第三节 天然气的高压物性,天然气的最大特点是具有极大的压缩性。 本节内容 天然气的常规物性 天然气状态方程和对应状态原理(equation of state) 天然气的体积系数(formation volume factor) 天然气的等温压缩系数(compressibility) 天然气的粘度(viscosity),第三节 天然气的高压物性,本节目的： u了解天然气的化学组成描述方法； u明确天然气分子量、密度和相对密度的定义； u掌握天然气的状态方程和对应状态原理； u掌握天然气的偏差系数、体积系数、压缩系数、粘度的定义、影响因素及确定方法；,deviation factor,corresponding state law,本节重点： u天然气的状态方程和对应状态原理； u天然气各高压物性参数的定义、影响因素及确定方法。 本节难点： u偏差系数的定义、物理含义和确定方法；天然气粘度的影响因素分析。,第三节 天然气的高压物性,1、天然气的组成：（烃类、非烃类） 实验室用气相色谱仪分析 u天然气：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。 l烃类：C1(7098%)、C2(10%） C3C5(一般仅占百分之几) l非烃类：H2S、CO2、N2、CO、O2、H2 Ar、He,一、天然气的常规物性,2、天然气的分类,一、天然气的常规物性,（free gas),（associated gas),（condensate gas),(sour gas),(rich gas),(poor gas),3、天然气组成的表示方法 三种方法：摩尔组成、体积组成、质量组成 u摩尔组成：用yi表示，最常用的一种表示方法 摩尔组成：各组分的摩尔数占总摩尔数的分数。,（摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示）,一、天然气的常规物性,mole fraction,u体积组成 ：各组分的体积占总体积的分数。,当考虑天然气为遵循阿伏加德罗定律的混合气体时，其体积组成与摩尔组成相等,3、天然气组成的表示方法,u质量组成：用符号Gi表示 质量组成：各组分的质量占总质量的分数,标准状态下1mol气体体积为22.4L,u质量组成与摩尔组成的换算,由,，可推得：,Mi为组分i的摩尔质量(molecular weight),3、天然气组成的表示方法,4、天然气分子量、密度和相对密度 (molecular weight、density、specific gravity) u天然气分子量 l定义：标态下1mol（0、1atm、22.4l）天然气具有的质量，即平均分子量、视分子量 l确定方法：,一、天然气的常规物性,u天然气密度(density) 在一定温度、压力下，单位体积天然气的质量。,u天然气相对密度(specific gravity or relative density) 在20，0.101MPa下天然气的密度与干燥空气的密度之比。,或,4、天然气分子量、密度和相对密度,（g/cm3，Kg/m3）,标准状态：工程：20、1at； 实验室：0、1at,二、天然气的状态方程和对应状态原理,状态方程：描述流体压力、体积、温度之间关系的数学方程式。F（p、V、T）0 1、理想气体的状态方程,l上式描述的气体pVT 行为与气体种类无关pVnRT 称为理想气体的状态方程。 l理想气体(ideal gas)：气体分子无体积、无质量、相互间无作用力的假想气体。,l实际气体(real gas)：分子有大小、分子间有作用力（引力、斥力） pVT 行为常常不满足理想气体状态方程： w在低压下，近似满足；（4atm，温度较高） w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,1、理想气体的状态方程,用什么方程描述实际气体的pVT 行为？,2、真实气体的状态方程 (1)天然气压缩状态方程,二、天然气的状态方程和对应状态原理,Z压缩因子、偏差系数、偏差因子,特点： l保留了理想气体状态方程的基本形式，仅增加参数Z。计算简便，广为工程计算中采用。 l不受压力的限制，在很高的压力下可用。,(2)偏差系数Z 偏差系数：给定温度、压力下，实际气体所占体积与同温同压下相同数量的理想气体所占体积之比。,2、真实气体的状态方程,u反映了实际气体与理想气体压缩性的差异。 l分子体积、分子间斥力实气比理气难压缩； l分子间引力实气比理气易压缩； Z 的大小反映了两方面影响的综合效果。,物理意义：,lZ1，V实V理实气接近理气 lZ1，V实V理实气比理气易压缩引力 lZ1，V 实V 理实气比理气难压缩斥力,2、真实气体的状态方程,u反映了实际气体与理想气体pVT行为的偏差程度 lZ 相当于理想气体状态方程中引入的校正系数，校正实际气体由于分子大小和分子间力的作用引起的非理想性。 l不同气体，在不同T、p 下，偏离理想气体pVT 行为的程度不同Zf（p、T、组成） Z是用气体状态方程计算实际气体pVT 行为的关键,3、偏差系数Z 的求取 方法：实验测定、图版法、状态方程法,二、天然气的状态方程和对应状态原理, 实验测定 据状态方程有：,式中：p01atm，T0=20，V0 为T0、p0 下的体积。,在p、T 下，,在标态下，, 图版法 u单组分气体的Z(p,T)图版： 用实验测定的不同T、p 下的Z 绘制。 u混合气体的Z (pr ,Tr)图版： 据对应状态原理用实测数据绘制； Z(pr ,Tr)图版是一种通用图版。 原因： l对单组分气体：Zf（p、T） l对混合气体：Zf（p、T、组成） 不可能测定、绘制所有混合气体的Z (p,T) 图,3、偏差系数Z 的求取,4、对应状态原理（corresponding state law） (1)对比参数(reduced parameter) 对于体系，在p、T条件下 u对单组分（single-component),二、天然气的状态方程和对应状态原理,l对比温度： (reduced temperature),l对比体积： (reduced volume),l对比压力： (reduced pressure),u多组分(multi-component) l视/拟临界压力： pseudo-critical pressure,4、对应状态原理,l视/拟对比压力： pseudo-reduced pressure,l视/拟对比温度： pseudo-reduced temperature,l视/拟临界温度： pseudo-critical temperature,4、对应状态原理,(2)对比状态(corresponding state) 对比状态：两种气体，当对比压力、对比温度相同时，若对比体积也近似相同，则称这两种气体处于同一对应状态。 实验证实，各种真实气体都满足此规律。,(3)对应状态原理（corresponding state law） 对应状态原理：当两种气体，处于同一对应状态时，气体的内涵性质如偏差系数Z，粘度等也近似相同。,intensive property,5、气体偏差系数Z (pr ,Tr)通用图版 将参数：TTrTc，ppr pc，VVr Vc 带入：ZpVnRT,二、天然气的状态方程和对应状态原理,lpcVcRTc=Zc真实气体在临界点的偏差系数 lZcconstant；且各种真实气体的Zc 非常接近 对比状态下，任何气体Z 相同 可用任何气体绘制Z(pr ,Tr)通用图版。,则：,6、对应状态原理求天然气Z（查图版） 天然气视临界参数的求取 方法： u由天然气的相对密度求取 l图版（图2-23） l经验公式(empirical formula),二、天然气的状态方程和对应状态原理,(pseudo critical parameters),u由天然气的组成求取 l视临界压力：ppcyi pci l视临界温度：TpcyiTci u视临界参数的非烃校正 对于非烃如H2S、CO2含量较高（5%）时，应对Tpc和ppc校正。 l修正曲线图版修正（图2-24） l经验公式,6、对应状态原理求天然气Z,l经验公式 校正后的拟临界温度和压力：,A-天然气中H2S和CO2摩尔分数之和。,B-天然气中H2S摩尔分数。,6、对应状态原理求天然气Z,查图版确定偏差系数的步骤 u根据已知天然气的组成或相对密度求拟临界温度、拟临界压力； u如含有非烃H2S、CO2，对拟临界温度和拟临界压力进行校正； u根据给定的温度、压力，计算拟对比温度和拟对比压力； u查图版（图2-40），求得偏差系数。 例：书上P127-131,例2-1、2-2、2-3。,6、对应状态原理求天然气Z,三、天然气的体积系数Bg,1、定义 （formation volume factor) 油藏条件下（p地、T地）天然气的体积与其在地面标准状态下（20、0.1MPa）的体积之比。,标准状态：（美）t=15.6，p=0.1MPa （中、苏）t=20，p=0.1MPa （实验室）t=0，p=0.1MPa,在p地、T地下的体积,标态下的体积,Bg描述了一定量天然气从地下地面，由于T、p改变引起的体积膨胀的大小。天然气,Bg1,2、Bg的确定,三、天然气的体积系数Bg,在地层条件下，,地面标准状况下，Z=1,天然气体积系数Bg的计算公式,组成一定的天然气：,三、天然气的体积系数Bg,掌握地层天然气Bgp 和BgT 关系图。,l当T 恒定时，Zf（p），Bg=CZ/p（油藏条件）,l当p 恒定时，Zf（T），Bg=CZ(273+t),四、天然气的等温压缩系数Cg,1、定义(isothermal compressibility) Cg：在等温条件下，天然气随压力变化的体积变化率。,物理意义： 在温度一定时，当体系压力改变单位压力时，单位体积的天然气其体积改变量。,单位：MPa-1,2、Cg的求取,四、天然气的等温压缩系数Cg,由气体偏差系数状态方程,又因,将、式带入等温压缩系数定义式：,u对理想气体 lZ=1，,四、天然气的等温压缩系数Cg,，,u单组分气体 l根据（p、T）查相应温度下Zp 图Z； l用Zp 图求取Z 点的斜率，即,l将Z 和,带入Cg。,u天然气（多组分气体） l计算公式,四、天然气的等温压缩系数Cg,由,则天然气等温压缩系数Cg的计算公式,将上两式带入式：,l计算步骤 -根据yi或相对密度计算ppc和Tpc； -计算拟对比参数ppr和Tpr； -查Z(ppr ,Tpr)图版（图2-23）Z； -用Z(ppr ,Tpr)图版求取Z点的斜率,-将Z 和,四、天然气的等温压缩系数Cg,带入Cg。,l天然气的视对比压缩系数Cpr,四、天然气的等温压缩系数Cg,-Cpr是无因次参数； -Cpr可根据拟对比参数ppr和Tpr由图版(图2-26)查得； -由查得的Cpr计算天然气Cg，免去求取Z的麻烦 l例：书上P136-137例2-4、2-5、2-6。,pseudo reduced compressibility,注意： l天然气等温压缩系数Cg与偏差系数(压缩因子）Z 的区别； l理想气体：Cg1/p；天然气：Cgf（1/p）。,四、天然气的等温压缩系数Cg,五、天然气的粘度g,1、定义（viscosity) g：当天然气分子层间相对运动时，相邻分子层间单位接触面积上的剪切力shearing force（内摩擦力internal friction resistance）与其速度梯度的比值，即：,常用单位：mPa.s（国际），cP（工程）,2、影响天然气粘度的因素 天然气gf（T，p，组成） l天然气压缩性大低压和高压下，g 的变化规律不同 l高、低压影响判定： 根据（Tpr、ppr）,五、天然气的粘度g,稀气体区低压； 稠气体区高压。,l天然气g变化规律：,2、影响天然气粘度的因素,3、天然气g的求取 u低压下粘度计算 l图版法 l经验公式 u高压下粘度计算 l图版法 l经验