《油藏物理》課程油藏物理：第一篇儲(chǔ)層流體的物化性質(zhì)ThePhysical&ChemicalPropertiesofReservoirFluids第一節(jié)天然氣的視分子量和密度第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程和對(duì)比狀態(tài)原理第三節(jié)天然氣的高壓物性第四節(jié)濕天然氣和天然氣水合物第二章天然氣的高壓物理性質(zhì)本章目的：了解天然氣的化學(xué)組成描述方法了解天然氣分子量、密度和相對(duì)密度的定義了解天然氣的狀態(tài)方程和對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理了解天然氣的壓縮因子、體積系數(shù)、壓縮系數(shù)、粘度的定義、影響因素及確定方法第二章天然氣的高壓物理性質(zhì)本章重點(diǎn)：天然氣的狀態(tài)方程和對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理；天然氣各高壓物性參數(shù)的定義、影響因素及確定方法本章難點(diǎn)：壓縮因子的定義、物理意義和確定方法天然氣粘度的影響因素分析第二章天然氣的高壓物理性質(zhì)1、天然氣是以溶解狀態(tài)存在于石油中或以游離狀態(tài)存在于油

藏的頂部(氣頂氣)或存在于全部氣藏中(氣田氣)2、天然氣是一種混合氣體，其組分復(fù)雜且經(jīng)常改變3、天然氣和原油之間處于同一相態(tài)平衡體系中，油氣相態(tài)隨

油藏溫度和壓力的變化而改變4、天然氣（地下）的性質(zhì)不完全服從理想氣體的一般規(guī)律第二章天然氣的高壓物理性質(zhì)天然氣的最大特點(diǎn)是具有極大的壓縮性1.天然氣的組成烷烴

非烴氣體：H2S、CO2、CO、N2、H2O蒸汽等少量稀有氣體：氦(He)和氬(Ar)組成：天然氣＝低分子飽和烷烴＋少量非烴氣體組成

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷(n-C4H10)和異丁烷(i-C4H10)是氣體

丙烷、正丁烷和異丁烷經(jīng)壓縮冷卻后易液化，是民用液化氣（LPG）的主要成分

戊烷和戊烷以上(常用C5+表示)的輕質(zhì)油稱為天然汽油C1(70～98%)、C2(<10%）、C3～C5(一般僅占百分之幾)第一節(jié)天然氣的視分子量和密度按礦藏分:

氣田氣 C1＞80%C2～C4不多C5+甚微油田氣（溶解、氣頂）C2含量高C1變化大20～97%

凝析氣田氣 C5+含量較多，C1為75～94%.按組成分:干氣——C5以上重?zé)N低于13.5cm3/m3

濕氣——C5以上重?zé)N超過13.5cm3/m3

貧氣——C3以上重?zé)N低于94cm3/m3

富氣——C3以上重?zé)N超過94cm3/m3按含硫量分:

凈氣：S＜1g/m3

酸氣：S＞1g/m3

2.天然氣的分類第一節(jié)天然氣的視分子量和密度3、天然氣組成的表示方法三種方法：質(zhì)量組成、體積組成、摩爾組成

體積組成：各組分的體積占?xì)怏w總體積的的百分比質(zhì)量組成：各組分的質(zhì)量占?xì)怏w總重量的百分比摩爾組成：各組分的摩爾數(shù)占?xì)怏w總摩爾數(shù)的百分比第一節(jié)天然氣的視分子量和密度由Wi/Mi=Ni，可推得：Mi為組分i的摩爾質(zhì)量質(zhì)量組成與摩爾組成的換算對(duì)于理想氣體，其體積組成與摩爾組成相等第一節(jié)天然氣的視分子量和密度組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)wini=wi/Miyi=ni/∑niC10.850.85/140.932C20.10.1/300.051C30.040.04/440.014C40.010.01/580.003∑10.0651.000例：已知質(zhì)量組成求摩爾組成：第一節(jié)天然氣的視分子量和密度4.天然氣視相對(duì)分子量和相對(duì)密度天然氣的視相對(duì)分子量

天然氣—多組分混合物，無法計(jì)算恒定分子量將標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol體積天然氣的質(zhì)量，定義為天然氣“視分子量”

天然氣的視分子量取決于天然氣的組成。組成不同，視分子量也不同

干燥空氣由氧、氮等組成的混合物質(zhì),它的常用視分子量也可由Kay混合規(guī)則確定，公認(rèn)的空氣的視分子量值為28.97，工程上采用29第一節(jié)天然氣的視分子量和密度天然氣的相對(duì)密度

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，0.101MPa

）下，天然氣的密度與干燥空氣密度的比值。

－空氣密度在石油工程中,測(cè)量天然氣的相對(duì)密度比測(cè)量天然氣的組成方便，因此常常先測(cè)量出天然氣的相對(duì)密度,再用上式近似計(jì)算出天然氣的分子量即：第一節(jié)天然氣的視分子量和密度狀態(tài)方程（EOS）：描述流體壓力、溫度和體積之間關(guān)系的表達(dá)式1.理想氣體狀態(tài)方程

即不計(jì)分子的體積和分子間作用力氣體的密度：狀態(tài)轉(zhuǎn)換(一定量的氣體)：理想氣體：（1）氣體分子為無體積無質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)（2）氣體分子之間無作用力第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理用什么方程描述實(shí)際氣體的PVT行為？

實(shí)際氣體：分子有大小、分子間有作用力（引力、斥力）

→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)方程第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理Z—壓縮因子特點(diǎn)：保留了理想氣體狀態(tài)方程的基本形式，僅增加參數(shù)Z計(jì)算簡(jiǎn)便，廣為工程計(jì)算中采用不受壓力的限制，在很高的壓力下可用2.真實(shí)氣體的狀態(tài)方程(1)天然氣壓縮狀態(tài)方程第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理物理意義:反映了實(shí)際氣體與理想氣體壓縮性的差異實(shí)際氣體分子有體積→實(shí)際氣體比理想氣體難壓縮分子間有引力→實(shí)際氣體比理想氣體易壓縮；(2)壓縮因子大小反映了兩方面影響的綜合效果Z＝1，V實(shí)＝V理→實(shí)氣接近理氣Z＜1，V實(shí)＜V理→實(shí)氣比理氣易壓縮←引力Z＞1，V實(shí)＞V理→實(shí)氣比理氣難壓縮←斥力定義：給定T、P下，實(shí)際氣體所占體積與同溫同壓下相同數(shù)量的理想氣體所占體積之比第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理3.壓縮因子Z的求取(1)實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定缺點(diǎn)：測(cè)試過程冗長(zhǎng),測(cè)得的結(jié)果應(yīng)用范圍有限第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理甲烷的壓縮因子等溫線(2)圖版法3.壓縮因子Z的求取單組分氣體用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的不同T、P下的Z

繪制第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理混合氣體——據(jù)對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制——Z(Pr,Tr)圖版是一種通用圖版原因：對(duì)單組分氣體：Z＝f（P、T）對(duì)混合氣體：Z＝f（P、T、組成）→不可能測(cè)定、繪制所有混合氣體的Z(P,T)圖第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理(2)對(duì)應(yīng)狀態(tài)

兩種氣體，當(dāng)對(duì)比壓力、對(duì)比溫度相同時(shí)，若對(duì)比體積也近似相同，則稱這兩種氣體處于同一對(duì)應(yīng)狀態(tài)(1)對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理當(dāng)兩種氣體處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)時(shí)，氣體的所有內(nèi)涵性質(zhì)(如壓縮因子，粘度等)也近似相同4.對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理實(shí)驗(yàn)證實(shí)，各種真實(shí)氣體都滿足此規(guī)律第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理對(duì)比溫度對(duì)比體積對(duì)比壓力(3)對(duì)比參數(shù)在P、T條件下視/擬臨界壓力:視/擬對(duì)比壓力:視/擬臨界溫度:視/擬對(duì)比溫度:單組分多組分第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理(4)對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理證明（自學(xué)）真實(shí)氣體狀態(tài)方程用圖形描述某種氣體的P,V,T關(guān)系為在P-V坐標(biāo)體系中，臨界點(diǎn)C為一拐點(diǎn)第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理在臨界點(diǎn)上聯(lián)立求解第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理解方程組得：或?qū)⑺玫腶、b、R值代入范德華方程中得：任何兩種氣體只要其對(duì)比壓力和對(duì)比溫度相等，則其對(duì)比體積也相等，這就表明該兩種氣體處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)令第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理★Ｚ的計(jì)算：從上式可以看出：只要?dú)怏w的臨界壓縮因子Zc為一常數(shù)，則當(dāng)兩種氣體的對(duì)比壓力和對(duì)比溫度相等時(shí)，它們的壓縮因子必相等第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理★Zc的取值：氣體PcTcVcZc氦He2.265.30.05780.30氫H2

12.833.30.06500.305氧O2

50.10154.80.07800.307氮N2

33.5126.20.09010.297甲烷CH4

45.8190.70.9900.290乙烷C2H6

50.0282.40.1240.268苯C6H6

48.6562.00.2600.274二氧化碳CO2

72.9304.20.0940.274氨NH3

111.5405.60.0720.242理論上：實(shí)際氣體：盡管各種氣體的臨界參數(shù)Tc、Pc相差很大，但Zc相差極小，這說明用對(duì)應(yīng)狀態(tài)法求真實(shí)氣體壓縮因子完全滿足精度要求第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理5.對(duì)應(yīng)狀態(tài)定理求壓縮因子純烴對(duì)應(yīng)參數(shù)：天然氣視臨界參數(shù)：對(duì)應(yīng)參數(shù)：

根據(jù)對(duì)應(yīng)參數(shù)查天然氣的壓縮因子圖版，得Z值。第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理－天然氣中氮的mol分?jǐn)?shù)－純氮?dú)獾膲嚎s因子－不含氮?dú)鈺r(shí)(扣除)，純烴部分的壓縮因子由于對(duì)應(yīng)狀態(tài)定律的適用條件限制，當(dāng)非烴氣體含量較多時(shí)，要進(jìn)行校正氮?dú)鈮嚎s因子圖版6.天然氣壓縮因子的校正（1）N2的影響(>20%時(shí)，誤差>3%)第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理（2）含H2S和CO2時(shí)：－按摩爾平均求得的視臨界參數(shù)原理：引入一個(gè)以H2S和CO2摩爾分?jǐn)?shù)為函數(shù)的校正系數(shù)，先求天然氣視臨界參數(shù)，然后應(yīng)用該校正系數(shù)得到校正后臨界參數(shù)，再求對(duì)應(yīng)溫度和對(duì)應(yīng)壓力，然后再查圖版得到Z第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理根據(jù)已知天然氣的組成或相對(duì)密度求擬臨界溫度、擬臨界壓力如含有非烴H2S、CO2，對(duì)擬臨界溫度和擬臨界壓力進(jìn)行校正根據(jù)給定的溫度、壓力，計(jì)算擬對(duì)比溫度和擬對(duì)比壓力查圖版,求得壓縮因子查圖版確定壓縮因子的步驟第二節(jié)天然氣的狀態(tài)方程★和對(duì)比狀態(tài)原理定義：氣體在地層條件下所具有的體積(游離態(tài)氣體）與標(biāo)準(zhǔn)狀況下所占有的體積的比值－地面標(biāo)準(zhǔn)條件下體積Bg<<1★Bg描述了一定量天然氣從地下→地面，由于T、P改變引起的體積膨脹的大小★天然氣Bg＜＜1一、天然氣的地層體積系數(shù)Bg第三節(jié)天然氣的高壓物性在地層條件下:地面標(biāo)準(zhǔn)狀況下，Z=12、Bg的確定天然氣體積系數(shù)Bg的計(jì)算公式第三節(jié)天然氣的高壓物性3.體積系數(shù)的應(yīng)用—計(jì)算氣藏的儲(chǔ)量例

已知P＝16.548MPa,t=138.9℃Z＝0.923；氣體在地下的體積Vrec=1.5×108m3。求：氣體的儲(chǔ)量(地面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)m3)？氣體儲(chǔ)量Vsc=1.5×108/Bg=1.5×108/0.007945=188.80×108m3

第三節(jié)天然氣的高壓物性定義：指在等溫條件下，單位體積天然氣體的體積隨壓力的變化率物理意義：在T一定時(shí)，壓力每改變一個(gè)單位時(shí)，氣體體積的變化率對(duì)理想氣體：隨壓力增加，氣體難壓縮二、天然氣的等溫壓縮率Cg第三節(jié)天然氣的高壓物性純組分體系實(shí)際氣體由氣體壓縮因子狀態(tài)方程代入壓縮系數(shù)定義式又因第三節(jié)天然氣的高壓物性單組分實(shí)際氣體：在低壓下,Z隨壓力上升而減小,Z/P為負(fù)值,實(shí)際氣體壓縮系數(shù)Cg比理想氣體的要大在高壓下,Z隨壓力上升而增大,Z/P為正值,實(shí)際氣體壓縮系數(shù)Cg比理想氣體的要小將Z和帶入→Cg根據(jù)（P、T）查相應(yīng)溫度下Z～P圖→Z；用Z～P圖求取Z點(diǎn)的斜率第三節(jié)天然氣的高壓物性

上式不能直接計(jì)算多組分天然氣的Cg，需采用對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理,將壓力變換為視對(duì)應(yīng)壓力；天然氣：

天然氣等溫壓縮系數(shù)Cg的計(jì)算公式

第三節(jié)天然氣的高壓物性將Z和帶入→Cg計(jì)算步驟根據(jù)yi或相對(duì)密度計(jì)算Ppc和Tpc；計(jì)算擬對(duì)比參數(shù)Ppr和Tpr；查Z～Ppr,Tpr)圖版→Z用Z～(Ppr,Tpr)圖版求取Z點(diǎn)的斜率第三節(jié)天然氣的高壓物性設(shè)兩氣層間的摩擦力為F，接觸面積為A－速度梯度，1/s;-單位面積上的內(nèi)摩擦力,N/m—粘度，動(dòng)力粘度粘度定義：?jiǎn)挝幻娣e上內(nèi)摩擦力與速度梯度的比值物理意義：流體抵抗剪切作用能力的一種量度常用單位：mPa.s（國(guó)際），cP（工程）1、粘度的定義及單位三、天然氣的粘度第三節(jié)天然氣的高壓物性稀氣體區(qū)——低壓稠氣體區(qū)——高壓2.影響天然氣粘度的因素天然氣μg＝f（T，P，組成）天然氣壓縮性大→低壓和高壓下，μg

的變化規(guī)律不同高、低壓影響判定：根據(jù)（Tpr、Ppr）第三節(jié)天然氣的高壓物性天然氣μg變化規(guī)律：低壓下μ的變化規(guī)律高壓下μ的變化規(guī)律分子熱運(yùn)動(dòng)為主氣體近似于液體μ與P無關(guān)P↑→μ↑T↑→μ↑T↑→μ↓M↑→μ↓M↑→μ↑非烴↑→μ↑非烴↑→μ↑第三節(jié)天然氣的高壓物性第三節(jié)天然氣的高壓物性方法1當(dāng)已知混合物組成時(shí)，查圖版可得在給定T、P下的各組分的粘度，應(yīng)用下式計(jì)算氣體混合物粘度3、氣體粘度的計(jì)算(自學(xué))

(1)低壓氣體混合物的粘度第三節(jié)天然氣的高壓物性低壓下：低壓下氣體的粘度幾乎與壓力無關(guān)。分子作用力小，粘度主要受分子動(dòng)量交換的影響。

(1)Tg(高、低速氣層分子交換數(shù)量增加)(2)Mg(分子運(yùn)動(dòng)減慢，內(nèi)摩擦力減小)(3)非烴氣體的粘度一般較高2、天然氣粘度的特點(diǎn)2、天然氣粘度的特點(diǎn)方法2：查圖版（2）高壓下氣體粘度計(jì)算：方法1：

粘度對(duì)比參數(shù)粘度對(duì)比參數(shù)法第三節(jié)天然氣的高壓物性（1）由公式計(jì)算1個(gè)大氣壓、給定溫度下的氣體粘度g1；（2）確定氣體的視對(duì)應(yīng)壓力、溫度；（3）查圖版,求［/g1］；（4）由g1×［/g1］,求求取混合物粘度步驟：（2）高壓下氣體粘度計(jì)算：第三節(jié)天然氣的高壓物性3、天然氣粘度的特點(diǎn)低壓下：低壓下氣體的粘度幾乎與壓力無關(guān)。分子作用力小，粘度主要受分子動(dòng)量交換的影響(1)Tg(高、低速氣層分子交換數(shù)量增加)(2)Mg(分子運(yùn)動(dòng)減慢，內(nèi)摩擦力減小)(3)非烴氣體的粘度一般較高第三節(jié)天然氣的高壓物性具有液體粘度特點(diǎn)

高壓下，作用力為結(jié)合力：

P增加，結(jié)合力增加

T增加，運(yùn)動(dòng)加快，結(jié)合力破壞

M增加，結(jié)合力增強(qiáng)

高壓下：(1)P↗g

↗；(2)T↗g

↘；(3)M↗g

↗第三節(jié)天然氣的高壓物性一、天然氣中水蒸氣含量含水蒸汽的天然氣稱為濕天然氣，天然氣含水量與下列因素有關(guān)：（1）隨溫度增加而增加；隨壓力增加而減少；（2）隨含鹽量增加而減少；（3）相對(duì)密度越大，含水量越少。通常用絕對(duì)濕度或相對(duì)濕度（水蒸汽飽和度）描述天然氣中含水量的多少。

第四節(jié)天然氣含水量和天然氣水合物1.絕對(duì)濕度

每1m3的濕天然氣所含水蒸氣的質(zhì)量稱為絕對(duì)濕度，其關(guān)系式如下：

若濕天然氣中水蒸氣的分壓達(dá)到飽和正氣壓，則飽和絕對(duì)濕度可以寫成：

飽和絕對(duì)濕度是指在某一溫度下天然氣中含有的最大的水蒸汽量第四節(jié)天然氣含水量和天然氣水合物2.相對(duì)濕度在同樣的溫度下，絕對(duì)濕度與飽和絕對(duì)濕度之比，稱為相對(duì)濕度?：絕對(duì)干燥的天然氣，Pvw=0，則?=0；當(dāng)濕天然氣達(dá)到飽和時(shí)，PVW=PSV，=1,對(duì)一般天然氣：0<?<13.天然氣含水量的確定方法

相對(duì)密度校正系數(shù)含鹽量校正系數(shù)相對(duì)密度0.6時(shí)的天然氣含水量第四節(jié)天然氣含水量和天然氣水合物1、天然氣水合物的概念又稱籠形包絡(luò)物，它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下由水和天然氣組成的類似冰狀的、籠形結(jié)晶化合物，其遇火可燃燒，因而俗稱可燃冰。密度0.88-0.90甲烷水合物如果形成天然氣水合物的主要?dú)怏w為甲烷，對(duì)甲烷分子含量超過99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物

天然氣水合物在燃燒天然氣水合物的形態(tài)第四節(jié)天然氣含水量和天然氣水合物1.水合物的形成與天然氣水合物資源

2.天然氣開采過程中防止井筒出現(xiàn)水合物

3.氣態(tài)天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔飪?chǔ)運(yùn)第四節(jié)天然氣含水量和天然氣水合物19世紀(jì)室內(nèi)發(fā)現(xiàn)