Содержание воды в природном газе влияние температуры и давления

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ДЕГИДРАЦИЯ ГАЗА

Глава XV СОДЕРЖАНИЕ ВОДЫ В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ

Газовое месторождение, не содержащее нефти, есть газовая шапка над водой. Газ такого месторождения насыщен парами воды. Ранее дана классификация газовых месторождений по размерам контакта газ—вода. На фиг. 62 изображена схема месторождения, имеющего !0О% площади контакта газ—вода.

____________Поверхность    земли

¦газ -У.-:;

¦’.Уров^н^.водь^    *.•’    •    :    >’/

бода'

Фиг. 62. Разрез месторождения, имеющего 100% контакта газ—вода.

Если площадь контакта газ—вода составляет менее 100% газоносной площади, в течение длительного геологического времени вследствие диффузии газ всего месторождения насыщается парами воды.

Содержание воды в природном газе можно приравнять к содержанию воды в восдухе. Оба явления управляются одинаковыми законами физики.

Содержание воды в газе зависит от давления и от температуры. До последнего времени считалось, что это содержание не зависит от состава газа над водой и что в природном газе, насыщенным водой, содержится столько же воды, сколько ее содержится при том же давлении и при той же температуре в воздухе, насыщенном парами воды.

Также считалось, что количество насыщенного водяного пара в единице объёма воздуха при постоянной температуре обратно пропорционально абсолютному давлению. Совместное влияние давления и температуры выражается цифрами таблиц, имеющихся в технических справочниках, в курсах физики и термодинамики, в книгах по паровым котлам и т. д.

Таблица 62 показывает содержание, воды в г в 1 м^г воздуха, насыщенного парами воды, при разных температурах и разном давлении¹⁶⁰.

Таблица 62

Содержание воды в г в 1 м^э газа, насыщенного парами воды (или кг воды в 1000 л*³ газа)

Из таблицы видно, что при температуре 0° С при абсолютном давлении в 1 метрическую атмосферу насыщенный воздух содержит 4,9 г воды, при давлении в 10 ата — 0,49, при давлении в 50 ата —

0,098 и т. д. Получается точная обратная пропорциональность.

Но все таблицы, аналогичные табл. 62, оказались неверными. В них верны лишь цифры, относящиеся к малым давлениям.

В нефтяных и газовых месторождениях воздуха нет, но в них есть природные газы, состоящие, главным образом, из метана и содержащие, кроме метана, различные другие углеводороды, а также некоторое количество азота и углекислоты.

Газы известняковых пластов обычно содержат небольшое количество сероводорода. Кроме того, в нефтеносных и газоносных пластах всегда есть вода, и выходящие из скважин газы содержат тот или иной процент воды в виде пара. Из очень многих скважин выходят углеводородные газы, насыщенные водой. Изучение содержания воды в газах нефтяных и газовых месторождений оказалось необходимым для правильной эксплоатации месторождений.

При транспорте и хранении дрбытого природного газа, при получении из него бензина, при различной другой переработке газа, при очистке газа от H₂S и С0₂, при эксплоатации газопроводов и т. д. детальное и точное изучение содержания воды в газе также оказалось необходимым.

Иногда вода, содержащаяся в газе, приносила большие затруднения при добыче газа и при перекачке его по газопроводам. При снижении давления газ охлаждался и выделял воду в жидком состоянии, которая иногда превращалась в лед и закупоривала газопроводы, счетчики газа, регуляторы давления и разные другие приборы. В присутствии воды в газопроводах возникали гидраты углеводородов, закупоривавшие газопроводы.

ИССЛЕДОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В ГАЗАХ

В 1927 г. Э. П. Бартлет напечатал статью ^г, в которой помещены результаты его опытов над поглощением воды водородом, азотом и смесью водорода и азота при высоких давлениях. Оказалось, что водород и азот при высоких давлениях поглощают воду в количествах на 200% больше, чем это указано в таблицах, принятых в технике и промышленности.

В 1939 г. Б. М. Лаулхир и Ч. Ф. Брайско в докладе, представленном в «Газовую ассоциацию Тихоокеанского побережья», изложили свои исследования по вопросу о содержании воды в природных газах Калифорнии. Оказалось, что при давлении 35 ата газ содержит на 30% больше воды, чем полагается по таблицам,

В 1941 г. Р. Вибе и В. Л. Гэдди исследовали поглощение воды углекислым газом (С0₂) при давлениях до 700 ати. При больших давлениях содержание воды сильно превосходило цифры таблиц.

Детальное изучение вопроса о содержании воды в природных газах предприняло Горное бюро США. Это изучение еще не закончено. Часть исследований опубликована ¹⁶¹.

Точные данные о содержании воды в природных газах потребовались для правильной постановки работ на гелиевом заводе Горного бюро США в г. Амарилло в северо-западном Тексасе. Этот город находится около крупного газового и нефтяного месторождения Пан-хандль, залегающего в слоях пермской системы. На гелиевый завод идет газ из купола Клифсайд, содержащий около 1,7% гелия. Большое содержание воды сильно мешало выделению гелия из газа.

Воду надо было удалять до переработки газа. Инженеры этого завода В. М. Дитон и Э. М. Фрост произвели в лаборатории гелиевого

завода исследования по вопросу о содержании воды в природных газах, в воздухе и в гелии.

Результаты этих исследований были представлены в виде доклада ³ на съезде «Американской газовой ассоциации» 5—8 мая 1941 г. в г. Даллас в Текс асе.

Исследования имели достаточную точность. При разной температуре и различном давлении было определено содержание воды в трех газах, насыщенных водой. Состав этих газов указан в табл. 63.

В этой таблице газ А есть природный газ главного газового поля месторождения Панхандль, газ В — газ из купола Клифсайд Пан-хандльского района и газ С — калифорнийский природный газ. исследованный Ляулхиром и Брайско.

ТОЧКА РОСЫ ПРИРОДНОГО ГАЗА

На фиг. 63 изображена диаграмма точек росы природного газа А для различных давлений. На оси ординат нанесены lgP_1? а на оси

абсцисс 4- , где Т — абсолютная температура.

После построения диаграммы на оси абсцисс против соответствующих делений были написаны цифры температуры в обычном обозначении.

Во время опытов, послуживших основанием для составления фиг. 63, для каждой кривой чертежа температура и давление воды (или водяного пара) удерживались постоянными. Вода не прибавлялась к газу и не отбиралась из него.

Мольная концентрация воды была постоянной для каждой отдельной кривой.

Таблица 63

Состав газов в °/о ^по объему

Рассмотрение получившихся диаграмм показало, что при малых давлениях кривые точек росы природного газа соответствуют цифрам, полученным из таблиц давления водяного пара.

При повышенных давлениях они начинают отклоняться от цифр' таблиц. При малых давлениях это есть прямые линии. С увеличением давления они загибаются кверху.

Отклонение от закона Бойля при больших давлениях еще более увеличивает расхождение фактических данных и общепринятых таблиц.

Фиг. 63. Кривые точек росы природного газа.

Цифры на кривых обозначают количество воды в г в 1 m^s газа.

ФАКТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВОДЫ В ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

Для промышленности природного газа более удобно пользование диаграммой, на которой непосредственно нанесены кривые содержания воды в газе при том или ином давлении и при той или иной температуре. Такая диаграмма изображена на фиг. 64. Она была построена следующим образом.

На оси абсцисс деления соответствуют -у-, где Т—абсолютная

температура (по Кельвину). На оси ординат деления соответствуют lg w, где w — вес воды в определенном объёме газа. После построения диаграммы на оси абсцисс поставлены цифры температуры в обычном обозначении (по Цельсию).

Каждая кривая дана для определенного постоянного давления, и видно, как при данном давлении на максимальное возможное содержание воды влияет температура.

Зо$ь/ 0 при аде дсЗле/л/и /, fjj084amu и темг/еда/луре fSJS V

щ/бщ ^}wooo 80М

6001, 5000 . 4000

/6,0/8492

/2,$f*W6

9,6 НО952 6 M 924 6

6,40⁷3968

W5M5-

^ >, 60fS 492

^ /, 23/4 7S36-

11,96/10952 0,8009246 8.640 73963-

0.WS5476 A 52036984

•3.i6Qte*92

0    /0    20    39    40    SO 60 70 80 90 W M °f

j h8 /2,2 6,67 f,/t 444 /0 f.5,56 2/J 25.7 38.2 37,543j‘C

Фиг. 64. Содержание воды (в виде пара) в природном газе.

А. Цифры на кривых обозначают абс. давление в метр. ата.

swum $6,/msг

80,69246

млзт

43,1)55476

з2,озбт

X

v

Ч

1

1

Чем выше температура, тем больше воды может содержаться в газе. Влияние давления видно из сопоставления нескольких кривых по вертикальной линии, т. е. при одной и той же температуре. Чем выше давление, тем меньше воды может содержаться в данном газе. При больших давлениях и низких температурах кривые начали загибаться кверху, но при малом масштабе чертежа это на диаграмме не видно.

* ^Л /2,8/4S32

1J333

14,0953    22/263    29,1573

AGfaewt дметр отв.

36,1883 шт

Фиг. 65. Содержание воды в газах при температуре 37,8° С.

0333    &0642    <4,0553    21./263    29./373    Ш683    43jt9s"

Лбе. бабле we 3 мел?л та

Фиг. 65а. Содержание воды в газах при температуре 26,7° С,

Ч 66,66903 §

& 57,665396

I

% 54,461763

Ц\33,6МШ II Д 93S93/ М 3&434S/i

¦5 Si шшя гизвш

^ 23.623 №

1J333    d№2

<4053

22, /263    29,/573 36,1883

? ота>

43,2133

Фиг. 656. Содержание воды в сжатых газах при температуре 15,56° С.

Фиг. 64 дана для природного газа А, который близок к бугуруслан-скому газу из газовых скважин. На фиг. 65 даны диаграммы содержания воды в трех природных газах, в воздухе и в гелии. При высоких давлениях содержание воды в газах отклоняется от обычных газовых

законов и от общепринятых таблиц в сторону увеличения. В отношении высоких давлений цифры общепринятых таблиц не годятся ни для воздуха, ни для природных газов.

Под давлением 43 ата воздух, насыщенный водой, при температуре 37,8° С содержит на 15% больше воды, чем указано в обычных таблицах, а при температуре 15,56° С — на 24% больше.

Природные углеводородные газы, насыщенные водой, содержат воды больше, чем воздух при тех же условиях, причем разные газы в состоянии насыщения содержат различное количество воды. Сухие углеводородные газы поглощают меньше воды, чем газы, богатые бензином.

Увеличение содержания азота в газе уменьшает способность газа поглощать воду. Природный газ А при 37,8° С в состоянии насыщения водой при 43 ата содержит на 25% больше, а при температуре 15,56° С на 35% больше воды, чем сказано в общепринятых таблицах.

Калифорнийский газ С дает в сторону увеличения еще более значительное расхождение с таблицами. Только гелий не дает больших расхождений.

В природе газ в газовых или нефтяных пластах обычно насыщен водой, так как в каждом газовом и в каждом нефтяном пласте есть вода и, находясь в контакте с водой, газ рано или поздно делается насыщенным водой. При выходе из пласта через скважину имеет место снижение давления, и газ из насыщенного водой может перейти в ненасыщенный. Понижение давления увеличивает способность газа держать в себе воду в парообразном состоянии.

Но понижение температуры, вызываемое расширением газа, обычно пересиливает это благоприятное действие снижения давления, и из газа может осесть жидкая вода, образуя при этом гидраты углеводородов.

Ненасыщенный водою газ перекачивается по газопроводу и в холодное время, например, зимой или весной. Понижение температуры газа может перевести газ из ненасыщенного состояния в насыщенное; из газа выделятся жидкая вода и гидраты углеводородов, которые могут закупорить газопровод, счетчики, регуляторы давления и пр.

Бугурусланский газ из газовой шапки близок к газу А вышеприведенных таблиц, и этими диаграммами можно руководствоваться при определении температуры и давления, сообщающих газу насыщенность водой, и при определении количеств воды, которые могут содержаться в газе при разных условиях.

ПОДСЧЕТ ЗАПАСОВ ГАЗА В МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

В каждом месторождении при начале его разработки газ насыщен водой, находящейся в парообразном состоянии. Эта вода занимает часть объёма в порах пласта. При подсчете запасов газа по объёмному методу этот объём воды надо вычесть из объёма газа. В большинстве месторождений объём воды в газе составляет малую часть объёма газа* Но при большом давлении в глубоко залегающих месторождениях вода занимает существенную часть объёма. Для определения количества парообразной воды в газе следует руководствоваться вышеприведенными кривыми. Но есть газы, где содержание бензина значительно выше, чем в газах, для которых даны кривые. В них содержание воды будет еще выше. Его надо сосчитать, исходя из данных кривых и увеличив содержание воды пропорционально среднему молекулярному весу газа.

Таблицы и кривые доведены лишь до 43 ати. Для более значительных давлений эти кривые можно продолжить. Но когда они дойдут добавления максимальной конденсации»,которое имеет место в различных газах соответственно их среднему молекулярному весу, при 60—91 ати кривые содержания воды резко загнутся кверху и содержание воды возрастет. При давлениях в пласте выше «давления максимальной конденсации» вода, залегающая в пласте в жидком состоянии, будет переходить в пар и примешиваться к газу. На какой-то значительной глубине вся пластовая вода будет в парообразном состоянии находиться в смеси с газом. Газ газово-конденсатных месторождений выходит из скважин, неся громадное количество воды в виде пара. К такому типу месторождений относилось месторождение Кала до начала разработки. Неумеренное снижение давления при эксплоатации перевело большую часть этой воды изгазообразного состояния в жидкое и, кроме того, осадило в пласте конденсаты из газа. Но подсчитывать первоначальные запасы газа и вычитать из них воду мы должны для месторождений, еще не затронутых разработкой. Конденсаты должны включаться в запасы газа.

Дегидрация газа на промыслах  »

Библиотека »