Шеңберлі құбырдағы сұйықтардың қозғалысы кезінде тұтқырлықты үйкеліс

жөніндегі Ньютон заңына сәйкес жанама кернеуiнің теңдеуі мына түрде жазылады:

 

(6.18)

 

мұнда - сұйықтың екi қабатшасы (слойы) арасындағы жанама ығысу кернеуi, Па; S- сұйықтың екi қабатшасы арасындағы беттесу ауданы, м2;

- динамикалық тұтқырлық коэффициентi, Па×с; r- құбыр өсінен есептегендегі радиус, м. (6.18) теңдеуіндегі теріс таңба, бұл радиус үлкейген сайын жылдамдықтың баяулайтынын көрсетеді, яғни dw/dr теріс болса, онда ығысу кернеуінің шамасы оң болады.

6.2. Суретте құрылымды ағындағы кернеу мен жылдамдықтың таралуы бейнеленген. Егер сұйықтардың барлық ағын қозғалысын барлық көлденең қимасы бойынша бірдей жылдамдықпен жүретін қатты дененің қозғалысы деп қарастырсақ, онда мұны құрылымды ағын режимі деп түсінеміз. Қысым құлауы (өзгерісі ) DР өскен сайын сұйықтардың қозғалыс жылдамдығы артады және құбыр қабырғаларына жақын ағын бөліктерінде ламинарлық режим дамып, ал орталық ядро қатты дене түріндегі қозғалысын жалғастырады, яғни ламинарлықтың орнына құрылымды ағын қозғалысы жүреді.

 

W0

    6.2. Суретте. Құрылымды ағындағы кернеу мен жылдамдықтың таралуы.

 

Ньютон теңдеуiн сұйықтың ламинарлық ағыны кезiнде қолданған жөн, яғни сұйық, ағынның жәй жылдамдығы кезiнде бiр-бiрiмен араласпайтын қабатшалар түрiнде ламинарлы қозғалады. (6.18) формуланы мына түрде жазуымызға болады:

бұл жағдайда түзу сызық түріндегі тәуелділікті аламыз. (6.3 сурет. 1-ші қисық) мұнайдың абсолютті тұтқырлығын сипаттайды.

Турбуленттi қозғалыс кезiнде тұтқырлық коэффициенті - өз мәнін жоғалтады және ағын жылдамдығының функциясы болып қалыптасады. Мүмкiн тұтқырлық - (m*) түсiнiгiн енгіземіз.

Ығысу кернеуi - мен жылдамдықтар градиентіне- dw/dr байланысты, тұтқырлығы түзу сызықтық заңы бойынша ( ) өзгеретін сұйықтарды ньютондық сұйықтар деп атайды.

Тұтқырлығы ығысу кернеуi мен жылдамдықтар градиентінебайланысты өзгеретін ( ) сұйықтарды ньютондық емес сұйықтар деп атайды. (6.3. Сурет. 2-3-ші қисықтар)

2-ші қисық, нашар қозғалатын ньютондық емес сұйықтарға тән (мысалы, қату температурасына жақын парафинді мұнай немесе сумұнай эмульсиясы, олардың тұтқырлығы жылдамдықтар градиентінебайланысты)

 

6.3. Сурет. Ньютондық және ньютондық емес сұйықтар үшін ығысу кернеуiнің тәуелділігі. 1-ньютондық сұйық-тар; 2-баяу қозғалатын ньютондық емес сұйықтар (қату температурасына жақын парафинді мұнайлар немесе эмульсиялар); 3- кристалды құрылымдық торлары бар жұмсақ (пластикалық) ньютондық емес сұйықтар.  

3-ші қисық, мұнайдағы парафин кристалдарына негiзделген құрылымдық торлары бар жұмсақ (пластикалық) ньютондық емес сұйықтарға (парафиндi мұнайларға) тән. Құрылымдық торлардың түзілуіне байланысты бастапқы ығысу кернеуi - пайда болады, бұдан төмен мұнай ағынының болуы мүмкін емес. 3-ші қисық үшін үш шекті (критикалық) ығысу кернеуін қарастырамыз:

1) t0- аққыштықтың ең төменгі шегі,

2) tд - түзу сызықты участкенің жалғасын қиятын, абсцисса өсіндегі қимаға сәйкесті аққыштық шегi,

3) - аққыштықтың ең жоғарғы шегі, бұл кезде қисық сызық түзу сызыққа ауысады. Бұл кезде сұйықтағы құрылым кернеуі бұзылады да, ядро (яғни ағынның орталық бөлігі) жоғалады.

Құрылымдық режим Шведов-Бингам теңдеуімен сипатталады:

(6.19)

 

немесе (6.20)

Парафиндi мұнайлар уақыт өте құрылым берiктiгiн өздiгiнен арттыруға және оның бұзылудан соң қайтадан қалпына келу қасиеттерiне ие болады. Бұл қасиетін тиксотропия деп атайды. Құрылым бұзылғаннан соң, оның қайтадан тиксотроптық қалпына келу уақыты әр түрлi мұнайлар үшiн әр түрлi аралықта (0,5-20 сағат ) болады.

Дәріс. Мұнай газының физика-химиялық қасиеттері. Мұнай газының құрамы және оның қысым мен температураға тәуелділігі. Мұнаймен фазалық тепе-теңдігі. Газдың мұнайда және қабат суында ерігіштігі. Кристаллды гидраттар, олардың құрамы және түзілуі.

Мұнай газы ұңғы өнімінің табиғи және ажырамас бөлігі болып табылады, оның мөлшері мұнайдағы газ факторымен бағаланады.

Газ факторы бұлеркін күйінде мұнай қабатынан алынатын, сондай-ақ мұнайды айырудың әртүрлі сатыларынан соң бөлініп шыққан жалпы газ мөлшерін көрсетеді.

Әдетте газдың бірлік көлемінен немесе массасынан бөлініп шығатын газ мөлшерін қалыпты жағдайға келтіреді (Р=0,1 МПа және Т=273 К). Газ факторының өлшем бірлігі (м3/м3 немесе м3/т).

Терең жатқан өнімді қабаттардан өндірілетін жеңіл мұнайлар жоғары газ факторымен сипатталады. Шамалы тереңдіктен алынатын ауыр асфальтты-шайырлы мұнайлардың құрамында газ мөлшері көп болмайды.

Әр ұңғы бойынша газ факторын білу және игеру барысында оның өзгерісін бақылап отыру, бұл мұнай газының ресурсы жөнінде, газ құбырларының гидравликалық есептерін жүргізуде, айырғыштардың қажетті өлшемі мен санын анықтауда, газды дайындауға арналған қондырғылардың өткізгіштік қабілетін анықтауда және газды тасымалдауға арналған компрессорлардың қуаттылығын анықтауда үлкен мәлімет береді.

Мұнай газы - бұл С1-ден С4 -ке дейін және одан да жоғары метан қатарының көмірсутектерінің күрделі көпкомпонентті қоспалары, сондай-ақ онда көмірсутек емес газдар - азот, көмірқышқыл газы, күкіртсутек және инертті газдар болуы мүмкін.

Әртүрлі кен орындарынан өндірілетін мұнай газы компоненттік құрамы бойынша едәуір ерекшеленеді.

Қазақстанның бірқатар кен орындарындағы [7], [14] мұнайгазының көпкомпоненттік құрамы 2.2-кестеде келтірілген

 

2.2-кесте.Айырғыштың 1-ші сатысындағы мұнайгазының құрамы, %

Кен орны СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 С6Н14 СО2 Н2S N2 Салыс. тығыз.
Жетібай Өзен Құмкөл Қисымбай Жаңажол Теңіз   50,21 36,83 54,2 72,2 51,81 17,5 21,75 17,56 7,03 5,81 6,4 13,9 19,5 15,86 5,68 4,57 3,0 7,94 11,43 7,66 6,42 3,16 1,6 2,84 4,26 1,83 1,5 1,35 1,2 2,04 4,2 0,3 0,5 2,91 1,01 1,43 0,53 0,5 0,4 0,43 6,0 - - 0,1 - 1,59 3,8 4,13 1,40 2,98 12,92 1,06 0,9 0,78 0,9 1,1 0,767 0,8 0,75

 

Мұнайгазының неғұрлым бағалы компоненттеріне С3 және одан да жоғары көмірсутектерінің фракциялары жатады. Газда қышқыл компоненттер деп аталатын Н2S және СО2-нің болуы, сондай-ақ су буының болуы мұнайхимиясы үшін мұнайгазын отын және шикізат ретінде қолдануды қиындатады және оны алыс қашықтыққа тасымалдау кезінде қиындықтар туғызады, сондықтан кәсіпшілікте оны дайындау: кептіру және тазарту жүзеге асырылады.

Мұнайгазының тығыздығын көбінесе қалыпты жағдайға арнап, газдың компоненттік құрамынан шыға отырып мына формула бойынша анықтайды:

r =Мқос/22,41 ; (2.7)

мұнда r - газ қоспасының тығыздығы, кг/м3;

Мқос - газ компоненттері қоспаларының молекулярлық массасы, әр компоненттің уі мольдік үлесін ескере отырып анықтайды:

Мқос=М1у1+ М2у2+…+ Міуі (2.8)

Белгілі бір термобаралық жағдайда газдың тығыздығын анықтау үшін Клайперон-Менделеев теңдеуі қолданылады:

, (2.9) бұдан

(2.10)

мұнда r0 және rР,Т – қалыпты жағдайдағы және берілген қысым мен температурадағы газдың тығыздығы; Р0 мен Т0 - қалыпты жағдайдағы қысым мен температура, МПа және К; Р мен Т - берілген қысым мен температура, МПа және К; z -газдың жоғары сығымдылық коэффициенті.

Жоғары сығымдылық коэффициент - газды есептеу барысында қолданылатын ең маңызды параметр. Ол реалды (нақты) газдың идеалды газдан ауытқуын сипаттайды және Браун-Катц графигі [23] (2.1 сурет) бойынша немесе А.З.Истоминнің формуласы бойынша [9] келтірілген қысым Ркел мен температура Ткел негізінде анықталады (келтірілген параметрлер - газдың нақты параметрлерінің критикалықтан қаншалықты есе ерекшеленетіндігін көрсететін өлшемсіз шама).

z=1-0,01·(0,76Tкел-9,36Ткел+13) ·(8-Ркел) Ркел (2.11)

Практикада ауа бойынша газдың салыстырмалы тығыздығы жөнінде түсінік кең қолданылады, яғни қалыпты жағдай кезіндегі газ тығыздығының ауа тығыздығына қатынасы:

∆=r/1,293, (2.12)

мұнда 1,293 кг/м3- қалыпты жағдайдағы ауа тығыздығы

 

Келтірілген қысым мен температураны есептеу үшін табиғи газдар компоненттерінің анықтамалық көрсеткіштері 2.3 кестесінде келтірілген.

 

2.3 -кесте. Табиғи газдар компоненттерінің анықтамалық көрсеткіштері

Газ компоненттері Молекулярлық масса, М, кмоль Критикалық параметрлер
қысым, Ркр, МПа температура, Ткр, К
СН4 С2Н6 С3Н8 n-С4Н10 і-С4Н10 n-С5Н12 і-С5Н12 С6Н14 N2 CO2 H2S H2O 16,04 30,07 44,09 58,12 58,12 72,15 72,15 86,17 28,02 44,01 34,08 18,02 4,58 4,86 4,34 3,72 3,57 3,28 3,30 2,96 3,46 7,496 8,89 22,565 190,7 369,8 407,2 425,2 470,4 126,1 304,2 373,6 647,45

 

2.1-сурет. Табиғи газдың жоғары сығымдылық коэффициенті

 

 

Газдардың тұтқырлығы - газдың құрамына, температурасына және қысымына байланысты болады.

Мұнайгазы үшін меншікті жылусыйымдылығы мұнайдікіне ұқсас (1,7-2,1 кДж/кг×К) аралығында болады. Метандық газ үшін ең жоғарғы меншікті жылусыйымдылық 2,48 кДж/кг×К. Пропан мен бутанның болуы жалпы жылусыйымдылықты төмендетеді. Көмірсутек емес газдардың меншікті жылусыйымдылығы 1,0 аралығында болады.

Мұнайгазының жылуөткізгіштік коэффициенті 0,01-0,03 Вт/м×К аралығында болады.

Мұнайгазындағы су буының құрамы - қысым мен температураға, сондай-ақ газдың молекулярлық массасы мен қабат суының минерализациясына байланысты болады. Берілген температура кезіндегі газдағы су буының шектік құрамы шықтану нүктесі (точкой росы) деп аталады. (Практикада шықтану нүктесі деп конденсацияның басталу температурасын айтады).

 

2.2.Сурет. Газдағы су буының ылғалдылық құрамын анықтау үшін

қолданылатын номограмма.

 

Егерде су буының құрамы бұл шектен асқан болса, онда олардың конденсациясы басталады, яғни сұйық күйге өтеді.

Берілген температура мен қысым кезінде, газдың бірлік көлемінде нақты болатын су буының мөлшерін ылғалдылық құрамы деп атаймыз. Газдағы су буының массалық мөлшері г/м3 немесе кг/1000м3 көрсетіледі.

Газдың ылғалдылығын абсолюттік және салыстырмалы ылғалдылық деп екіге бөліп қарастыруға болады.

Абсолюттік ылғалдылық деп қалыпты жағдай кезіндегі 1м3 газдың құрамында болатын су буының массалық құрамын айтамыз.

Салыстырмалы ылғалдылық деп ығалдылық құрамының ылғалды сыйымдылыққа қаты-насын айтамыз. Салыстырма-лы ылғалдылықты - газ құрамындағы су буының парциалды қысымының-р берілген температура кезіндегі су буының қанығу қысымына-Р қатынасымен анықтайды.

 

 

Газ жинау тораптары арқылы мұнай және табиғи газдардың қозғалысы кезінде температура мен қысым төмендеп, осының әсерінен көмірсутекті және сулы конденсаттардың бөлінуі жүреді, бұл кейбір тұстарда (төменгі жерлерде) сұйық тығындарының түзіліп пайда болуына әкеледі. Бұдан басқа белгілі бір термодинамикалық жағдайда газдар сумен байланыса отырып газ гидраттарын түзуі мүмкін. Олар өз кезегінде құбыр қабырғаларына жабысып, олардың қимасын азайтады, ал кейде құбырларды бітеп тастайды.

Газ гидраттары - бұл көмірсутектерінің сумен қатты кристалды тұрақсыз қосылыстары. Сыртқы түріне қарағанда олар сарғылт түсті жұмсақ қарға ұқсас келеді. Гидраттар қысым артқан кезде қандай да болмасын температурада пайда болады. Температура өскен кезде және қысым төмендегенде олар газ бен суға бөлінеді.