Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина»
А.Н. Тимашев, Т.А. Беркунова, Э.А. Мамедов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ГАЗА
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Технология эксплуатации газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений» для студентов специальностей:
РГ, РН, РБ, МБ, МО, ГР, ГИ, ГП, ГФ
Под редакцией профессора А.И. Ермолаева
Москва 2012
Определение плотности газа.
Методические указания к проведению лабораторных работ/ А.Н. Тимашев,
Т.А. Беркунова, Э.А. Мамедов – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012.
Изложены способы лабораторного определения плотности газа. В основу положен действующий ГОСТ 17310 – 2002.
Методические указания предназначены для студентов нефтегазовых вузов специальностей: РГ, РН, РБ, МБ, МО, ГР, ГИ, ГП, ГФ.
Издание подготовлено на кафедре разработки и эксплуатации газовых и га-
зоконденсатных месторождений.
Печатается по решению учебно-методической комиссии факультета разра-
ботки нефтяных и газовых месторождений.
Введение………………………………………………………………. | ||
Основные определения………………………………………………. | ||
Плотность природного газа при атмосферном давлении………….. | ||
Относительная плотность газа………………………………………. | ||
Плотность природного газа при давлениях и температурах………. | ||
Лабораторные методы определения плотности природного газа…. | ||
Пикнометрический метод…………………………………………… | ||
Расчетные формулы………………………………………………….. | ||
Порядок определения плотности…………………………………… | ||
Расчет плотности газа………………………………………………… | ||
Определение плотности газа методом истечения………………….. | ||
Вывод соотношений для определения плотности исследуемого га- | ||
за……………………………………………………………………….. | ||
2.2.2. Порядок проведения работы…………………………………………. | ||
2.2.3. Обработка результатов измерений………………………………….. | ||
Контрольные вопросы……………………………………………….. | ||
Литература……………………………………………………………. | ||
Приложение А………………………………………………………… | ||
Приложение Б…………………………………………………………. | ||
Приложение В………………………………………………………… | ||
Введение
Физические свойства природных газов и углеводородных конденсатов ис-
пользуются как на стадии проектирования разработки и обустройства месторож-
дений природных газов, так и при анализе и контроле разработки месторождения,
работы системы сбора и подготовки продукции газовых и газоконденсатных скважин. Одним из главных физических свойств, подлежащих изучению, является плотность газа месторождений.
Поскольку состав газа месторождений природных газов является сложным,
состоящим из углеводородных (алканы, циклоалканы и арены) и неуглеводород-
ных компонентов (азот, гелий и др. редкоземельные газы, а также кислые компо-
ненты Н2 S и СО2 ), возникает необходимость лабораторного определения плотно-
сти газов.
В данном методическом указании рассмотрены расчетные способы опреде-
ления плотности газа по известному составу, а также два лабораторных метода определения плотности газа: пикнометрический и метод истечения через капил-
1. Основные определения
1.1. Плотность природного газа при атмосферном давлении
Плотность газа равна массе М , заключенной в единице объемаv вещест-
ва. Различают плотность газа при нормальных н Р 0,1013мПа ,Т 273К и
стандартных с Р 0,1013МПа ,Т 293К | в условиях, а также при любых дав- |
||||||||||
лении Р и температуреТ Р ,Т . | известной молекулярной массе | ||||||||||
плотность при нормальных условиях равна | |||||||||||
Кг /м 3 , | |||||||||||
при стандартных условиях | |||||||||||
кг / м3 , | |||||||||||
Где М – молекулярная масса газа, кг/кмоль; 22,41 и 24,04, м3 /кмоль – молярный объем газа соответственно при нормальных (0,1013 МПа, 273 К) и стандартных
(0,1013 МПа, 293 К) условиях.
Для природных газов, состоящих из углеводородных и неуглеводородных компонентов (кислых и инертных) кажущаяся молекулярная масса М к
определяется по формуле
i n i | |||||
Ì ê | êã/ êì î ëü, | ||||
где М i – молекулярная масса i-го компонента кг/кмоль;n i –мольный процент i-го компонента в смеси;
к – число компонентов в смеси (природном газе).
Плотность природного газа см равна
кг / м3 | при 0,1 МПа и 293 К | |||||||
Мк | кг / м3 | при 0,1 МПа и 293 К | ||||||
i – плотность i-го компонента при 0,1 МПа и 293 К.
Данные по индивидуальным компонентам приведены в таблице 1.
Пересчет плотности при различных условиях температуры и давлении
0,1013 МПа (101,325 кПа) в приложении В.
1.2. Относительная плотность газа
В практике инженерных расчетов часто используется понятие относитель-
ная плотность, равная отношению плотности газа к плотности воздуха при одинаковых значениях давления и температуры. Обычно принимают в качестве эталонных нормальные или стандартные условия, при этом плотность воздуха со-
ответственно составляет в 0 1,293кг /м 3 ив 20 1,205кг /м 3 . Тогда относитель-
ная плотность природного газа равна
1.3. Плотность природного газа при давлениях и температурах
Плотность газа для условий в продуктивном пласте, стволе скважины, газо-
проводах и аппаратах при соответствующих давлениях и температурах определя-
ется по следующей формуле
Р, Тсм | Р 293z 0 | кг / м3 , | |
z T 0,1013 | |||
где Р иТ давление и температура в месте расчета плотности газа; 293 К и 0,1013 МПа – стандартные условия при нахождениисм ;
z ,z 0 – коэффициенты сверхсжимаемости газа соответственно приР иТ и стан-
дартных условиях (значение z 0 = 1).
Наиболее простым способом определения коэффициента сверхсжимаемости z является графический метод. Зависимость z от приведенных параметров пред-
ставлена на рис. 1.
Для однокомпонентного газа (чистого газа) приведенные параметры опре-
деляются по формулам
и Т | |||||||||||
где Р с | и Т c – критические параметры газа. | ||||||||||
Для многокомпонентных (природных) газов предварительно рассчитывают- |
|||||||||||
ся псевдокритические давления и температуры по зависимостям | |||||||||||
Р nск | ni Pc i | ||||||||||
Т nскn iТ ci /100, | |||||||||||
где P c | и Т c – критические параметры i -го компонента газа. | ||||||||||
Так как состав природного газа определяется до бутана С4 Н10 | или гексана С6 Н14 |
||||||||||
включительно, а все остальные компоненты объединяются в остаток (псевдоком-
понент) С5+ или С7+ , в этом случае критические параметры определяются по фор-
Мс | |||||||||||
крс5 | |||||||||||
T крс5 | 353,5 22,35 М | ||||||||||
При 100 М с 5 240и700d с 5 950,
М с 5 – молекулярная масса С5+ (С7+ ) кг/кМоль;
d c 5 – плотность псевдокомпонента С5+ (С7+ ), кг/м3 .
Зависимость между М с | и d c | находится по формуле Крэга | |||
1030 М c | Кг /м 3 | ||||
М c 44,29 |
|||||
Таблица 1
Показатели компонентов природного газа
Показатели | Компоненты | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
СН4 | С2 Н6 | С3 Н8 | iС4 Н10 | nС4 Н10 | iС5 Н12 | nС5 Н12 | Н2 S | CО2 | ||||||||||||||||||||||||||||
Молекулярная масса, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
М кг/кмоль |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность, кг/м3 0,1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность, кг/м3 0,1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Относительная плот- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Критический объем, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
дм3 /кмоль |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Критическое давление, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Критическая темпера- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Критическая сжимае- | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
мость, zкр |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ацентрический фактор | Рисунок 1 – Зависимость коэффициента сверхсжимаемости z от приведенных параметров Pпр и Тпр 2. Лабораторные методы определения плотности природного газа 2.1. Пикнометрический метод Пикнометрический метод установлен стандартом ГОСТ 17310-2002, в соот- ветствии с которым определяется плотность (относительная плотность) газов и газовых смесей. Сущность метода заключается во взвешивании стеклянного пикнометра объемом 100-200 см3 последовательно с осушенным воздухом и осушенным ис- следуемым газом при одинаковой температуре и давлении. Плотность сухого воздуха – величина эталонная. Зная внутренний объем пикнометра, можно определить плотность природного газа неизвестного состава (исследуемого газа). Для этого предварительно определяется внутренний объем пикнометра («водное число»), поочередно взвешивая пикнометр с осушенным воздухом и дистиллированной водой, плотности, которых известны. Затем взве- шивается пикнометр, заполненный исследуемым газом. Разность масс пикнометра с исследуемым газом и пикнометра с воздухом, поделенная на значение объема пикнометра («водное число») прибавляется к значению плотности сухого воздуха, что составляет в итоге плотность исследуемого газа. Вывод расчетных формул показан ниже. 2.1.1. Расчетные формулы Плотность природного газа пикнометрическим способом определяется на основе следующих соотношений:
г – плотность газа в условиях проведения замеров, г/дм3 кг ; вз – плотность воздуха в условиях проведения замеров, г/дм3 кг ; м 3 Мг – масса газа в пикнометре, г; Мвз – масса воздуха в пикнометре, г; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотностью принято называть такую физическую величину, которая определяет отношение массы предмета, вещества или жидкости к занимаемому ими объему в пространстве. Поговорим о том, что такое плотность, чем различается плотность тела и вещества и как (с помощью какой формулы) найти плотность в физике.
Виды плотности
Следует уточнить, что плотность может быть подразделена на несколько видов.
В зависимости от исследуемого объекта:
- Плотность тела - для однородных тел - это прямое отношение массы тела к его объему, занимаемому в пространстве.
- Плотность вещества - это плотность тел, состоящих из этого вещества. Плотность веществ постоянна. Существуют специальные таблицы, где обозначена плотность разных веществ. Например, плотность алюминия равна 2,7 * 103 кг/м 3 . Зная плотность алюминия и массу тела, которое из него сделано, мы можем вычислить объем этого тела. Либо, зная что тело состоит из алюминия и зная объем этого тела, мы можем с легкостью вычислить его массу. Как найти эти величины, мы рассмотрим чуть позже, когда выведем формулу для вычисления плотности.
- Если тело состоит из нескольких веществ, то для определения его плотности необходимо вычислить плотность его деталей для каждого вещества в отдельности. Такая плотность называется средней плотностью тела.
В зависимости от пористости вещества, из которого состоит тело:
- Истинная плотность - это та плотность, которая вычисляется без учета пустот в теле.
- Удельная плотность - или кажущаяся плотность - это та, которая вычислена с учетом пустот тела, состоящего из пористого или рассыпчатого вещества.
Итак, как найти плотность?
Формула для вычисления плотности
Формула, помогающая найти плотность тела, выглядит следующим образом:
- p = m / V, где p - плотность вещества, m - масса тела, V - объем тела в пространстве.
Если мы вычисляем плотность того или иного газа, то формула будет выглядеть так:
- p = M / V m p - плотность газа, M - молярная масса газа, V m - молярный объем, который при нормальных условиях равен 22,4 л/моль.
Пример: масса вещества 15 кг, занимает оно 5 литров. Какова плотность вещества?
Решение: подставляем значения в формулу
- р = 15 / 5 = 3 (кг/л)
Ответ: плотность вещества 3 кг/л
Единицы измерения плотности
Кроме знаний о том, как найти плотность тела и вещества, необходимо знать и единицы измерения плотности.
- Для твердых тел - кг/м 3 , г/см 3
- Для жидкостей - 1 гр/л или 10 3 кг/м 3
- Для газов - 1 гр/л или 10 3 кг/м 3
Подробнее о единицах измерения плотности можно прочитать в нашей статье .
Как найти плотность в домашних условиях
Для того чтобы найти плотность тела или вещества в домашних условиях, вам понадобятся:
- Весы;
- Сантиметр, если тело твердое;
- Сосуд, если вы хотите измерить плотность жидкости.
Чтобы найти плотность тела в домашних условиях, нужно измерить его объем с помощью сантиметра или сосуда, а затем поставить тело на весы. Если вы измеряете плотность жидкости, то не забудьте вычесть перед расчетами массу сосуда, в который вы налили жидкость. Плотность газов в домашних условиях вычислить гораздо сложнее, мы рекомендуем воспользоваться готовыми таблицами, в которых уже обозначены плотности различных газов.
ρ = m (газа) / V (газа)
D поУ (Х) = М(Х) / М(У)
Поэтому:
D по возд. = М (газа Х) / 29
Динамическая и кинематическая вязкость газа.
Вязкость газов (явление внутреннего трения) - это появление сил трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями.
Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в ходе которого от одного слоя к другому передается импульс.
Сила трения на единицу площади между двумя слоями газа, равная импульсу, передаваемому за секунду от слоя к слою через единицу площади, определяетсязаконом Ньютона
:
- градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению движения слоев газа.
Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
- динамическая вязкость.
, где
- плотность газа,
- средняя арифметическая скорость молекул,
- средняя длина свободного пробега молекул.
- кинематический коэффициент вязкости.
Критические параметры газа: Ткр, Ркр.
Критической называется такая температура, выше которой, при любом давлении, газ не может быть переведен в жидкое состояние. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называется критическим. Приведенные параметры газа. Приведенными параметрами называют безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа (давление, температура, плотность, удельный объем) больше или меньше критических:
Скважинная добыча и подземное хранение газа.
Плотность газа: абсолютная и относительная.
Плотность газа является одной из его важнейших характеристик. Говоря о плотности газа, обычно имеют в виду его плотность при нормальных условиях (т. е. при температуре и давлении ). Кроме того, часто пользуются относительной плотностью газа, под которой подразумевают отношение плотности данного газа к плотности воздуха при тех же условиях. Легко видеть, что относительная плотность газа не зависит от условий, в которых он находится, так как, согласно законам газового состояния, объемы всех газов меняются при изменениях давления и температуры одинаково.
Абсолютная плотность газа - это масса 1 л газа при нормальных условиях. Обычно для газов её измеряют в г/л.
ρ = m (газа) / V (газа)
Если взять 1 моль газа, то тогда:
а молярную массу газа можно найти, умножая плотность на молярный объём.
Относительная плотность D - это величина, которая показывает, во сколько раз газ Х тяжелее газа У. Её рассчитывают как отношение молярных масс газов Х и У:
D поУ (Х) = М(Х) / М(У)
Часто для расчетов используют относительные плотности газов по водороду и по воздуху.
Относительная плотность газа Х по водороду:
D по H2 = M (газа Х) / M (H2) = M (газа Х) / 2
Воздух - это смесь газов, поэтому для него можно рассчитать только среднюю молярную массу.
Её величина принята за 29 г/моль (исходя из примерного усреднённого состава).
Поэтому:
D по возд. = М (газа Х) / 29