油田基础化学修订版第1章石油气体

1 / 20《《油田基础化学油田基础化学》》目录目录第一章第一章 石油气体石油气体…………………………………………………………………………………1第一节 石油气体的成分和性质……………………………………………………………1第二节 理想气体定律及相关计算………………………………………………………………4第三节 实际气体的范德华方程式………………………………………………………………7第四节 气体的液化与临界状态…………………………………………………………………9第五节 压缩因子………………………………………………………………………………12第一章第一章 石油气体石油气体石油气体，指的是油层中与石油共生、伴随石油一起开采出来的气体，及部分溶于石油中的天然气，故又称为油田气或石油伴生气，并非指石油在提炼汽油、煤油、柴油、重油等油品过程中剩下的石油尾气在油田生产中常常会遇到和用到气体，如天然气的开发、气体泡沫钻井液技术的应用、混相驱油、凝析油气田的开采等因此对于油气田来说，石油气体一章更为重要描述气体行为的因素有四个：压强（p） 、体积（v） 、温度(T)及物质的量(n)本章将讨论气体的宏观性质压强（p） 、体积（v） 、温度(T)及物质的量(n)之间的变化规律及常用的计算方法。

第一节 石油气体的成分和性质石油气体中除含有较多甲烷、乙烷外，还含有少量易挥发的液态烃及微量的二氧化碳、氮、硫化氢等杂质不同地域的石油气体，其成分和含量均不相同，以中原油田为例(体积百分比 V％)：甲烷 93.609；乙烷 4.1154；丙烷 1.19732；其它组分(丁烷、戊烷、氮、二氧化碳等)1.07831一、基本特性：一、基本特性：1、天然气的相对分子质量：由于天然气是多种气体的混合物，可用下列公式计算其相对分子质量：多种气体的混合物，可用下列公式计算其相对分子质量：M=M：相对分子质量；yi：天然气各组分的体积组成；Mi：天然气各组分的相对分子质量；2、天然气的相对密度：天然气的相对密度，是指在同温同压条件下，天然气的密度与空气密度的比值：G= ρ: 天然气的密度, g.L-1；2 / 20：空气的密度；3、临界温度：使天然气液化的最高温度称为天然气的临界温度；在临界温度下使气体液化的最低压力称为天然气的临界压力临界温度、临界压力统称为临界参数这些参数对应的状态叫临界状态4、湿度和露点：天然气的绝对湿度，是指单位体积天然气中所含水蒸气的质量，单位是 g.m-3在一定温度和压力条件下，天然气的含水量达到某一最大值，就不能再增加水汽的含量，同时开始有水从天然气中凝析出来，此时的天然气含水量达到饱和，即天然气为水汽饱和。

天然气为水汽饱和时的绝对湿度，称之为饱和绝对湿度，或简称饱和湿度饱和湿度是湿一定压力和温度条件下天然气的最大含水汽量天然气中的含水汽量超过此值后，就会有液态水析出在相同压力和相同温度下，气体的绝对湿度和饱和绝对湿度的比值称为相对湿度在一定压力下，饱和绝对湿度对应的温度称为水的露点二、热力学性质1、天然气的热值天然气的热值是单位质量的天然气完全燃烧后放出的热量其国际单位为 kJ.kg-1天然气的热值分为高热值和低热值高热值（全热值）燃烧的反应热加上水蒸气冷凝的潜热称为天然气的高热值低热值（净热值）不包含水的冷凝在内的燃烧热，称为天然气的低热值2、粘度粘度是表示流体流动时分子间因相对运动而产生的阻力大小的物理量粘度大的流体流动困难，粘度小的流体易于流动实质上，粘度表征流体内部有相对运动时，相互间的摩擦力，即相互障碍运动的力，内摩擦力也叫做粘滞力流体的粘滞力可用牛顿内摩擦定律计算 F=η式中 F：两层流体间的内摩擦力，N；η：流体的动力粘度，Pa.s 或 N.s/m2；d：两层流体间的距离，m；A：两层流体间的接触面积，m2；Vv：两层流体间的相对运动速度，m/s；工程上经常使用的运动粘度，因为运动粘度在计算中比较方便，它是动力粘度与密度的比值，即： μ=η/ρ3 / 20式中 μ：流体的运动粘度，m2/s；动力粘度又称为绝对粘度，运动粘度又称为相对粘度。

天然气的粘度，与其组分相对分子质量、组成、温度及压力有关在低压条件下，压力变化对气体粘度影响不明显，温度升高，气体粘度增大在高压条件下，压力增加，气体粘度增大，在压力不变时，温度升高，分子运动速度增大，使分子间分子接合条件恶化，气体粘度降低天然气的最主要成分是甲烷，一般情况下天然气中甲烷含量可达 95﹪以上，故可以用甲烷的粘度代替天然气的粘度第二节 理想气体定律及相关计算一、低压下气体基本定律一、低压下气体基本定律自十七世纪到十九世纪初期，一些物理学家对气体的温度、体积、压强以及物质的量之间的关系进行了大量实验和研究，发现和总结了低压的一些基本规律， 现分述如下：1.玻义尔定律在一定温度条件下，一定量气体的体积与其压强成反比，其数学式为1-1 (1-1） 式中：p1—状态 1 下气体的压强，单位为 Pa；V1—状态 1 下气体的体积，单位为 m3或 L；P2—状态 2 下气体的压强，单位为 Pa；V2—状态 2 下气体的体积，单位为 m3或 L；pV 的乘积为一常数，其大小与温度和气体的分子数量有关2.查理—盖·吕萨克定律在一定压强条件下，一定量的气体的体积与其绝对温度成正比。

其数学式为：（1-2）（1-2）式中：T1— 状态 1 下气体的热力学温度即绝对温度，单位为 K,它与摄氏温度 t1的关系为：T1= 273.15+t1；T2— 状态 2 下气体的热力学温度即绝对温度，单位为 K,它与摄氏温度 t1的关系为：T2= 273.15+t2；V1—状态 1 下气体的体积，单位为 m3或 L；V2—状态 2 下气体的体积，单位为 m3或 L；V/T 为一常数，其大小与压强和气体的分子数量有关 3.阿佛加德罗定律在一定温度和压强条件下，气体的体积与其物质的量成正比其数学式为(1-3a）2211VpVp2121 VVTT2121 VV nn4 / 20式中：n1— 状态 1 下气体的物质的量，单位为 mol；n2— 状态 2 下气体的物质的量，单位为 mol；V1—状态 1 下气体的体积，单位为 m3或 L；V2—状态 2 下气体的体积，单位为 m3或 L；V/n 为一常数，其大小与温度和压强有关且 （1-3b）（1-3b）式中：Vm—气体摩尔体积，单位为 m3·mol-1 或 lL·mol-1 。

二、理想气体状态方程式二、理想气体状态方程式随着科学的发展，高压技术的出现及测量仪器日益精密、实验技术的不断改进，人们发现上述的气体定律并不能在任何温度与压强下都能严格地描述气体的行为只有温度较高、压强较低时，气体的行为才近似符合上述定律为了更确切地概括气体的共性，更方便地研究气体性质，人们提出了理想气体的概念理想气体是指在任何温度压强下都能严格遵守气体基本定律的气体理想气体必须具有两个特征：一个是分子本身不占有体积；另一个是分子之间没有作用力事实上任何真实气体分子本身都占有体积，分子间都存在作用力所以，理想气体是一种假想的气体模型，只有在 p→0 时，实际气体可视为理想气体但是在高温低压时，实际气体分子之间距离很大，作用力很小，分子本身所占体积与气体占据的体积相比可忽略不计，此时的实际气体就具备了理想气体的特征，故可视为理想气体为了得到理想气体 p、V、T 之间更普遍的关系式，我们把几个定律的数学表达式联合起来，可得到下式：（1-4a） 上式称为理想气体状态方程式上式的变形公式：pM=ρRT （1-4b）ρ 为体积质量，单位为 g.m-3。

对 1mol 理想气体，状态方程式可写为：（1-4c） 式中：R— 气体常数，它的数值与气体种类无关，仅与 p、V 所取的单位有关，当采用法定单位制时，R=8.314 关于 R 的数值，我们可以从气体摩尔体积得到对于 1mol 任何气体在101325Pa，273.15K 时，其气体体积都约为 22.414 升，即 22.414×10-3m3，把这些数据代入式(1-4a)：nVVmnRT pVRT pmV11molKJ)(314. 8)(314. 815.273110414.22101325111133molKJmolKmPanTpVR5 / 2012010127101371314. 8495. 065pVmRTMRTMmpVnRTpV体体当 p、V 采用其他单位制时，R 的数值将发生相应改变，在参考其他书刊时，应予注意理想气体状态方程严格地讲只适用于理想气体，即便低压下的气体，对理想气体状态方程式也会产生偏差。

但是，由于该方程式不含表征不同气体特性的变量，形式简单，用以计算高温低压的实际气体时，可得到较为满意的结果，所以在工程计算中长期被广泛采用甚至，常温常压下的许多气体也可以用理想气体状态方程式进行近似计算三、理想气体状态方程式的应用三、理想气体状态方程式的应用理想气体状态方程除对 p、V、T、n 进行计算之外，还可求气体的质量、分子量及密度等1. 气体质量、分子量的求解因为 ，由式(1-4a)得：式中：m——气体的质量，单位为 kg 或 g ；M——摩尔质量，单位为 2. 密度的求解因为 ，由式(1-4a)得：式中：ρ——气体密度，单位为33mgmkg或例 1-1 1 摩尔 CO2气体在 313K 时的体积为 0.381 升，求该状态时气体的压强解：例 1-2 将 0.495g 氯仿收集在体积为 127ml 的烧瓶中，在 371K 时瓶内的蒸气压强为1×105Pa,试计算氯仿的分子量解：例 1-3 求氨在 373K 和压强为 1.1×105Pa 时的密度解：Mmn RTMmpVVmRTpMPaVnRTpnRTpV6 31083. 610381. 0313314. 81体体)(603373314. 8101 . 11735 mgRTMpRTMpnRTpV体体11molgmolkg体6 / 20KKLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL)3()2() 1 (332211    RTnVpRTnVpRTnVp在生活、生产以及科学实验中所遇到的气体常常是混合气体，如空气、天然气等。

在混合气体中人们常要了解某一种组分气体在恒温恒容下的压强，或恒温恒压下的体积，为此前人总结出分压定律和分体积定律为了研究的方便，我们所讨论的混合气体是指几种理想气体的混合物，而且各组分气体之间不发生化学反应四、分压定律四、分压定律在温度为 T 和体积为 V 的容器中，盛有 nAmol 的 A 气体和 nBmol 的 B 气体，此时混合气体产生的压强称为混合气体的总压强，简称总压，用 p 表示若把混合气体中 nAmol 的 A 气体或 nBmol 的 B 气体单独放置于温度为 T 和体积为 V的容器中，测得他们的压强 PA和 PB，分别称为 A 气体和 B 气体的分压强，即某组分气体单独存在并具有与混合气体相同体积、相同温度时所产生的压强称为分压强，简称分压，用 pi表示借助于图 1-1 可以使我们更清楚地了解总压和分压的概念图 1-1 总压和分压示意图英国化学家道尔顿在总结了大量实验结果后，于 1801 年提出了分压定律：混合气体。