Основные физические свойства природных газов

Физические свойства природных газов имеют большое значение для изучения процессов миграции УВ, их фазовых превращений, формирования, разрушения и разработки залежей нефти и газа. Важнейшие параметры газа – молекулярная масса, плотность в стандартных условиях, относительная плотность по воздуху, среднекритические температура и давление, коэффициент сверхсжимаемости, объемный коэффициент, вязкость, гидратообразование, теплота сгорания.

Состояние газа определяется тремя параметрами: плотностью, давлением и температурой.В качестве стандартных условий при термодинамических расчётах принимают температуру равную 0°С и давление 0,1 МПа. При прочих расчётах температуру газов принимают равной 20°С.

Абсолютная плотность газа(ρ) – отношение массы сухого газа (m) к его объему (v): ρ = m / v, выражаемое в килограммах на кубический метр (кг/м³) или в граммах на кубический сантиметр (г/см³). Выражается она и как отношение молекулярной массы газа в молях (М) к объёму моля (V_m): ρ = М/V_m = М/22,4 л.

Относительная плотность газов – отношение плотности газа к плотности воздуха является безразмерной величиной. При атмосферном давлении и температуре 20°С плотность сухого воздуха составляет 1,205 кг/м³, поэтому, например относительная плотность гелия равна 0,1; азота – 0,96; сероводорода – 1,2; углекислого газа – 1,5; криптона – 2,9. Относительная плотность природных углеводородных газов зависит от их молекулярной массы: у метана – 0,55, этана – 1,04, пропана - 1,5, изобутана и н-бутана – 2,0.

В общем виде, плотность газа зависит от его химического состава, молекулярной массы, давления и температуры: уменьшается с ростом температуры и растет с повышением давления и молекулярной массы.

Критические параметры и состояние. Возможность существования газа в пластовых условиях в различных формах определяется термобарическими параметрами, то есть абсолютными значениями и соотношением температуры и давления.

Критическая температура (Т_кр) –температура, при которой исчезают все различия между жидкостью и её паром и, следовательно, плотность жидкости и пара становится одинаковой.При температуре выше критической вещество может существовать только в газообразном состоянии и газ нельзя превратить в жидкость без понижения температуры никаким увеличением давления.

Таким образом, газом называется вещество, находящееся в газообразном состоянии при температуре выше критической, а паром – вещество, находящееся в газообразном состоянии при температуре ниже критической. Следовательно, пар можно превратить в жидкость увеличением давления, а газ – нельзя.

Критическое давление (Р_кр) – давление вещества, соответствующее его критической температуре.

Критическое состояние вещества, находящегося при критической температуре и критическом давлении.

Объем, занимаемый веществом при критическом состоянии называется критическим объемом (V_кр). Такой объем является наибольшим, который может занимать имеющаяся масса вещества в жидком состоянии. Значения Т_кр, Р_кр и V_кр называются критическими параметрами вещества.

Метан, азот, водород, кислород и инертные газы находятся в недрах при температуре выше критической, поэтому не могут превращаться в жидкое состояние. Пропан, бутан, этан, углекислый газ и сероводород могут находиться в пластовых условиях при температурах ниже критических, что создает возможность превращения их в жидкость. Жидкий углекислый газ обнаружен во включениях в минералах.

Давление насыщения (упругость водорастворенных газов) – пластовое давление, при котором подземные воды насыщены газом до предела. В этом случае при снижении пластового давления газ начнет выделяться из жидкости в свободную фазу. Происходить это будет до тех пор, пока в жидкости вновь не установится равновесие между пластовым давлением и растворимостью газа при данных условиях.

Растворимость газа в жидкостях является его важнейшим свойством, которое определяет физические характеристики флюидных систем. Зависит она от состава и соотношения жидкостей и газа, а также от давления и температуры. При небольших температурах и давлениях, до 5 МПа, растворимость газов подчиняется закону Генри, по которому количество газа (V_г), растворенного при данной температуре в единице объема жидкости (V_ж), прямо пропорционально давлению газа (p).

В пластовой нефти и воде растворено огромное количество газа. Объем газа, растворенный в пластовых условиях в единице объема или массе жидкости и измеренный в нормальных условиях, называют газонасыщенностью (Г). Газонасыщенность, выраженную в кубических метрах газа, содержащегося в 1 м³ или 1 т жидкости (м³/м³ или м³/т) называют также газовым фактором (Г_ф).

Растворимость газа в нефти.От количества газа, растворенного в пластовой нефти, зависят её вязкость, сжимаемость, термическое расширение, плотность.

Различные газы обладают разной растворимостью в нефтях, причем с уменьшением молекулярной массы газа его коэффициент растворимости снижается. Особенно плохо растворяется азот, затем метан. Хорошо растворяются в нефтях углекислый газ, этан и пропан.

Большое значение для растворимости газов имеет состав нефтей. В легких метановых нефтях лучше растворяются гомологи метана, а в тяжелых нефтях лучше растворяется метан. Углеводородные газы хуже растворяются в нефтях с повышением температуры.

Растворимость газа в воде.Растворимость газовых компонентов в воде намного ниже, чем в нефти и зависит от состава газа, температуры, давления и минерализации воды. Наибольшей растворимостью обладают кислые газы (Н₂S и СО₂). Они при растворении взаимодействуют с водой и образуют слабые кислоты – сероводородную (Н₂S) и угольную (Н₂СО₃). Растворимость сероводорода и углекислого газа при 0 °С и давлении 0,1 МПа составляет соответственно 4,67 и 1,713 м³/м³.

Наименьшую растворимость имеют инертные газы, азот и углеводородные газы. Растворимость углеводородных газов в воде при 0°С и давлении 0,1 МПа в несколько десятков раз меньше, чем растворимость сероводорода. Метан растворяется в количестве 0,0556 м³/м³, этан 0,0987 м³/м³.

С повышением температуры растворимость газов в воде вначале падает, достигая минимума у разных газов при 60–100°С, а затем быстро растет, особенно при увеличении давления. С ростом минерализации воды растворимость уменьшается.

При высоких давлениях и температуре растворимость углеводородных газов в воде уменьшается от метана к бутану, то есть зависит от молекулярной массы газа.

Газонасыщенность пластовых вод обычно лежит в пределах от сотых долей единицы до 10 м³/м³ и более. Высокая газонасыщенность (2–4 м³/м³) наблюдается вблизи контуров газовых и газоконденсатных залежей. Она резко возрастает в условиях аномально высоких пластовых давлений и температур. Таким образом, газонасыщенность вод является важным показателем газоносности недр. При высокой газонасыщенности возможна рентабельная добыча газа из подземных вод.

Растворимость нефти в газе. Испарение жидкостей в обычных изотермических условиях усиливается при понижении давления, а конденсация пара при повышении давления. При снижении температуры в изобарических условиях испарение понижается, а при повышении температуры увеличивается.

Однако когда природные газы находятся в пластовых условиях в околокритическом состоянии, то нефть начинает растворяться в газах, переходя в парообразное состояние. С ростом пластового давления испарение нефти увеличивается. В результае образуются конденсатные газы – газоконденсаты (ГК) или газоконденсатные системы (ГКС). И, наоборот, при падении давления начинается конденсация паров нефти.

Поскольку процессы испарения и конденсации в околокритических состояниях идут в обратном (аномальном) направлении по отношению к процессам, происходящим при обычных условиях, то их называют обратными, или ретроградными.

Таким образом, газоконденсаты – это пластовые газообразные углеводородные системы, содержащие нефть в растворенном парообразном состоянии. При растворении нефти первыми начинают переходить в газовую залежь УВ с меньшей молекулярной массой. При дальнейшем повышении давления в неё переходят и более тяжелые УВ, а также смолы и другие неуглеводородные соединения. При снижении давления наоборот, первыми начинают конденсироваться более тяжелые соединения. Выпавшая жидкая фаза ГКС называется конденсатом.

Содержание конденсата в газоконденсатах оценивается конденсатным фактором (К_ф) или конденсатностью. К_ф – это количество граммов или кубических сантиметров стабильного конденсата, выделившегося в нормальных условиях из одного кубического метра пластового газа в процессе его сепарации. Это показатель обратный газовому фактору.

Газосодержание горных пород. Горные породы имеют Г_Ф от тысячных долей единицы, до десятков кубических метров на тонну. Наибольшим газосодержанием характеризуются ископаемые угли. Их газоносность повышается с глубиной и ростом степени метаморфизма углей, за исключением антрацитов, и достигает у каменных углей значений 50 м³/т горючей массы.

Вязкость газа– внутреннее трение, возникающее при движении газа. В отличие от жидкости, вязкость газа растет с уменьшением молекулярной массы и увеличением температуры и давления. Это объясняется увеличением скорости движения и силы соударения молекул. Газы имеют очень низкую вязкость, например, вязкость метана при стандартных условиях в 100 раз ниже вязкости воды и составляет около 0,01 мПа∙с. Низкая вязкость газа обусловливает его способность относительно быстро перемещаться в пористых и трещиноватых горных породах при перепаде давления.

Диффузия газа или проникновение его молекул в другие вещества возможна практически в любой среде и подчиняется закону Фика: диффузия происходит в направлении убывания концентрации вещества. Она обусловлена тепловым движением молекул и является одним из механизмов переноса вещества, в результате которого происходит естественное выравнивание его концентрации в пространстве.

Скорость диффузии газа зависит от его свойств и концентрации, а также от свойств проницаемой среды: пористости, проницаемости, влагонасыщенности, структуры порового пространства и размера пор. Диффузия растет с повышением температуры и уменьшается с ростом молекулярной массы газа. Диффузия играет существенную роль при эмиграции УВ из нефтепроизводящих пород в коллекторы и обуславливает значительные потери газа из залежей, вплоть до их полного уничтожения.

Фильтрация газа или эффузия – это движение газа через пористую среду под влиянием перепада давления. Фильтрация газа также подчиняется закону Дарси, но в отличие от жидкостей, для газов в формулу вместо перепада давлений входит разность квадратов давлений, поэтому формула Дарси имеет следующий вид:

,

где Q – количество газа, см³, проходящее в единицу времени через породу-коллектор с поперечным сечением S, см²;

К – коэффициент проницаемости породы 10^{-12 м2};

μ – вязкость газа, Па·с; h – длина пути в направлении движения, см;

(Р²₂ – Р²₁) – разность квадратов давлений, МПа.

Таким образом, Q представляет собой объем газа, измеренный при среднем давлении.

Всплывание газа. Масса газа, при давлении 10 МПа, составляет всего около 0,1 массы воды такого же объема. Разница плотностей воды и газа или нефти и газа составляет подъемную силу газа. Она служит причиной всплывания свободного газа в порах или трещинах пород, заполненных водой или нефтью. Это свойство газа имеет значение для процессов формирования залежей УВ. При больших объемах свободный газ вытесняет нефть из занятых ею ловушек.

Гидратообразование. Газы способны при определенных термобарических условиях создавать с водой твердые растворы, которые называются газовыми гидратами или кристаллогидратами.