第2章天然气的高压物理性质课件

第二章天然气的高压物理性质天然气的高压物性天然气的视分子量和密度天然气状态方程和对比状态原理天然气的高压物性湿天然气和天然气水合物天然气的组成天然气的分子量天然气的密度和相对密度理想气体状态方程真实气体状态方程对比状态原理天然气的地层体积系数天然气的等温压缩率天然气的粘度天然气中水蒸气含量天然气水合物第二章天然气的高压物理性质第一节天然气的视分子量和密度课程导入天然气是一种混合物质，下面介绍它的分子量和密度。本节主要内容：一、天然气的组成1、天然气及其分类2、天然气的组成的表示法二、天然气的分子量三、天然气密度和相对密度第一节天然气的视分子量和密度一、天然气的组成

1、天然气及其分类(1)按矿藏特点，可分为油藏伴生气和气藏气（非伴生气）。(2)按天然气中H2S和CO2等酸性气体含量，分为酸性天然气（含有显著H2S和CO2等酸性气体，需要净化处理）和洁气（H2S和CO2等酸性气体的含量极少，不需要进行净化处理）等。第一节天然气的视分子量和密度(3)按天然气的组成，可分为干气和湿气或贫气和富气。

干气（drygas）：井口流出物中，C5以上重烃液体含量低于13.5cm3/(标)m3的天然气。

湿气（wetgas）：井口流出物中，C5以上重烃液体含量超过13.5cm3/(标)m3的天然气。第一节天然气的视分子量和密度贫气(Leangas)：井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于94cm3/(标)m3的天然气。富气(Richgas)：井口流出物中，C3以上重烃液体含量超过94cm3/(标)m3的天然气。第一节天然气的视分子量和密度2、天然气的组成的表示法(1)摩尔组成

(2)体积组成(3)质量组成第一节天然气的视分子量和密度三种组成的换算关系：(1)天然气的体积组成等于其摩尔组成。这是因为在标准状态下1mo1的气体体积为22.4L，如果组分i的摩尔数为ni，则其体积为22.4ni，气体总体积为22.4,由上面两式可得φi=yi。第一节天然气的视分子量和密度(2)将质量组成换算为摩尔组成，可利用下式：

式中：Mi——天然气组分i的分子量。第一节天然气的视分子量和密度[例2-1]已知天然气的组分和质量组成见下表第1、2列。试将质量组成换算为摩尔组成。解：换算过程及结果见下表：第一节天然气的视分子量和密度二、天然气的分子量

天然气是多组分气体的混合物，不可能写出一个分子式，由此算出其分子量。为此，人们引入视分子量的概念。所谓视分子量是在0℃、760mmHg下，体积为22.4L的天然气所具有的质量。第一节天然气的视分子量和密度天然气视分子量根据组分计算。已知天然气中各组分i的摩尔组成yi和分子量Mi后，天然气的分子量可由下式求得：式中：M——天然气分子量；Mi——组分i的分子量;yi——天然气各组分的摩尔组成。第一节天然气的视分子量和密度三、天然气密度和相对密度1、天然气密度定义为单位体积天然气的质量，用符号ρg表示：ρg

=m/V

式中：ρg——天然气的密度，g／cm3或kg／m3；m——天然气的质量，g或kg；V——天然气的体积，cm3或m3。第一节天然气的视分子量和密度在一定温度和压力下天然气的密度可由气体的状态方程（详见第二节）求出：

式中:ρg——天然气的密度，kg／m3P——天然气所处的压力，MPa；M——天然气的分子量，kg/kmol；T——天然气的绝对温度，K；Z——天然气偏差因子；R——通用气体常数，R=0.008314MPa·m3/（kmol·K）。

第一节天然气的视分子量和密度2、天然气相对密度定义为：在标准状况下（293K、0.101MPa），天然气的密度与干空气密度之比。相对密度是一无因次量，常用符号γg表示，即：式中：——天然气密度；——空气密度。因为干空气的分子量为28.96≈29，故：γg＝M／29第一节天然气的视分子量和密度思考题：1、天然气组成有哪几种表示方法？如何换算？2、确定天然气组成的实际意义是什么？3、什么是天然气密度？什么是相对密度？第一节天然气的视分子量和密度课程导入天然气是气体，具有压缩性，计算天然气的体积需要气体状态方程。第二节天然气的状态方程和对比状态原理第二节天然气的状态方程和对比状态原理本节主要内容：一、理想气体的状态方程二、真实气体状态方程三、对比状态定律四、天然气的其它状态方程五、用状态方程关联式计算Z因子的方法一、理想气体的状态方程理想气体是指气体分子无体积、气体分子之间无相互作用力的这样一种假想气体。理想气体状态方程为：PV=nRTP——气体的绝对压力，MPa；V——气体所占体积m3；T——绝对温度，K；n——气体的摩尔数，kmol；R——通用气体常数；R=0.008314MPa·m3/（kmol·K）。第二节天然气的状态方程和对比状态原理二、真实气体状态方程对真实气体引入一个压缩因子Z，从而得到真实气体的状态方程，即：式中Z通常称为压缩因子，或偏差因子、偏差系数。其物理意义为：给定压力和温度下，一定量真实气体所占的体积与相同温度、压力下等量理想气体所占有的体积之比。即：天然气是混合物，其压缩因子的求取需要引入对比状态定律。第二节天然气的状态方程和对比状态原理第二节天然气的状态方程和对比状态原理图2-1甲烷的压缩因子图版（据Brown，1948）三、对比状态定律1、对比状态原理及天然气的Z值求法对比压力Pr和对比温度Tr定义为：式中：Pr、Tr——分别为对比压力和对比温度，无因次P、T——气体所处的绝对压力(Mpa)和绝对温度(K)Pc、Tc——为该气体的临界压力(Mpa)和临界温度(K)

第二节天然气的状态方程和对比状态原理当两种气体处于相同对比状态时，气体的许多内涵性质（即与体积大小无关的性质）如压缩因子Z、粘度也近似相同---即为对比状态原理。第二节天然气的状态方程和对比状态原理

目前广泛采用双参数压缩系数法（即Z=f(Pr,

Tr)）来考虑实际气体的状态变化，双参数压缩系数法的理论根据是对比状态原理。第二节天然气的状态方程和对比状态原理图2-2天然气的压缩因子图版（据StandingandKatz，1942）图2—2是甲烷、乙烷、丙烷气体经对比态原理处理后的天然气压缩因子图版。第二节天然气的状态方程和对比状态原理图2-2天然气的压缩因子图版（据StandingandKatz，1942）求天然气压缩因子的步骤：(1)由于天然气是混合气体，其临界参数值的求取，需要引入一个“视”或“拟”（Pseudo）临界参数的概念。第二节天然气的状态方程和对比状态原理①加权计算法：天然气视临界参数定义为：Ppc,Tpc——分别为天然气的视临界压力（MPa）和视临界温度（K）；yi——组分i的摩尔分数；Pci，Tci——分别为组分i的临界压力（MPa）和临界温度（K）。第二节天然气的状态方程和对比状态原理②经验图版法：

若已知天然气相对密度，由已知相对密度查出该天然气的视临界参数。第二节天然气的状态方程和对比状态原理图2-3天然气相对密度与视临界参数关系图（据Brown等，1948）③经验公式法：当天然气中非烃含量不太高，如N2＜5%时，也可根据气体相对密度（γg），按下列经验关系式估算出视临界压力Ppc和视临界温度Tpc。

Tpc＝171(γ

g－0.5)+182，K

Ppc＝[46.7－32.1(γ

g－0.5)]×0.09869，Mpa

第二节天然气的状态方程和对比状态原理(2)根据气体所具有的P、T条件，算出Tpr,、Ppr(3)根据得出的Tpr,、Ppr值查图版（图2—2）求得Z值。第二节天然气的状态方程和对比状态原理2、非烃校正上述方法仅限于天然气中非烃组分的体积含量＜5%(N2＜2％，CO2＜1％)，甲烷体积含量不小于50%的情况，否则将产生较大误差（误差大于3％）。因此若天然气中非烃或重烃（C5以上）含量较高时(如凝析气藏气)，需要采用另外的图版进行校正，或用其它的状态方程。下面介绍3种消除非烃误差的方法。第二节天然气的状态方程和对比状态原理(1)图版修正法（Wichert方法）根据非烃的含量，采用修正曲线图版来修正天然气的视临界参数、视对比参数，达到修正Z值的目的。第二节天然气的状态方程和对比状态原理图2-4拟临界温度的修正系数与非烃浓度的关系n——天然气中所含H2S的摩尔分数ε——视临界温度的校正值（K）第二节天然气的状态方程和对比状态原理(2)经验公式修正法（Wichert和Aziz方法）该方法与上述方法、步骤相同，只是ε的确定采用经验公式计算,省去了查图版的麻烦。

式中：ε——视临界温度的校正系数，K；A——天然气中H2S和CO2摩尔分数之和；B——天然气中H2S摩尔分数。第二节天然气的状态方程和对比状态原理思考题：1、什么是天然气的偏差因子？2、确定偏差因子的方法和具体步骤是什么？第二节天然气的状态方程和对比状态原理课程导入本节介绍油田常用的描述天然气的高压物性参数。第三节天然气的高压物性本节主要内容：一、天然气的地层体积系数二、天然气的等温压缩率三、天然气的粘度1、低压下气体粘度2、高压下气体粘度3、确定气体粘度的方法第三节天然气的高压物性一、天然气的地层体积系数天然气体积系数Bg实质上描述了一定量气体，由油气层状态变化到地面压力，温度时所引起的体积变化的换算系数。定义为：一定量的天然气在油气层条件（某一P、T）下的体积V与其在地面标准状态下（20℃，0.1MPa）所占体积Vsc之比，即：式中：Bg——天然气体积系数，m3/(标)m3；Vsc——一定量天然气在标准状况下的体积，(标)m3；V——一定量天然气在油气层条件下的体积，m3。第三节天然气的高压物性在地面标准状况下，通常认为天然气近似理想气体，即压缩因子Z为1：在油气藏压力为P、温度为T的条件下，则同样数量的天然气所占的体积V可按压缩状态方程求出：第三节天然气的高压物性将上述两式代入定义式可得：

式中：Bg的单位是m3／标m3；t为油气层温度，℃第三节天然气的高压物性5第三节天然气的高压物性

在气藏开发过程中，随着气体的不断采出，油气藏压力在不断降低，而油气藏温度可视为常数，此时，可将Bg仅视为油气藏压力的函数，即Bg＝CZ／P，（C为系数）。第三节天然气的高压物性二、

天然气的等温压缩率在油气藏工程计算中，特别是考虑油气藏弹性储量大小时，需要计算随着压力的改变，气体体积的变化率，为此引入了气体等温压缩率的概念。

天然气等温压缩率（或称为弹性系数）是指，在等温条件下，天然气随压力变化的体积变化率，其数学表达式为：

第三节天然气的高压物性①单组分气体：②多组分气体：第三节天然气的高压物性有时人们将Cg无因次化，即视对比压缩系数Cpr，它可由已知的视对比参数（Ppr，Tpr）由图2—6查出。图2-6天然气的视对比压缩系数（Cpr）第三节天然气的高压物性三、天然气的粘度气体的粘度取决于气体的组成、压力和温度。在高压和低压下（高压与低压区的划分见图（2－7），其变化规律不同。）图2-7计算气体粘度时高压区与低压区的划分第三节天然气的高压物性1、低压下的气体粘度(1)气体粘度与压力无关(2)随温度增加气体粘度增大(3)烃类气体的粘度随分子量的增加而减少(4)非烃类气体的粘度较大图2-8常压下单组分烃的绝对粘度第三节天然气的高压物性2、高压下的气体粘度气体在高压下的粘度不同于在低压下的粘度，它：(1)随压力的增加而增加(2)随温度的增加而减少(3)随分子量的增加而增加，即具有类似于液体粘度的特性第三节天然气的高压物性这是因为在高压下，气体分子间的相互作用力成为主导作用，气体层间产生单位速度梯度所需的层面剪切应力很大，因而粘度很大。第三节天然气的高压物性3、确定天然气粘度的方法(1)Carr（1954）粘度图版法第三节天然气的高压物性3、确定天然气粘度的方法第三节天然气的高压物性高压粘度=大气压时粘度*粘度比（4）经验公式法（1）——剩余粘度法常用的是剩余粘度法：

（2—61）式中：——高压天然气粘度，mPa.s×102；

o——低压天然气粘度，mPa.s×102；——系数；

第三节天然气的高压物性3、确定天然气粘度的方法(2)经验公式法

思考题：1、何谓天然气体积系数？2、天然气压缩系数？第三节天然气的高压物性课程导入前面介绍的是干天然气（不含水蒸气），本节介绍含水蒸气的湿天然气。

第四节湿天然气和天然气水合物本节主要内容：一、天然气中水蒸气含量1、绝对湿度2、相对湿度3、天然气含水量的确定方法二、天然气水合物1、什么是水合物2、水合物的形成与天然气水合物资源3、天然气开采过程中，防止井筒出现水合物4、气态天然气转变为水合物状态储运

第四节湿天然气和天然气水合物一、天然气的含水量由于天然气在地下长期与地层水接触，天然气或多或少会溶解在水中，同时一部分水蒸汽进入天然气中。1、绝对湿度每1m3的湿天然气所含水蒸汽的质量称为绝对湿度，其关系式如下：

第四节湿天然气和天然气水合物X——绝对湿度，kg/m3；W——水蒸汽的质量，kg；V——湿天然气的体积，m3；Psw——水蒸汽的分压，Pa；T——湿天然气的绝对温度，K；Rw——水蒸汽的气体常数。

第四节湿天然气和天然气水合物2、相对湿度在同样的温度下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比，称为相对湿度φ：

绝对干燥的天然气，则；当湿天然气达到饱和时则，对一般湿天然气有。

第四节湿天然气和天然气水合物3、天然气含水量的确定方法在实践中广泛应用实验曲线方法计算天然气中含水蒸汽量。Mcketta和Wehe于1958年根据实测资料研制出计算天然气中含水量相关图（图2－9）。该图表示不同温度和压力下天然气的饱和含水蒸汽量图，又称天然气的露点图。

第四节湿天然气和天然气水合物图2-9天然气含水量（据Mcketta-Wehe，1958）

第四节湿天然气和天然气水合物二、天然气水合物1、什么是水合物天然气水合物是在一定温度、压力条件下，水和低分子量烃或非烃组分所形成的结晶状笼形化合物，其中水分子借助氢键形成主体结晶网络，晶格中孔穴内充满轻烃或非烃气体分子。依据与水相接触的气体分子的大小与形状，水分子形成一定结构的构架，而其孔穴填满的程度取决于体系的温度和压力。

第四节湿天然气和天然气水合物图2-10水合物结构类型

第四节湿天然气和天然气水合物2、石油工业中研究水合物有三个方面的工程意义：(1)水合物作为一种资源，可能储存在一定条件的地层中，(2)天然气开采过程中，井筒或气