород, сера, азот, металлы, неметаллы. Они разделяются на следующие классы. Кислородсодержащие Серосодержащие Азотсодержащие Смолы и асфальтены Подавляющая часть гетероатомных соединений содержится в наиболее высокомолекулярных фракциях нефти, выкипающих выше 300 о С. В нефтях Западной Сибири на их долю приходится до 15 %. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЕЙ По содержанию парафинов По содержанию серы По содержанию смол Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения малопарафинистые (не выше 1,5 %) парафинистые (1,51 … 6.00 %) высокопарафинистые (выше 6,00 %) малосмолистые (меньше 5 %) смолистые (5… 15 %) высокосмолистые (выше 15 %)
Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
отношение массы вещества к его объему ПЛОТНОСТЬ НЕФТИ АБСОЛЮТНАЯ кг/м 3 или г/см 3 ОТНОСИТЕЛЬНАЯ, безразмерная величина, чаще используемая на практике отношение абсолютной плотности нефти к плотности дистиллированной воды, взятых при определенных температурах. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Лёгкие ρ= до 820 кг/м 3 Тяжелые ρ=900 и более кг/м 3 По величине плотности нефти условно разделяют на три группы: Средние ρ=820…900 кг/м 3 выход светлых фракций наибольший Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
При изменении давления и температуры плотность нефти также изменяется, поэтому плотность есть функция от давления и температуры При повышении температуры плотность нефти уменьшается ρ 20 – плотность нефти при условиях 20 о С; ζ – коэффициент объёмного расширения (табличная величина) - физическая величина, равная относительному изменению объема при изменении температуры на один градус Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Плотность нефти, кг/м 3 ξ, 1/ 0 СПлотность нефти, кг/м 3 ξ, 1/ 0 С , , , , , , , , , , , Значения коэффициента объёмного расширения Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Для расчета плотности нефти в зависимости от давления используется формула : где ρ 0 – плотность нефти при нормальных условиях; Р – давление, Па; Р о – атмосферное давление, Па; K – модуль упругости нефти 1,53· 10 9 Па (1500 МПа) бензина около 10 9 Па (1000 МПа) Для расчета плотности нефти в зависимости и от давления и от температуры используется объединенная формула: Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Плотность нефти определяют по ГОСТ 3900–85 Ареометры (нефтеденсиметры) Автоматические анализаторы (плотномеры) Ручной способ определения Автоматический способ определения Определение плотности сырой нефти с высоким давлением насыщенных паров Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Определение автоматическим методом плотности сырой нефти проводят по АСТМ Д 5002 (Приложение А к ГОСТ Р 50802–95) Цифровой автоматический плотномер DE 45 Диапазон измерения г/см 3. Точность 0,00005 г/см 3. Термостатирование пробы в диапазоне °С Объем образца 2-5 мл. Время измерения 40 сек.
ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ КИНЕМАТИЧЕСКАЯ Вязкость - это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
1 с Пз = кг/ мс = Пас Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Динамическая вязкость μ Если для характеристик свойств нефти используется модель вязкой Ньютоновской жидкости, то касательное напряжение пропорционально градиенту скорости между слоями, рассчитанному на единицу расстояния между ними: Кинематическая вязкость - отношение динамической вязкости к плотности текучего тела 1 с Ст = Ст = м 2 /с = 1 мм 2 /с Где - динамическая (абсолютная) вязкость, кг/мс - абсолютная плотность нефти, кг/м 3
Вязкость Формула Рейнольдса Филонова: ν 0 кинематическая вязкость жидкости при температуре Т о ; к опытный коэффициент. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Определение вязкости по ГОСТ ВИСКОЗИМЕТР ЭНГЛЕРА ВРУЧНУЮ АВТОМАТИЧЕКИЙ ВИСКОЗИМЕТР CANNON CAV-2000 АВТОМАТИЧЕСКИ Принцип действия - определение времени свободного истечения фиксированной порции испытуемой жидкости из камеры прибора через калиброванный каппилярный вискозиметр
Текучесть - тело обладает способностью легко деформироваться при минимальных касательных напряжениях, т. е. такое тело обладает текучестью – величиной обратной динамической вязкости: Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения Тепловые свойства нефтей характеризуются теплоёмкостью, теплопроводностью, теплотой сгорания. 1500…2500 Дж/(кг·К) Коэффициент теплопроводности ( ) для нефтей находится в интервале 0,1–0,2 Вт/(м·К) Высшая и низшая теплота сгорания
Под теплоёмкостью (С ) понимается количество теплоты (dQ), которое необходимо передать единице массы этого вещества (m), чтобы повысить его температуру (dT) на 1 С или К Величина теплоёмкости зависит от температуры, поэтому каждое её значение необходимо относить к определенной температуре (Сt ) или к интервалу температур плотность нефти при 20 °С, кг/м 3 Т - абсолютная температура, К; С – теплоемкость, Дж/(кг-К). Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Теплопроводность нефтей ( ) определяет перенос энергии от более нагретых участков неподвижной нефти к более холодным. Описывается законом теплопроводности Фурье и характеризует количество теплоты ( dQ ), переносимой в веществе через единицу площади ( S ) в единицу времени ( t ) при градиенте температуры ( dT/dx ), равном единице: Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Теплота сгорания (теплотворная способность) характеризует количество тепла, выделившегося при полном сгорании 1 кг топлива до углекислоты и воды. высшая (Qв) низшая (Qн) количество тепла, выделившегося при сгорании 1 кг топлива при наличии в нём влаги количество тепла, выделившегося при сгорании 1 кг топлива за вычетом тепла, направленного на испарение воды и влаги Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Температура застывания - это температура, при которой нефть, налитая в пробирку под углом 45 о, остаётся неподвижной в течение 1 минуты При отсутствии экспериментальных данных о температурах застывания можно воспользоваться расчетной формулой: ν 50 вязкость при 50 °С, с Ст Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Испарение – процесс перехода вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное Для отрыва молекул от жидкой фазы и перехода их в паровую или газообразную необходимо затратить энергию, называемую скрытой теплотой испарения. Испарение жидкости или конденсацию паров осуществляют: однократное многократное постепенное Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Агрегатное различие фаз (жидкость–газ) при одинаковых термобарических условиях определяется только различием их компонентного состава по следующим показателям: Температурой вспышки (воспламенения) Пожаровзрывоопасностностью Электризацией Токсичностью нефтей Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Температура вспышки – это температура, при которой пары жидкости, нагретые при определенных условиях, образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней открытого пламени. Углеводородные жидкости Т всп С легковоспламеняющиеся Т всп. > 61 0 С горючие Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Пожаровзрывоопасность нефти характеризуется способностью смесей их паров с воздухом воспламеняться и взрываться Нижний предел взрываемости - это концентрация паров жидкости в воздухе, ниже которой не происходит вспышки смеси при внесении в эту смесь горящего предмета. Верхний предел взрываемости соответствует такой концентрации паров нефти в воздухе, выше которой смесь не взрывается, а горит. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Температура воспламенения - это температура, при которой жидкость при поднесении открытого пламени горит. Температура самовоспламенения – это температура нагрева жидкости, при которой ее пары воспламеняются без поднесения открытого огня. В зависимости от температуры воспламенения установлено пять групп пожароопасных смесей: Т1 > 450 °С; Т2 = 300 … 450 °С; Т3 = 200 … 300 о С; Т4 = 135 … 200 °С; Т5 = 100 … 135 °С. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Электризация углеводородных жидкостей обусловлена их высоким электрическим сопротивлением, то есть диэлектрическими свойствами (ε), которые показывают, во сколько раз взаимодействие между электрическими зарядами в данном веществе меньше, чем в вакууме, при прочих равных условиях Величины диэлектрической проницаемости изменяются в следующих диапазонах: для воздуха 1…1,0006; для нефтяного газа 1,001…1,015; для нефти 1,86…2,38; для смол и асфальтенов 2,7…2,8; для воды 80…80,1. Токсичность нефтей и нефтепродуктов заключается в том, что их пары оказывают отравляющее действие на организм. Модуль 1: Основные физико-химические свойства скважиной продукции, определяющие условия подготовки, транспорта и хранения
Благодарю за внимание! Перечень рекомендуемой литературы по дисциплине Основная: Сваровская Н.А. Подготовка, транспорт и хранение скважинной продукции. /Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, – 268 с. Транспорт скважинной продукции [Электронный ресурс] : учебное пособие / Н. В. Чухарева [и др.]; Национальный исследовательский Томский политехнический уни-верситет (ТПУ). 1 компьютерный файл (pdf; 16.3 MB). Томск: Изд-во ТПУ, Заглавие с титульного экрана. Электронная версия печатной публикации. Доступ из корпоративной сети ТПУ. Системные требования: Adobe Reader. Режим доступа: pdf pdf Чухарева Н.В. Технологические расчеты простых и сложных нефтегазопроводов [Электронный ресурс] : учебное пособие / Н. В. Чухарева, А. А. Вострилова; Национальный исследовательский Томский политехнический универси-тет (ТПУ), Институт природных ресурсов (ИПР), Кафедра транспорта и хранения нефти и газа (ТХНГ). 1 компьютерный файл (pdf; 1.9 MB). Томск: Изд-во ТПУ, Заглавие с титульного экрана. Доступ из корпоративной сети ТПУ. Си-стемные требования: Adobe Reader. Режим доступа: pdf Чухарева Н.В. Исследование углеводородных систем при опреде-лении качественных характеристик в системе магистральных трубопроводов [Элек-тронный ресурс] : учебное пособие / Н. В. Чухарева, А. А. Новиков; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). 1 компьютер-ный файл (pdf; 4.98 MB). Томск: Изд-во ТПУ, Заглавие с титульного экра-на. Электронная версия печатной публикации. Доступ из корпоративной сети ТПУ. Системные требования: Adobe Reader. Режим доступа: pdf Новиков А.А., Чухарева Н.В. Физико-химические основы процессов транспорта и хранения нефти и газа / Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, – 164 с. Дополнительная: Коновалов Н.И., Мустафин Ф.М., Коробов Г.Е. и др. Оборудование резервуаров / Учебное пособие. – Уфа: ООО «Дизайн ПолиграфСервис», – 214 с. Васильев Г.Г., Коробов Г.Е., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Трубопроводный транс-порт нефти. /Под ред. М.С. Вайнштока. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», – Т. 1. – 408 с.