книги из ГПНТБ / Амиян, В. А. Добыча газа [учеб. пособие]

исчезают силы сцепления между молекулами жидкости и она превра­ щается в пар независимо от давления и удельног'о объема. Это поня­ тие о критической температуре вполне соответствует современному представлению о переходе из жидкого состояния в газообразное.

Построим график (рис. 11), в котором по оси абсцисс отложим температуру, а по оси ординат — удельный объем (т. е. объем еди­ ницы массы) жидкости и находящегося в равновесии с ней насыщен­ ного пара.

Так как жидкость при нагревании расширяется, то кривая ЖЖ', изображающая удельный объем жидкости в зависимости от темпе­ ратуры, поднимается. По мере повышения температуры объем жидко­ сти увеличивается быстрее, ее коэффициент расширения непостоянен, но возрастает с повышением температуры. Поэтому кривая ЖЖ' изогнута вверх. Удельный объем насыщенного пара в зависимости

Рис. 10. Прибор для наблюдения Рис. 11. Диаграмма фазового состояния, критического состояния.

от температуры изображается кривой ППГ. При повышении тем­ пературы часть жидкости испаряется, и плотность паров над ней возрастает. Но повышение плотности паров означает уменьшение их удельного объема, поэтому кривая падает вниз. В некоторой точке К обе кривые сливаются. Так как эта точка соответствует

Отсюда мы видим, что в критической точке удельные объемы жидкости и пара совпадают. В критической точке пропадает всякое различие между жидкостью и паром. Переход из газообразного состояния в жидкое в критической точке происходит непрерывно. Теплота парообразования жидкости при критической температуре равна нулю. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости также при критической температуре равен нулю.

Давление, соответствующее точке К , называется критическим давлением.

При температурах йолее высоких, чем критическая, вещество находится только в газообразном состоянии; при этих температурах

40

нет двух состояний вещества. Если уменьшать объем, занятый паром, при температуре выше критической, то давление пара воз­ растает. Однако пар не становится насыщающим и продолжает оставаться однородным: как бы велико ни было давление, мы не получаем двух состояний, разделенных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких температурах вследствие начавшейся конденсации пара. Итак, если температура какогонибудь вещества выше критической температуры, то равновесие

Рис. 12. Зависимость среднекрптического давления от относительной плотности газа по воздуху.

Месторождения:

1 — газовое; 2 — газоконденсатное.

вещества в виде жидкости и соприкасающегося с ней пара невозможно ни при каком давлении.

Невозможность пребывания газа в жидком состоянии при тем­ пературе выше критической относится к отдельным компонентам и не распространяется на газовые смеси. С открытием законов обрат­ ного испарения и обратной конденсации (ретроградные явления) установлено, что газовые смеси могут находиться в жидком состоя­ нии при температурах выше критических и давлениях ниже крити­ ческих, а также в парообразном состоянии при давлениях выше критических.

Для природных газов, представляющих собой смесь отдельных компонентов, величины pKV и Гкр определяются как среднекрити­ ческие (псевдокритические).

41

Среднекритические давление и температуру смеси можно опре­ делить по формулам

где хх, х 2, . ■., хп — объемные доли компонентов, входящих в состав газа; jt?Kpl, РкР2>- ••> Ркрп ~ критические давления компонентов; ТKpi, Тк 2,. . Ткрп — критические температуры компонентов.

Относительный удельный Вес газа по Воз*

духу Zотн

Рио. 13. Зависимость среднекритической температуры от от­ носительной плотности газа по воздуху.

Месторождения:

1 — газовое; 2— газоконденсатное.

Если известен относительный удельный вес газа, то среднекрити­ ческое давление и температура природного газа могут быть опре­ делены по графикам (рис. 12 и 13). При наличии в природном газе N2 и С02 или H2S в величины р кр и Т кр вводятся соответствующие поправки. Когда содержание N2> С 02 или H2S превышает 15% об.,

42

вместо графиков для определения ркр и Ткр следует пользоваться формулами (14) и (15).

Для приближенных расчетов при изменении уотн от 0,5 до 0,9 величины ркр и Ткр могут быть определены по формулам

ркр = 49,5 — 3,7уотн кгс/см2;

ТКр= 93 + 176уотн К.

Приведенным давлением р пр называется отношение давления газа р к его критическому давлению ркр:

р

Р п р

Ркр

Приведенной температурой газа Тпр называется отношение абсо­ лютной температуры газа Т к его критической температуре:

Тпр

т

кр

При известном относительном удельном весе газа величины рпр и Тпр могут быть определены по формулам

§ 15. ДИФФУЗИЯ В ГАЗАХ

Молекулы любого вещества находятся в непрерывном движении, это подтверждается различными опытами, например опытами по диффузии.

Диффузией называется явление проникновения одного вещества в массу другого без воздействия какой-либо внешней силы (диффу­ зия происходит от латинского слова «диффундере», что означает распространять).

Диффузия газов. Если взять немного быстроиспаряющегося вещества, например эфира или одеколона, то его запах очень скоро можно ощущать в разных местах комнаты. Это значит, что молекулы эфира или одеколона переместились в воздухе в различных направле­ ниях на значительные расстояния.

Наполним стеклянный стакан углекислым газом и закроем его стеклом, а другой — кислородом. Держа стакан вверх дном, поста­ вим его на первый, как показано на рис. 14. Осторожно выдвинем стеклянную пластинку и тогда стаканы будут сообщаться. Через 10—15 мин газы смешаются, в чем можно убедиться, поместив в каж­ дый из стаканов тлеющую лучину, которая загорится.

43

Из этих опытов можно заключить, что молекулы газов находи­ лись в относительном движении и проникли из одного сосуда в дру­ гой, несмотря на то, что легкий газ (кислород) находился вверху, а тяжелый (углекислый газ) — внизу.

Установлено, что скорость молекул газа тем больше при данной температуре, чем меньше его молекулярный вес, а так как молеку­ лярный вес водорода наименьший, то скорость его молекул при данной температуре наибольшая.

Газы легко проходят через различные перегородки, например через бумагу, гипсовую пластинку, кирпичную стенку и др. В при­ роде постоянно происходит диффузия различных газов в воздухе.

Вязкость газов является одним из основных параметров, харак­ теризующих газ. Вязкость приобретает важное значение при все­ возможных расчетах по перекачке газа по норовым каналам горных пород. Вязкость газов входит во все формулы, характеризующие законы фильтрации газа.

Под вязкостью газа понимают его свойство сопротивляться пере­ мещению одних частиц относительно других. Силы трения, возни­ кающие между двумя смещающимися слоями газа при его движении, пропорциональны изменению скоростей на единицу длины. Коэффи­ циент пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости. Динамическая вязкость в технической системе единиц

44

имеет размерность кгс •с/м2, в физической системе единиц г/см-с. Эта единица называется пуазом (из). В расчетах обычно вязкость выражается в сантипуазах (спз); 1 спз = 0,01 пз.

Для перехода от технической системы единиц к физической необходимо число единиц вязкости, выраженных в технической системе единиц (кгс-с/м2), умножить на 98,1, получим ответ в пуазах. Для перехода от физических единиц к техническим число пуазов необходимо разделить на 98,1 или умножить на 0,0102.

Размерность динамической вязкости в системе СИ равна н-с/м2.

В расчетах вместо динамической вязкости часто применяется кинематическая вязкость. Кинематическая вязкость равна динами­ ческой вязкости ц, деленной на массовую плотность газа р:

При давлениях до 40 кгс/см2 динамическая вязкость газов мало зависит от давления. Но при более высоких давлениях эта зависи­ мость становится весьма заметной. В табл. 8 приведены величины

При низких давлениях с повышением температуры вязкость

вязкость при температуре газа Т; ц0 — вязкость газа при 0° С в пз;

45

Рис. 15. Зависимость динамической вязкости газообразных углеводородов от их молекулярного веса при атмосферном давлении.

вязкость, спз

1 — гелий; 2 — воздух; 3 — азот; 4 — уг­ лекислота; 5 — сероводород; в — метан; 7 — изобутан; 8 — н-бутаи.

рис. 16 — зависимость вязкости жидких углеводородов от их моле­ кулярного веса.

Для приближенных расчетов вязкость природного газа можно определить по вязкости метана (например, по табл. 8). Когда содер-

5 wo

% 3 0 0

£

I гоо

<Г

1 150

■§100

Рис. 18. Вязкость метана в зависимости от давле­ ния и температуры

жание тяжелых углеводородов в природном газе значительное, вязкость газа уже нельзя принимать равной вязкости метана.

Вязкость отдельных индивидуальных углеводородов, а также некоторых неуглеводородных газов, обычно входящих в состав

Из графика видно, что давление значительно влияет на вязкость ме­ тана при низкой температуре. При высокой температуре зависимость

47

вязкости от давления проявляется гораздо слабее. При умерен­ ных давлениях (до 90 кгс/см2) вязкость метана возрастаете повышением температуры. При повышении давления вязкость снижается с ростом температуры. Аналогичная картина наблюдается для пропана (рис.19).

Для оценки вязкости пластовых газов могут быть использованы корреляционные графики (рис. 20), составленные на основании измерения вязкостей газовых смесей метана и пропана.

Следует иметь в виду, что значение вязкости, полученное при помощи этих графиков, дает точные величины только для смеси метана и пропана. При оценке вязкости смеси, содержащей другие углеводородные газы, могут быть небольшие погрешности. Если же в состав газа входит более 5% азота, то применение графиков при­ водит к большим ошибкам. При этом сначала следует найти вязкость углеводородной части пластового газа (без азота) по графику (рис. 20), а затем — средневзвешенную вязкость азота и углеводородных ком­ понентов из следующего соотношения:

где р, — вязкость смеси азота и углеводородных газов; Na — моль­ ная доля азота; ра — вязкость азота при данных давлении и темпе­ ратуре; ру — вязкость углеводородной части пластового газа.

На рис. 21 приведены значения вязкости сжатого азота, необ­ ходимые для расчета по формуле (19).

§ 17. ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Количество тепла, необходимого для нагревания единицы веса или объема рассматриваемого газа на 1° С, называется теплоемкостью.

Процесс нагревания (подвод тепла к газу) или охлаждения (отнятие тепла от газа) может происходить при разных условиях. Газ можно нагреть таким образом, что объем его при этом будет оставаться постоянным (рис. 22, а). Но можно газ нагревать и так, чтобы он мог изменять свой объем; для этого газ следует помещать в цилиндр с подвижным поршнем (рис. 22, б). Изменяя количество подводимого к газу тепла, можно добиться того или иного изменения давления газа при изменении его объема (т. е. при перемещении поршня). В частном случае давление газа может оставаться все время постоянным.

Нагревание газа определяют при постоянном объеме или при постоянном давлении. Между этими двумя условиями нагревания (или охлаждения) газа имеется существенная разница. В первом случае, когда газ не расширяется, он не преодолевает никакой внешней силы, в то время как во втором он преодолевает при расши­ рении силу, действующую на поршень, т. е. совершает работу. Таким образом, если в обоих случаях нагреть одно и то же коли­ чество газа на одно и то же число градусов (допустим на 1° С), то во втором случае тепла будет затрачено больше, чем в первом, так