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

Если в результате образования первой гидратной пробки точка росы паров воды снижается ниже минимума кривой изменения температуры газа в газопро­

в точке пересечения кривой влагосодержания Cd с равновесной кривой образо­

вания гидратов M N газ будет насыщен парами воды, т. е. в точке п в газопро­ воде начнется образование гид­

в точке п стала ниже минимальной температуры в газопроводе (точка О на кривой CD). Следовательно, при дальнейшем движении газового потока конденсации паров воды не будет, что исключает возможность образования гидратов в газо­

проводе после точки п.

В результате накопления локальной гидратной пробки в точке п давление до пробки возрастает; изменение давления в газопроводе характеризуется кри­ вой abed.

1 Газ в газопроводе будет насыщен от точки т до точки О, а на участках Cm и OD он будет недонасыщен парами воды.

70

На примере Шебелинского месторождения показано образование гидратов в газосборной сети. Гидраты образуются в следующих

ных сепараторов достигает 120 м/с; давление в сепараторах значи­ тельно превышает равновесное давление гидратообразования). Часть гидратов потоком направляется в отстойную емкость. Здесь они

манов для измерения температуры.

6. В промысловом газосборном коллекторе в местах резкого изменения скорости газового потока. Скопление их наблюдается в местах врезок шлейфов скважин в газосборный коллектор, па запорной арматуре, на врезках дрипов и т. д. Гидраты могут также скапливаться и на прямолинейных участках газопроводов. В зависи­ мости от скорости потока гидраты отлагаются в газопроводе в виде спирального кольца или в виде сегмента (рис. 38). Так, при вскрытии шлейфа скв. 115 была обнаружена плотная спиральная гидратная пробка длиной около 5 м. Скорость газового потока при этом соста­ вляла 12 м/с. Диаметр шлейфа был равен 0,15 м. При вскрытии перемычки диаметром 0,5 м было обнаружено скопление гидратов в виде сегмента высотой примерно х/ 3 диаметра. Скорость газового потока при этом составляла 5 м/с. Гидраты скопляются также

ив объемных сепараторах .

7.На концевых линейных кранах. С одной стороны их действует

рабочее давление газосборной сети, равное 64 кгс/см2, с другой — атмосферное. Под таким давлением уплотнительная смазка на

71

пробках кранов и байпасов выдавливается, образуются пропуски газа с резким понижением температуры последнего. Корпус крана или байпас резко охлаждается и образуется застойная зона пони­ женной температуры. Пары воды, насыщающие газ, конденсируются, и начинается процесс кристаллизации гидратов. Постепенное нако­ пление их приводит к полной закупорке сечения крана или обводного байпаса.

Для правильного определения места образования гидратов и вкорости их накопления в газопроводе необходимо знать состав, температуру, давление и влажность газа, а также их изменение по трассе. Это позволяет своевременно принять надлежащие меры.

При известном давлении в газопроводе по составу газа опре­ деляется равновесная температура гидратообразования tp. Затем определяется место образования гидратов в газопроводе при помощи уравнения

эффект Джоуля—Томсона, отнесенный к единице длины газопро­ вода в °С/м.

Эффект Джоуля—Томсона состоит в следующем. В заключенной в адиабатную оболочку трубке помещена пробка из ваты. По одну сторону пробки находится газ при давлении р х, по другую сторону пробки давление меньше и равно р 2. Благодаря разности давлений газ будет медленно перетекать через пробку из одной части трубки в другую. Поместив термометры или термопары по обе стороны пробки, можно определить знак изменения температуры газа в опыте Джоуля—Томсона. Оказалось, что большинство газов при комнатной температуре охлаждается, лишь водород и гелий дают повышение температуры.

Для лучшего усвоения физического смысла приведенных свойств газов разберем несколько примеров.21

1. Как зависит подъемная сила аэростата от температуры, при которой он поднимался?

О т в е т . Подъемная сила аэростата равна разности весов воздуха и газа, заполняющего аэростат, в объеме аэростата. Иначе говоря, подъемная сила про­

т. е. подъемная сила тем больше, чем ниже температура.

2.Во многих перегонных аппаратах труба, в которой конденсируется пар, окружена другой трубой (рубашкой), по которой протекает холодная вода (рис.

39, а). При этом вода подается в рубашку снизу, а не сверху. Почему не наоборот?

72

законами газового состояния, которые широко используются в прак­ тике добычи нефти и газа.

§ 21. ЗАКОН БОЙЛЯ — МАРИОТТА

Английским ученым Бойлем (1662 г.) и независимо от него фран­ цузским ученым Мариоттом (1676 г.) было установлено, что для данной массы газа при постоянной температуре объем его изменяется обратно пропорционально давлению (рис. 42).

Рис. 42. Зависимость давления газа от его объема при постоянной температуре.

Если объем газа V1 при давлении р г, а объем газа V2 при давле­ нии р 2, тогда можно написать пропорцию

(43)

V2 Pi

Мы получили закон Бойля—Мариотта в другом виде: для данной массы газа при неизменной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная (pV = const).

74

Графически зависимость давления газа от объема при постоянной температуре изображается кривыми, называемыми изотермами

(рис. 43).

Плотность газа

При давлениях p t и р 2 и плотностях рх и р2

Подставив значения V1 и V2 в равенство (43), получим:

Эта формула показывает, что при изотермическом процессе плотность газа прямо пропорциональна его давлению.

Применение закона Бойля—Мариотта к реальным газам при высоких давлениях без соответствующей поправки приводит к зна­ чительным ошибкам в следующих случаях: 1) при подсчете ресурсов газа в условиях пласта, т. е. р при давлениях, доходящих до нескольких сот ат­ мосфер; 2) при расчете производительности ком­ прессоров высокого давления; 3)при расчете газо­ проводов высокого давления.

P o V 0 = P i V 1 \

2. Определим массу кислорода

Пример 2. Для наполнения баллона углекислым газом при O'3 С и давле­ нии 40 кгс/см2 потребовалось 7,88 кг углекислого газа. Определить объем бал­ лона, зная, что плотность углекислого газа при нормальных условиях (при 0° С и давлении 1 кгс/см2) равна 0,00197 кг/дм3.

75

Ре ше ние .

1. Определим объем газа при нормальных условиях по формуле

VQ= -

§ 22. ЗАКОН ГЕЙ-ЛЮССАКА

Закон Гей-Люссака устанавливает зависимость объема газа от его

атмосферным давлением. Нагревая газ, мы видим, что он увеличи­ вается в объеме, в то время как давление на него по-прежнему равно атмосферному. На основании подобных опытов пришли к выводу, что любой газ, находящийся при постоянном давлении, расширяется от нагревания. Это можно объяснить так. При нагревании скорость молекул газа увеличивается, в результате чего их удары о стенки сосуда становятся чаще и сильнее, поэтому давление газа возрастает. Если объем сосуда может изменяться свободно (например, объем цилиндра, закрытого подвижным поршнем), то газ расширится и займет такой объем, при котором его давление станет равным внешнему давлению.

Изменение объема с изменением температуры при постоянном давлении называется изобарическим процессом («изос» — равный,.

76

«барюс» — тяжелый). Такой процесс можно изучить при помощи прибора (рис. 44), называемого дилатометром.

Дилатометр наполняют сухим газом, а затем в горизонтальную трубку впускают каплю ртути, которая закупоривает газ в шаре. Затем шар помещают в воду со льдом и измеряют начальный объем газа до капли ртути при 0° С (рис. 44, а), который обозначают че­ рез V0. Давление газа при этом равно атмосферному. Далее нагре­ вают воду до некоторой температуры, тогда газ в дилатометре рас­ ширится, и капля ртути переместится вправо (рис. 44, б), но давление газа при этом будет равно атмосферному.

Измеряя температуру и объем расширившегося газа, можно

По этой формуле можно вычислить объем газа при изобарическом процессе.

Если взять вместо t абсолютную температуру Т, где Т = 273 + t, или t = Т — 273, то

7 = 0,003667,/,

откуда можно получить, что

т. е. закон Гей-Люссака может быть сформулирован еще так: при постоянном давлении отношение объема некоторой массы газа к ее абсолютной температуре есть величина постоянная.

Графически эта зависимость изображается прямыми линиями (рис. 45, р 2 > р х). При температуре, близкой к —273° С, сплошная прямая заменена пунктиром, так как вещество при столь низкой температуре уже не находится в газообразном состоянии и закон несправедлив.

77

Из выражения V = V0 (1 + at) следует, что при приближении температуры к абсолютному нулю объем газа постепенно умень­ шается и при t = 273° С должен приблизиться к нулю:

F = F 0[l + (-273a)]=0.

Вданном случае, как и в законе Бойля—Мариотта, приходим

ктеоретически и логически неприемлемому выводу «о существовании атомного вещества без объема», как указывал Д. И. Менделеев относительно закона Бойля—Мариотта.

Пример 1. При 0° С газ занимает объем 10 л (0,01 м3). Какой объем займет газ при нагревании до 273° С, если давление будет постоянным?

Р е ш е н и е . Определим объем газа по формуле (46):

V = V 0 (1 + - Щ - ) = 0 .0 1 (1 + 1) =0,02 м3 = 2 0 дм3-

Пример 2. На сколько градусов надо нагреть газ при постоянном давлении, чтобы его объем увеличился в 4 раза по сравнению с объемом при 0° С?

Р е ш е н и е . Найдем температуру из формулы (45):

§ 23. ЗАКОН ШАРЛЯ

Если заключить газ в закрытый сосуд и нагреть его от 0 до t °С (рис. 46), то объем газа будет оставаться неизменным (расширением сосуда можно пренебречь), а давление будет увеличиваться.

Изменение давления нагреваемого газа при постоянном объеме называется изохорическим процессом (от греческих слов: «изос» — равный, «хорема» — вместимость).

Зная температуру нагретого газа t, начальное давление р 0 и давление нагретого газа pt при неизменном объеме, можно вычислить термический коэффициент давления. Термическим коэффициентом давления газа называется величина, показывающая, на какую часть увеличивается давление газа от нагревания на 1° С при по­ стоянном объеме относительно давления газа при 0° С.

Обозначим термический коэффициент давления газа через a r Согласно определению можно написать формулу

Проведя аналогичные опыты с различными газами, ученый Шарль в 1787 г. открыл закон, носящий его имя: термический коэф­ фициент давления при постоянном объеме одинаков для всех газов и равен V 273 град'1.

78

Этот же закон можно сформулировать еще так: для данной массы газа, находящегося при постоянном объеме, повышение температуры на 1° С вызывает увеличение давления газа на 1/2is часть того давления, которое создает газ при 0° С.

Мы видим, что

a i = a - ^ 3- г р а д - 1 ,

т. е. термический коэффициент объемного расширения газов при постоянном давлении и термический коэффициент давления при постоянном объеме, равны между собой.

Рис. 46. Изохорическое нагревание газа.

Из формулы

т. е. давление газа, нагретого при постоянном объеме, равно началь­

температуре. Это новое выражение закона Шарля.

Графически зависимость давления от температуры при постоян­ ном объеме изображается прямыми (рис. 47), при этом Vx > V

79