油层物理1-5 第五节 天然气的高压物性

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1、第五节 天然气的高压物性v一、天然气的组成 v天然气（Natural gas）：指从地下采出的，常 温常压下相态为气态的烃类和少量非烃类气体组 成的混合物。 天然气=低分子饱和烷烃+少量非烃气体组成烷烃CH4占绝大部分，70-90%C2C4含量不等C5少量非烃气体：H2S、CO2、CO、N2、水蒸汽等少量稀有气体：氦（He）和氩（Ar）v2、天然气的分类产状产状气田气（气田气（free gas)free gas) 凝析气（凝析气（condensate gas)condensate gas) 伴生气（伴生气（associated gas)associated gas) 硫含量硫含量净气净气含硫含

2、硫1g/m1g/m3 3( (标）标）重烃含量重烃含量贫气贫气/ /干气干气(poor (poor gas)gas)C C5 5+ +100g/m100g/m3 3( (标）标）3、天然气组成的表示方法三种方法：摩尔组成、体积组成、质量组成三种方法：摩尔组成、体积组成、质量组成 体积组成体积组成(Volume Fraction)(Volume Fraction)：各组分的体积占总体积的分数。各组分的体积占总体积的分数。 用符号用符号v vi i表示。表示。uu考虑天然气为遵循阿伏加德罗定律的混合气体，其体积组成与摩尔考虑天然气为遵循阿伏加德罗定律的混合气体，其体积组成与摩尔组成相等。组成相等。

3、 摩尔组成摩尔组成(Mole Fraction) (Mole Fraction) ：各组分的摩尔数各组分的摩尔数n ni i占总摩尔数的分数。占总摩尔数的分数。用用y yi i表示，是最常用的一种表示方法。表示，是最常用的一种表示方法。（摩尔分数，可用百分数，也可（摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示）用小数表示） 质量组成质量组成( ( Weight Fraction)Weight Fraction)：各组分的重量占总重量的分数，各组分的重量占总重量的分数， 用符号用符号G Gi i表示表示由由 G Gi i/M/Mi i= =n ni i，可推得：，可推得： M Mi i为为i i组分分子

4、量组分分子量 重量组成重量组成与与摩尔组成摩尔组成的换算的换算例题v知 质量组成 求 摩尔组成：组组分质质量分 数wini=wi/Miyi=ni/ niC10.850.85/1 40.932 C20.10.1/300.051 C30.040.04/4 40.014 C40.010.01/5 80.003 10.0651.000 二、天然气分子量、密度和相对密度 天然气分子量（天然气分子量（molecular weightmolecular weight）定义：标态下定义：标态下1mol1mol天然气具有的质量，即平均分子量、视分子量。天然气具有的质量，即平均分子量、视分子量。确定方法：确定方法

5、：二、天然气分子量、密度和相对密度v（1）天然气的视相对分子量 (平均相对分子量 molecular weight）vv定义：标态下定义：标态下1mol1mol天然气具有的质量天然气具有的质量Mi天然气组分i的相对分子量,g/mol,或kg/kmol。Mg 天然气的视相对分子量,g/mol,或kg/kmol；yi 天然气的组分i摩尔分数,小数；空气的相对分子质量为28.97。二、天然气分子量、密度和相对密度 （2 2）天然气密度天然气密度(density) (density) 定义：在一定温度、压力下，单位体积天然气的质量定义：在一定温度、压力下，单位体积天然气的质量（g/cm3，Kg/m3）

6、天然气相对密度天然气相对密度(specific gravity or relative (specific gravity or relative density)density)定义：在定义：在2020，0.101MPa(0.101MPa(标准状态)下天然气下天然气的密度与干的密度与干 燥空气的密度之比。燥空气的密度之比。三、天然气的状态方程v状态方程(EOS) Equations of StateEquations of State ： v描述流体压力、体积、温度之间关系的数学方程 式。F（p、V、T）0 上式描述的气体pVT 行为与气体种类无关。 理想气体(ideal gas)：气体分子

7、无体积、无质量、相互间无作用力的假想气体。1 1、理想气体的状态方程、理想气体的状态方程三、天然气的状态方程v 实际气体(real gas)： 分子有大小、分子间有作用力（引力attractive force、斥力repulsive force）pVT 行为常常不满足理想气体状态方程：在低压下，近似满足（4atm，温度较高）在高压下，分子间距不能忽视分子大小及分子间作用力不满足理想气体状态方程三、天然气的状态方程v2、真实气体的状态方程Z偏差系数、偏差因子(deviation factor) 特点：特点：保留了理想气体状态方程的基本形式，仅增加参数保留了理想气体状态方程的基本形式，仅增加参数Z

8、 Z。计算简便，广为工程计算中采用。计算简便，广为工程计算中采用。不受压力的限制，在很高的压力下可用。不受压力的限制，在很高的压力下可用。(1)(1)天然气偏差系数状态方程天然气偏差系数状态方程三、天然气的状态方程（2）压缩因子Z的物理意义Z 的大小反映了引力、斥力及分 子大小的影响的综合效果。具体而言，在相同温、压下：ZV实V理 Z1，V实V理 Z1，V实V理 Z1，V实V理分子有体积分子有体积 分子间斥力分子间斥力分子间引力分子间引力 反映了实际气体与理想气体压缩性的差异。Z称为“压缩因子” compressibility factor实气、理气压缩性相同实气比理气易压缩实气比理气难压缩三

9、、天然气的状态方程在温度T下，依据状态方程有：（3）压缩因子Z 的求取 实验测定 图版法 实验测定 据此式可测得各种气体不同T、P下的Z。式中：式中：P P0 01at1at，V V0 0为为T T、P P0 0下的体积。下的体积。在低压P0下 ：在压力P下： 图版法 单组分气体：用实验测定的不同T、P下的Z绘制 混合气体：据对应状态原理用气体实测数据绘制ZP图版ZPr通用图版三、天然气的状态方程v范德华 (Van der waals)提出： 对于对比压力、对比温度相同的两种气体，它 们的对比体积也近似相同，则称这两种气体处 于对应状态。当两种气体（纯气体）处于对应 状态时，气体的许多内涵性质

10、（即与体积大小 无关的性质）如压缩系数、粘度也近似相同。v 对应(比)状态定律（ Law of Corresponding States ） ： 在相同的对应温度和对应压力下，所有的纯烃气体具 有相同的压缩因子。 目前广泛采用双参数压缩系数法来考虑实际气体的状 态变化，而认为Z是Pr(对比压力）和Tr（对比温度） 双参数的函数即Z=Z（Pr，Tr）， 其中Pr=P/Pc，Tr=T/Tc。 式中： P，T分别为气体所处的压力和温度； Pc，Tc 分别为该气体所处的临界压力和临界温度。 适用条件：组分间化学性质差异不大的混合气体。 也适用于由多组分烃混合而成的天然气。天然气的临界参数很难获得，首先

11、将其临界参数 处理为“视（Pseudo）临界参数” ，其定义为：式中：Pci，Tci分别为组分i的临界压力和临界温度；Ppc，Tpc 分别为该气体的视临界压力和视临界温度；yi 组分i的摩尔分数。有了视临界参数后，便可算出天然气的视对比压力和温度，即：此法仅适于非烃含量较少（如此法仅适于非烃含量较少（如N2N22%2%，CO2CO21%1%）的天然气求视临）的天然气求视临 界参数。界参数。 非烃含量较高时，需作校正。非烃含量较高时，需作校正。H2S和CO2校正： 视临界温度校正系数 。Tc 用Kay混合法则计算的天然气的视临界温度,K； pc 用Kay混合法则计算的天然气的视临界压力,MPa；

12、 Tc 校正后的视临界温度,K； pc 校正后的视临界压力,MPa；A 天然气中H2S和CO2摩尔分数之和 ； B 天然气中H2S摩尔分数；非烃组分校正H2S和CO2校正：非烃组分校正含氮：ZN 含氮气的天然气压缩因子 ；Zg 纯烃气体压缩因子；ZN 氮气的压缩因子；yN含氮天然气中氮气的摩尔分数；Z 含氮天然气的压缩因子；非烃组分校正含氮：非烃组分校正由于引入视对应温度、压力，这样就可以把混合气体（天然气） 视为纯气体对待，故只要作出某一天然气的压缩因子Z 图版， 即可由此图查出另一些天然气的Z值。确定偏差因子的步骤： 根据已知的天然气组成或者相对密度求拟临界压力和拟临界温 度 如含有非烃气

13、体，则对拟临界压力和拟临界温度进行校正 根据给定的TP，计算TPr PPrTPr =T/ TPcPPr =P/ PPc 查图版，求z四、天然气的体积系数和压缩系数1.体积系数Bg定义：气体在油层条件下所占体积与在标准状况（ 0 C ，0.1MPa）下所占体积之比。 地面标准状况下体积： Vsc = nRTsc/psc油藏条件下体积： V = ZnRT/pBg = V / V s c在探明了储气层的地下储气体积（ Vg=AhSg）之后，能否直接算出在地面标 准条件的气体体积呢？也就是说，处于高温高压 下的地下体积和标准状态下的地面体积之间有什 么关系呢？所以天然气的体积系数Bg实质上表示了天然气

14、在油藏条件下所占体积与同等数量的气体在标准状况下 所占的体积之比。即Bg描述了 当气体质量不变时 ，从地下到地面，由于压力、温度的改变所引起的 体积膨胀大小。天然气的体积系数Bg定义：一定质量天然气在地下的体积与其在地面标准状 态（20，0.1MPa）下的体积之比。天然气的体积系数Bg例：已知P=16.548MPa，t=138.9，Z=0.923， Vrec=1.5108m3，求：气体的储量（地面标准状态m3）？五、天然气等温压缩系数Cg 定义：天然气等温压缩系数（简称压缩系数，弹性压缩系数， 压缩率）是指，在等温条件下，天然气体积随压力变化率。其 数学表达式为：这样可由相应温度（等温）条件下

15、的Zp图，查得相应 压力p及此压力对应的Z值和相应的斜率Z/p，代入即可求 得Cg。六、天然气的粘度流体粘度的大小对于它在地层中或管路中的流动 计算是很重要的参数。粘度的高低表明流体流动的难 易，粘度越大，流动阻力越大，越难流动。1. 定义由牛顿内摩擦定律：F=Adv/dx 得：F气体内摩擦阻力； dv/dx速度梯度； 流体粘度，又称动力粘度（绝对粘度）六、天然气的粘度 viscosityCGS制单位： 1N=105达因标准单位： 常用单位：mPa.s； 1Pa.s=1000mPa.s1泊100厘泊 1厘泊1 mPa.s Centimeter-Gram-Second (system of units) 厘米,克,秒单位制 2.天然气粘度的影响因素粘度与温度、压力和气体组成 有关 ，且 高压与低压下天然气的粘度变化规律不同。 （1）低压下（接近大气压）随温度增加，粘度增加；压力变化对粘度几 乎无影响。 气体分子动力学而且非烃类气体的粘度大于烃类气体的粘度；烃类气体的粘度随分子量的增加而减小。 大气压下天然气的粘度曲线计算1）已知天然气组成时，在1atm不同温度下的天然气粘度按下式计算2）当非烃类气体含量大时须根据含量大小、M及天然气比重查图，对天然气在一个大