2.1 天然气的高压物性

一般情况下Bg<<1
3 物理意义：反映了单位体积（标况）的天然气在 地层条件下所占有的体积。
六
天然气的压缩系数Cg
1定义:在等温条件下,单位体积气体的体积随压力 的变化率.单位:1/MPa 2计算:
(1) 纯组分体系气体压缩系数的求法
1 V Cg V P
PV ZnRT ZnRT V P
y
i 1 n i 1
n
i
Pci Tci
y
i
天然气压缩因子的求解步骤
★求Z的步骤: 1 根据组成求Pc、Tc 2 由给出的P、T求Tr、Pr
3 根据Tr、Pr 查天然气压 缩因子图版
3）非烃校正(在非烃气体大于5%、甲烷小 于50%时要校正）
1 N2的影响(>2%时误差>3%)
Za y N 2 Z N 2 1 y N 2 Z g Z C Za


3）非烃校正
2 CO2的影响 (>4%时误差>5%)
Z Z CO 2 y CO 2 (1 y
CO 2
) Zg
如果天然气中同时含有CO2和N2时
Za ZCO 2 y CO2 y N 2 Z N 2 (1 y CO 2 y N 2 ) Zg
Z CZ a
3 H2S的影响 Tc Tc 0.5550
i 1 n
M y i M i
i 1
1
g
i 1
n
i
Mi
天然气的比重 S
在相同温度和压力下，天然气的重度与空气的重度之比 。 计算公式：
S
g a
S (si yi)
i 1
n

M 28 .97
四
天然气的状态方程式
定义：状态方程就是描述气体体积、压力和温度的 关系式。 在油气田开发中，天然气从地层流向井底，再从 井底流到地面，这一系列运动总是伴随着有压力、 温度的变化，也就是说天然气的状态从下而上无时 不在变化着，所以我们为了确定天然气的体积随油 层压力和温度的变化规律，就必须讨论天然气的状 态方程。
第一节
天然气的高压物性
Properties of Natural Gases in high pressure
教学目的：掌握天然气的定义、组成和分类、 视分子量和比重、状态方程式、体积系数、压 缩系数、天然气的粘度。
教学重点和难点：天然气的视分子量和比重、 状态方程式、体积系数、压缩系数、天然气的 粘度。
求u. 1 1
习
组分
组成
题
C 3 H8
3%
某油田的气组成如下,油层温度为t=32℃ ,油层压力 为8.3MPa.
CH4
90%
C 2 H6
5%
C4H10
2%
试求: 1、该天然气的压缩因子. 2、气体体积系数Bg. 3、如气井日产气10000立方米（标准状况），它在 地下所占的体积是多少？ 4、该气体的压缩系数Cg. 5、试从物理意义上区别Z、Bg、Cg的不同点. 6、计算该气体的粘度。
3．影响Z值的因素
Z 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 P 0 500 1000 1500 2000 2500 丙烷 甲烷 160 F 甲烷 1400 F
0
1400 F
乙烷 1400 F
Z值的大小与气 体性质、温度、 压力有关
单组分气体的Z值图
4．压缩因子Z的求法
1）单组份烃类气体Z的求法
2
体积组成yi
y
3 重量组成gi
i

v v
i N i 1 i
i
g
4
i

w w
N i 1
i
三种组成之间的关系
g y
i
i i

m g m
N i i 1
i
天然气的分类
天然气的分类
天然气的分类
三
天然气的视分子量和比重
天然气的视分子量 M
0℃，760毫米汞柱，体积为22.4米3（升）的天然气所具有的重量定义为该 种天然气的公斤（克）分子量。 n 计算公式： M y i M i
对于单组份烃类气体，Z值可以由已知 压力、温度，查Z=f(P,T)的曲线得到. 曲线由实验制得.
Ｚ的计算
（1）单组分气体（通过实验制成图版）
2）多组份烃类气体Z的求法
对于多组份的天然气用实验方法测定较 复杂，因此可引进对应状态理论来加以解 决。
什么叫对应状态？ 定义：一切物质在相同的对比温度和对比 压力 之下，就有相同的对比体积，在这种情况下， 我们说物质处于对应状态。
二.天然气的组成和分类
化学成分: 烷烃:甲烷～戊烷(C1 ～ C5) 非烃类气体: CO2,N2,H2S,H2O 稀有气体:氦气,氖气 有毒硫化物:硫醇,硫醚等 不同的油气田,其天然气的组成不同。
组成表示: 1摩尔组成 2体积组成 3重量组成
1
摩尔组成 yi
y
i

n n
i N i 1
i
ni-------天然气中第i组份的摩尔数
16.0 30.1 44.1 58.1 44.01 34.0 28.0
4.64 4.88 4.26 3.79 7.38 9.00 3.39
190.67 303.50 370.00 425.39 304.17 373.56 126.11
天然气视临界参数的计算方法:
1 公式法: 2 查图法:
Ppc T pc
求法与前同 对比压 缩系数
对比压缩系数Cgr的求法
七
天然气的粘度
1 天然气粘度的特点 1）低压下（在接近大气压时）天然气粘度的特点
1 u V 3
A.低压下，气体粘度几乎与压力无关。
B.气体粘度随温度的增加而增加。 C.烃类气体的粘度随分子量增加而下降。
1 天然气粘度的特点
2）高压下天然气粘度的特点: A.气体粘度随压力的升高而增加 B.气体粘度随温度上升而下降
Pc 1.8Pc Tc 1.8Tc y
H 2S

(1 y
H 2S
)
例：试求35℃和102大气压下的压缩因子。
组分
N2
摩尔分数yi
0.435 0.445 < 0.5 0.062 0.039 0.019
临界温度（K） 临界压力 （MP）
CH 4
C2 H 6
190.5 306.0 369.6 425.0
教法说明：课堂讲授
第一节
天然气的定义
天然气的高压物性
Properties of Natural Gases in high pressure
天然气的组成和分类 天然气的视分子量和比重 天然气的状态方程式 天然气的体积系数 天然气的压缩系数 天然气的粘度
一.天然气的定义
广义而言:天然气就是指自然界所有靠天然生 成的气体，如气田气、油田气和煤层气。 狭义而言:天然气就是指从地下采出的一切可 燃气体，是由烃类气体和少量非烃类气体所组成 的混合物,在常温常压下为气态。
4.641 4.884 4.257 3.793
C3 H 8 C4 H10
五
天然气的体积系数Bg
1定义:气体在地层条件下所具有的体积与地面标准 状况下所占有体积的比值。(无单位) 2 计算:
V Bg Vgo
P0 ZnRT P nRT0
T P0 273 t Z Z P0 T0 P 273 P
1
理想气体状态方程式
理想气体状态方程式：
PV nRT
理想气体： （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）
在常温常压下气体的状态可以用上式进行计算，因为
在高温低压下（1）气体分子间距大，分子间的作用力可以 忽略不计；（2）气体体积较大，气体分子本身的体积可以 忽略不计。
C.分子量增加，气体粘度增大
2.天然气粘度的计算
1) 低压下天然气粘度的求法 (1) 公式计算法
i yi M yi M
12 i 12 i
(2) 查图法 步骤:根据天然气组成 计算分子量→再根据 分子量和温度查表得u
2) 高压下天然气粘度的求法
(1) 根据天然气的组成求出天然气的比重，并根 据所得比重 （查图）求出天然气在一个大气压情况下的粘度 1 . (2) 根据天然气的组成求天然气的临界压力和临界温度. (3) 求天然气的对比压力和对比温度. (4) 查图得相对粘度 1 (5) 由
临界状态 当某种物理的气液界面消失时所对应的 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.
常见物质的临界参数
气体 甲烷 乙烷 丙烷 正丁烷 CO2 H2S N2 分子式 分子量 临界压力(MPa) 临界温度(K)
CH4 C2H6 C3H8 nC4H10 CO2 H2S N2
。
pV ZnRT
∴
PV V实际 Z PV0 V理想 0
★ 压缩因子Z的定义（物理意义）：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。 Z＝１时，真实气体相当于理想气体． Z＞１时，真实气体较理想气体难于压缩． Z＜１时，真实气体较理想气体易于压缩．
2）多组份烃类气体Z的求法
对应状态原理： 如果两种气体处于对应状态,则这两种气体的所 有内涵性质相同.(即与某种物质量的多少无关的量, 如压缩因子,粘度等)
对应状态： 如果两种气体的对比压力和对比温度相同,则这 两种气体处于对应状态。
对比压力Pr: 对比温度Tr:
Pr=P/Pc Tr=T/Tc
Pcቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ----临界压力 Tc-----临界温度
2
真实气体状态方程式
从理想气体状态方程出发,采用修正的方法 提出了描述真实气体的状态方程.工程上常采 用引入一乘数因子Z（为天然气的压缩因子)。 这样天然气的状态方程就可以写成：
pV ZnRT
假设在温度，气体组成一致的情况下，理想 气体的状态方程为：
p0V0 nRT
真实气体的状态方程可以写成：
dv ZnRT dZ ZnRT dp ZP dP P2
ZnRT 1 dZ 1 P Z dP P ZnRT 1 1 dZ P Z dP P
1 1 dZ V P Z dP
1 dV 1 1 dZ Cg V dP P Z dP
(2)
多组分体系气体压缩系数的求法
P Pc Pr
dP Pc d Pr 1 dV 1 1 dZ Cg V dP P Z dP 1 1 dZ Pc Pr Z Pc d Pr
1 1 dZ Cgr Pc Pc Pr Z d Pr