Теплофизические свойства пластовых жидкостей, газов и горных пород

Теплофизическими параметрами пластовых жидкостей, газов и горных пород являются: коэффициенты теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности.

Теплоемкость газа

Теплоемкость газа это отношение теплоты, подведенной к газу в определенном термодинамическом процессе, к соответствующему изменению температуры газа. В зависимости от вида процесса различают изобарную теплоемкость , когда процесс происходит при постоянном давлении , или изохорную , когда процесс происходит при постоянном объеме .

Отношение теплоемкости к единице количества газа называется удельной (массовой или молярной) теплоемкостью. Единицы измерения удельной теплоемкости: – Дж/кг·°С; ккал/кг·°С; кал/г ×°С. Соотношение между единицами выражается равенством 1кал/кг×°С = 4,1868 Дж/кг·°С.

Для практических расчетов используют массовую или молярную теплоемкость при постоянном давлении (изобарная теплоемкость). Изобарная теплоемкость газа при заданных и определяется по формуле:

, (3.1)

где – изобарная теплоемкость при атмосферном давлении и заданной температуре, ккал/кмоль·°С;

– поправка на давление, ккал/кмоль·°С.

Величина для природного газа известного состава определяется по формуле:

, (3.2)

где – изобарная теплоемкость при температуре и атмосферном давлении;

– массовая доля i-го компонента, д.е.

Величина определяется по графику (рис. 3.1), или рассчитывается по формуле:

, (3.3)

где – коэффициенты, определяемые для каждого компонента, табл. 3.1;

.

Поправка на давление определяется в зависимости от состава газа по двум или трем параметрам. Для определения по двум параметрам используется график на рис. 3.2.

Таблица 3.1

Коэффициенты уравнения 3.3

Компонент	Молярный вес
Метан	16,04		224,23	58,29	-11,29	71,17
Этан	30,07		449,293	184,32	258,56	24,01
Пропан	44,09		698,483	345,06	656,01	-8,23
Бутан	58,12		913,595	460,63	822,49	0,05
Изобутан	-		946,072	504,90	1053,67	23,39
Пентан	72,15		1133,26	582,72	1153,75	-1,93
Изопентан	-		1151,82	597,75	1198,66	-26,37
Сероводород	64,86		292,234	236,92	672,51	78,25
Азот	28,01		145,53	107,94	302,28	103,25
Двуокись углерода	44,01		270,64	204,22	563,32	72,79

Так как теплоемкости и (рис. 3.1 и 3.2), приведены в ккал/кмоль×°С, для получения в ккал/(кг×°С) значение теплоемкости следует разделить на молекулярную массу газа .

 

 

	Рис. 3.1. Зависимость изобарной и молярной теплоемкости углеводородов при атмосферном давлении от температуры.

Теплоемкость жидкости и породы

Теплоемкость жидкости или породы - это количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 кг жидкости или породы на один градус. Исходными данными для расчета изобарной теплоемкости нефтей при атмосферном давлении являются: молярная масса , плотность , показатель преломления .

Расчет температурной зависимости изобарной теплоемкости в интервале температур от 0 до 200 °С проводится по формуле:

, (3.4)

 

где – удельная теплоемкость при температуре , °С, кДж/кг·°К;

– удельная теплоемкость при некоторой фиксированной температуре °С, кДж/кг·К;

– температурный коэффициент теплоемкости, град^-1.

В качестве фиксированной температуры применены:

1. 20°С – для нефтей и нефтепродуктов с температурой застывания 20°С;

2. 70°С – для тяжелых высокопарафинистых нефтей с температурой застывания 20°С.

Показатель преломления рассчитывается по выражению:

, (3.5)

где для базовой температуры , для базовой температуры .

Величины, входящие в формулу 3.3, рассчитываются с помощью зависимостей:

, (3.6)

, (3.7)

при температуре застывания:

1. коэффициенты равны соответственно:

2,3504; 4,6588; -1,2306; -5,344;

15,730; 0,6114×10^-4; 8,645; -114,2;

2. при температуре застывания ³ 20°С = 70°С

= 2,897; = 0,2991; = 0,1611; = -1,7524;

= 7,8392; = -0,5233×10^-4; = 5,0285; = -54,32.

Удельная изобарная теплоемкость водонефтяной смеси определяется по формуле:

, (3.8)

где – истинное объемное содержание нефти и воды в жидкой фазе, соответственно – плотность нефти и воды.

Для жидкостей различие между теплоемкостью при постоянном давлении и теплоемкостью при постоянном объеме незначительно.

Для технических расчетов изобарную теплоемкость нефти можно вычислить по упрощенной формуле:

где – изобарная теплоемкость в Дж/кг·К,

– плотность нефти при фиксированной температуре, кг/м³.

Величина удельной изобарной теплоемкости осадочных горных пород зависит от его литологического состава, пористости и колеблется в пределах 0,8 ¸ 2,3 кДж/кг×°С.

Коэффициент Джоуля -Томсона

Отношение изменения температуры газа в результате его адиабатического расширения (дросселирования) к изменению давления называется дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томсона.

Изменение температуры при снижении давления на 1 атм называется коэффициентом Джоуля-Томсона, который изменяется в широких пределах и может быть положительным или отрицательным.

Коэффициент Джоуля-Томсона для природных газов определяется из выражения:

, (3.9)

где – изобарная теплоемкость, ккал/кг·°С;

– функция, определяемая по графику, рис. 3.3 или по формуле Гухмана­‑Нагаревой:

(3.10)

При дросселировании газа происходит снижение температуры, а при дросселировании жидкостей, наоборот, ее увеличение. Значения коэффициента Джоуля-Томсона находится в пределах:

для газов -0,3 ¸ 0,6 °С/атм, для нефти = 0,02 ¸ 0,04 °С/атм.

Коэффициент Джоуля-Томсона для газов – по абсолютной величине в 10 раз больше, чем для жидких углеводородов.