Skip to content
Brent$117,6Газ TTF$1 192USD453,87 ₸
MunaiHub
Физика пластаСостав и фазовое поведение флюидов Базовый 14 мин чтения

Состав пластовых флюидов

Состав пластового флюида (reservoir fluid composition) — перечень веществ, из которых состоят нефть или газ залежи, с указанием их долей. Углеводородная часть — смесь сотен соединений, от метана до тяжёлых смол и асфальтенов; к ней примешаны азот, углекислый газ, сероводород и другие неуглеводородные вещества. Для инженерных расчётов состав записывают в мольных долях: лёгкие компоненты — по отдельности, тяжёлые — одной или несколькими фракциями, например C7+.

Зачем это нужно

Состав определяет, будет ли флюид в пласте нефтью или газом, сколько газа и жидкости даст скважина на поверхности, каковы плотность и вязкость нефти и при каком давлении из неё выделится газ. От содержания сероводорода и углекислого газа зависят выбор материалов, подготовка продукции и меры безопасности — для сероводородсодержащих месторождений Прикаспия это одно из главных проектных условий.

Кратко о главном

  • Нефть и природный газ — смеси углеводородов. Чем больше в смеси мелких молекул, тем она «легче»: от сухого газа, почти целиком состоящего из метана, до чёрной нефти, где на фракцию C7+ приходится почти половина молей и большая часть массы.
  • Основные классы углеводородов: алканы CnH2n+2\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2} (нормальные и разветвлённые), циклоалканы (нафтены) CnH2n\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n} и арены с бензольным кольцом; самые тяжёлые — смолы и асфальтены с серой, азотом и кислородом.
  • Неуглеводородные компоненты — азот, углекислый газ, сероводород, вода с солями, следы ртути и гелия. Кислые газы H2S\mathrm{H_2S} и CO2\mathrm{CO_2} вызывают коррозию, сероводород смертельно ядовит.
  • Для газа мольные и объёмные доли совпадают, массовые — нет: тяжёлый компонент при малой мольной доле может давать заметную долю массы.
  • Всё тяжелее гексана объединяют во фракцию C7+ и описывают двумя числами — молярной массой и относительной плотностью; для расчётов по уравнению состояния её делят на несколько псевдокомпонентов.
  • Плотность дегазированной нефти часто выражают в градусах API: вода — 10 °API, и чем легче нефть, тем больше градусов.
Ключевые соотношения
M=∑iziMiM = \sum_i z_i M_i

молярная масса смеси по мольным долям

wi=ziMi∑jzjMjw_i = \dfrac{z_i M_i}{\sum_j z_j M_j}

массовая доля компонента

γg=Mg28,97,pi=yi p\gamma_g = \dfrac{M_g}{28{,}97},\qquad p_i = y_i\,p

относительная плотность газа по воздуху; парциальное давление компонента газа (давление абсолютное)

∘API=141,5γo−131,5{}^{\circ}\mathrm{API} = \dfrac{141{,}5}{\gamma_o} - 131{,}5

γo\gamma_o — относительная плотность нефти по воде при 60 °F (15,6 °C)

Где чаще всего ошибаются
  • Путать мольные и массовые проценты: 62 мол. % метана в газе примера урока — это лишь 40 % его массы.
  • Считать, что больше °API — значит тяжелее нефть: шкала обратная.
  • Принимать фракцию C7+ за «гептан»: это сотни соединений, и её свойства измеряют для каждой пробы.
  • Считать парциальное давление по избыточному давлению: в законе Дальтона давление абсолютное.
  • Надеяться обнаружить сероводород по запаху: при опасных концентрациях обоняние перестаёт его ощущать.

После урока вы сможете

  • перечислить основные классы углеводородов — алканы, циклоалканы, арены, смолы и асфальтены — и объяснить, чем каждый важен для добычи;
  • назвать неуглеводородные компоненты пластовых флюидов и объяснить, чем опасны сероводород и углекислый газ;
  • переводить состав из мольных долей в массовые, рассчитывать молярную массу и относительную плотность газа и парциальное давление компонента;
  • объяснить, как состав представляют для расчётов: индивидуальные компоненты, фракция C7+ с молярной массой и плотностью, псевдокомпоненты;
  • переводить плотность нефти в градусы API и обратно и по составу судить, к какому типу, вероятно, относится флюид.

Нефть и газ — смеси углеводородов

Нефть и природный газ — природные смеси, в которых преобладают углеводороды (hydrocarbons) — соединения углерода и водорода. По массе в нефти обычно 83–87 % углерода и 10–14 % водорода; остальное — сера, азот, кислород и следы металлов. Индивидуальных соединений в нефти сотни и тысячи, но инженеру важен не каждый из них, а то, как смесь в целом ведёт себя при изменении давления и температуры.

Состояние смеси зависит прежде всего от размера молекул. Смесь небольших молекул — метана, этана — при обычных условиях газообразна, смесь более крупных — жидкая, а самые тяжёлые компоненты — смолы, асфальтены, высокомолекулярные парафины — в чистом виде твёрдые или вязкие, как битум. В пласте при высоких давлении и температуре смесь может быть однофазной, а на поверхности разделиться на газ и жидкость; как это происходит, разбирает тема Фазовое поведение: чистые вещества и двухкомпонентные смеси.

В порах коллектора вместе с углеводородами всегда есть вода — связанная вода, которую нефть и газ при заполнении ловушки не смогли вытеснить: её удерживают капиллярные силы (Насыщенность пласта флюидами). Пластовая вода — тоже пластовый флюид, но её состав описывают иначе — по растворённым солям.

Классы углеводородов

Атом углерода образует четыре химические связи. Углеводороды различают по двум признакам: как соединены атомы углерода — в открытую цепь или в кольцо — и какие между ними связи: только одинарные (такие соединения называют насыщенными, saturated) или также двойные и тройные (ненасыщенные, unsaturated).

Строение молекул углеводородов разных классовалканы: изомерыциклоалканаренн-бутанC₄H₁₀изобутанC₄H₁₀циклогексанC₆H₁₂бензолC₆H₆

Четыре схемы молекул. Нормальный бутан — зигзагообразная цепочка из четырёх атомов углерода. Изобутан — центральный атом углерода с тремя соседями. Циклогексан — шестиугольное кольцо из шести атомов углерода с одинарными связями. Бензол — шестиугольное кольцо, в котором одинарные и двойные связи чередуются.

СхемаСтроение молекул разных классов: нормальный бутан и изобутан — изомеры одного состава C4H10\mathrm{C_4H_{10}}, циклогексан — циклоалкан, бензол — арен. Точки — атомы углерода, двойные линии — двойные связи; атомы водорода не показаны.
Классы углеводородов нефти и газа
Класс
Алканы (парафины)
Формула
CnH2n+2\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2}
Строение
открытая цепь, одинарные связи; нормальные и разветвлённые
Что важно для добычи
главная часть большинства нефтей и почти весь газ; тяжёлые парафины выпадают при охлаждении
Класс
Циклоалканы (нафтены)
Формула
CnH2n\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n}
Строение
кольца из 5–6 атомов углерода, одинарные связи
Что важно для добычи
по свойствам близки к алканам, но плотнее
Класс
Арены (ароматические)
Формула
CnH2n−6\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n-6} у гомологов бензола
Строение
бензольное кольцо
Что важно для добычи
самые плотные при том же числе атомов углерода; растворяют асфальтены
Класс
Смолы и асфальтены
Формула
—
Строение
крупные многокольчатые молекулы с S, N, O и металлами
Что важно для добычи
повышают плотность и вязкость; асфальтены могут выпадать в осадок

Углеводороды с двойными и тройными связями (алкены, алкины) химически активны и в пластовых флюидах практически не встречаются: они образуются при переработке нефти.

Алканы (alkanes), или парафины (paraffins), — самый распространённый класс. Метан, этан, пропан и бутаны при нормальных условиях — газы, от пентана примерно до гексадекана C16\mathrm{C_{16}} — жидкости, а нормальные алканы начиная примерно с C17\mathrm{C_{17}} при комнатной температуре твёрдые — это и есть парафин. Растворённый в нефти, он не мешает, но при охлаждении нефти в скважине и трубопроводах кристаллизуется и откладывается на стенках (Ретроградная конденсация, парафины, асфальтены и флюиды высоких давлений).

Начиная с бутана одни и те же атомы можно соединить по-разному. Получаются изомеры (isomers) — вещества одного состава, но разного строения и свойств: нормальный бутан кипит при −0,5 °C, разветвлённый изобутан — при −11,7 °C. Число изомеров быстро растёт с числом атомов углерода: у пентана их 3, у гептана — 9, у декана — 75, а у алкана C20\mathrm{C_{20}} — больше 366 тысяч. Поэтому тяжёлую часть нефти невозможно описать поштучно.

Циклоалканы (cycloalkanes), в нефтяной практике — нафтены (naphthenes), замкнуты в кольца из пяти или шести атомов углерода: циклопентан, циклогексан и их производные с боковыми цепями. Арены (aromatics) содержат бензольное кольцо; простейшие из них — бензол, толуол, ксилолы. При одинаковом числе атомов углерода арены заметно плотнее алканов: относительная плотность жидкого н-гексана — около 0,66, циклогексана — 0,78, бензола — 0,88.

Самая тяжёлая часть нефти — смолы (resins) и асфальтены (asphaltenes): крупные молекулы из нескольких сросшихся колец с атомами серы, азота, кислорода и металлов — ванадия, никеля. От их доли зависит, насколько нефть тёмная, плотная и вязкая. Асфальтены держатся в нефти в коллоидном состоянии, окружённые смолами, и могут выпадать в осадок при снижении давления или при смешении нефти с закачиваемым газом или углекислым газом.

Неуглеводородные компоненты

Кроме углеводородов, в пластовых флюидах почти всегда есть неуглеводородные компоненты (non-hydrocarbons). Обычно их немного, но от них зависят коррозия оборудования, безопасность, подготовка продукции и её цена, а иногда и фазовое поведение флюида.

Неуглеводородные компоненты и чем они важны
Компонент
Азот N2\mathrm{N_2}
Где встречается
газы, газовые шапки
Чем важен
инертен; снижает теплоту сгорания газа; повышает давление насыщения нефти
Компонент
Углекислый газ CO2\mathrm{CO_2}
Где встречается
газы и газоконденсаты, реже нефти
Чем важен
с водой образует угольную кислоту — коррозия стали; хорошо растворяется в нефти
Компонент
Сероводород H2S\mathrm{H_2S}
Где встречается
газы и нефти, особенно в карбонатных коллекторах
Чем важен
смертельно ядовит; коррозия и сульфидное растрескивание стали
Компонент
Меркаптаны и другие соединения серы
Где встречается
нефти и конденсаты
Чем важен
запах, коррозия; сера снижает цену нефти
Компонент
Вода с растворёнными солями
Где встречается
всегда
Чем важен
солеотложения; совместимость с закачиваемой водой; с газом образует гидраты
Компонент
Ртуть, гелий
Где встречается
некоторые газы
Чем важен
ртуть разрушает алюминиевые теплообменники; гелий извлекают как ценный продукт

Сероводород и углекислый газ называют кислыми газами (acid gases). Газ с заметным содержанием сероводорода называют кислым, или сероводородсодержащим (sour gas), газ без него — «сладким» (sweet gas). Не путайте с «сернистым газом»: так в химии называют диоксид серы SO2\mathrm{SO_2}.

Углекислый газ сам по себе неагрессивен, но в воде образует угольную кислоту и вызывает углекислотную коррозию углеродистой стали. Он хорошо растворяется в нефти, снижает её вязкость и увеличивает объём — на этом основана закачка CO2\mathrm{CO_2} для повышения нефтеотдачи. Вместе с тем углекислый газ может вызвать выпадение асфальтенов.

Сероводород опасен втройне: он ядовит, горюч, а в присутствии воды вызывает коррозию и сульфидное растрескивание под напряжением (sulfide stress cracking) — хрупкое разрушение нагруженной стали, особенно высокопрочной. Материалы для сероводородсодержащих сред выбирают по специальному международному стандарту (ISO 15156, он же NACE MR0175). Мерой агрессивности служит парциальное давление сероводорода — произведение его мольной доли в газе на абсолютное давление газа. Для углеродистых и низколегированных сталей уже начиная примерно с 0,3 кПа (0,05 psi) стойкость к сульфидному растрескиванию нужно подтверждать.

Мольные, массовые и объёмные доли

Состав смеси записывают тремя способами — в мольных, массовых или объёмных долях, — и числа при этом получаются разными.

Мольная доля ziz_i (mole fraction)
доля молей (то есть молекул) компонента ii среди всех молей смеси; сумма мольных долей равна единице. Для газовой фазы её обозначают yiy_i, для жидкой — xix_i, для смеси в целом — ziz_i. В процентах — мольные проценты, мол. %.
Массовая доля wiw_i (mass fraction)
доля массы смеси, приходящаяся на компонент (мас. %). В массовых долях дают, например, результаты разгонки тяжёлой части нефти.
Объёмная доля
доля объёма, который компонент занимал бы отдельно при тех же условиях (об. %). Для идеальных газов она совпадает с мольной: равные объёмы газов при одинаковых давлении и температуре содержат равное число молекул. Для жидкостей — нет: в равных объёмах разных жидкостей разное число молекул, а объёмы при смешении к тому же складываются неточно.

Расчёты фазового равновесия и газовых законов ведут в мольных долях: давление газа, растворимость, распределение компонентов между фазами определяются числом молекул, а не их массой. Поэтому анализ газа выдают в мольных (для газа — тех же объёмных) процентах, а для перехода к массе нужны молярные массы компонентов.

Молярная масса смеси
M=∑iziMiM = \sum_i z_i M_i
где:
  • MMмолярная (средняя) масса смеси, г/моль = кг/кмоль
  • ziz_iмольная доля компонента ii, доли единицы
  • MiM_iмолярная масса компонента; для фракции C7+ — её измеренная молярная масса, г/моль

Единицы: г/моль (кг/кмоль)

Справедливо, если
  • мольные доли всех компонентов, включая неуглеводородные и фракцию C7+, в сумме дают единицу.

Масса одного моля смеси. Через неё находят плотность газа, переводят мольные доли в массовые, а количество вещества в молях — в массу.

Переход от мольных долей к массовым
wi=ziMi∑jzjMjw_i = \frac{z_i M_i}{\sum_j z_j M_j}
где:
  • wiw_iмассовая доля компонента ii, доли единицы
  • zi, Miz_i,\ M_iмольная доля и молярная масса компонента, —, г/моль

Единицы: доли единицы

Справедливо, если
  • состав задан полностью, включая фракцию C7+ с её молярной массой.

Обратный переход: zi=wi/Mi∑jwj/Mjz_i = \dfrac{w_i/M_i}{\sum_j w_j/M_j}. Тяжёлый компонент с малой мольной долей может давать заметную долю массы, лёгкий — наоборот.

Относительная плотность газа по воздуху
γg=MgMвозд=Mg28,97\gamma_g = \frac{M_g}{M_{\text{возд}}} = \frac{M_g}{28{,}97}
где:
  • γg\gamma_gотносительная плотность газа — отношение его плотности к плотности воздуха при тех же давлении и температуре, —
  • MgM_gмолярная масса газа, г/моль
  • MвоздM_{\text{возд}}молярная масса сухого воздуха, 28,97 г/моль, г/моль

Единицы: безразмерная величина

Справедливо, если
  • газ и воздух сравнивают при одинаковых давлении и температуре как идеальные газы; при стандартных условиях это верно с точностью лучше 1 %.

У чистого метана γg=0,554\gamma_g = 0{,}554, у сухого природного газа — обычно 0,55–0,65, у попутного газа, богатого пропаном и бутанами, — 0,8 и выше. Плотность газа в стандартных условиях ρg=1,204 γg\rho_g = 1{,}204\,\gamma_g кг/м³ при 0,101325 МПа и 20 °C (при 15 °C — 1,225 γg1{,}225\,\gamma_g).

Парциальное давление компонента газа (закон Дальтона)
pi=yi pp_i = y_i\,p
где:
  • pip_iпарциальное давление компонента ii, МПа или кПа
  • yiy_iмольная доля компонента в газе, доли единицы
  • ppабсолютное давление газа, МПа или кПа

Единицы: любые единицы давления; давление абсолютное

Справедливо, если
  • газ близок к идеальному; при высоких давлениях парциальное давление остаётся удобной условной мерой, а для расчёта равновесия фаз вместо него используют фугитивность (Фазовое равновесие пар–жидкость).

Доля давления газа, «приходящаяся» на компонент. Парциальными давлениями H2S\mathrm{H_2S} и CO2\mathrm{CO_2} характеризуют агрессивность газа к стали.

Расчётный примерКислый попутный газ: молярная масса, массовые доли и парциальное давление сероводорода
Исходные данные (условные)
Состав газа сепаратора, мол. %
N2\mathrm{N_2} 1,0; CO2\mathrm{CO_2} 3,0; H2S\mathrm{H_2S} 10,0; метан 62,0; этан 12,0; пропан 7,0; бутаны 3,0; пентаны 2,0
Молярные массы в том же порядке, г/моль
28,01; 44,01; 34,08; 16,04; 30,07; 44,10; 58,12; 72,15
Давление в сепараторе
2,0 МПа (абсолютное)
Стандартные условия
0,101325 МПа и 20 °C
Решение
  1. Молярная масса смеси — сумма произведений ziMiz_i M_i по всем компонентам: M=24,84M = 24{,}84 г/моль. Наибольший вклад даёт метан (0,62⋅16,04=9,940{,}62\cdot 16{,}04 = 9{,}94 г/моль), сероводород добавляет 0,10⋅34,08=3,410{,}10\cdot 34{,}08 = 3{,}41 г/моль.
  2. Относительная плотность газа: γg=24,84/28,97=0,857\gamma_g = 24{,}84/28{,}97 = 0{,}857.
  3. Мольный объём идеального газа при стандартных условиях: Vm=RT/p=8,314⋅293,15/101,325=24,06V_m = RT/p = 8{,}314\cdot 293{,}15/101{,}325 = 24{,}06 м³/кмоль, где R=8,314R = 8{,}314 кДж/(кмоль·К) — универсальная газовая постоянная, давление — в кПа. Плотность газа ρg=M/Vm=1,03\rho_g = M/V_m = 1{,}03 кг/м³.
  4. Массовая доля сероводорода: w=3,41/24,84=0,137w = 3{,}41/24{,}84 = 0{,}137, то есть 13,7 мас. %; метана — 40 мас. %, хотя по молям его 62 %.
  5. Парциальное давление сероводорода в сепараторе: pH2S=0,10⋅2,0=0,20p_{\mathrm{H_2S}} = 0{,}10\cdot 2{,}0 = 0{,}20 МПа, или 200 кПа — примерно в 670 раз выше ориентира 0,3 кПа.
  6. В 1000 м³ газа (стандартных) содержится 1000/24,06=41,61000/24{,}06 = 41{,}6 кмоль вещества, из них сероводорода 4,164{,}16 кмоль, или 4,16⋅34,08=1424{,}16\cdot 34{,}08 = 142 кг.
Ответ: Молярная масса газа — 24,84 г/моль, γg=0,857\gamma_g = 0{,}857. Сероводород — это 10 мол. %, но 13,7 мас. %; его парциальное давление в сепараторе — 200 кПа, а в каждой тысяче кубометров газа — около 142 кг сероводорода.

Что это значит. Газ тяжелее обычного природного из-за сероводорода, углекислого газа и тяжёлых углеводородов. Парциальное давление H2S\mathrm{H_2S} в сотни раз выше порога, с которого сталь проверяют на сульфидное растрескивание, — всё оборудование должно быть сероводородостойким. Массовые доли нужны для материальных балансов установок подготовки газа: по ним считают, сколько серы получится из газа. Данные примера условные.

Фракция C7+ и псевдокомпоненты

Состав пластовой нефти не получают одним анализом пробы под давлением. Обычно анализируют отдельно газ и жидкость — из сепаратора или после разгазирования глубинной пробы в лаборатории — и затем рекомбинируют их, то есть пересчитывают к пластовой смеси по измеренному газовому фактору (Отбор проб пластовых флюидов, пример расчёта — в теме о типах флюидов).

Газ анализируют хроматографией: неуглеводородные газы и углеводороды до пентанов определяют по отдельности, более тяжёлые — группами. Жидкость делят на фракции по числу атомов углерода: во фракцию C8\mathrm{C_8} попадают все соединения, кипящие между нормальными гептаном и октаном, — и алканы, и нафтены, и арены. Современный анализ доходит до C30\mathrm{C_{30}} и дальше, но всё, что тяжелее выбранного предела, объединяют в одну фракцию C7+ (plus fraction) — или C10+, C20+ и т. п.

Свойства компонентов пластовых флюидов
Компонент
Азот N2\mathrm{N_2}
MM, г/моль
28,01
TкипT_{\text{кип}}, °C
−195,8
TкрT_{\text{кр}}, °C
−147,0
pкрp_{\text{кр}}, МПа
3,40
Компонент
Углекислый газ CO2\mathrm{CO_2}
MM, г/моль
44,01
TкипT_{\text{кип}}, °C
−78,5*
TкрT_{\text{кр}}, °C
31,0
pкрp_{\text{кр}}, МПа
7,38
Компонент
Сероводород H2S\mathrm{H_2S}
MM, г/моль
34,08
TкипT_{\text{кип}}, °C
−60,3
TкрT_{\text{кр}}, °C
100,0
pкрp_{\text{кр}}, МПа
9,0
Компонент
Метан C1\mathrm{C_1}
MM, г/моль
16,04
TкипT_{\text{кип}}, °C
−161,5
TкрT_{\text{кр}}, °C
−82,6
pкрp_{\text{кр}}, МПа
4,60
Компонент
Этан C2\mathrm{C_2}
MM, г/моль
30,07
TкипT_{\text{кип}}, °C
−88,6
TкрT_{\text{кр}}, °C
32,2
pкрp_{\text{кр}}, МПа
4,87
Компонент
Пропан C3\mathrm{C_3}
MM, г/моль
44,10
TкипT_{\text{кип}}, °C
−42,1
TкрT_{\text{кр}}, °C
96,7
pкрp_{\text{кр}}, МПа
4,25
Компонент
Изобутан
MM, г/моль
58,12
TкипT_{\text{кип}}, °C
−11,7
TкрT_{\text{кр}}, °C
134,7
pкрp_{\text{кр}}, МПа
3,64
Компонент
н-Бутан
MM, г/моль
58,12
TкипT_{\text{кип}}, °C
−0,5
TкрT_{\text{кр}}, °C
152,0
pкрp_{\text{кр}}, МПа
3,80
Компонент
н-Пентан
MM, г/моль
72,15
TкипT_{\text{кип}}, °C
36,1
TкрT_{\text{кр}}, °C
196,6
pкрp_{\text{кр}}, МПа
3,37
Компонент
н-Гексан
MM, г/моль
86,18
TкипT_{\text{кип}}, °C
68,7
TкрT_{\text{кр}}, °C
234,5
pкрp_{\text{кр}}, МПа
3,03
Компонент
н-Гептан
MM, г/моль
100,20
TкипT_{\text{кип}}, °C
98,4
TкрT_{\text{кр}}, °C
267,1
pкрp_{\text{кр}}, МПа
2,74
Компонент
н-Декан
MM, г/моль
142,28
TкипT_{\text{кип}}, °C
174,1
TкрT_{\text{кр}}, °C
344,6
pкрp_{\text{кр}}, МПа
2,11
Компонент
Вода H2O\mathrm{H_2O}
MM, г/моль
18,02
TкипT_{\text{кип}}, °C
100,0
TкрT_{\text{кр}}, °C
374,0
pкрp_{\text{кр}}, МПа
22,06

Справочные значения; TкипT_{\text{кип}} — нормальная температура кипения (при 0,101325 МПа), TкрT_{\text{кр}} и pкрp_{\text{кр}} — критические температура и давление (Фазовое поведение: чистые вещества и двухкомпонентные смеси). *Углекислый газ при атмосферном давлении не кипит, а возгоняется — переходит из твёрдого состояния прямо в газ; жидким он бывает только при давлении выше 0,52 МПа.

Свойства индивидуальных компонентов известны точно, а фракция C7+ у каждой нефти своя. Её характеризуют двумя измеренными числами: молярной массой M7+M_{7+} и относительной плотностью γ7+\gamma_{7+} (по воде при 60 °F). Молярная масса отражает размер молекул, то есть летучесть; плотность при той же молярной массе говорит о типе углеводородов — ароматическая фракция плотнее парафиновой. У нефтей M7+M_{7+} обычно порядка 180–280 г/моль, у газоконденсатов — порядка 110–170 г/моль.

Для расчётов по уравнению состояния (Кубические уравнения состояния) фракцию C7+ делят на части. Мольная доля фракций с ростом числа атомов углерода убывает закономерно, примерно по экспоненте, и это позволяет продолжить анализ за его предел. Затем близкие фракции снова объединяют в 3–5 псевдокомпонентов (pseudo-components) — условных веществ со средними свойствами. Типичная модель флюида насчитывает 8–15 компонентов: расчёт остаётся достаточно точным и не слишком долгим.

Для сложных флюидов — газоконденсатов высоких давлений и температур, нефтей, склонных к отложениям парафина и асфальтенов, — одних M7+M_{7+} и γ7+\gamma_{7+} мало. Тогда определяют групповой состав тяжёлых фракций: доли парафинов, нафтенов и аренов (PNA-анализ, от paraffins, naphthenes, aromatics), а для оценки устойчивости асфальтенов — доли насыщенных углеводородов, аренов, смол и асфальтенов (SARA-анализ, от saturates, aromatics, resins, asphaltenes).

Типичный состав пластовых флюидов разных типов, мол. %
Тип флюида
Сухой газ
N2+CO2\mathrm{N_2} + \mathrm{CO_2}
1,5
C1\mathrm{C_1}
94,5
C2\mathrm{C_2}–C6\mathrm{C_6}
4,0
C7+
следы
Тип флюида
Жирный газ
N2+CO2\mathrm{N_2} + \mathrm{CO_2}
2,0
C1\mathrm{C_1}
87,0
C2\mathrm{C_2}–C6\mathrm{C_6}
10,0
C7+
1,0
Тип флюида
Газоконденсат
N2+CO2\mathrm{N_2} + \mathrm{CO_2}
2,5
C1\mathrm{C_1}
75,0
C2\mathrm{C_2}–C6\mathrm{C_6}
16,0
C7+
6,5
Тип флюида
Летучая нефть
N2+CO2\mathrm{N_2} + \mathrm{CO_2}
1,5
C1\mathrm{C_1}
58,0
C2\mathrm{C_2}–C6\mathrm{C_6}
24,5
C7+
16,0
Тип флюида
Чёрная нефть
N2+CO2\mathrm{N_2} + \mathrm{CO_2}
1,0
C1\mathrm{C_1}
38,0
C2\mathrm{C_2}–C6\mathrm{C_6}
17,0
C7+
44,0

Данные условные: у каждого реального флюида свой состав. Закономерность же надёжна: чем больше в смеси фракции C7+, тем ниже газовый фактор и тем «тяжелее» флюид; граница между нефтями и газоконденсатами проходит примерно при 12,5 мол. % C7+ (Типы пластовых флюидов).

Условный состав пяти типов пластовых флюидов0255075100Мольная доля, %Сухой газ94,5Жирный газ87Газоконденсат756,5Летучая нефть5816Чёрная нефть3844N₂ + CO₂C₁C₂–C₆C₇₊

Пять горизонтальных полос длиной 100 процентов, разделённых на участки: азот и углекислый газ, метан, компоненты от этана до гексана и фракция C7+. У сухого газа почти вся полоса — метан, 94,5 процента. У жирного газа и газоконденсата растут доли этана–гексана и C7+. У летучей нефти C7+ занимает 16 процентов. У чёрной нефти метан — 38 процентов, а фракция C7+ — 44 процента полосы.

РасчётУсловный состав пяти типов пластовых флюидов по таблице выше: от сухого газа к чёрной нефти падает доля метана и растёт доля фракции C7+.

Плотность нефти и градусы API

Самая доступная характеристика добытой нефти — плотность дегазированной нефти. В русскоязычной практике её указывают в кг/м³ при 20 °C (иногда при 15 °C), в международной — относительной плотностью γo\gamma_o (specific gravity) по воде при 60 °F (15,6 °C) или в градусах API (от American Petroleum Institute — Американский институт нефти).

Плотность нефти в градусах API
∘API=141,5γo−131,5{}^{\circ}\mathrm{API} = \frac{141{,}5}{\gamma_o} - 131{,}5
где:
  • ∘API{}^{\circ}\mathrm{API}плотность в градусах API, °API
  • γo\gamma_oотносительная плотность дегазированной нефти: ρo/ρw\rho_o/\rho_w, обе плотности при 60 °F (15,6 °C); плотность воды при этой температуре — 999,0 кг/м³, —

Единицы: °API — условная шкала; γo\gamma_o безразмерна

Справедливо, если
  • плотности нефти и воды — при 60 °F и атмосферном давлении; плотность, измеренную при другой температуре, сначала приводят к 60 °F по стандартным таблицам;
  • формула относится к дегазированной нефти и конденсату, а не к пластовой нефти с растворённым газом.

Шкала обратная: чем легче нефть, тем больше градусов. Вода имеет 10 °API, нефть тяжелее воды — меньше 10 °API. Обратный пересчёт: γo=141,5131,5+∘API\gamma_o = \dfrac{141{,}5}{131{,}5 + {}^{\circ}\mathrm{API}}.

Классы нефтей по плотности в градусах API
Класс
Лёгкая
°API
больше 31,1
Относительная плотность γo\gamma_o
меньше 0,870
Класс
Средняя
°API
22,3–31,1
Относительная плотность γo\gamma_o
0,870–0,920
Класс
Тяжёлая
°API
10–22,3
Относительная плотность γo\gamma_o
0,920–1,000
Класс
Сверхтяжёлая
°API
меньше 10
Относительная плотность γo\gamma_o
больше 1,000

Одна из распространённых классификаций; в других системах, в том числе в национальных стандартах, границы классов другие. Жидкость газоконденсатов и жирных газов обычно легче нефтей: около 40–70 °API.

Расчётный примерГрадусы API и плотность
Исходные данные (условные)
Нефть месторождения А
846 кг/м³ при 15,6 °C
Нефть месторождения Б
941 кг/м³ при 15,6 °C
Конденсат
56 °API
Плотность воды при 15,6 °C
999,0 кг/м³
Решение
  1. Нефть А: γo=846/999,0=0,847\gamma_o = 846/999{,}0 = 0{,}847; ∘API=141,5/0,847−131,5=35,6{}^{\circ}\mathrm{API} = 141{,}5/0{,}847 - 131{,}5 = 35{,}6.
  2. Нефть Б: γo=941/999,0=0,942\gamma_o = 941/999{,}0 = 0{,}942; ∘API=18,7{}^{\circ}\mathrm{API} = 18{,}7.
  3. Конденсат: γo=141,5/(131,5+56)=0,755\gamma_o = 141{,}5/(131{,}5 + 56) = 0{,}755, плотность — 0,755⋅999,0=7540{,}755\cdot 999{,}0 = 754 кг/м³.
  4. Плотности нефтей А и Б различаются на 11 %, а в градусах API — на 17 единиц.
Ответ: Нефть А — 35,6 °API (лёгкая), нефть Б — 18,7 °API (тяжёлая), плотность конденсата — около 754 кг/м³.

Что это значит. Шкала API растягивает область лёгких нефтей: разница плотностей в 11 % превращается в 17 градусов. По плотности уже на устье можно предположить, с каким флюидом приходится иметь дело: тёмная нефть с низким °API — скорее «чёрная», светлая жидкость в 50–60 °API — скорее конденсат. Но окончательно тип флюида устанавливают по газовому фактору и лабораторным исследованиям (Типы пластовых флюидов). Данные примера условные.

На буровой о лёгкости нефти судят и по косвенным признакам. Шлам и керн рассматривают под ультрафиолетовой лампой: нефть светится, и цвет свечения меняется от тускло-коричневого у тяжёлых нефтей до жёлтого и голубовато-белого у лёгких. Показатель преломления нефти тоже растёт с её плотностью. Это быстрые качественные оценки, а не замена анализу.

Термины и обозначения

Компонент
индивидуальное вещество (метан, CO2\mathrm{CO_2}) или условная группа веществ (фракция, псевдокомпонент), долю которой указывают в составе смеси.
Мольная доля ziz_i (yiy_i, xix_i)
доля молей компонента в смеси (в газе, в жидкости); для идеального газа совпадает с объёмной долей.
Фракция C7+
все компоненты тяжелее гексана, объединённые в один; характеризуется молярной массой M7+M_{7+} и относительной плотностью γ7+\gamma_{7+}.
Псевдокомпонент
условное вещество, заменяющее в расчётах по уравнению состояния группу близких по свойствам компонентов или фракций.
Относительная плотность газа γg\gamma_g
отношение молярной массы газа к молярной массе воздуха (28,97 г/моль).
Градусы API
условная обратная шкала плотности дегазированной нефти: 141,5/γo−131,5141{,}5/\gamma_o - 131{,}5; вода — 10 °API.
Кислые газы
сероводород и углекислый газ; газ с сероводородом называют кислым, или сероводородсодержащим (sour).
Парциальное давление
произведение мольной доли компонента в газе на абсолютное давление газа; мера агрессивности H2S\mathrm{H_2S} и CO2\mathrm{CO_2}.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«В газе 62 % метана — значит, и по массе его больше половины».

На самом деле

Проценты в анализе газа — мольные (объёмные). В газе примера урока массовая доля метана — около 40 %: тяжёлые компоненты при малой мольной доле весят много.

Неверно

«Нефть в 30 °API тяжелее нефти в 20 °API».

На самом деле

Шкала API обратная: 30 °API — это γo≈0,876\gamma_o \approx 0{,}876, 20 °API — γo≈0,934\gamma_o \approx 0{,}934. Нефть в 30 °API легче.

Неверно

«Фракция C7+ — это гептан, его свойства есть в справочнике».

На самом деле

C7+ — все соединения тяжелее гексана, сотни и тысячи веществ. Её молярную массу и плотность измеряют для каждой пробы: у разных нефтей они разные.

Неверно

«Сероводорода всего 1 % — это неопасно».

На самом деле

При давлении 10 МПа парциальное давление такого сероводорода — 100 кПа, в сотни раз выше порога сульфидного растрескивания, а 1 % — это 10 000 ppm: утечка такого газа смертельно опасна.

Неверно

«Состав газа из сепаратора — это состав пластового флюида».

На самом деле

Газ и жидкость сепаратора — продукты разделения пластовой смеси. Её состав получают рекомбинацией проб газа и жидкости в пропорции, заданной газовым фактором.

Подробно: для продвинутых

Фактор характеризации Ватсона

Как по двум числам — температуре кипения и плотности — судить о типе углеводородов во фракции? При одинаковой температуре кипения парафины легче нафтенов, а нафтены легче аренов. Это обобщает фактор характеризации Ватсона (Watson characterization factor):

Фактор характеризации Ватсона
Kw=Tb1/3γK_w = \frac{T_b^{1/3}}{\gamma}
где:
  • KwK_wфактор характеризации, —
  • TbT_bсредняя температура кипения фракции в градусах Ранкина: Tb [∘R]=1,8 Tb [К]T_b\,[{}^{\circ}\text{R}] = 1{,}8\,T_b\,[\text{К}], °R
  • γ\gammaотносительная плотность фракции по воде при 60 °F, —

Единицы: эмпирическая: TbT_b — только в градусах Ранкина

Справедливо, если
  • эмпирический показатель; для узких фракций берут их среднюю температуру кипения, для широких — специально осреднённую температуру кипения всей фракции.

Для нормальных алканов KwK_w около 12,5–13, для нафтенов — около 11, для аренов — около 10. У тяжёлых фракций нефтей и конденсатов KwK_w обычно 11,5–12,5; по нему, не зная детального состава, судят о преобладающем типе углеводородов и оценивают другие свойства фракции по корреляциям.

Расчётный примерТри углеводорода C6: близкие температуры кипения, разные классы
Исходные данные (условные)
н-Гексан
кипит при 68,7 °C, γ=0,664\gamma = 0{,}664
Циклогексан
кипит при 80,7 °C, γ=0,783\gamma = 0{,}783
Бензол
кипит при 80,1 °C, γ=0,884\gamma = 0{,}884
Решение
  1. н-Гексан: Tb=1,8⋅(68,7+273,15)=615T_b = 1{,}8\cdot(68{,}7 + 273{,}15) = 615 °R; Kw=6151/3/0,664=12,8K_w = 615^{1/3}/0{,}664 = 12{,}8.
  2. Циклогексан: Tb=637T_b = 637 °R; Kw=11,0K_w = 11{,}0.
  3. Бензол: Tb=636T_b = 636 °R; Kw=9,7K_w = 9{,}7.
Ответ: KwK_w равен 12,8 у н-гексана, 11,0 у циклогексана и 9,7 у бензола.

Что это значит. Температуры кипения близки, а плотности и KwK_w разные: фактор Ватсона сразу разделяет парафиновый, нафтеновый и ароматический характер. Для фракции C7+ реальной нефти получится промежуточное значение, отражающее смесь классов. Свойства веществ — справочные.

Связь с другими темами

Проверьте себя

  1. 1

    К какому классу относится углеводород C6H12\mathrm{C_6H_{12}}, если все связи в его молекуле одинарные?

    1. А.Арен
    2. Б.Циклоалкан (нафтен)
    3. В.Алкан
    4. Г.Алкен
    Показать ответ

    Правильный ответ: Б. Циклоалкан (нафтен)

    Формулу CnH2n\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n} при одинарных связях даёт только замкнутое кольцо — это циклогексан или его изомеры, например метилциклопентан. Алкен с той же формулой содержал бы двойную связь, а у алкана C6\mathrm{C_6} формула C6H14\mathrm{C_6H_{14}}.

  2. 2

    Газ содержит 90 мол. % метана и 10 мол. % углекислого газа. Какова массовая доля CO2\mathrm{CO_2}?

    1. А.Около 44 %
    2. Б.Около 5 %
    3. В.10 %
    4. Г.Около 23 %
    Показать ответ

    Правильный ответ: Г. Около 23 %

    M=0,9⋅16,04+0,1⋅44,01=18,84M = 0{,}9\cdot 16{,}04 + 0{,}1\cdot 44{,}01 = 18{,}84 г/моль; wCO2=4,40/18,84≈0,234w_{\mathrm{CO_2}} = 4{,}40/18{,}84 \approx 0{,}234. Тяжёлая молекула CO2\mathrm{CO_2} при 10 % молей даёт почти четверть массы.

  3. 3

    Газ с 3 мол. % сероводорода транспортируют по трубопроводу при абсолютном давлении 6 МПа. Каково парциальное давление H2S\mathrm{H_2S} и что оно означает для выбора труб?

    Показать ответ

    pH2S=0,03⋅6=0,18p_{\mathrm{H_2S}} = 0{,}03\cdot 6 = 0{,}18 МПа, или 180 кПа, — в 600 раз больше ориентира 0,3 кПа. Трубы, арматура и сварные швы должны быть стойкими к сульфидному растрескиванию под напряжением; материалы выбирают по стандарту для сероводородсодержащих сред.

  4. 4

    Относительная плотность нефти — 0,876. Сколько это градусов API?

    1. А.30 °API
    2. Б.20 °API
    3. В.87,6 °API
    4. Г.40 °API
    Показать ответ

    Правильный ответ: А. 30 °API

    141,5/0,876−131,5=161,5−131,5=30,0141{,}5/0{,}876 - 131{,}5 = 161{,}5 - 131{,}5 = 30{,}0 °API — средняя по плотности нефть.

  5. 5

    Почему фракцию C7+ описывают молярной массой и плотностью, а не перечнем веществ?

    Показать ответ

    Во фракции тысячи соединений (только изомеров алкана C20\mathrm{C_{20}} больше 366 тысяч), и у каждой нефти свой набор. Для расчётов важны не отдельные вещества, а усреднённые свойства: молярная масса характеризует размер молекул и летучесть, плотность при той же молярной массе — тип углеводородов. По этим двум числам корреляции дают критические параметры и другие свойства, нужные уравнению состояния.

Обновлено: 30 сентября 2026 г.