2.2.5. Физические свойства газов

Газовые смеси характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Для характеристики газовой смеси необходимо знать ее среднюю молекулярную массу, среднюю плотность или относительную плотность по воздуху.

Молекулярная масса природного газа

_n

М = Σ М_i Xi

i=1

где М_i - молекулярная масса i-го компонента; X_i - объемное содержание i-го компонента, доли ед. Для реальных газов обычно М = 16-20.

Плотность газа ρ_г рассчитывается по формуле

ρ_г = М/Vм = М/24,05

где Vм - объем 1 моля газа при стандартных условиях. Обычно значение ρ_г находится в пределах 0,73-1,0 кг/м³. Чаще пользуются относительной плотностью газа по воздуху ρ_отн равной отношению плотности газа ρ_г к плотности воздуха ρ_в взятой при тех же давлении и температуре:

ρ_{отн =} ρ_г / ρ_в

Если ρ_г и ρ_в определяются при стандартных условиях, то ρ_в = 1,293 кг/м³ и ρ_отн = ρ_г /1,293 кг/м³.

Влагосодержание природных газов. Природный газ в пластовых условиях всегда насыщен парами воды, так в газоносных породах всегда содержится связанная, подошвенная или краевая вода.

Влажность газа характеризуется концентрацией воды в паровой фазе системы газ - вода. Обычно она выражается массой паров воды, приходящейся на единицу массы сухого газа (массовая влажность) или числом молей паров воды, приходящейся на моль сухого газа (молярная влажность).

Абсолютная влажность характеризуется количеством водяного пара в единице объема газовой смеси, приведенной к нормальным условиям ( К, Р =0,1 МПа), измеряется в г/м³ или кг/1000 м³.

Относительная влажность - отношение абсолютной влажности к максимальной, соответствующей полному насыщению парами воды, при данной температуре и давлении (в %). Полное насыщение оценивается в 100 %.

Пары воды, присутствующие в газах и газоконденсатных смесях, влияют на фазовые превращения углеводородных систем. При определенных термодинамических условиях вода может выделяться из газа (конденсироваться), т.е. переходить в капельно-жидкое состояние. В газоконденсатных системах могут одновременно выделяться вода и конденсат. В присутствии воды давление начала конденсации УВ увеличивается.

Объемный коэффициент пластового газа b_г представляющий собой отношение объема газа в пластовых условиях Vпл.г к объему того же количества газа Vст, который он занимает в стандартных условиях, можно найти с помощью уравнения Клайперона - Менделеева:

b_г = Vпл.г/Vст = Z(Pcт×Тпл)/(Рпл×Тст),

где Рпл, Тпл, Pcт, Тст - давление и температура соответственно в пластовых и стандартных условиях.

Значение величины b_г имеет большое значение, так как объем газа в пластовых условиях на два порядка (примерно в 100 раз) меньше, чем в стандартных условиях.

Вязкость - свойство жидкостей и газов, характеризующих сопротивляемость скольжению или сдвигу одной их части относительно другой.

Коэффициент динамической вязкости характеризует силы взаимодействия между молекулами газа, которые преодолеваются при его движении.

Основной единицей вязкости в системе СИ является паскаль-секунда (Па*с). В нефтепромысловой практике вязкость измеряют в пуазах (П) или сантипуазах (сП). 1сП = 0.01 П= 0.001 Па*с.

Коэффициент кинематической вязкости. В расчетах наряду с абсолютной вязкостью газа применяют кинематическую вязкость , равную абсолютной вязкости, деленной на плотность газа:

.

Единицей кинематической вязкости является квадратный метр на секунду (м²/с) или квадратный миллиметр на секунду (мм²/с). 1 мм²/с = 10^-6 м²/с.

В нефтепромысловой практике кинематическую вязкость измеряют в Стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт). 1 Ст = 10^-4 м²/с; 1 сСт = 10^-6 м²/с = 1 мм²/с.

При пересчетах абсолютной вязкости газа в кинематическую значения плотности или удельного веса берутся при рассматриваемых давлениях и температурах.

Теплоемкостью называют количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы или объема вещества на 1 °С.

Удельная теплоемкость - отношение теплоёмкости к единице количества газа.

Для смеси газов теплоемкость определяется по сумме теплоемкости входящих компонентов по формуле:

,

где  теплоемкости отдельных компонентов смеси;  объемное (молярное) содержание компонентов в долях единицы; – число компонент.

Дросселирование  расширение газа при прохождении через дроссель  местное сопротивление (вентиль, кран и т.д.), сопровождающее изменением температуры.

Определение дроссельного эффекта (эффекта ДжоуляТомсона). Отношение изменения температуры газа в результате его изоэнтальпийного расширения (дросселирования) к изменению давления называется дроссельным эффектом, или эффектом Джоуля - Томсона.

При охлаждении газа эффект считается положительным, при нагревании его  отрицательным.

Коэффициент Джоуля - Томсона. Изменение температуры при снижении давления на 1ата (0.1Мпа) называется коэффициентом Джоуля-Томсона. Этот коэффициент изменяется в широких пределах, и может иметь положительный или отрицательный знак.

Для приближенных расчетов среднее значение коэффициента Джоуля-Томсона можно принять равным 3 К/МПа.

Поверхностные явления при движении жидкой и паровой фаз в пористой среде. Причиной возникновения на границах контакта фаз поверхностных явлений является значительное различие в физико-химических свойствах фаз.

Поверхностные явления во многом определяют количество и распределение в поровом пространстве связанных и остаточных нефти, воды, газа; форму кривых фазовых проницаемостей; эффективность методов повышения газоотдачи.

Среди поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз, особое влияние на эффективность разработки газовых залежей оказывают: поверхностное натяжение, капиллярное давление, смачиваемость, капиллярная пропитка и адсорбция.

Поверхностное натяжение на границе фаз возникает вследствие того, что молекулы вещества, находящиеся вблизи поверхности раздела взаимодействуют не только между собой, но и с молекулами вещества соседней фазы. При этом молекулы из внутреннего объёма перемещаются в поверхностный слой с образованием новой поверхности. Работа обратимого, изотермического образования единицы новой поверхности раздела фаз при постоянстве давления называется поверхностным натяжением .

Единица измерения поверхностного натяжения. Величина поверхностного натяжения в СИ измеряется в Дж/м² или в Н/м.

Изменение поверхностного натяжения с ростом и . Поверхностное натяжение нефти и воды на границе с газом обычно составляет от 5 до 70 мН/м и уменьшается с ростом давления и температуры.

Коэффициент поверхностного межфазного натяжения равен нулю при критических значениях давления и температуры.

Опасные свойства природного газа.

Токсичность. Опасным свойством природных газов является их токсичность, зависящая от состава газов, способности их при соединении с воздухом образовывать взрывоопасные смеси, воспламеняющиеся от электрической искры, пламени и других источников огня.

Чистые метан и этан не ядовиты, но при недостатке кислорода в воздухе вызывают удушье.

Взрываемость. Природные газы при соединении с кислородом и воздухом образуют горючую смесь, которая при наличии источника огня (пламени, искры, раскаленных предметов) может взрываться с большой силой. Температура воспламенения природных газов тем меньше, чем выше молекулярная масса. Сила взрыва возрастает пропорционально давлению газовоздушной смеси.

Природные газы могут взрываться лишь при определенных пределах концентрации газа в газовоздушной смеси: от некоторого минимума (низший предел взрываемости) до некоторого максимума (высший предел взрываемости).

Гидраты газов представляют собой твердые соединения (клатраты), в которых молекулы газа при определенных давлении и температуре заполняют структурные пустоты кристаллической решетки, образованной молекулами воды с помощью водородной связи (слабой связи). Молекулы воды как бы раздвигаются молекулами газа – плотность воды в гидратном состоянии возрастает до 1,26-1,32 см³/г (плотность льда 1,09см³/г).

Один объем воды в гидратном состоянии связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа.

Условия образования гидратов определяются составом газа, состоянием воды, внешними давлением и температурой и выражаются диаграммой гетерогенного состояния. Для заданной температуры повышение давления выше давления, соответствующего равновесной кривой, сопровождается соединением молекул газа с молекулами воды и образованием гидратов. Обратное снижение давления (или повышение температуры при неизменном давлении) сопровождается разложением гидрата на газ и воду.

Плотность гидратов природных газов составляет от 0,9 до 1,1 г/см3.

Разложение гидратов жидких углеводородных газов сопровождается уменьшением объема и, следовательно, понижением давления. Образование гидратов в жидких углеводородах идет несравнимо труднее, чем в газообразных. Чтобы начался этот процесс, требуется выдержать систему при соответствующих условиях в течение некоторого времени и в основном в условиях равновесия. Однако при отрицательных температурах после появления мелких кристалликов льда гидраты начинают образовываться быстро. Гидраты жидких углеводородных газов легче воды.