39
PETR 2313: Petroleum Reservoir Fluids Class 8: Sep 17, 2015 1

Reservoir Fluids Lecture 8

  • Upload
    chanse

  • View
    254

  • Download
    4

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Chapter 2- Phases of the Properties of Petroleum Fluids PETR 2313

Citation preview

PETR  2313:          Petroleum  Reservoir  Fluids  

 Class  8:  Sep  17,  2015  

1  

Two-­‐component  Mixture  

Phase  Diagram  of  Two  Component  Systems  •  Phase  Rule  Analysis  –  F  =  2-­‐NP+2  =  4-­‐Np  

–  NP  =1      Fmax=3  –  F  =  0        Np,max=4  

•  Thus,  a  3-­‐D  diagram  is  required  (T,  P,  x)  •  For  convenience,  one  of  the  variables  is  usually  fixed  •  Fixed  T  è  P-­‐x  Diagram  •  Fixed  P  è  T-­‐x  Diagram  *Most  commonly  used  

•  Fixed  x  è  P-­‐T  Diagram  *Most  important  for  petroleum  engineers  

Phase  Diagram  of  Two  Component  Systems  

2-­‐Component  Mixtures  •  Degree  of  Freedom  in  the  two  phase  region  –  F  =  2+nc-­‐np  =  2;  where  nc=2,  np=2  –  At  fixed  T  and  P,  the  composiOon  of  liquid  and  gas  is  fixed.  –  At  fixed  T  and  iniOal  composiOon,  the  fracOon  of  liquid  and  gas    varies  with  pressure  of  the  system.  

•  Bubble-­‐point  line  and  Dew-­‐point  line  join  at  criOcal  point  •  Bubble  point:  at  which  the  first  drop  of  a  liquid  mixture  

begins  to  vaporize.  •  Dew  point:  at  which  the  first  drop  of  a  gaseous  mixture  

begins  to  condense.  

2-­‐Component  Mixtures  

–  Single  Component:  vaporizaOon  line  (vapor  pressure  curve)  

–  Binary  System:  bounded  region  (saturaOon  envelope,  phase  envelope  or  two-­‐phase  region)  

CriJcal  Point  •  CriOcal  point:  at  which  point  all  properOes  of  the  liquid  and  gas  become  idenOcal.  

•  For  a  2-­‐component  mixture,  liquid  and  gas  can  coexist  at  T  and  P  above  the  criOcal  point.  

•  OXen  criOcal  temperature  of  a  mixture  lies  between  that  of  the  two  pure  components  

•  CriOcal  pressure  of  a  two-­‐component  mixture  will  be  higher  than  the  criOcal  pressure  of  either  component  

Ethane  –  n-­‐Heptane  Mixtures  

Cricondentherm  and  Cricondenbar  

•  Cricondentherm:  Highest  temperature  on  the  saturaOon  envelope    

•  Cricondenbar:    Highest  pressure  on  the  saturaOon  envelope  

Retrograde  Condensate  Gas    

P-­‐V  Diagrams    

ComposiJon  Diagrams    

Lever  Rule  

Lever  Rule  

•  Bubble-­‐point  line  gives  the  composiOon  of  the  equilibrium  liquid  (point  2)  

•  Dew-­‐point  line  gives  the  composiOon  of  the  equilibrium  gas  (point  3)  

•  The  lengths  of  the  Oe-­‐lines  represent  the  quanOOes  of  gas  and  liquid  at  equilibrium  – Gas:    

– Liquid:  

Using  Phase  Behavior  InformaJon  

Example  

SoluJon  

•  Z1  =  0.750  •  X1  =  0.370  •  Y1  =  0.965  •  N1  +  N2  =  3  +  1  

fv    =    (z1-­‐x1)/(y1-­‐x1)    fv  =  (0.750-­‐0.370)/(0.965  –  0.370)    

fv    =  0.380/0.595  ~  0.64    nv    =  0.64*4  =  2.56    nl    =  4-­‐2.56  =  1.44  

Three-­‐component  Mixture  

 3-­‐Component  systems  

•  Phase  Rule  Analysis  – F  =  3  –  Np  +2  =  5  -­‐  Np  

– Np,  max  =  5  – F  =  4  when  Np  =  1  è 4-­‐D  

•  If  T  or  P  is  fixed,  F  =  3 è 3-­‐D  •  If  T,  P  are  both  fixed,  F  =  2 è 2-­‐D  *  Most  commonly  used  

•  F  =  2  è Mole  fracOons  of  2  components  

Phase  Diagram  for  3-­‐Component  Systems  

VerOces:  pure  substance  Sides:  mixture  of  2  components    Length  of  34:  ComposiOon  of  A  Length  of  35:  ComposiOon  of  B  Length  of  36:  ComposiOon  of  C  Line  21:  DiluOon  line  

Adding  B  to  the  original  mixture  of  A  and  C    

Three-­‐component  Mixtures  

3-­‐D  Ternary  Phase  Diagram,  p-­‐x  •  3-­‐D  phase  diagram  for  mixture  

of    C4-­‐C10-­‐CO2  •  Temperature  is  fixed,  F  =  3    •  P  +  2  composiOons  

•  Two-­‐phase  region  is  bounded  by  a  surface  that  connects  binary-­‐phase  envelopes  (CO2-­‐C10  and  CO2-­‐C4)  

•  The  ternary  phase  diagram  at  any  pressure  is  a  horizontal  slice  through  the  triangular  prism  

hip://petrowiki.org/Phase_diagrams_for_EOR_processes  

MulJcomponent  Mixtures  •  Equilibrium  Oe-­‐lines  are  

straight  but  not  horizontal  

•  Point  1:  mixture  of  C1,  C3,  C7  •  Point  2:  ComposiOon  of  

equilibrium  gas  •  Point  3:  ComposiOon  of  

equilibrium  liquid  •  Line  13:  quality  of  gas  (lever  

rule)  •  Line  12:  quality  of  liquid  

(lever  rule)    

Mixture  of  Natural  Gas  and  Gasoline  

Phase  Diagram  for  Reservoir  Fluids  

Davis  et  al.,  Trans.,  AIME  201,245.  Copyright  1954  SPE-­‐AIME   Eilerts  et  al.,  U.S.  Bureau  of  Mines,  Monopra  

MulJcomponent  Mixtures  •  Light  Components  L:  C1  •  Heavy  Components  H:  C2+  •  Inert  is  I    •  Important  for  EOR  

processes  (miscible  displacement;  e.g.,  CO2  Flooding)  

•  Both  P  and  T  are  constant;  only  composiOon  changes  

 

Review  

PvT  Diagram  for  Water  

P-­‐T  Diagram  P-­‐V  Diagram  

T-­‐V  Diagram  

Single  Component  Pure  Systems  

A  substance  that  has  a  fixed  chemical  composiOon  throughout  is  called  a  pure  substance  Phase:    A  disOnct  molecular  arrangement  that  is  homogenous  throughout  and  separated  from  others  by  boundary  surfaces.    Solids  Liquids    Gases  

Intensive    vs.  Extensive  ProperOes  P,  V,  T  

Phase  Changes  of  Water  

The  Phase  Rule  •  Gibbs  Phase  Rule  

F  =  2+Nc-­‐Np  Where:  F  is  the  number  of  degree  of  freedom  Nc  is  the  number  of  components  Np  is  the  number  of  phases  2  represents  two  variables  (T  and  P)  

•  For  single  component  system  – Np  =1    F=2,        an  area  on  P-­‐T  diagram  – Np  =2    F=1,        a  curve  on  P-­‐T  diagram  – Np  =3    F=0,        a  dot  on  P-­‐T  diagram  

30  

Clausius-­‐Clapeyron  RelaJonship  dpvdT

=Lv

T Vg −Vl( )≈LvTVg

pvVg = RTdpvdT

≈pvLvRT 2

ç    Clausius-­‐Clapeyron  RelaOonship  

If  Lv  is  independent  of  Temperature,  then  

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=

∫ ∫=

12

v

1,v

2,v

vv

2v

v

v

T1

T1

RL

pp

ln

CT1

RLpln

TdT

RL

pdp

Vg  >>  Vl  

Clausius-­‐Clapeyron  RelaJonship  •  AssumpOons  made:  – Heat  of  vaporizaOon  is  constant  – The  molar  volume  of  the  liquid  is  negligible  comparing  to  that  of  the  gas  

Both  assumpOons  are  invalid,  near  TC,  the  molar  volume  of  the  liquid  is  too  large  to  be  neglected  •  Thus,  the  vapor  pressure  graph  usually  results  in  a  line  with  some  curvature  

Cox  Charts  

P-­‐V  Diagram  with  Isotherms  

Phase  Diagram  of  Two  Component  Systems  

•  Phase  Rule  Analysis  –  F  =  2-­‐NP+2  =  4-­‐Np  

–  NP  =1      Fmax=3  –  F  =  0        Np,max=4  

•  Thus,  a  3-­‐D  diagram  is  required  (T,  P,  x)  •  For  convenience,  one  of  the  variables  is  usually  fixed  •  Fixed  T  è  P-­‐x  Diagram  •  Fixed  P  è  T-­‐x  Diagram  *Most  commonly  used  

•  Fixed  x  è  P-­‐T  Diagram  *Most  important  for  petroleum  engineers  

Phase  Diagram  of  Two  Component  Systems  

Retrograde  Condensate  Gas    

P-­‐V  Diagrams    

ComposiJon  Diagrams