油层物理第五节天然气的高压物性

1、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）2v2、天然气的分类33、天然气组成的表示方法niiiinny1/11niiyniiiiVVv1/11niiv niiiiwwG1/11niiG4niiMiGiMiGnniyniii1/15例题v知 质量组成 求 摩尔组成：组分质量分数wiwin ni i=w=wi

2、 i/M/Mi iy yi i=n=ni i/n/ni iC1C10.850.850.85/140.85/140.932 0.932 C2C20.10.10.1/300.1/300.051 0.051 C3C30.040.040.04/440.04/440.014 0.014 C4C40.010.010.01/580.01/580.003 0.003 1 10.0650.0651.000 1.000 6二、天然气分子量、密度和相对密度niiiMyM17二、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）kiiigMyM1Mi天然气组

3、分天然气组分i的相对分子量的相对分子量,g/mol,或或kg/kmol。M Mg g 天然气的视相对分子量天然气的视相对分子量,g/mol,g/mol,或或kg/kmolkg/kmol；y yi i 天然气的组分天然气的组分i i摩尔分数摩尔分数, ,小数；小数；空气的相对分子质量为空气的相对分子质量为28.97。8二、天然气分子量、密度和相对密度Vmg/（g/cmg/cm3 3，Kg/mKg/m3 3）标准状态)2997.28ggagaggMMMM9三、天然气的状态方程v状态方程(EOS) ：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）0nRTpV 上式描述的气体上式描述

4、的气体pVTpVT 行为与气体种类无关。行为与气体种类无关。 理想气体理想气体(ideal gas)(ideal gas)：气体分子无体积、无质量、：气体分子无体积、无质量、相互间无作用力的假想气体。相互间无作用力的假想气体。10三、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11三、天然气的状态方程v2、真实气体的状态方程Zn

5、RTpV Z偏差系数、偏差因子偏差系数、偏差因子(deviation factor) 12三、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 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13三、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00VPPVZ 据此式可测得各种气体不同T、P下的Z。在低压P

6、0下：nRTVP 00在压力P下：ZnRTPV 14 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15v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（即与体积大小无关的性质）如压缩系数、粘度也近似相同。16v 对应对应(比比)状态定律状态定律（ 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

7、具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。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，而认为态变化，而认为Z是是Pr(对比压力）对比压力）和和Tr（对比温度）（对比温度）双参数的函数即双参数的函数即Z=Z（Pr，Tr），）， 其中其中Pr=P/Pc，Tr=T/Tc。 式中：式中： P，T分别为气体所处的压力和温度；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。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。适用条件：组分间化学

8、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。也适用于由多组分烃混合而成的天然气。17ciipcciipcTyTpyp 天然气的临界参数很难获得，首先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。18ciipcprciipcprTyTTTTpypppp 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：19H H2 2S S和和COCO2 2校正：校正： ccTT BBTTppcccc 18 . 1/1512045 .

9、06 . 19 . 0BBAA 视临界温度校正系数。视临界温度校正系数。T Tc c 用用KayKay混合法则计算的天然气的视临界温度混合法则计算的天然气的视临界温度,K,K；p pc c 用用KayKay混合法则计算的天然气的视临界压力混合法则计算的天然气的视临界压力,MPa,MPa；T Tc c 校正后的视临界温度校正后的视临界温度,K,K；p pc c 校正后的视临界压力校正后的视临界压力,MPa,MPa；A A 天然气中天然气中H H2 2S S和和COCO2 2摩尔分数之和；摩尔分数之和；B B 天然气中天然气中H H2 2S S摩尔分数；摩尔分数；非烃组分校正非烃组分校正20H H

10、2 2S S和和COCO2 2校正：校正：非烃组分校正非烃组分校正21NNNgNyZyZZ1含氮：含氮：Z ZN N 含氮气的天然气压缩因子；含氮气的天然气压缩因子；Z Zg g 纯烃气体压缩因子；纯烃气体压缩因子；Z ZN N 氮气的压缩因子；氮气的压缩因子；yN含氮天然气中氮气的摩尔分数；含氮天然气中氮气的摩尔分数；Z Z 含氮天然气的压缩因子；含氮天然气的压缩因子；非烃组分校正非烃组分校正22含氮：含氮：非烃组分校正非烃组分校正23由于引入视对应温度、压力，这样就可以把混合气体（天然气）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

11、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，图版，即可由此图查出另一些天然气的即可由此图查出另一些天然气的Z值。值。确定偏差因子的步骤：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度 如含有非烃气体，则对拟临界压力和拟临界温度进行校正如含有非烃气体，则对拟临界压力和拟临界温度进行校正 根据给定的根据给定的TP，计算，计算TPr PPr TPr =T/ TPc PPr =P/ PPc 查图版，求查图版，求z24四、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

12、 （ 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？25pptZpTZTpVVBscscscscg273273所以 天然气的体积系数Bg实质上表示了天然气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。26天然气的

13、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。27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）？28五、天然气等温压缩系数C Cg g TgTgpZZpCpVpZnRTVpVVC11,1求导后代入上式得对定义：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。29dx

14、dAF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）30六、天然气的粘度六、天然气的粘度 viscosityCGSCGS制单位：制单位： 1N=105达因).(100.1 . 0111122smPasPascmscm泊达因达因标准单位：标准单位： sPasmNmsmmNdydu1/1/122常用单位：常用单位：mPa.s； 1Pa.s=1000mPa.s1泊泊100厘泊厘泊 1

15、厘泊厘泊1 mPa.sCentimeter-Gram-Second (system of units) 厘米,克,秒单位制 312.2.天然气粘度的影响因素天然气粘度的影响因素31 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。 32大气压下天然气的粘度曲线大气压下天然气的粘度曲线33 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

16、天然气比重查图，对天然气在一个大气压下粘度图版进行校正，将两个粘度相加。2/12/11iiiigigMYMY342. 2. 高压下高压下气体的粘度随压力的增加而增加；气体的粘度随压力的增加而增加；在高压下，气体密度变大，气体分子间的相互作在高压下，气体密度变大，气体分子间的相互作用力起主要作用，气体层间产生单位速度梯度所用力起主要作用，气体层间产生单位速度梯度所需的层面剪切应力很大。需的层面剪切应力很大。气体的粘度随温度的增加而减小；气体的粘度随温度的增加而减小；气体的粘度随气体分子量的增加而增加。气体的粘度随气体分子量的增加而增加。高压下，气体的粘度具有类似于液态粘度的特点。高压下，气体的粘