Reservoir Fluids Lecture 8

PETR  2313:           Petroleum  Reservoir  Fluids     Class  8:  Sep  17,  2015   1   Two-­‐component  Mixture   P

Views 83 Downloads 0 File size 3MB

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Recommend stories

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   T-­‐V  Diagram  

P-­‐V  Diagram  

P-­‐T  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   dpv Lv Lv = ≈ dT T (Vg −Vl ) TVg

Vg  >>  Vl  

pvVg = RT dpv pv Lv ≈ 2 dT RT If  Lv  is  independent  of   Temperature,  then  

ç    Clausius-­‐Clapeyron  RelaOonship  

dp v L v dT = ∫ ∫ 2 pv R T L v ⎛ 1 ⎞ ln(p v ) = − ⎜ ⎟ + C R ⎝ T ⎠ ⎛ p v,2 ⎞ L v ⎛ 1 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜⎜ − ⎟⎟ ln =− ⎜ p v,1 ⎟ R ⎝ T2 T1 ⎠ ⎝ ⎠

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