Многокомпонентные системы. Сущность ретроградной конденсации

Рис. 36. Диаграмма состояния р—Т многокомпонентной системы

Диаграмма состояния многокомпонентной системы имеет более сложный характер, чем двухкомпонентных систем, однако закономерности остаются теми же. Рассмотрим диаграмму состояния многокомпонентной системы в координатах р — Т (рис. 36).

Кривая GC определяет состояние начала конденсации многокомпонентной системы. Ниже и правее кривой GKC многокомпонентная система находится в однофазном паровом (газовом) состоянии. Кривая FC определяет состояние начала испарения (конца конденсации) многокомпонентной системы. Выше кривой FC вся система находится в однофазном жидком состоянии. Пересечение кривых GC и FC определяет критическую точку многокомпонентной системы. Точке С соответствуют критические температура Т_с и давление р_с. Область, ограниченная кривыми точек росы и точек кипения, определяет условия двухфазного состояния многокомпонентной системы. Пунктирные линии внутри этой области соответствуют процентному содержанию (по массе) смеси в жидком состоянии. Как видно из диаграммы состояния многокомпонентной системы, жидкая фаза наблюдается и при температурах, превышающих критическую, а паровая фаза присутствует при давлениях выше критического, что можно объяснить взаимной растворимостью компонентов.

Присутствие жидкой фазы при температурах выше критической для многокомпонентных систем целесообразно учитывать при разработке месторождений природных газов.

Рассмотрим несколько характерных случаев, которые могут отмечаться при разработке месторождений нефти и природного газа.

1. Месторождение находится в условиях точки В. Температура его ниже критической, а давление выше критического. Месторождение характеризуется однофазным жидким состоянием — это типичное нефтяное месторождение. При изотермическом снижении давления (что практически всегда отмечается при разработке нефтяных месторождений) до точки b никаких фазовых переходов не наблюдается. В точке b начнется выделение паровой фазы (давление, соответствующее точке b, является давлением насыщения нефти при данной температуре). Дальнейшее снижение давления до точки b₁ приведет к переходу в паровую фазу 30% по массе всей многокомпонентной системы, а в точке b₂ вся система перейдет в однофазное паровое состояние.

2. Многокомпонентная система (залежь) характеризуется точкой E, температура и давление которой ниже критических. Эта система находится также в однофазном жидком состоянии. Проследим влияние изобарического повышения температуры на фазовое состояние многокомпонентной системы. При повышении температуры до точки е фазовые переходы в системе отсутствовали. В точке е появляется паровая фаза, с ростом температуры количество которой возрастает. Так, в точке е₁ массовое содержание паровой фазы составляет 40%. Дальнейшее повышение температуры при постоянном давлении приводит к полному переходу всей системы в паровое состояние (точка e₂).

Как следует из этих двух примеров, процессы фазовых переходов в рассмотренных случаях являются прямыми, т.е. с повышением температуры и понижением давления происходит испарение, а с понижением температуры и повышением давления — конденсация.

Условия фазовых переходов многокомпонентных систем, характеризуемых давлением выше критического, но ниже криконденбары или с температурой выше критической, но ниже крикондентермы, существенно отличаются.

Рассмотрим фазовые переходы в системах, определяемых точками D и А.

Изобарическое повышение температуры от точки D до пересечения с кривой кипения в точке d характеризуется однофазным жидким состоянием. В точке d отмечается паровая фаза, количество которой возрастает до некоторой величины, определяемой точкой d₁.. Дальнейший рост температуры приводит к уменьшению паровой фазы и к полному ее исчезновению в точке пересечения изобары с кривой точек кипения (в точке d₂).

В точке А система находится в однофазном паровом (газовом) состоянии. Изотермическое снижение давления от точки А до точки а не сопровождается фазовыми переходами. В точке а появляется жидкая фаза, максимальное содержание которой достигается в точке а₁. В точке a₁ в системе содержится 80% паровой и 20% жидкой фаз. Дальнейшее снижение давления сопровождается уменьшением количества жидкой фазы (в точке а₂ количество жидкой фазы равно 10%). В точке а₃ вся система переходит в паровое состояние.

В рассмотренных вариантах наблюдается обратная закономерность фазового перехода. Так, при повышении температуры системы, характеризуемой точкой D, отмечается прямое испарение от точки d до d₁, а затем количество паровой фазы уменьшается, и в точке d₂ остается только жидкая фаза. А при снижении давления системы, характеризуемой точкой А, снижение давления от а до а₁ сопровождается конденсацией углеводородов, т.е. отмечается обратная (ретроградная) конденсация (области на рис. 36 заштрихованы). Заштрихованная область, находящаяся, между точками р_к и С, в настоящее время практического интереса не представляет, а область, расположенная между вертикальными линиями, проведенными через точки С и К, имеет большое значение при изучении и разработке месторождений природных газов, содержащих значительное количество тяжелых углеводородов — газоконденсатных месторождений.

Разработка месторождений ведется практически в изотермических условиях отбора газа из пласта. При разработке газоконденсатной залежи, характеризуемой точкой А, при снижении пластового давления до точки а в залежи начнется конденсация углеводородов. Количество выпадающего в пласте конденсата будет возрастать с понижением давления от а до точки а₁ (рис. 36). Выпадающий конденсат будет накапливаться в порах пласта и огромное количество его может быть безвозвратно потеряно. Кривая аа₁а₃ (рис. 37) характеризует потери конденсата в пласте. Теоретически потери конденсата в пласте соответствуют кривой аа₁а₃, практически же потери соответствуют кривой аа₁Х, так как на испарение выпавшего в пористой среде конденсата требуется значительно большее время, чем время разработки месторождения. Это можно объяснить тем фактом, что конденсация происходит практически мгновенно, а процесс испарения идет крайне медленно из-за влияния сорбционных сил, сил поверхностного натяжения и большой теплоты испарения.

Поэтому при разработке газоконденсатных месторождений следует применять закачку газа в пласт, чтобы давление не опустилось ниже давления точки росы. После добычи основного количества конденсата, месторождение можно перевести на режим истощения и добывать газ (Х-W).

При помощи диаграммы состояния многокомпонентных систем можно объяснить многие процессы, происходящие при разработке и эксплуатации газоконденсатных залежей. Рассмотрим один из наиболее важных вопросов — построение изотерм конденсации.

При разработке газоконденсатных залежей углеводороды конденсируются не только в пласте, но и в скважине, газопроводах и аппаратах. С целью определения оптимального режима эксплуатации оборудования для разделения жидкой фазы от газа и его размещения на промысле определяют изотермы конденсации для каждой залежи (рис. 38): зависимость количества выделившегося конденсата от давления при постоянной температуре. С понижением температуры количество жидкой фазы при одном и том же давлении возрастает, а с понижением давления (при постоянной температуре) возрастает до определенной величины (до давления, определяемого кривой Ca₁К, рис. 36), после чего понижается. Состав фаз постоянно изменяется и определяется давлением, температурой и составом всей системы. Эффективнее жидкую фазу отделять от газовой при давлениях максимальной конденсации — р _мк (рис. 36, кривая Са₁К и рис. 38 — р _мк).