Введение

Природные газы, являющиеся одним из основных объектов нефтегазовой индустрии, представляют собой смеси метана и других более тяжелых углеводородов, а также некоторое количество не углеводородных газов (CO₂,N₂и др.). Конструкция газовой буровой скважины, а также условия транспортировки и хранения кроме всего прочего определяются физико-химическими свойствами газа. Таким образом, точное знание термофизических свойств смесей природного газа является очень важным для практических целей нефтегазовой индустрии на всех стадиях, начиная с разработки и заканчивая потребительским использованием. Поэтому для контроля потока внутри пород, эксплуатационных скважин и трубопроводов необходимо знание свойств нефти и газа в широком диапазоне давлений и температур.

Но свойства природного газа, как и любой другой смеси, зачастую не могут быть определены из суперпозиции свойств компонентов входящих в состав смеси. Кроме того, они очень чувствительны к составу [¹]. Определение различных физических свойств природных газов представляет из себя нетривиальную задачу, и подобные системы следует рассматривать каксложные. Классические уравнения состояния имеют ограниченную область применения иполучаемые с их помощью численные данныеимеют расхождения с экспериментом, например, в области двухфазных состояний [²], а также при определении теплоемкостей при высоких давлениях [³] и при вычислении коэффициента Джоуля-Томпсона [⁴].В то же времяэкспериментальное определение термофизических свойств подобных системв широких диапазонах температур и давлений весьма затратно по времении дорого с экономической точки зрения [⁵]. Кроме того, не для всех смесей природного газа и не для всех диапазонов давления и температуры возможно проведение тех или иных экспериментов [⁶].Начавшаяся около 50 лет назад разработка алгоритмов моделирования предоставила новый мощный инструмент, позволяющий использовать компьютеры для моделирования и предсказания термофизических, структурных и динамических свойств разных систем. Наиболее широко используемые методы - это метод Монте-Карло и метод Молекулярной Динамики. Эти методы обеспечивают связь между микроскопическим молекулярным уровнем и макроскопическим поведением путем решения фундаментальных уравнений статистической механики.

В настоящей работе в качестве инструмента был выбран метод Монте-Карло, позволяющий предсказывать термодинамические свойства большого разнообразия как чистых систем, так и смесей [⁷,⁸,⁹]. Главными преимуществами являются возможность обработки информации о состояниях большого числа молекул за относительно короткое время [¹⁰] и хорошая точность вычислений [¹¹,¹²,¹³,¹⁴].В качестве примеров применения молекулярного моделирования в нефтегазовой промышленности можно привести [1]:

1. Определение свойств тяжелых углеводородов (давление насыщенных паров, энтальпия испарения, плотности при различных температурах);

2. Определение тепловых свойств природных газов (поведение при высоких давлениях, определение коэффициента сжимаемости, теплоемкости, теплового расширения, коэффициента Джоуля-Томпсона);

3. Получение фазовых диаграмм, фазовых плотностей одно-, двух и многокомпонентных систем;

4. Определение адсорбционных свойств;

5. Определение растворимости газов, например, в полимерных покрытиях труб.

Итак, цель данной работы– получение термодинамических характеристик смесей углеводородовна основе моделирования методом Монте-Карло.

Были поставлены следующие задачи:

1. На примере чистых газов и смесей природных газов Бавлинского и Ишимбаевского месторождений определить такие термодинамические параметры, как: плотности, коэффициент Джоуля-Томсона, тепловое расширение, изотермическая сжимаемость, теплоемкость, а также построить фазовые диаграммы. Сравнить расчеты с имеющимися экспериментальными данными.

2. Рассмотреть интересные с точки зрения нефтегазовой промышленности бинарные системы, в том числе смеси, включающие в себя полимеры.

3. Наконец, была поставлена задача по рассмотрению свойств адсорбентов, используемых в нефтяной промышленности.

Для достижения целей и поставленных задач был использован модуль GIBBS, встроенный в интерфейс MedeA© [¹⁵], в различных ансамблях.