Что такое относительное количество свободного газа кратко и понятно

Обновлено: 05.07.2024

СВОБОДНЫЙ ГАЗ (а. free gas; н. freies Gas; ф. gaz libre; и. gas libre) — агрегатное состояние газовых компонентов, в которых частицы газа (молекулы, атомы) движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних сил весь предоставленный им объём в пористых и трещиноватых горных породах, в воздушной атмосфере Земли.

Свободный газ может находиться над нефтью в нефтяном пласте или в каком-либо резервуаре над жидкостью (водой, нефтью и т.п.) в равновесии с тем же газом в растворённом состоянии. Свободный газ может выделяться из угольных пластов в шахтах и представлять опасность при несоблюдении правил техники безопасности. свободный газ может переходить в связанное (сорбированное) состояние и наоборот, он может выделяться в виде струй из естественных выходов на поверхность Земли, выбрасываться под большим давлением из кратера вулкана во время извержения и т.п.

По условиям нахождения в природе различают свободный газ атмосферы и свободный газ литосферы; по формам проявления — газогенный, газоаккумулятивный (газовое скопление), циркуляционный (воздушный), смешанный; по химическому составу: углеводородный, углекислотный, азотный, сероводородосодержащий, гелийсодержащий и т.д. Каждый из этих типов встречается в природе как в чистом виде, так и в различных смесях. Крупные скопления свободного газа, представляющие промышленное значение, образуются в литосфере. По химическому составу свободный газ литосферы — смесь углеводородов от CH₄ до С₅Н₁₂, азота (N₂), углекислого газа (CО₂), сероводорода (Н₂S), водорода (Н₂), гелия (He), оксида углерода (CO), аргона (Ar), паров ртути (Hg) и т.д.

Свободный газ углеводородного типа, в котором преобладает метан при сравнительно невысоком содержании (0,1%) тяжёлых углеводородов, относится к сухим, тощим газам. При содержании гомологов метана от 1 до 5% свободный газ называется полусухими. Свободный газ, характеризующийся повышенным содержанием гомологов метана (25% и более), относят к жирным газам. Чем выше давление и температура, тем большее количество углеводородов содержится в свободном газе. При разработке залежей свободного газа возможно выпадение жидких углеводородов (конденсата) в пласте.

Свободный газ (а. free gas; н. freies Gas; ф. gaz libre; и. gas libre) — агрегатное состояние газовых компонентов, в которых частицы газа (молекулы, атомы) движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних сил весь предоставленный им объем в пористых и трещиноватых горных породах, в воздушной атмосфере Земли.

Свободный газ может находиться над нефтью в нефтяном пласте или в каком-либо резервуаре над жидкостью (водой, нефтью и т.п.) в равновесии с тем же газом в растворённом состоянии.
Свободный газ может выделяться из угольных пластов в шахтах и представлять опасность при несоблюдении правил техники безопасности.
Свободный газ может переходить в связанное (сорбированное) состояние и, наоборот, выделяться в виде струй из естественных выходов на поверхность Земли, выбрасываться под большим давлением из кратера вулкана во время извержения и т.п.

Природный газ может добываться вместе с нефтью (попутный газ) или в чистом виде из чисто газовых залежей (свободный газ).

Попутный газ выполняет две крайне важные функции в пласте: 1) он является одним из источников пластовой энергии, способствуя продвижению нефти к забоям скважин и иногда даже на поверхность; 2) будучи растворенным в нефти, он понижает ее вязкость, делает более подвижной и, следовательно, легче извлекаемой.

Часто добываемый вместе с нефтью попутный газ используется в качестве топлива на промыслах. На тех месторождениях, где добывается большое количество попутного газа, строятся газобензиновые заводы, перерабатывающие этот газ и производящие бензин и другие жидкие углеводороды. Если осушенный попутный газ не находит сбыта, а количество его превышает нужды промысла, то он обычно выпускается в воздух или сжигается в факелах. На промысле газ используется также в качестве топлива для паровых и газовых двигателей, обслуживающих глубиннонасосные скважины, для обогрева и освещения. Наибольшее применение избыточный газ находит на истощенных месторождениях, где он закачивается обратно в пласт для поддержания пластового давления и повышения нефтеотдачи.

Большая часть газа, используемого в промышленности и транспортируемого по газопроводам, добывается из чисто газовых месторождении и залежей. Обычно этот газ сухой, его перекачивают из скважин непосредственно в газопроводы. Когда пластовое давление в газовой залежи снизится настолько, что скважины не смогут подавать газ в газопроводы из-за того, что в них более высокое давление, газ из скважин предварительно сжимается в компрессорных установках до тех пор, пока его давление не превысит давление в трубопроводе.

Коэффициент газоотдачи продуктивных пластов по отношению к геологическим запасам обычно значительно выше, чем коэффициент нефтеотдачи, причем этот газ на промыслах никогда не сжигается в факелах и не выпускается в воздух.

В газоконденсатных залежах наиболее тяжелые углеводороды в пластовых условиях растворены в газовой фазе (см. фиг. 10-4, В). В случае снижения давления, но не температуры, из газовой фазы эти углеводороды выделяются в виде жидкости. Для того чтобы обеспечить максимальное извлечение пластовых флюидов из газоконденсатных залежей, необходимо

Фиг. 10-24. Две карты расположения нефтяных (А) и газовых (Б) залежей на одной и той же площади в районе свода Сабин, центральная часть Лупзпаны и смежные территории штатов Арканзас и Техас.

поддерживать пластовое давление на уровне, превышающем давление конденсации. Выпавший в залежи конденсат адсорбируется на поверхности песчинок и становится практически неизвлекаемым. Поэтому газоконденсатные залежи эксплуатируются при высоких пластовых давлениях, обеспечивающих газообразное состояние пластовых флюидов. Конденсат выпадает из газа уже за пределами залежи в связи со снижением давления. Если основной целью является добыча именно конденсата, то осушенный газ вновь сжимается в компрессорах и закачивается под давлением обратно в залежь, что поддерживает пластовое давление и препятствует выпадению конденсата в пласте. Этот процесс называется сайклингом или рециркуляцией и обеспечивает наиболее высокий коэффициент извлечения жидких углеводородов из газоконденсатных залежей.

Многие районы характеризуются преобладанием какого-либо одного вида залежей - чисто газовых или чисто нефтяных. В некоторых месторождениях неглубоко залегающие горизонты являются газоносными, ниже располагаются нефтяные залежи, насыщенные растворенным газом, а самые глубокие горизонты содержат газоконденсатные залежи. В то же время наблюдаются случаи, когда одни и те же породы содержат газовую залежь и в непосредственной близости - чисто нефтяную залежь. На фиг. 10-24 показано распространение нефтяных и газовых залежей, типичное для многих нефтегазоносных районов.

Может быть предложено несколько возможных объяснений таких особенностей распространения нефтяных и газовых залежей: 1) ловушки образуются в различное время даже в одной и той же провинции, нефть и газ мигрируют в различных соотношениях в разное время, в связи с чем одни ловушки заполняются преимущественно газом, другие - преимущественно нефтью; 2) особенности образования углеводородов могли быть такими, что в одних отложениях или участках возникали главным образом газ и углеводороды с низкой точкой кипения (низким давлением насыщения), а в других - в основном нефть; 3) гидродинамические условия в прошлом могли привести к удалению нефти из ловушки и заполнению ее чистым газом; 4) могло происходить избирательное улавливание нефти или газа (см. стр. 525-526); 5) коллектор, в который попадает смесь мигрирующих нефти и газа, может содержать олеофильные частички; нефть в таком коллекторе задержится, а газ будет мигрировать дальше.

Попутный газ

Добыча газа

Говорят, что нет предела совершенству — но газ бывает идеальным. Сегодня мы узнаем, что эта физическая модель из себя представляет и как ее использовать.

О чем эта статья:

Газ: агрегатное состояние

У веществ есть три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное.

Их характеристики — в таблице:

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

Твердое

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около положения равновесия в кристаллической решетке

Жидкое

сохраняет объем и текучесть

близко друг к другу

молекулы малоподвижны, при нагревании скорость движения увеличивается

Газообразное

занимает весь предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатных состояний точно три?

На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Модель идеального газа

В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.

Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).

Модель идеального газа не может описать ситуацию, когда газ сжимают так сильно, что он конденсируется — переходит в жидкое состояние.

В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.

Свойства идеального газа

Расстояние между молекулами значительно больше размеров молекул.

Молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары.

Силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы.

Молекулы взаимодействуют только при соударениях.

Молекулы движутся хаотично.

Молекулы движутся по законам Ньютона.

Среднеквадратичная скорость

Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.

На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.

Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.

Средняя квадратичная скорость

v_{ср. кв.} — средняя квадратичная скорость [м/с]

v₁, v₂, v_n — скорости разных молекул [м/с]

N — количество молекул [—]

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Давление идеального газа

Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.

Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.

Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.

Эксперимент

Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.

Зависимость давления от других величин

Зависимость давления от объема

В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.

Давление

p = F/S

F — сила [Н]

S — площадь [м 2 ]

То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.

Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.

Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.

При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):

Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:

Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.

Зависимость давления от температуры

Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.

В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.

Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.

Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.

С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:

Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.

Основное уравнение МКТ

Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

Все вещества образованы из мельчайших частиц — молекул, которые состоят из атомов.

Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.

Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.

Основное уравнение МКТ

p = nkT

p — давление газа [Па]

n — концентрация [м −3 ]

T — температура газа [К]

m 0 — масса одной молекулы [кг]

v — средняя квадратичная скорость [м/с]

Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v 2 , а вместо v — и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.

Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:

Кинетическая энергия

Е_к = mv 2 /2

Е_к — кинетическая энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

v — скорость [м/с]

Для молекулы газа формула примет вид:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

Е_к — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

m₀ — масса молекулы [кг]

v — скорость молекулы [м/с]

Из этой формулы можно выразить m₀v 2 и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Основное уравнение МКТ

p — давление газа [Па]

n — концентрация [м −3 ]

E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

Хранение и транспортировка газов

Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.

Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.

Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.

Читайте также: