Файл: Макогон, Ю. Ф. Гидраты природных газов.pdf

мерзлоты в расчетах следует применять отдельно теплопроводность мерзлых пород А,п = 3,4 ккал/м-ч-град и теплопроводность осталь­ ной части разреза \ = 3,08 ккал/м ■ч •град.

Кроме указанных данных, для расчета распределения темпера­ туры по стволу скважины необходимо знать время работы скважины т (в ч) от начала ее эксплуатации, пластовое и забойное давление на момент расчета (в кгс/см2), давление на головке скважины, а также весовой расход газа G (в кг/ч), который определяется по формуле

где Q — дебит газа, тыс. м3/сут; р — относительная плотность газа по воздуху.

Для расчета устьевой температуры газа в работающей скважине при слое многолетней мерзлоты можно пользоваться уравнением

где tnn — пластовая температура на глубине L, определенная непосредственным замером, °С; ZM— глубина нижней границы мерзлоты; tM— максимальная температура мерзлого грунта

47

Глава II

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КИНЕТИКИ ГИДРАТОВ ГАЗОВ

Процесс образования газовых гидратов — процесс поверхностно-контактный

Исследованию процесса образования гидратов посвящено доста­ точно много работ, однако исследований зарождения центров кри­ сталлизации гидратов и их роста крайне мало. Большинство иссле­ дователей получали гидраты в динамических условиях, когда поверх­ ность контакта газ — вода создавалась путем перемешивания с по­ мощью барботажа газом, механического встряхивания камеры с использованием различных кривошипных механизмов или электро­ магнитных мешалок. При этом образуется аморфная масса кристал­ логидратов, когда отдельные решетки образующихся гидратов накап­ ливаются в беспорядочном виде. Образование аморфного гидрата характеризуется большим числом локальных нарушений структуры гидрата, неполным заполнением решеток молекулами газа-гидрато- образователя или срастанием незавершенных решеток и целых агрегатов. При этом может наблюдаться повышенное или понижен­ ное значение п — соотношения числа молекул воды и газа в гидрате. Кроме того, пнтенсивное перемешивание газа и воды любым из мето­ дов создает локальные зоны переменного давления и температуры, что может привести к искажению результатов определения равновес­ ных условий начала процесса образования гидрата. Интенсивное перемешивание исключает определение влияния состояния воды на процесс зарождения центров кристаллизации и затрудняет исследо­ вание морфологии кристаллогидратов.

В результате рентгеноструктуриого анализа получены моляр­ ные соотношения вода — газ отдельных компонентов для идеальных решеток, когда все имеющиеся полости, образуемые молекулами воды, заполнены молекулами газа-гидратообразователя. Однако при образовании гидратов газов в практических условиях структура образуемых гидратов в своем большинстве отличается от идеальной структуры. Реальная структура гидратов зависит от многих факто­ ров, основными из которых являются состав газа и воды, депрессия температуры гидратообразования, скорость отвода тепла, выделяе­ мого при кристаллизации гидратов. На структуру образующихся гидратов оказывают большое влияние условия начала кристалли­

Процесс образования гидратов газов начинается с появления; центров кристаллизации на поверхности контакта газ — вода. Поверхность контакта газ — вода может быть на границе раздела воды и газовой фазы в трубопроводе или в любом сосуде, а также па поверхности пузырька газа, выделившегося в воде или на поверх­ ности капли воды, сконденсировавшейся па стенках сосуда в газовой среде.

Начало образования гидратов определяется условиями такой взаимной ориентации молекул воды и газа-гпдратообразователяг в условиях которой они могут образовывать центры кристаллизации критической величины при данном значении кинетической энергии теплового движения, когда по мере понижения температуры насту­ пает момент равновесия ориентирующих и разрушающих сил.

Начало гидратообразоваиия можно рассматривать как переход от точки равновесия сил к области, в которой преобладают ориен­ тирующие силы взаимного притяжения молекул над разрушающими силами теплового движения молекул, препятствующих их взаимной ориентации.

В данной главе рассматриваются некоторые результаты экспери­ ментальных исследований кинетики гидратов газов.

§ 1. Экспериментальные исследования условий процесса гидратообразоваиия

С целью определения условий формирования зародышей кристал­ лизации и скорости образования гидратов газов были выполнены специальные исследования с различными газами в широком диапа­ зоне давлений и температур. Для исследований использовались бидистиллят воды и газы — метан, этан, пропан чистоты 99,98%, а также природный газ, состав которого следующий.

Исследования проводились в камере «Батискаф» объемом 1000 см3 (рис. 31). Конструкция камеры позволяла вести визуальный контроль процесса через плоские окна толщиной 42 мм из органического стекла диаметром 100 мм со всех шести граней. Рабочее давление

вкамере достигало 200 кгс/см2. Определение скорости формирова­ ния зародышей кристаллизации и образования гидратов проводилось

визотермических условиях при поддержании температуры про­ цесса ±0,1° С с помощью воздушного термостата.

50

Скорость охлаждения конденсированной воды в диапазоне от 30° С до температуры кристаллизации не превышала 0,5° С/ч, что полностью исключало температурный скачок за счет выделяемой теплоты кристаллизации. Динамические факторы потока, как наибо­ лее трудно учитываемые в иапгих исследованиях, исключались. Изучение формирования зародышей кристаллизации и скорости процесса гидратообразоваиия проводились в статических условиях.

зополые лампы с жидкостными теплофильтрами и холодным зеркальным преломлением, а также блицвспышки. При этом достигалось достаточно сильное, равномерное освещение фотогра­ фируемых кристаллов без нарушения термодинамического режима процесса их роста. Иногда аккумуляторные микролампы вводились непосредственно в реакторную камеру с внешним включением.

В качестве фотоиегатива использовалась кинопленка А-2 свето­ чувствительностью 180 ед. ГОСТ и КН-4 светочувствительностью 350 ед. ГОСТ с разрешающей способностью 85 и 110 соответственно.

В результате исследований условий начала процесса гндратообразования газов было установлено, что формирование центров кристал­ лизации всегда происходит на поверхности раздела.