油層物理第五節(jié)天然氣的高壓物性

1、1第五節(jié) 天然氣的高壓物性v一、天然氣的組成v天然氣（Natural gas）：指從地下采出的，常溫常壓下相態(tài)為氣態(tài)的烴類和少量非烴類氣體組成的混合物。 天然氣=低分子飽和烷烴+少量非烴氣體組成烷烴CH4占絕大部分，70-90%C2C4含量不等C5少量非烴氣體：H2S、CO2、CO、N2、水蒸汽等少量稀有氣體：氦（He）和氬（Ar）2v2、天然氣的分類33、天然氣組成的表示方法niiiinny1/11niiyniiiiVVv1/11niiv niiiiwwG1/11niiG4niiMiGiMiGnniyniii1/15例題v知 質(zhì)量組成 求 摩爾組成：組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)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、天然氣分子量、密度和相對密度niiiMyM17二、天然氣分子量、密度和相對密度v（1）天然氣的視相對分子量 (平均相對分子量 molecular weight）kiiigMyM1Mi天然氣組

3、分天然氣組分i的相對分子量的相對分子量,g/mol,或或kg/kmol。M Mg g 天然氣的視相對分子量天然氣的視相對分子量,g/mol,g/mol,或或kg/kmolkg/kmol；y yi i 天然氣的組分天然氣的組分i i摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù), ,小數(shù)；小數(shù)；空氣的相對分子質(zhì)量為空氣的相對分子質(zhì)量為28.97。8二、天然氣分子量、密度和相對密度Vmg/（g/cmg/cm3 3，Kg/mKg/m3 3）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))2997.28ggagaggMMMM9三、天然氣的狀態(tài)方程v狀態(tài)方程(EOS) ：v描述流體壓力、體積、溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。F（p、V、T）0nRTpV 上式描述的氣體上式描述

4、的氣體pVTpVT 行為與氣體種類無關(guān)。行為與氣體種類無關(guān)。 理想氣體理想氣體(ideal gas)(ideal gas)：氣體分子無體積、無質(zhì)量、：氣體分子無體積、無質(zhì)量、相互間無作用力的假想氣體。相互間無作用力的假想氣體。10三、天然氣的狀態(tài)方程v 實(shí)際氣體(real gas)： 分子有大小、分子間有作用力（引力attractive force、斥力repulsive force） pVT 行為常常不滿足理想氣體狀態(tài)方程： 在低壓下，近似滿足（4atm，溫度較高） 在高壓下，分子間距 不能忽視分子大小及分子間作用力 不滿足理想氣體狀態(tài)方程11三、天然氣的狀態(tài)方程v2、真實(shí)氣體的狀態(tài)方程Zn

5、RTpV Z偏差系數(shù)、偏差因子偏差系數(shù)、偏差因子(deviation factor) 12三、天然氣的狀態(tài)方程（2）壓縮因子Z的物理意義Z 的大小反映了引力、斥力及分子大小的影響的綜合效果。 具體而言，在相同溫、壓下：ZV實(shí)V理 Z1，V實(shí)V理 Z1，V實(shí)V理 Z1，V實(shí)V理 反映了實(shí)際氣體與理想氣體壓縮性的差異。 Z稱為“壓縮因子” compressibility factor實(shí)氣、理氣壓縮性相同實(shí)氣比理氣易壓縮實(shí)氣比理氣難壓縮13三、天然氣的狀態(tài)方程在溫度T下，依據(jù)狀態(tài)方程有：（3）壓縮因子Z 的求取 實(shí)驗(yàn)測定 圖版法 實(shí)驗(yàn)測定00VPPVZ 據(jù)此式可測得各種氣體不同T、P下的Z。在低壓P

6、0下：nRTVP 00在壓力P下：ZnRTPV 14 圖版法 單組分氣體： 用實(shí)驗(yàn)測定的不同T、P下的Z繪制 混合氣體： 據(jù)對應(yīng)狀態(tài)原理用氣體實(shí)測數(shù)據(jù)繪制ZP圖版ZPr通用圖版三、天然氣的狀態(tài)方程15v范德華 (Van der waals)提出： 對于對比壓力、對比溫度相同的兩種氣體，它們的對比體積也近似相同，則稱這兩種氣體處于對應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)兩種氣體（純氣體）處于對應(yīng)狀態(tài)時(shí)，氣體的許多內(nèi)涵性質(zhì)（即與體積大小無關(guān)的性質(zhì)）如壓縮系數(shù)、粘度也近似相同。16v 對應(yīng)對應(yīng)(比比)狀態(tài)定律狀態(tài)定律（ Law of Corresponding States ） ： 在相同的對應(yīng)溫度和對應(yīng)壓力下，所有的純烴氣體

7、具在相同的對應(yīng)溫度和對應(yīng)壓力下，所有的純烴氣體具有相同的壓縮因子。有相同的壓縮因子。 目前廣泛采用雙參數(shù)壓縮系數(shù)法來考慮實(shí)際氣體的狀目前廣泛采用雙參數(shù)壓縮系數(shù)法來考慮實(shí)際氣體的狀態(tài)變化，而認(rèn)為態(tài)變化，而認(rèn)為Z是是Pr(對比壓力）對比壓力）和和Tr（對比溫度）（對比溫度）雙參數(shù)的函數(shù)即雙參數(shù)的函數(shù)即Z=Z（Pr，Tr），）， 其中其中Pr=P/Pc，Tr=T/Tc。 式中：式中： P，T分別為氣體所處的壓力和溫度；分別為氣體所處的壓力和溫度； Pc，Tc 分別為該氣體所處的臨界壓力和臨界溫度。分別為該氣體所處的臨界壓力和臨界溫度。 適用條件：組分間化學(xué)性質(zhì)差異不大的混合氣體。適用條件：組分間化學(xué)

8、性質(zhì)差異不大的混合氣體。 也適用于由多組分烴混合而成的天然氣。也適用于由多組分烴混合而成的天然氣。17ciipcciipcTyTpyp 天然氣的臨界參數(shù)很難獲得，首先將其臨界參數(shù)處理為“視（Pseudo）臨界參數(shù)” ，其定義為：式中：Pci，Tci分別為組分i的臨界壓力和臨界溫度； Ppc，Tpc 分別為該氣體的視臨界壓力和視臨界 溫度； yi 組分i的摩爾分?jǐn)?shù)。18ciipcprciipcprTyTTTTpypppp 有了視臨界參數(shù)后，便可算出天然氣的視對比壓力和溫度，即：19H H2 2S S和和COCO2 2校正：校正： ccTT BBTTppcccc 18 . 1/1512045 .

9、06 . 19 . 0BBAA 視臨界溫度校正系數(shù)。視臨界溫度校正系數(shù)。T Tc c 用用KayKay混合法則計(jì)算的天然氣的視臨界溫度混合法則計(jì)算的天然氣的視臨界溫度,K,K；p pc c 用用KayKay混合法則計(jì)算的天然氣的視臨界壓力混合法則計(jì)算的天然氣的視臨界壓力,MPa,MPa；T Tc c 校正后的視臨界溫度校正后的視臨界溫度,K,K；p pc c 校正后的視臨界壓力校正后的視臨界壓力,MPa,MPa；A A 天然氣中天然氣中H H2 2S S和和COCO2 2摩爾分?jǐn)?shù)之和；摩爾分?jǐn)?shù)之和；B B 天然氣中天然氣中H H2 2S S摩爾分?jǐn)?shù)；摩爾分?jǐn)?shù)；非烴組分校正非烴組分校正20H H

10、2 2S S和和COCO2 2校正：校正：非烴組分校正非烴組分校正21NNNgNyZyZZ1含氮：含氮：Z ZN N 含氮?dú)獾奶烊粴鈮嚎s因子；含氮?dú)獾奶烊粴鈮嚎s因子；Z Zg g 純烴氣體壓縮因子；純烴氣體壓縮因子；Z ZN N 氮?dú)獾膲嚎s因子；氮?dú)獾膲嚎s因子；yN含氮天然氣中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)；含氮天然氣中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)；Z Z 含氮天然氣的壓縮因子；含氮天然氣的壓縮因子；非烴組分校正非烴組分校正22含氮：含氮：非烴組分校正非烴組分校正23由于引入視對應(yīng)溫度、壓力，這樣就可以把混合氣體（天然氣）由于引入視對應(yīng)溫度、壓力，這樣就可以把混合氣體（天然氣）視為純氣體對待，故只要作出某一天然氣的壓縮因子

11、視為純氣體對待，故只要作出某一天然氣的壓縮因子Z 圖版，圖版，即可由此圖查出另一些天然氣的即可由此圖查出另一些天然氣的Z值。值。確定偏差因子的步驟：確定偏差因子的步驟： 根據(jù)已知的天然氣組成或者相對密度求擬臨界壓力和擬臨界溫根據(jù)已知的天然氣組成或者相對密度求擬臨界壓力和擬臨界溫度度 如含有非烴氣體，則對擬臨界壓力和擬臨界溫度進(jìn)行校正如含有非烴氣體，則對擬臨界壓力和擬臨界溫度進(jìn)行校正 根據(jù)給定的根據(jù)給定的TP，計(jì)算，計(jì)算TPr PPr TPr =T/ TPc PPr =P/ PPc 查圖版，求查圖版，求z24四、天然氣的體積系數(shù)和壓縮系數(shù)1.體積系數(shù)Bg定義：氣體在油層條件下所占體積與在標(biāo)準(zhǔn)狀況

12、 （ 0 C ，0.1MPa）下所占體積之比。 地面標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積： Vsc = nRTsc/psc油藏條件下體積： V = ZnRT/pBg = V / V s c 在探明了儲氣層的地下儲氣體積（Vg=AhSg）之后，能否直接算出在地面標(biāo)準(zhǔn)條件的氣體體積呢？也就是說，處于高溫高壓下的地下體積和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的地面體積之間有什么關(guān)系呢？25pptZpTZTpVVBscscscscg273273所以 天然氣的體積系數(shù)Bg實(shí)質(zhì)上表示了天然氣在油藏條件下所占體積與同等數(shù)量的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下所占的體積之比。即Bg描述了 當(dāng)氣體質(zhì)量不變時(shí)，從地下到地面，由于壓力、溫度的改變所引起的體積膨脹大小。26天然氣的

13、體積系數(shù)Bg定義：一定質(zhì)量天然氣在地下的體積與其在地面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20，0.1MPa）下的體積之比。27天然氣的體積系數(shù)Bg例：已知P=16.548MPa，t=138.9，Z=0.923，Vrec=1.5108m3，求：氣體的儲量（地面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)m3）？28五、天然氣等溫壓縮系數(shù)C Cg g TgTgpZZpCpVpZnRTVpVVC11,1求導(dǎo)后代入上式得對定義：天然氣等溫壓縮系數(shù)（簡稱壓縮系數(shù)，彈性壓縮系數(shù)，壓縮率）是指，在等溫條件下，天然氣體積隨壓力變化率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 這樣可由相應(yīng)溫度（等溫）條件下的Zp圖，查得相應(yīng)壓力p及此壓力對應(yīng)的Z值和相應(yīng)的斜率Z/p，代入即可求得Cg。29dx

14、dAF六、天然氣的粘度 流體粘度的大小對于它在地層中或管路中的流動計(jì)算是很重要的參數(shù)。粘度的高低表明流體流動的難易，粘度越大，流動阻力越大，越難流動。1. 定義由牛頓內(nèi)摩擦定律：F=Adv/dx 得：F氣體內(nèi)摩擦阻力；dv/dx速度梯度；流體粘度，又稱動力粘度（絕對粘度）30六、天然氣的粘度六、天然氣的粘度 viscosityCGSCGS制單位：制單位： 1N=105達(dá)因).(100.1 . 0111122smPasPascmscm泊達(dá)因達(dá)因標(biāo)準(zhǔn)單位：標(biāo)準(zhǔn)單位： sPasmNmsmmNdydu1/1/122常用單位：常用單位：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,秒單位制 312.2.天然氣粘度的影響因素天然氣粘度的影響因素31 粘度與溫度、壓力和氣體組成 有關(guān) ，且高壓與低壓下天然氣的粘度變化規(guī)律不同。（1）低壓下（接近大氣壓） 隨溫度增加，粘度增加；壓力變化對粘度幾乎無影響。 氣體分子動力學(xué) 而且非烴類氣體的粘度大于烴類氣體的粘度；烴類氣體的粘度隨分子量的增加而減小。 32大氣壓下天然氣的粘度曲線大氣壓下天然氣的粘度曲線33 計(jì)算1）已知天然氣組成時(shí)，在1atm不同溫度下的天然氣粘度按下式計(jì)算2）當(dāng)非烴類氣體含量大時(shí)須根據(jù)含量大小、M及

16、天然氣比重查圖，對天然氣在一個(gè)大氣壓下粘度圖版進(jìn)行校正，將兩個(gè)粘度相加。2/12/11iiiigigMYMY342. 2. 高壓下高壓下氣體的粘度隨壓力的增加而增加；氣體的粘度隨壓力的增加而增加；在高壓下，氣體密度變大，氣體分子間的相互作在高壓下，氣體密度變大，氣體分子間的相互作用力起主要作用，氣體層間產(chǎn)生單位速度梯度所用力起主要作用，氣體層間產(chǎn)生單位速度梯度所需的層面剪切應(yīng)力很大。需的層面剪切應(yīng)力很大。氣體的粘度隨溫度的增加而減?。粴怏w的粘度隨溫度的增加而減??；氣體的粘度隨氣體分子量的增加而增加。氣體的粘度隨氣體分子量的增加而增加。高壓下，氣體的粘度具有類似于液態(tài)粘度的特點(diǎn)。高壓下，氣體的粘