2022年《油藏物理》教案

1、第三节自然气的高压物性（4 学时）一、教学目的 明白自然气的组成和分类方法,娴熟把握自然气各种高压物性参数的 运算方法；明白对应状态原理的应用；二、教学重点、难点 教学重点 1、自然气各种高压物性参数的运算 2、对应状态原理的证明及应用 3、压缩因子的物理意义 教学难点 1、对应状态原理的证明 2、多组分体系压缩系数的运算 三、教法说明 课堂讲授并帮助以多媒体课件展现相关的数据和图表 四、教学内容 本节主要介绍六个方面的问题：一、自然气的组成 二、自然气的分子量等参数 三、自然气的状态方程 四、自然气的体积系数五、自然气的压缩系数 六、自然气的粘度（一）、自然气的组成及分类 1、自然气的组成

2、化学组成：自然气就是指地下采出的可燃气体的总称,它是由多种气体组成的一 种混合物,其组成主要的烃类气体,同时含有少量的非烃类气体,自然气 的组成通常采纳气相色谱仪进行全分析来获得,从化学角度来看,自然气 通常含有：（1）甲烷（ 80%）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷（少） 、己烷、庚烷（2）H2S、硫醇、硫醚、 CO 2、CO、N2、H2O、He、Ar 自然气在地层中有三种存在形式：（1）以溶解状态存在于原油中（2）以游离状态存在于气通部分（3）存在于气层中 自然气的三种组成表示方法：（1）重量组成：g iiW i100 %nW i1（2）体积组成：y iiV i100 %nV i1（3）摩尔组成：

3、y iiNii100 %nN12、自然气的分类（1）、按矿藏分气田气：C180% C2C4不多C5 +甚微油田气：（溶解气、气顶气） C2含量高 ,C1变化大 2097% 凝析气田气： C5 +含量较多, C17594% （2）、按组成分 湿气（富气）：C6 +100g/m 3贫气： C6 干气： C6+ 10100g/m 3+10g/m 3（3）、按含硫量分：3净气： S1g/m 3酸气： S1g/m（二）、自然气的分子量及比重 1、自然气的分子量 自然气的视分子量：自然气为一种由多种烃类和非烃类气体组成的混 合物,它没有固定的分子式和分子量,人们为了以后运算上的便利,特意给自然气假想了一个

4、分子量,称为视分子量；（1）、定义：把在 0,760毫米汞柱,体积为22.4 米3（升）的自然气所具有的重量定义为该种自然气的公斤（克）分子量；（2）、运算：Min1yiMiMin1yiMi1 ni1giMi留意：自然气的组成不一样,分子量不一样；组成相同,比例不同,分子量也不同；2、自然气的比重（1）、定义：在相同温度和压力下,自然气的温度与空气的重度之比；（2）、运算 : Sr gSins iyira1M自然气的比重一般为28.971.0 ,自然气的比重测0.5 0.7 ,个别情形大于量常采纳上述的公式运算或采纳比重瓶法直接测试； 三 、自然气的状态方程 所谓状态方程就是指描述气体体积、压

5、力、温度的关系表达式；（1）、抱负气体状态方程式抱负气体状态方程式为：PV=nRT 式中：P气体的压力, MPa VP下气体的体积,升T肯定温度,（273.15+0C）0K N气体摩尔数 R气体常数 抱负气体状态方程式的适用条件：（1）气体分子为无体积无质量的质点；（2）气体分子之间无作用力（引力和斥力）真正的抱负气体是不存在的,但在高温顺低压状态下的气体可以近似地看作抱负气体,这是由于在高温低压下（1）气体分子间距大,分子间的作用力可以忽视不计； （2）气体体积较大,气体分子本身的体积可以忽视 不计；（2）、实际气体状态方程式 A、从抱负气体的假设入手 范德华方程式：Pn2aVnbnRTV2

6、Pa2VbRTVa范德华常数 b范德华常数 压力项的修正考虑的是分子引力因素,体积项的修正考虑的是分子体 积因素；除范德华方程外, 仍有 RK（Redlich-Kwong ）状态方程、 SRKSoave- Redlich-Kwong 状态方程等,同学们可参阅有关文献；B、试验法 依据抱负气体状态方程式,对抱负气体状态方程式直接进行修正,修 正后的状态方程为：PV=ZnRT 式中 Z 称为压缩因子,它反映了实际气体与抱负气体的一切偏差；既 考虑了分子作用力的存在,也考虑了气体分子自身体积引力因素使得真 实气体较抱负气体易于压缩,而体积因素使得真实气体较抱负气体难于压 缩,值的大小就是这两个因素影

7、响的综合表达Z时,气体的引力因素和体积因素相等,但并不表示此时的真实气 体就是抱负气体Z时,气体的引力因素体积因素, 真实气体较抱负气体难于压缩Z时,气体的引力因素体积因素, 真实气体较抱负气体易于压缩由此可见,要运用实际气体状态方程式进行气体状态的运算,就先必须确定在两种不同状态下气体的压缩因子 Z；那么,气体的压缩因子 Z 如何求得呢？A、单组分体系 试验法 作图 B、多组分体系 对应状态原理法对应状态原理假如两种气体处于对应状态, 就这两种气体的全部内涵性质相同. 即与某种物质量的多少无关的量 对应状态, 如压缩因子 , 粘度等 假如两种气体的对比压力和对比温度相同 , 就这两种气体处于

8、对应状态. 对比压力Pr=P/Pc Pc-临界压力对比温度Tr=T/Tc Tc-临界温度临界状态当某种物理的气液界面消逝时所对应的温度和压力就称为临界温度和临界压力 . 此时的物质统称为流体 , 而气相和液相的性质完全相同 . 常见气体的临界参数气体分子式分子量临界压力 MPa 临界温度 K 甲烷CH4 16.0 4.64 190.67 乙烷C2H6 30.1 4.88 303.50 丙烷C3H8 44.1 4.26 370.00 正丁烷nC4H10 58.1 3.79 425.39 CO2 CO2 44.01 7.38 304.17 H2S H2S 34.0 9.00 373.56 N2 N

9、2 28.0 3.39 126.11 自然气视临界参数运算 1 公式法 : Ppcin1yiPcin 2 查图法 : Tpci1yiTci对应状态原理的证明 由范德华方程式Pa2VbRTv在临界点得 , 水平拐点PPTc0V2Tc0V2PRT c22a0VTcV3Vb36a02P2RT cV2TcV4Vb解方程组得：V mVc3 bRP cVcT c8a27R bTcZP ca27 b2c或a3P cV2ZcP cVc3c1VcbRT c83将所得的 a、b 值代入范德华方程中得：P3 P cV2 cVVc8P cVc TV233T c两边同除 PcVc得P3P cV23 VVc8T, 就其对

10、比体c2VP c3 Vc3TcP3V2V18TcP cV2Vc33TcP3V2V18T33由此可见 , 任何两种气体只要其对比压力和对比温度相等积也相等 , 这就说明该两种气体处于对应状态. ZPV RTPVPcVcPcTcVcRTPcVcTcPcVcPVRTcTTcZcPVT从上式可以看出 : 只要气体的临界压缩因子Zc 为一常数 , 就当两种气体的对比压力和对比温度相等时 , 它们的压缩因子必相等 . 常见气体的临界压缩因子气体Pc Tc Vc Zc Zc氦 He 2.26 5.3 0.0578 0.30 氢 H212.8 33.3 0.0650 0.305 氧 O250.10 154.8

11、 0.0780 0.307 氮 N233.5 126.2 0.0901 0.297 甲烷 CH445.8 190.7 0.990 0.290 乙烷 C2H650.0 282.4 0.124 0.268 苯 C6H648.6 562.0 0.260 0.274 二氧化碳 CO72.9 304.2 0.094 0.274 氨 NH3111.5 405.6 0.072 0.242 从表中可以看出,尽管各种气体的临界参数Tc、Pc 相差很大,但相差微小 , 这说明用对应状态法求真实气体压缩因子完全满意精度要求 . 自然气压缩因子的求解步骤 1 依据组成求 Pc、Tc 2 由给出的 P、T 求 Tr、P

12、r 3 依据 Tr 、Pr 查自然气压缩因子图版 3 自然气压缩因子的校正（A）N2 对压缩因子的影响：埃勒尔茨等人讨论了N2 对自然气压缩因子的影响后指出：假如自然气中 N2的含量 10%,那么按对应状态理论运算的该混合气体的压缩因子误差1%；假如含量 20%,误差将 3%这时建议采纳下述方法来运算含 N2的天 然气的压缩因子；a ）ZayN2ZN21yN2Zg式中：yN2自然气中的摩尔分数；Zg气样中烃混合气的压缩因子,同前依据对应状态原理求得, 值得留意的是,这时的烃类气体的组成应当重新折算到将整个烃类气体视 为 100%时的摩尔组成,再依据新的组成来运算临界参数,然后求得 Zg 值；Z

13、N2氮气的压缩系数,可查N2的压缩因子图版 见多媒体 ；b ）运算含 N2的自然气的真实压缩系数Z C Z aC附加比校正系数, 这个校正系数与自然气中 N2 的含量有关； 见多媒体 （B）CO 2 对 Z 的影响Z Z CO 2 y CO 2 1 y CO 2 Z g斯坦丁指出： 气样中 CO 2的含量在 2%以下时,用对应状态原理运算可得到中意的结果； 再次等又指出, 如气样中 CO 2 含量为 4%时,用对应状态原理所运算的 Z 值将产生 5%的误差,并建议：含 CO 2的自然气的压缩因子用下式运算：Z a y CO 2 Z CO 2 1 y CO 2 Z gZ CO 2CO 2 的压缩

14、因子,可以查图；假如自然气中同时含有 Z CO 2、N2,那采纳下式运算：Z a Z CO 2 y CO 2 y N 2 Z N 2 1 y CO 2 y N 2 Z gZ CZ aC f y N 2Zg烃类气体的压缩因子（C）H2S对 Z 的影响目前,关于 H2S 对 Z 的影响的资料甚少,讨论的也不多；但对于 H2S含量不多的自然气可以直接将H2S的临界参数参加混合运算来确定压缩系数；对 H2S 含量较大的气样,建议采纳试验室测量；对于 H2S 和 CO 2含量很高的自然气,那么就采纳：T paT pc.0 5550TpcBP pc.1 8 P pc.1 8 TpcB1Tpc、Ppc气样校

15、正前的视临界系数,运算；Tpc、P pc校正后的视临界参数；2SB在含和 H2S的自然气中, B=yH视临界温度校正系数最终依据Tfy CO 2,y H2Spc、P pc来求 P 、T ,从而查出 Z 值； 四 、自然气的体积系数 1 定义: 气体在地层条件下所具有的体积 （游离态气体, 如气顶气、气层气）与标准状况下所占有体积的比值 . 无单位 2 运算: BgVP 0Z273tP 0VgoZnRTPnRT 0ZT T 0P 0P273 P一般情形下 Bg1 3 物理意义 : 反映了单位体积（标况）的自然气地层条件下所占有的体积； 五 、自然气的压缩系数 1 定义 : 压力每转变一个单位 大

16、气压 时,气体体积的变化率 . 或：压力改 变一个单位 大气压 时,单位气体体积的变化量 . 单位:1/MPa 2 运算: Cg1VVP1 纯组分体系气体压缩系数的求法Cg1dV11dZVdPPZdP（a）先求 Z （b）求 P、T 对应点处的dZ ,这里要留意 dPdZ 值的正负性；dP2 多组分体系气体压缩系数的求法Cg1P r11dZrP cZP cdPCg11dZPcPrZdPr11dZP cP rZdP r详细求法同前,只是求dZ 时要从自然气压缩因子图版上求得,另外也 dP可以依据rP、T , 利用对应状态原理查图求C ；C gC grP c 六 、自然气的粘度1 低压下自然气粘度的求法 1 公式运算法iiyiM1 i2yM1 i22 查图法 依据温度和自然气的比重查下图2 高压下自然气粘度的求法1 依据自然气的组成求出自然气的比重,并依据所得比重（查图）求出自然气在一个大气压情形下的粘度 . 12 依据自然气的组成求自然气的临界压力和临界温度 . 3 求自然气的对比压力和对比温度 . 4 查下图得 1 5 11五、教学后记 通过本节课的学习,大多数同学把握了自然气的定义、分类方法,掌 握了自然气的分子量、比重的运算,能够利用自然气的状态方程进行不同 状态的运算,对对应状态原理有了深化的明白,