2.4 Молекулярная масса газовой смеси

Одним из основных показателей, определяющих тип пластового флюида, является его молекулярная масса, она напрямую связана с его физическими свойствами, и по ней можно охарактеризовать состав природного газа, чем она больше, тем выше в нем концентрация углеводородов с большими молекулярными массами. Молекулярная масса газовой смеси состоящей в основном из метана (на 98 об.%), в пластовых условиях и на поверхности приблизительно одинакова.

Кроме выше перечисленной классификации углеводородов (природный газ, газоконденсат и нефть), существуют также классификации подразделяющие их на сухой газ, жирный газ, газоконденсат сухого газа, газоконденсат жирного газа, летучая нефть, нефть с высокой степенью усадки, нелетучая нефть и тяжелая нефть. Молекулярная масса жирного газа, газоконденсата, в пластовых условиях обычно больше, чем при нормальных поверхностных условиях, что связано с выпадением конденсирующихся, более высокомолекулярных углеводородов в пласте. В таблице 2.2 приведены диапазоны молекулярных масс классифицирующих углеводородные пластовые флюиды как газы, газоконденсаты или нефти. Данные интервалы являются приблизительными, так как существуют некоторые исключения.

Таблица 2.2 – Углеводородные пластовые флюиды

показатели	Жирный и сухой газ	Газокон-денсаты Сухого Газа	Конденса-ты жирного газа	Летучие нефти	Нефть с высокой степенью усадки	Нелетучая нефть	Тяжелая Нефть и гудроны
Молекуляр-ная масса	не более 20	20-25	25-40	30-60	50-90	75-150	более 150
Цвет	бесцвет-ный	от жел-товатого до проз-рачного	от оран-жевого до желто-го	от зеле- новато- го до оран- жевого	от корич- неватого до светло- зеленого	от корич- невого до темно-зе- леновато- го	черный
Доля С7+	0-1	1-6	6-12	10-30	25-35	30-50	Более 50

В таблице 2.3 приведены значения молекулярной массы смеси углеводородов и составы пластовых флюидов некоторых чисто газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений.

Таблица 2.3 – Состав пластовых флюидов чисто газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений

Месторождение	тип	тип флюида	Молекул- лярная масса	Состав газа, % объемные
				CH4	С2Н6	C3H8		С4Н10	С5H12+ высшие	СО2	N2
Медвежье (Россия)	газовое	сухой газ	16,27	98,56	0,17		0,01	0,02	0,02	0,22	1,0
Новопортовское (Россия)	газовое	жирный газ	18,60	88,1	6,6		2,2	0,94	0,52	0,4	1,5
Юбилейное (Россия)	газоконден-сатное	конденсат сухого газа кСухого	21,91	79,47	9,06		4,43	1,64	4,38	0,54	0,48
Надымское (Россия)	газоконден-сатное	конденсат жирного газа	26,32	68,45	10,99		5,66	1,65	10,72	0,88	1,66
Ромашкинское (Россия)	нефтяное	летучая нефть	32,27	38,8	19,1		17,8	8	6,8	1,5	8
Рэли (США)	нефтяное	нефть с высокой степенью усадки	76,0	45,21	7,09		4,61	4,5	35,16	1,19	0,51
Месторождение Западного Техаса (США)	нефтяное	тяжелая нефть	108,9	15,93	10,47		10,69	9,41	53,69	0,01	0,13
Каннерли (Калифорния США)	нефтяное	битуминозная нефть	268,6	22,62	1,69		0,81	0,89	73,99	0	0

В таблице 2.4 представлены молекулярные массы алканов, которые также могут быть определены по формуле:

(2.1)

где а – число атомов углевода; b – число атомов водорода.

Таблица 2.4 – Молекулярные массы алканов

	Метан	Этан	Пропан	Бутан	Пентан	Гексан	Гептан
Химическая формула	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	С6Н14	С7Н16
Молекулярная масса	16,043	30,070	44,097	58,124	72,151	86,178	100,20
Молекулярный объем 1 кмоля, м3	22,36	22,19	21,941	21,455	20,576	19,944	19,029

Таблица 2.5 – Молекулярные массы неуглеводородных компонентов

	Углекис-лый газ	Азот	Сероводород	Водяной пар
Химическая формула	СО2	N2	H2S	H2O
Молекулярная масса	44,010	28,013	34,082	18,015
Молекулярный объем 1 кмоля, м3	22,264	22,403	22,190	20,845

Если известен молярный состав смеси в процентах, то среднюю молекулярную массу можно определить по формуле:

(2.2)

где у₁, y₂, …, у_n – молярные (объемные) доли компонентов, %; М₁, М₂, …, М_n – молекулярные массы компонентов.

Упражнение 2.1. Определить молекулярную массу смеси газовых месторождений, представленных в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Компонентный состав природных газов месторождений Тюменской области

	Месторождение	Продуктивный горизонт	Состав газа, «% объемные
			СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12+	СО2	N2
1	Березовское	П(юрский)	94,61	0,95	0,16	0,03	—	1,04	3,20
2	Бованенковское	Сеноманский	96,44	1,44	0,17	0,14	0,06	0,18	1,61
3	Нурминское	ТП21-26	92,40	1,72	0,62	0,11	0,07	0,99	4,09
4	Губкинское	Сеноманский	96,95	0,47	0,07	—	—	0,53	1,98
5	Заполярное	Сеноманский	98,80	0,07	0,01	0,004	0,01	0,13	0,976
6	Комсомольское	Сеноманский	96,37	0,22	0,03	0,01	—	0,49	2,88
7	Ямсовейское	Сеноманский	95,0	0,08	0,006	0,01	—	0,3	4,6
8	Тазовское	Сеноманский	98,68	0,06	0,003	0,01	—	0,39	0,86
9	Ямбургское	Сеноманский	98,2	0,04	0,006	0,001	0,1	0,3	1,353
10	Уренгойское	Сеноманский	99,05	0,06	0,01	–	–	0,08	0,80

Пример расчета. Определить молекулярную массу смеси на Медвежьем месторождении. Объемные составы в процентах и молекулярные массы компонентов представлены в таблицах (2.4), (2.5) и (2.7).

Таблица 2.7 – Компонентный состав газовой смеси Сеноманского продуктивного горизонта Медвежьего месторождения

Месторождение	Продуктивный горизонт	Состав газа, % объемные
		СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12+	СО2	N2
Медвежье	Сеноманский	98,56	0,17	0,01	0,02	0,02	0,22	1

Решение. Для определения молекулярной массы смеси используем формулу (2.2):

Определение молекулярной массы смеси по компонентному составу возможно, когда известны объемные доли в процентах по каждому входящему в состав смеси компоненту. Ввиду того, что компоненты выше пентана объединяют с ним в остаток С₅Н₁₂₊, а на газоконденсатных и нефтяных месторождениях этот остаток обычно более 2 %, использование формулы (2.2) будет приводить к погрешности, размер которой тем больше чем больше объемная доля остатка С₅Н₁₂₊. В данном случае необходимо проводить более расширенный хромотографический анализ. В настоящее время существуют приборы позволяющие определять состав углеводородных компонентов до С₄₀ и даже более.

Газовые смеси можно охарактеризовать не только молярными, но и массовыми концентрациями компонентов. Молярный и объемный составы газовых смесей примерно совпадают друг с другом, так как объемы 1 кмоля идеальных газов при одинаковых нормальных физических условиях (P=0,1013 МПа и Т=273 К) по закону Авогадро составляют 22,41 м³. Более точные значения молярных объемов алканов и неуглеводородных компонентов входящих в состав природных газов представлены в таблицах 2.4 и 2.5. Пересчет молярных (объемных) концентраций компонентов газовой смеси в массовые и наоборот производится при помощи следующих формул:

- в массовых долях; (2.3)

- в массовых процентах; (2.4)

- в молярных долях; (2.5)

- в молярных процентах, (2.6)

где g_i – массовая доля i-го компонента; М_i – молярная масса i-го компонента.

Упражнение 2.2. Пересчитать объемные проценты в массовые проценты по месторождениям представленным в таблице 2.6.

Пример расчета. Пересчитать объемные процентные в массовые проценты на Медвежьем месторождении. Исходные данные представлены в примере 2.1.

Решение. Для определения массовой доли метана используем формулу (2.3):

EMBED Equation.3

Таким образом, рассчитываются массовые доли всех входящих компонентов, значения которых представлены в таблице.

	С1	С2	С3	С4	С5+	СО2	N2
Молярная доля, %	98,56	0,17	0,01	0,02	0,02	0,22	1
Массовая доля, %	97,18	0,31	0,02	0,07	0,08	0,59	1,72

Если известен массовый состав смеси, то ее среднюю молекулярную массу можно определить по формуле:

(2.7)