1、天然氣的物理化學(xué)性質(zhì),第二章,第二章 天然氣的物理化學(xué)性質(zhì),u確定天然氣在各狀態(tài)下物性參數(shù)的方法： l直接取氣樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定； l根據(jù)天然氣各組分的物理性質(zhì)、物理規(guī)律利用混合規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。,第二章 天然氣的物理化學(xué)性質(zhì),第一節(jié) 天然氣的組成和分類 第二節(jié) 天然氣的分子量、相對密度、密度和比容 第三節(jié) 天然氣偏差系數(shù)的確定 第四節(jié) 天然氣的等溫壓縮系數(shù) 第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù)和膨脹系數(shù) 第六節(jié) 天然氣的粘度 第七節(jié) 天然氣含水量和溶解度,一、基本概念 u體系(system) 指一定范圍內(nèi)一種或幾種定量物質(zhì)構(gòu)成的整體，又稱物系、系統(tǒng)。體系可分為單組分和多組分體系。,水,多組分體系 multi-c

2、omponent,單組分體系 single-component,H2O,第一節(jié) 天然氣的組成和分類,水,H2O,C3、C7、C20,油,u組分(component) 形成體系的各種物質(zhì)稱該體系的各組分，也即物系中所有同類的分子。,一、基本概念,擬組分(pseudo-component)： 用于工程計(jì)算的一種假想組分，由物系中幾種組分合并成。 例如，油氣相態(tài)研究中常用組分： l純組分：C1、C2、C3； l擬組分：輕烴組分C2-6、重?zé)N組分C7+,水,H2O,C3、C7、C20,油,一、基本概念,u組成(composition) 體系中構(gòu)成某物質(zhì)各組分所占的比例。定量表示體系或某一相中的組分構(gòu)成

3、情況。,油,C3、C7、C20,10%、20%、70%,1、天然氣：（烴類、非烴類） uNatural 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。 lHydrocarbon：CnH2n+n C1(7098%)、C2(10%） C3C5(百分之幾)、C6+（甚微） lNon-hydrocarbon：H2S、CO2、N2、CO、Ar、He,二、天然氣的組成,二、天然氣的組成,2、天然氣組成 天然氣中各組分氣體所占總組成的比例 實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀分析,3、天然氣組成的表示方法 三種方法：摩爾組成、體積組成、質(zhì)量組成 u摩爾組成：用yi表示，最常用的一種表示方法

4、各組分的摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分?jǐn)?shù)。,（摩爾分?jǐn)?shù)，可用百分?jǐn)?shù)，也可用小數(shù)表示）,二、天然氣的組成,u體積組成 ：用符號vi表示 各組分的體積占總體積的分?jǐn)?shù)。,當(dāng)考慮天然氣為遵循阿伏加德羅定律的混合氣體時，其體積組成與摩爾組成相等,二、天然氣的組成,u質(zhì)量組成：用符號Gi表示 各組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分?jǐn)?shù),u質(zhì)量組成與摩爾組成的換算,由,，可推得：,Mi為組分i的摩爾質(zhì)量(molecular weight),二、天然氣的組成,思考：已知摩爾組成如何換算為質(zhì)量組成？,氣 相,C1, C2, C3,u已知：體系中各組分的質(zhì)量如下,二、天然氣的組成,u求：體系的質(zhì)量組成、摩爾組成和體積組成,氣 相,C1,

5、C2, C3,二、天然氣的組成,l體系的質(zhì)量組成,體系的總質(zhì)量m,體系的質(zhì)量組成:,氣 相,C1, C2, C3,體系中各組分的分子量:,二、天然氣的組成,體系中各組分的摩爾數(shù):,l體系的摩爾組成,氣 相,C1, C2, C3,二、天然氣的組成,體系的總摩爾數(shù)n:,體系中各組分的摩爾組成:,氣 相,C1, C2, C3,二、天然氣的組成,體系中各組分的體積:,l體系的體積組成,體系的總體積V:,三、天然氣的分類,天然氣的分類,按烴類組分關(guān)系,按礦藏特點(diǎn),按H2S、CO2含量,干氣：地下地面均呈氣態(tài)， C5+幾乎沒有,濕氣：地下氣態(tài)，地面有液烴，C5+很少,純氣藏氣：地下氣態(tài)， C190%，C2

6、-C4少，C5+甚微，g0.5-0.6,酸性天然氣：S1g/標(biāo)m3,貧氣：C3+100cm/m3,富氣：C3+100cm/m3,凝析氣藏氣：地層原始狀態(tài)呈氣態(tài)，開發(fā)過程中，當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀诼饵c(diǎn)壓力時有液烴析出，C160-90%， C5+較高， g0.7-0.9,油田伴生氣：地下與原油共存，伴隨原油產(chǎn)出，C160%， C5+甚微， g1,凈氣： S1g/標(biāo)m3,一、天然氣分子量 (molecular weight） u定義：標(biāo)態(tài)下1kmol（0、1atm、22.4m3）天然氣具有的質(zhì)量。單位：kg/kmol 又稱平均分子量、視分子量 u確定方法：,第二節(jié) 天然氣的分子量、相對密度、密度和比容,u定

7、義(density) 在一定溫度壓力下，單位體積天然氣的質(zhì)量。,二、天然氣的密度,（Kg/m3）,u計(jì)算方法,在理想條件下，,實(shí)際氣體，,u定義(specific gravity or relative density) 在20，0.101MPa下天然氣的密度與干燥空氣的密度之比。,三、天然氣的相對密度,u計(jì)算方法,思考題：如何得到？,氣 相,C1, C2, C3,u已知：天然氣的摩爾組成如下,u求：天然氣的分子量和相對密度,三、天然氣的相對密度,氣 相,C1, C2, C3,l天然氣的分子量:,三、天然氣的相對密度,l天然氣的相對密度:,四、天然氣的比容,u定義(specific volum

8、e) 單位質(zhì)量天然氣所占據(jù)的體積,（m3/Kg）,u計(jì)算方法,在理想條件下，,實(shí)際氣體，,第三節(jié) 天然氣偏差系數(shù)的確定,u氣體狀態(tài)方程 描述一定量的氣體壓力、體積、溫度之間關(guān)系 的數(shù)學(xué)方程式。,一、偏差系數(shù)的狀態(tài)方程,1、偏差系數(shù)定義 指在相同溫度、壓力下，真實(shí)氣體所占體積與相同量理想氣體所占體積的比值。,l實(shí)際氣體分子有體積，真實(shí)氣體比理想氣體難壓縮 l實(shí)際氣體分子間有引力，真實(shí)氣體比理想氣體易壓縮 l Z的大小反映了兩種相反作用的綜合結(jié)果 -Z1，真實(shí)氣體比理想氣體難壓縮，體積更大 -Z1，實(shí)際氣體比理想氣體易壓縮，體積較理想氣體小 -Z=1，實(shí)際氣體接近理想氣體 僅當(dāng)p很低，T較高時，可

9、認(rèn)為Z=1，是理想氣體,由偏差系數(shù)的定義式：,研究nKmol摩爾實(shí)際氣體，由（1）式：,（1）,（2）,又由理想氣體狀態(tài)方程為：,（3）,2、偏差系數(shù)的狀態(tài)方程,把(2)代入理想氣體狀態(tài)方程(3)：,p,壓力，MPa,(4),T,溫度，K,Vm,氣體體積，m3,R,通用氣體常數(shù)，0.008314MPa.m3.Kmol-1.K-1,2、偏差系數(shù)的狀態(tài)方程,思考題：R如何得到？,2、偏差系數(shù)的狀態(tài)方程,u偏差系數(shù)狀態(tài)方程的幾種表現(xiàn)形式,lnKmol：,l1Kmol：,l1Kg：,V = m3 體積,Vm = m3/Kmol千摩體積, = m3/Kg比容,思考題：R如何得到？,二、天然氣偏差系數(shù)的確

10、定,確定偏差系數(shù)的方法： 1）實(shí)驗(yàn)測定法,特點(diǎn)：可靠，但周期長，成本高，不適用于一般工程上的計(jì)算。 2）查圖版法 Standing-Katz圖版 特點(diǎn)：查圖較簡單，在大多數(shù)工程上滿足工程要求，在油田上用得較廣。,3）計(jì)算法 （1）狀態(tài)方程法 SRK、PR、SW、PT、LHSS等的偏差系數(shù)三次方程，應(yīng)用牛頓迭代方法求解 11參數(shù)法(D-A-K)、H-Y 、8參數(shù)法（D-P-R） （2）經(jīng)驗(yàn)公式法 Sarem法、Papay法、leung法、Carlie-Gillett法、Burnett法、Papp法等,二、天然氣偏差系數(shù)的確定,原理 對應(yīng)狀態(tài)原理：兩種性質(zhì)相近的氣體，在對應(yīng)狀態(tài)時，內(nèi)涵性質(zhì)一樣,1

11、、Standing & Katz系數(shù)圖,對比壓力,對比溫度,對天然氣混合物，應(yīng)用擬對比壓力和擬對比溫度,1、Standing & Katz系數(shù)圖,擬臨界壓力ppc：,擬對比壓力ppr：,擬對比溫度Tpr：,擬臨界溫度Tpc：,對于非烴如H2S、CO2含量較高時，應(yīng)對Tpc和ppc校正，校正后的擬臨界溫度和壓力：,A-天然氣中H2S和CO2之和。,B-天然氣中H2S摩爾分?jǐn)?shù)。,1、Standing & Katz系數(shù)圖,已知天然氣的g，可以由下面公式確定Tpc和ppc,對干氣,對凝析氣,1、Standing & Katz系數(shù)圖,確定偏差系數(shù)的步驟： A、根據(jù)已知天然氣的組成或相對密度求擬臨界溫度、

12、擬臨界壓力 B、如含有非烴H2S、CO2 ，對擬臨界溫度和擬臨界壓力進(jìn)行校正 C、根據(jù)給定的溫度、壓力，計(jì)算擬對比溫度和擬對比壓力 D、查圖版，求得偏差系數(shù),1、Standing & Katz系數(shù)圖,例1：已知天然氣的組成數(shù)據(jù)如下表，求ppc、Tpc和p=4.827MPa, T=320K時的ppr、Tpr,組分,摩爾分?jǐn)?shù),臨界溫度,K,臨界壓力,MPa,C1,C2,C3,C4,0.94,0.03,0.02,0.01,190.6,305.4,369.8,425.2,4.604,4.880,4.294,3.796,1、Standing & Katz系數(shù)圖,解：,（1）,（2）,1、Standing

13、 & Katz系數(shù)圖,解：,1、Standing & Katz系數(shù)圖,組分,摩爾分?jǐn)?shù),分子量,C1,C2,C3,C4,0.94,0.03,0.02,0.01,16.043,30.070,44.097,58.124,例2：已知天然氣的組成數(shù)據(jù)如下表，求ppc、Tpc和p=4.827MPa, T=320K時的ppr、Tpr,1、Standing & Katz系數(shù)圖,解：,（1）求天然氣的分子量Mg,1、Standing & Katz系數(shù)圖,（2）求ppc和Tpc,1、Standing & Katz系數(shù)圖,（3）求ppr和Tpr,1、Standing & Katz系數(shù)圖,2、D-A-K方法（11參數(shù)

14、法）,A1=0.3265 A2= -1.0700 A3= - 0.5339 A4=0.01569 A5=-0.05165 A6=0.5475 A7= - 0.7361 A8=0.1844 A9=0.1056 A10=0.6134 A11=0.7210,(1),(2),應(yīng)用狀態(tài)方程擬合Standing-Katz圖版得到,擬對比密度：,代入（1）式,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,如何求Z?,由,變形,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,（3）,已知ppr、Tpr時，方程（3）只有一個未知數(shù)pr，因而可以求解方程（3）得到pr代入（1）或（2）即可求出Z。方程（3）如何求解呢？,2、D-A-K方法

15、（11參數(shù)法）,牛頓迭代法,令（3）的左端項(xiàng)為,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,牛頓迭代格式：,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,方法的適用范圍：,已知p，T，求解Z的步驟： （1）根據(jù)yi或相對密度計(jì)算ppc和Tpc （2）計(jì)算擬對比參數(shù)ppr和Tpr （3）對pr賦初值，取Z=1 （4）計(jì)算F(pr) （5）計(jì)算F(pr) （6）迭代計(jì)算,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,（7）判斷,（8）將滿足精度要求的pr代入（1）式或（2）式求Z,若滿足，結(jié)束迭代，若不滿足，,繼續(xù)迭代,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,例3：已知某天然氣的ppr=1.0398，Tpr=1.65，應(yīng)用11參數(shù)法天然

16、氣的偏差系數(shù)Z。,解：（1）對pr賦初值，取Z=1,（2）求F(pr),第一項(xiàng),第二項(xiàng),2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,第三項(xiàng),第四項(xiàng),2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,第五項(xiàng),F(pr)=第一項(xiàng)+ 第二項(xiàng)+第三項(xiàng)+第四項(xiàng)+第五項(xiàng) =0-0.0128+0.00083+0.000000962+0.000671 = - 0.0113,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,（3）求,第一項(xiàng),第二項(xiàng),2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,第三項(xiàng),第四項(xiàng),2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,F(pr)=1+第一項(xiàng)+ 第二項(xiàng)+第三項(xiàng)+第四項(xiàng) =1-0.150586+0.01466+0.000034033+0.00

17、2208 = 0.866,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,（4）迭代計(jì)算：,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,（5）判斷,進(jìn)行第二次迭代計(jì)算,（6）將滿足精度要求的pr代入（1）式或（2）式求Z：,2、D-A-K方法（11參數(shù)法）,3、H-Y方法,Yarborough和Hall應(yīng)用Starling-Carnahan狀態(tài)方程得到的,特殊定義的對比密度：,3、H-Y方法,3、H-Y方法,方法的適用范圍：Tpr1,一、定義 在等溫條件下，當(dāng)體系壓力改變單位壓力時，單位體積天然氣的體積改變量。,第四節(jié) 天然氣的等溫壓縮系數(shù),單位：MPa-1,二、天然氣等溫壓縮系數(shù)的確定,由偏差系數(shù)的狀態(tài)方程：,二、

18、天然氣等溫壓縮系數(shù)的確定,可由相應(yīng)溫度下的Zp圖在相應(yīng)的壓力Zp曲線上求出該點(diǎn)的Z值和相應(yīng)的斜率Z/p，代入上式即可求出壓力p下的Cg值。,二、天然氣等溫壓縮系數(shù)的確定,若氣體為理想氣體，則Z=1,在實(shí)際應(yīng)用中，一般不直接根據(jù)p計(jì)算Cg值，而將Cg表示為擬對比壓力和擬對比溫度的函數(shù),二、天然氣等溫壓縮系數(shù)的確定,計(jì)算Cg常用公式,Cpr等溫?cái)M對比壓縮系數(shù)：,根據(jù)偏差系數(shù)Z和Tpr等溫線上的切線斜率(Z/p)Tpr，可求出Cg值。,二、天然氣等溫壓縮系數(shù)的確定,1、查Standing & Katz偏差系數(shù)圖版,已知yi或相對密度，p，T，求解Cg （1）根據(jù)yi或相對密度計(jì)算ppc和Tpc （2

19、）計(jì)算擬對比參數(shù)ppr和Tpr （3）在Standing & Katz偏差系數(shù)圖版找到Tpr對應(yīng)的Zppr線，求出Z （4）求Zppr線的斜率,（5）計(jì)算Cpr，,（6）計(jì)算Cg，,2、D-A-K（11參數(shù)法）,（1）,（2）,2、D-A-K（11參數(shù)法）,2、D-A-K（11參數(shù)法）,2、D-A-K（11參數(shù)法）,已知yi或相對密度，p，T，求Cg （1）根據(jù)yi或相對密度計(jì)算ppc和Tpc （2）計(jì)算擬對比參數(shù)ppr和Tpr （3）對pr賦初值，取Z=1，,（9）計(jì)算Cg=Cpr/ppc,2、D-A-K（11參數(shù)法）,（4）計(jì)算F(pr)、F(pr) （5）迭代計(jì)算求pr （6）將滿足精度

20、要求的pr代入（1）式或（2）式求Z （7）計(jì)算Z/pr （8）將pr、Z、Z/pr代入，求Cpr,一、定義 相同數(shù)量的天然氣在地層條件下的體積與其在地面標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積之比，用符號Bg表示,第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),兩個特定狀態(tài)，與過程無關(guān) 單位：m3sm3 g ,在地面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體體積可按理想氣體狀態(tài)方程來求取，此時Zsc=1：,第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),二、確定方法 由定義：,在地層溫度、壓力條件下，天然氣所占的體積可按偏差系數(shù)狀態(tài)方程求出：,第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，psc=0.101325, Tsc= 293.15K,第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),例1：已知地層壓力p=

21、16.548MPa,地層溫度T=411.9K, g=0.64,VHC=108m3, 求天然氣的儲量。,解：,（1）求天然氣的臨界參數(shù),第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),（2）求天然氣的ppr,Tpr,第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),（3）求天然氣的Z, 用11參數(shù)法,Z=0.938,（4）求天然氣的體積系數(shù),第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),（5）求天然氣的儲量,第五節(jié) 天然氣的體積系數(shù),第六節(jié) 天然氣的粘度,一、定義 天然氣內(nèi)摩擦阻力的量度。 單位：mPa.s 二、確定方法 Carr Kobayshi & Burrows圖版 Dempsey方法 Lee等人的方法,根據(jù)氣體相對密度或摩爾質(zhì)量，確定氣體粘度 （1）根

22、據(jù)T、g或Mg，查出大氣壓下的粘度1 （2）求出ppc,Tpc ,ppr,Tpr （3）根據(jù)ppr,Tpr查高壓下的粘度與1之比/1 （4）計(jì)算= /11,1、Carr Kobayshi & Burrows圖版,當(dāng)天然氣中含H2S、CO2、N2，首先對大氣壓下的粘度進(jìn)行校正：,1、Carr Kobayshi & Burrows圖版,2、Dempsey方法,擬合Carr Kobayshi & Burrows圖版得到,2、Dempsey方法,A0=-2.46211820 A1=2.97054714 A2= 0.286264504 A3= 8.5042052210-3 A4=2.80860949 A5=-3.49803305 A6=0.360373020 A7= - 0.01044324 A8=-0.793385684 A9=1.39643306 A10=-0.1491