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1、天然气的基本性质,1 天然气在高温高压下的状态,天然气在地下是一种高度压缩的气体当压力得到释放，膨胀能力很强当压力和温度很高以后，其基本性质和高温高压下的液体可能接近天然气的类型不一样，其基本性质有较大差异,2 天然气的主要物性参数,各种温度、压力条件下的物性参数是气藏工程、采气工艺和地面工程中的必不可少的基础数据。获取途径（1.实验 2.计算),1、天然气烃类气体：（石蜡族低分子饱和烃和少量非烃）CnH2n+n：C1、C2、C6、C7+， C1为主要成分60%以上非烃类气体：H2S、CO2、N2、 He、H2O等的混合气体。,一、天然气,2、天然气组成质量组成Wi=mi/mi摩尔组成yi=n
2、i/ni体积组成yi=Vi/vi三种组成的换算：mi=niMi Vi=22.4ni(1atm、20下为24.056ni）yi(体)=yi(摩) yi=(Wi/Mi)/(Wi/Mi),3、天然气分类干气（井流物中C5以上13.5cm3/m3)特点：地下为气态，地面设备和管线析出液烃凝析气（产出井流物气油比90018000m3/m3）特点：生产时地下、地面设备和管线析出液烃伴生天然气（溶于地层原油中，采出后经地面分离后得到的天然气）,二、天然气的分子量和相对密度,、天然气视分子量定义： 在标准状态下，摩尔体积天然气的质量。kg/kmol，g/mol计算公式：M=yiMi； = M/V,、天然气的相
3、对密度定义：在标准状态下，天然气密度和干燥空气密度之比。公式：gsc /air标态 = Mg/Mair = Mg/28.97 (比容为密度的倒数）,三、偏差系数状态方程,、偏差系数（偏差因子）定义：一定数量的天然气，在相同压力温度下，实际体积和理想体积之比。（度量真实气体与理想气体性质的偏差）公式：Z=V / V理想数值：z可等于1，大于1，小于1。主要用途：计算储量，各种流动等等。,、偏差系数状态方程方程：（广义状态方程，可同时描述气液两相行为）几种表示形式：nKmol：PV = znRT，V = m3 体积1Kmol：PVm = zRT，Vm = m3/Kmol 千摩体积1Kg： PV =
4、 zRT/M， = m3/Kg 比容（密度的倒数）,3、应用举例,(1)标准态下空气密度： air = 1.205 kg/m3(2)标准态下天然气密度：sc = 1.205g kg/m3,四、天然气的偏差系数的求取,1、Standing & Katz图概念：范德华对应状态原理：两种性质相近的气体，在对应状态时，内涵性质一样（决定了对比参数相同时，偏差因子相同）。P23图2-1（说明Katz图使用方法）对比压力：c对比温度：c对比密度：c适用（用于不含非烃气体的天然气混合物）,天然气的临界参数如何求呢？,2、直接计算系数,allarborough方法应用范围:Tr1,计算步骤？,方法（1974，
5、BWR在拟合Standing-Katz图得）,其它求Z方法,SaremPapayLeungCarlie-GillettBurnettPapp,五、天然气的等温压缩率,、定义：等温条件，单位压力改变引起的单位体积的相对变化率。公式：,、实用式（由PV=ZRT，求V对P在恒温下的导数，代入定义式得到）,从Katz图可知其值可能0 、0、=0计算方法：手算、电算和查图,六、天然气体积系数,、定义：相同数量的天然气在地层条件下的体积与其在标准条件下的体积之比。两个特定状态，与过程无关g(why?) , 单位：m3sm3描述当气体质量不变时，气藏中的天然气开采到地面时由于温度和压力条件的改变引起的体积膨
6、胀大小。,什麽数量？,、计算式标准条件:Psc=0.101325MPa, Tsc=293.15KBg=3.45810-4zT/P3、膨胀系数（Eg）为体积系数的倒数（Bg1),使用Eg较方便4、等温渗流Bg与压力的关系Bg=C.Z/P,七、天然气的粘度,主要指动力粘度1、图版算法Carr Kobayshi & Burrows图版描述的是大气压下天然气的粘度1与分子量（或相对密度）和温度的关系函数关系式,图2-3 在大气压下天然气粘度和相对分子质量关系图,图2-4描述的是1与地层条件下粘度的比值函数关系式,图2-4 地层条件下的粘度与大气压下粘度之比对拟对比温度关系图,Carr Kobayshi
7、 & Burrows图版使用步骤,由温度T、分子量Mg或相对密度g查图求1；由对比参数ppr、Tpr查图2-4求/1；用第一步得到的1乘以第二步得到的比值可得高压下的粘度值。如果体系中存在非烃组分，需要用图2-3中的小图校正。,酸气校正方法,式中：在大气压和任意温度下“校正”了的天然气粘度； 是未经校正的天然气粘度； 存在有N2气时的粘度校正值； 存在有CO2气时的粘度校正值； 存在有H2S气时的粘度校正值。,2、用数据计算,Herning&Zipperer法特点：中低压气体适用,Lee&Gonzalez法,特点：不含非烃校正满足工程精度适用于计算机编程计算使用范围：37.8171.2、0.0
8、10355.158MPa,3 天然气相态,气藏类型：干气藏湿气藏凝析气藏重要性：川西北、川中、新疆、青海、华北、中原、大港等地都存在凝析气田。,主要内容,一、 烃类流体相态特性二、实际气体状态方程和热力学性质三、气液平衡及相图计算四、重馏分特征化五、相态法气藏类型判别简介,一、烃类流体相态特性,（一）基本概念（二）单组分和多组分烃类体系,（一）基本概念,体系相组分自由度相平衡化学位逸度,1、体 系,体系是在一定范围内一种或几种定量的物质体系和环境是相对的范围是研究时划定的环境和体系密切相关,体系分类,分为：孤立体系、封闭体系和敞开体系孤立体系：与环境无能量和物质交换封闭体系：与环境仅有能量交换
9、、无物质交换敞开体系：与环境既有能量交换、又有物质交换,2、相,体系内任何均一的部分体系总是由一定数目的相构成相有气、液、固三种，可以不连续存在（如：干冰可由固相直接到气相）相与相之间存在界面任何一相都能与体系的其它均匀部分分开,3、组分,构成体系的各种纯物质 可以是单质也可以是化合物 各物质之间无化学反应,4、 自由度,在不改变平衡体系中原有平衡相数的条件下可独立改变的量 天然气中一般为压力、温度、组成 当某一参数改变引起相数的改变，则 该参数不是独立变量,5、化学位,化学位：控制物质传递的强度位能它实际上是体系某种物质的偏摩尔内能（内能确定了分子运动速度）当有多相存在时，它决定了某种组分在
10、一相到另一相的传递强度概念抽象、难于具体化和计算。,6、相平衡,体系中各组分在相与相之间的迁移传递速度相等时的状态。迁移速度受化学位控制相平衡时，某组分在各相中的化学位相等（相平衡热力学条件）,7、逸度,逸度：校正了的压力，它是人们在实现由热力学变量（化学位）向物理测量变量转换的一种概念工具。它直接将数学上的抽象量与实际的可以测量的普通强度量相联系起来。,等温化学位 逸度系数 可由状态方程计算（对理想气体混合物其值位1.0）,相平衡时，某组分在各相中的逸度相等为相平衡的另一种热力学判定条件平衡常数,(二）单组分和多组分烃类体,单一烃类组分相态特征多组分烃类体系相态特征多组分体系的反转凝析现象常
11、见气藏的P-T相图,1、单一烃类组分相态特性,理论和实验研究同时表明，对于同一纯物质存在以下关系 它表明图解上述函数关系需要三维空间。在实际应用中三维空间难于应用实际经常使用的是：压力-温度投影图（ 简称PT图）压力-体积投影图（ 简称PV图）,单一组分烃类体系的相态研究已经揭示了相平衡的许多重要特性。无论体系多么复杂，多相共存、蒸气压、临界点、连续单相区等重要概念将会应用到任一体系。,临界点：气液相内涵性质相同的点，这时气液两相共存。临界参数：Pc，Tc，c，Zc，Vc正常相变：P衡定，T升高，液相全变为气相。T衡定，P下降，液相也会全变为气相。特点：无两相区，是一个急变过程。,2、多组分烃
12、类体系相态特征,单一组分与多组分体系的基本区别在于：体系中每增加一个组分就要增加一个自由度。我们必须规定附加的变量来确定体系的状态。对于一个含有N个组分的体系，其描述方程为： 由此可见，多组分体系不可能用三维空间来描述一个完整的体系。,多组分烃类体系P-T相图,两相共存的最高压力,两相共存的最高压力,泡点线,露点线,等液量线,12：地层压力下降，井筒可能全为干气，也可能有凝析油，但油能被采出。23：压力下降，气相逐渐向液相转变。在点2处，凝析液量最大，由于温度衡定，压力下降，使气相变为液相，这一现象与正常相变相反，称为反凝析过程。如果地层中析出的凝析油饱和度小于流动饱和度，这些油不能被采出，并
13、损失在地层中，称为凝析油损失。34：压力下降，液相逐渐又转变为气相，恢复为正常相变。45：压力继续下降，全部变为干气。,气藏类型-相图法：,干气藏： TReseroir Tm湿气藏： TReservoir Tm ，但地面分离条件落在两相区凝析气藏： TcTReservoirTm，Tm临界凝析温度Pm临界凝析压力,3、多组分体系的反转凝析现象,在纯组分体系中，当等温压缩或等压降温时，都会导致有液体的凝析产生。在多组分体系中则常常出现和这相反的逆变现象，即在等温降压或等压升温的情况下，反而会引起液体的凝析。天然气体系中凝析气体系特有的现象,4、常见气藏的P-T相图,干气气藏P-T相图示意图,C,湿
14、气藏P-T相图示意图,C,凝析气藏P-T相图示意图,C,二、实际气体状态方程,(1)*EOS的压力形式：(2)*EOS的Z因子形式(3)*用状态方程进行逸度计算(4)混合流体的焓的计算(5)混合流体的熵的计算(6)热容的计算,其最大的成功之处在于:,(1)第一次导出了满足临界点条件，且对V是简单的三次方型状态方程状态方程有明确的物理意义(2)通过与（Andrews）实测CO2体系临界等温线对比，首次用状态方程阐明气液两相相态转变的连续性(3)提出了两参数对比态原理(4)建立和发展能同时精确描述平衡气液两相相态行为的状态方程是可能的,存在的问题：,(1)它仅对理想气体做了简单的修正，引入a和b时
15、忽略了实际分子几何形态和分子不对称性及温度对压力的影响；(2)其理论临界压缩因子为0.375，远大于实测值0.292至0.264，仅适用于简单的球形对称的非吸性分子体系。,目前在状态方程改进，主要发展方向：,(1)基于统计热力学正则分配函数理论发展(2)由统计热力学刚球扰动理论发展(3)按摩尔密度展开级数并结合统计热力学发展(4)基于溶液活度理论发展(5)根据分子热力学建立偏心硬球模型对Van der Waals方程做半经验半理论改进,应用情况：,前三类有较严密的理论基础，但由于结构复杂，实际应用上存在一些困难活度理论在描述气液平衡方面不能令人满意 第五类方程目前用得最为广泛,主要介绍PR、SRK -EOS,1976年Peng和Robinson等人对VDW、RK、SRK进行了改进，它从哪几个方面进行了思考?(1)VDW方程的斥力项，从简单性和实用性来讲，任然是目前较好的；(2)对引力项和分子密度作出了深入的分析，给出了引力项更好的结构,1、PR-EOS的压力形式（1）压力形式,
