Брусиловский А И: Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа

Изложены основы термодинамики многокомпонентных систем. Дано объяснение фазовых диаграмм, иллюстрирующих закономерности парожидкостного равновесия в системах природных углеводородов. Показаны этапы развития и проанализированы основные уравнения состояния, используемые для описания рРТ-свойств и фазовых превращений природных газов и нефтей. Сформулированы задачи, описаны методы и приведены алгоритмы расчета парожидкостного равновесия в многокомпонентных системах. Объяснены методические подходы, применяемые для создания расчетных моделей пластовых углеводородных смесей. Изложены физические основы методов исследования природных газов и пластовых нефтей. Представлены алгоритмы и результаты математического описания соответствующих процессов. Объяснена теория и показаны результаты исследования влияния гравитационных и капиллярных сил в природных многокомпонентных углеводородных системах. Дана постановка и проведен анализ результатов решения актуальных задач исследования и разработки залежей нефти и газа, в которых принципиальное значение имел учет термодинамических эффектов. Для научных и инженерно-технических работников. Полезна студентам и аспирантам нефтегазовых ВУЗов.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 

ГЛАВА 1. НЕФТИ И ПРИРОДНЫЕ ГАЗЫ - МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИРОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

1.1. КОМПОНЕНТЫ НЕФТЕЙ И ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

1.2. О СОСТАВЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ

1.3. ПРИМЕРЫ СОСТАВОВ ПЛАСТОВЫХ НЕФТЕЙ И ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ

2.1. ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.2. УРАВНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

2.3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ

2.4. ОБЪЕДИНЕННОЕ УРАВНЕНИЕ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ

2.5. ПОНЯТИЕ ОБ ЭНТАЛЬПИИ

2.6. ПОНЯТИЕ О ТЕПЛОЕМКОСТИ

2.7. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

2.8. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СЛУЧАЕВ СОПРЯЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

2.9. ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

2.10. УСЛОВИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

2.11. УРАВНЕНИЕ ГИББСА-ДЮГЕМА

2.12. СТЕПЕНИ СВОБОДЫ РАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.13. СВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЧИСТОГО ВЕЩЕСТВА С ЕГО МОЛЬНЫМ ОБЪЕМОМ

2.14. СВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КОМПОНЕНТА СМЕСИ С ПАРЦИАЛЬНЫМ МОЛЬНЫМ ОБЪЕМОМ

2.15. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ И ЕГО СВОЙСТВА

2.16. ЛЕТУЧЕСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ЛЕТУЧЕСТИ

2.17. ИДЕАЛЬНЫЙ РАСТВОР

2.18. ЗАКОН РАУЛЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3. ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ ПАР - ЖИДКОСТЬ

3.1. ВВЕДЕНИЕ

3.2. ЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА

3.3. ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

3.3.1. Диаграмма "давление - удельный объем"

3.3.2. Диаграмма "давление - состав"

3.3.3. Критические кривые

3.3.4. Диаграмма "давление - температура"

3.4. ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ

3.5. ТРЕХФАЗНОЕ РАВНОВЕСИЕ В ДВУХ- И ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ. КЛАССИФИКАЦИЯ ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ ПРИРОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, РАЗВИТИЕ, КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

4.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ УРАВНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ

4.2. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА

4.3. УРАВНЕНИЕ РЕДЛИХА-КВОНГА И ЕГО МОДИФИКАЦИИ

4.4. УРАВНЕНИЕ СОАВЕ-РЕДЛИХА-КВОНГА (SRK)

4.5. УРАВНЕНИЕ ПЕНГА-РОБИНСОНА (PR) И ЕГО МОДИФИКАЦИИ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШИФТ-ПАРАМЕТРА ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ РАСЧЕТА ПЛОТНОСТИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ

4.6. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

4.7. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ НЕФТЕЙ И ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННОГО ВИДА КУБИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

Введение

4.7.1. Форма уравнения и его коэффициенты

4.7.2. Формулы для чистых веществ

4.7.3. Формулы для смесей

4.7.4. Определение параметров уравнения состояния для чистых веществ

4.7.5. Определение параметров уравнения состояния для смесей

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 4

ГЛАВА 5. ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ПАРОЖИДКОСТНОГО РАВНОВЕСИЯ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

5.1. ВВЕДЕНИЕ

5.2. КОЭФФИЦИЕНТЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ДВУХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

5.3. УРАВНЕНИЯ ФАЗОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМ

5.4. СТАБИЛЬНОСТЬ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ

5.4.1. Понятие и критерий стабильности фазы

5.4.2. Метод проверки стабильности фазового состояния многокомпонентных систем

5.5. РАСЧЕТ 2-ФАЗНОГО РАВНОВЕСИЯ ПАР-ЖИДКОСТЬ СМЕСИ ЗАДАННОГО СОСТАВА

5.5.2. Решение методом последовательных приближений

5.5.3. Решение методом Ньютона

5.5.4. Решение методом QNSS (Quasi-Newton Successive Substitution)

5.6. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ НАЧАЛА КОНДЕНСАЦИИ СМЕСИ ЗАДАННОГО СОСТАВА

5.6.1. Постановка задачи

5.6.2. Решение методом последовательных приближений

5.6.3. Решение методом Ньютона

5.7. РАСЧЕТ ДАВЛЕНИЯ НАЧАЛА КИПЕНИЯ

5.7.1. Постановка задачи

5.7.2. Решение методом последовательных приближений

5.7.3. Решение методом Ньютона

5.8. ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ МНОГОФАЗНОГО РАВНОВЕСИЯ

5.9. ЗАДАЧИ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ПАРОЖИДКОСТНОГО РАВНОВЕСИЯ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ ВОДУ

5.9.1. Влагосодержание природных газов. Его оценка методом Бюкачека и поправки на соленость и относительную плотность газа

5.9.2. Модификация уравнения состояния Пенга-Робинсона для многокомпонентных систем, содержащих минерализованную водную фазу

5.9.3. Двухфазное равновесие газ - водный раствор

5.9.4. Двухфазное равновесие углеводородная (УВ) жидкость (нефть)-водный раствор

5.9.5. Давление начала ретроградной углеводородной (УВ) конденсации в системе природная газоконденсатная смесь- водный раствор

5.9.6. Давление начала разгазирования в системе У В жидкая фаза - водный раствор

5.9.7. Трехфазное равновесие газ - УВ жидкая фаза - водный раствор в системе задан ного состава

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 5

ГЛАВА 6. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПЛАСТОВЫХ УВ СМЕСЕЙ

6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЛЕЖЕЙ ПО ФАЗОВОМУ СОСТОЯНИЮ И СВОЙСТВАМ ПЛАСТОВЫХ ФЛЮИДОВ

6.2. ПОНЯТИЕ МОДЕЛИ ПЛАСТОВОЙ СМЕСИ

6.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ

6.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕФТЯНЫХ СИСТЕМ

6.4.1. Моделирование пластовой нефти на основе данных исследования глубинной пробы

6.4.2. Моделирование пластовой нефти на основе рекомбинации газовой и жидкой фаз при двухступенчатом разделении добываемой смеси

6.5. МЕТОДЫ РАЗБИЕНИЯ НА ФРАКЦИИ ГРУППЫ CN,

6.6. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ФРАКЦИЙ-КОМПОНЕНТ МОДЕЛИ ПЛАСТОВОЙ СМЕСИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 6

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

7.1. ВВЕДЕНИЕ

7.2. Z- ФАКТОР (КОЭФФИЦИЕНТ СВЕРХСЖИМАЕМОСТИ). ОБЪЕМНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ГАЗА

7.3. КОНТАКТНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ

7.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ

7.4.1. Постановка задачи

7.4.2. Решение в точной постановке

7.4.3. Приближенное моделирование

7.4.4. Прогнозирование динамики компонентоотдачи, состава и свойств добываемого газа

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 7

ГЛАВА 8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТОВЫХ НЕФТЕЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

8.1. ВВЕДЕНИЕ

8.2. ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕНИЯ НЕФТИ ГАЗОМ И

PV-ЗАВИСИМОСТИ

8.3. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ СЖИМАЕМОСТИ (ОБЪЕМНАЯ УПРУГОСТЬ)

8.4. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ

8.5. ОБЪЕМНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ И ГАЗОСОДЕРЖАНИЕ. ПОНЯТИЯ СТАНДАРТНОЙ СЕПАРАЦИИ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО РАЗГ АЗИРОВАНИЯ

8.6. СВОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ВИДАХ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАСТОВОЙ НЕФТИ И ПЕРЕЧЕНЬ ПОЛУЧАЕМЫХ СВЕДЕНИЙ

8.7. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАСТОВЫХ НЕФТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

8.8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОД ОЦЕНКИ МИНИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ СМЕШИВАЮЩЕГОСЯ ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ГАЗОВЫМИ АГЕНТАМИ

8.8.1. Предварительные замечания

8.8.2. Физические основы вытеснения нефти газовыми агентами

8.8.3. Особенности процессов повышения нефтеотдачи с интенсивным межфазным массообменом

8.8.4. Методика расчета минимального давления смешивающегося вытеснения

8.8.5. Анализ результатов расчетов фазовых превращений при моделировании процессов вытеснения нефти газами высокого давления

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 8

ГЛАВА 9. ВЛИЯНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ И КАПИЛЛЯРНЫХ СИЛ НА СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ: ТЕОРИЯ И ЭФФЕКТЫ

9.1. РАВНОВЕСИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ В ГРАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ

9.1.1. Введение в проблему

9.1.2. Постановка задачи

9.1.3. Решение методом Ньютона

9.1.4. Оценки влияния гравитационных сил на изменение состава и свойств пластовых нефтей и газоконденсатных систем

9.2. РАВНОВЕСИЕ ПАР-ЖИДКОСТЬ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ С УЧЕТОМ КАПИЛЛЯРНЫХ СИЛ

9.2.1. Введение в проблему

9.2.2. Постановка задачи

9.2.3. Решение методом Ньютона

9.2.4. Оценки влияния капиллярных сил между паровой и жидкой УВ фазами на их свойства

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 9

ГЛАВА 10. МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ В ГЛУБОКОПОГРУЖЕННЫХ ЗАЛЕЖАХ

10.1. ВВЕДЕНИЕ

10.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

10.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ

10.4. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ

10.5. НАРУШЕНИЕ ЗАКОНА ДАРСИ

10.6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ЗАЛЕЖЕЙ

10.6.1. Ненасыщенная газоконденсатная система

10.6.2. Насыщенная газоконденсатная система

10.7. ОБ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН

10.8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 10

ГЛАВА 11. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОБЫЧИ КОНДЕНСАТА И ОЦЕНКА КОНЕЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЕГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ В ПЛАСТЕОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ

11.1. ВВЕДЕНИЕ

11.2. НАЛИЧИЕ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ - ПРИЧИНА ОТКЛОНЕНИЙ ФАКТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ОТ ПРОГНОЗНЫХ ВЕЛИЧИН

11.3. МЕТОДИКА РАСЧЁТОВ

11.4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 11

ГЛАВА 12. СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ ВБЛИЗИ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

КОЭФФИЦИЕНТА ИЗВЛЕЧЕНИЯ УВ С5+ВЫСШИЕ

12.1. ВВЕДЕНИЕ

12.2. КОМПЛЕКСНОЕ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТОВОГО УВ ФЛЮИДА ЗАЛЕЖИ А

12.2.1. Компонентный состав пластового флюида и термобарические условия в залежи

12.2.2. Сопоставление результатов экспериментов и расчётов

12.2.3. Идентификация типа пластового флюида на основе исследования контактной конденсации

12.2.4. Результаты исследования дифференциальной конденсации

12.2.5. Новый алгоритм моделирования дифференциального истощения

12.2.5.1. Постановка задачи и алгоритм вычислений

12.2.5.2. Относительные фазовые проницаемости для газоконденсатных систем

12.2.6. Результаты моделирования по предлагаемой методике процесса истощения УВ системы залежи А

12.3. КОМПЛЕКСНОЕ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТОВОГО УВ ФЛЮИДА ЗАЛЕЖИ Б

12.3.1. Компонентный состав пластового флюида и термобарические условия в залежи

12.3.2. Сопоставление результатов экспериментов и расчетов

12.3.3. Идентификация типа пластового флюида на основе исследования контактной конденсации

12.3.4. Результаты исследования дифференциального разгазирования

12.3.5. Результаты моделирования по методике GCVD

12.4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 12