2.3. Основные свойства газов

Расширение. Уравнение состояния идеального газа, устанавливающее зависимость между давлением, молярным объемом и абсолютной температурой идеального газа, имеет вид

где p – давление;

V_М – молярный объем;

R – универсальная газовая постоянная;

T – абсолютная температура, К.

– количество вещества, ,

– масса;

– молярная масса.

Тогда уравнение состояния можно записать как уравнение (закон) Менделеева-Клапейрона:

В случае постоянной массы газа уравнение можно записать в виде

Последнее уравнение называют объединенным газовым законом, из которого получают следующие законы:

(закон Бойля-Мариотта);

. (закон Гей-Люссака);

(закон Шарля).

С точки зрения химика, этот закон может звучать несколько иначе: объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре, давлении) относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных соединений как простые целые числа. Например, один объем водорода соединяется с одним объемом хлора, при этом образуются два объема хлороводорода:

Один объем азота соединяется с тремя объемами водорода с образованием двух объемов аммиака:

Эмиль Амага обнаружил, что при высоких давлениях поведение газов отклоняется от закона Бойля-Мариотта, это обстоятельство может быть прояснено на основании молекулярных представлений.

С одной стороны, в сильно сжатых газах размеры самих молекул являются сравнимыми с расстояниями между молекулами. Таким образом, свободное пространство, в котором движутся молекулы, меньше, чем полный объем газа. Это обстоятельство увеличивает число ударов молекул в стенку, сокращая расстояние, которое должна пролететь молекула, чтобы достигнуть стенки.

С другой стороны, в сильно сжатом и, следовательно, более плотном газе молекулы заметно притягиваются к другим молекулам гораздо большую часть времени, чем молекулы в разреженном газе. Это, наоборот, уменьшает число ударов молекул в стенку, так как при наличии притяжения к другим молекулам молекулы газа движутся по направлению к стенке с меньшей скоростью, чем при отсутствии притяжения. При не слишком больших давлениях более существенным является второе обстоятельство, и произведение давления на объем немного уменьшается. При очень высоких давлениях большую роль играет первое обстоятельство, и произведение давления на объем увеличивается.

Для неглубоких скважин с низким температурным градиентом (ниже 3–4 °С на 100 м) применяется закон Бойля-Мариотта: произведение давления, под которым находится газ, на его объем есть величина постоянная. При изменении давления на газовую пачку в скважине ее объем пропорционально изменяется: во сколько раз уменьшится давление, во столько же раз увеличится объем газа.

Растворимость. Углеводородные газы хорошо растворяются в нефти и в буровых растворах на нефтяной основе. Газовый фактор может составлять сотни кубических метров на тонну нефти.

В воде и глинистом растворе нефтяные газы растворяются слабо. Так, при давлении 100 кг/см² и Т = 60 °С в 1 м³ воды растворяется 1 м³ метана, а при Т = 100 °С – 1,9 м³. Растворимость нефтяных газов в нефти может составлять сотни кубометров в зависимости от давления. Плотность раствора при этом практически не меняется.

Существует показатель давления насыщения, Р_нас, для растворенных газов в нефти – свой для каждого месторождения. Давление насыщения – это давление, при котором начинается выделение газа, растворенного в нефти. Опасность представляет поступившая в скважину нефть с большим газовым фактором и с давлением насыщения, значительно меньшим пластового давления.

При снижении давления на пачку нефти до давления насыщения начинается выделение газа. На площадях, где в нефтяных пластах высокий газовый фактор и Р_пл > P_нас, при подходе нефти к устью происходит резкое выделение газа. Если не заметить притока нефти на забое, при подходе к устью пачки, получается интенсивный выброс бурового раствора.

Скорость подъема газа (всплытие). В основном скорость подъема зависит от диаметра пузыря газа, поступившего в скважину, а также от того, в каком виде он всплывает. Это сложные процессы, зависящие от многих параметров. Например, диаметр пузыря газа будет больше:

• при большем размере пор пласта

• большей вязкости промывочной жидкости;

• большей депрессии на пласт.

Скорость всплытия газа зависит от режима всплытия. Так, для пузырькового режима скорость всплытия колеблется от 300 до 350 м/ч, а для снарядного – от 600 до 900 м/ч. Скорость подъема газа при промывке можно ориентировочно найти по формуле

V_гд = 1,2 V_ж + V_rст ,

где V_ж – скорость движения жидкости, м/ч;

V_rст – скорость всплытия газа в статике, м/ч.

Примерную скорость подъема можно определять по формуле

V = 10,

где ΔР – изменение давления на устье скважины за время t,ч;

γ – плотность промывочной жидкости в скважине.

Для рассмотрения процессов в скважине при ГНВП и применения расчетов для его ликвидации всегда допускается наихудший вариант: газ поступает в скважину в виде пузырьков газа, которые при всплытии пропорционально расширяются, не растворяясь в жидкости. В дальнейшем пузырьки постепенно соединяются между собой и уже к устью подходят единой пачкой газа. Скорость подъема газа в скважине без промывки принимается постоянной.

Газ в вязких растворах может подняться быстрее, чем в воде. Газ, особенно в случае проявления в горизонтальный участок скважины, может не всплыть и поступить на устье только при промывке.

При движении по скважине вверх по мере снижения давления из раствора выделяется свободный газ, а на глубине порядка 100 м большая часть газа переходит в газообразное состояние и движется вверх в виде пузырьков. Газовый конденсат переходит в газообразное состояние на глубине около 100–300 м. При поступлении в скважину нефти с растворенным газом происходит аналогичная картина. Однако следует отметить, что растворимость газа в нефти значительно выше, чем в воде, а тем более в буровом растворе. Как показывают расчеты, при пузырьковом движении газа давление в скважине снижается незначительно, и такой режим движения газа реальной опасности с точки зрения ГНВП не представляет. Более того, имеется значительный опыт бурения скважин с газирующим раствором (бурение скважин на депрессии), что существенно повышает технико-экономические показатели.

При снарядном и кольцевом режимах всплытия газа и открытом устье по мере движения вверх давление газа снижается, а объем увеличивается. Это приводит к снижению гидростатического давления в скважине, и в некоторый момент оно может стать ниже пластового, следствием чего может быть фонтанирование.

В случае если устье скважины закрыто и происходит всплытие газа, то его объем практически не меняется и, согласно закону Бойля-Мариотта, давление сохраняется неизменным. Следовательно, давление на устье может стать равным пластовому, что может привести к разрушению ПВО или обсадной колонны. По этой причине нельзя держать скважину закрытой длительное время. Повышенная опасность объясняется следующими свойствами газа:

• способностью газа проникать в интервале перфорации в скважину и образовывать газовые пачки;

• способностью газовых пачек к всплытию в столбе жидкости с одновременным расширением и вытеснением ее из скважины;

• способностью газовой пачки к всплытию в загерметизированной скважине, сохраняя первоначальное (пластовое) давление.