1、第六章 天然氣的物理性質(zhì),在常溫常壓下，1-5個(gè)碳原子的烴類為氣體，即天然氣。,天然氣是指在不同地質(zhì)條件下生成、運(yùn)移，并以一定的壓力儲(chǔ)集在地層中的氣體。大多數(shù)氣田的天然氣是可燃性氣體，主要成分是氣態(tài)烴類，并含有少量的非烴氣體。,天然氣的化學(xué)組分,烴類氣體 甲烷（CH4）占絕大部分 乙烷（C2H6） 丙烷（C3H8） 丁烷（C4H10） 戊烷（C5H12）含量不多,非烴氣體（少量） 硫化氫（H2S） 硫醇（RSH） 硫醚（RSR） 二氧化碳（CO2） 一氧化碳（CO） 氮（N2） 水汽（H2O）,稀有氣體（微量） 氦（He） 氬（Ar）等。,1、天然氣的狀態(tài)方程式 2、壓縮因子的計(jì)算 3、天然氣

2、體積系數(shù) 4、天然氣壓縮系數(shù) 5、天然氣的密度和相對(duì)密度 6、天然氣的粘度 7、天然氣在石油中的溶解和分離,1 天然氣的狀態(tài)方程式,一、理想氣體狀態(tài)方程式,所謂理想氣體是假設(shè)氣體分子本身所占的體積比起整個(gè)氣體體積來(lái)說是可以忽略不計(jì)的，所有氣體分子間的碰撞以及分子與器壁的碰撞是純彈性的，氣體分子之間以及分子和容納它的器壁之間不存在引力或排斥力。 對(duì)于理想氣體，它將遵守如下定律：,波義爾定律：,或 （當(dāng)T =常數(shù)）,蓋呂薩克定律：,或 （當(dāng)P =常數(shù)）,查理定律：,或 （當(dāng)V =常數(shù)）,由上得到：,通用氣 體常數(shù),根據(jù)如上定律可推導(dǎo)出如下理想氣體狀態(tài)方程，假定有1mol氣體，可寫成：,由波義爾定律

3、：,由蓋呂薩克定律：,如果有,狀態(tài)或任何其它狀態(tài)均可寫成上述等式,因此可用一個(gè)通用式表示，即,若為n摩爾氣體，則可寫成,二、范德華方程式,對(duì)于實(shí)際氣體來(lái)說，除低壓條件下近似服從理想氣體狀態(tài)方程式外，一般都與理想氣體狀態(tài)方程式發(fā)生偏差，有時(shí)甚至發(fā)生較大的偏差。 這是因?yàn)閷?shí)際氣體的分子間具有作用力。在低壓時(shí)，分子與分子間距離較大，作用力可以忽略不計(jì)；當(dāng)處于高壓時(shí)，分子間的距離縮短了，其相互間作用力已經(jīng)不能忽略。 對(duì)于理想氣體曾假設(shè)分子本身的體積比起總體積來(lái)小到可以忽略不計(jì)，這在壓力很低時(shí)，可以近似地認(rèn)為是這樣。然而，實(shí)際上當(dāng)氣體密度隨壓力增高而加大時(shí)，分子所占的體積就不能忽略不計(jì)了。 范德華考慮了

4、實(shí)際氣體的上面二種情況，對(duì)理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行了修正：,表壓測(cè)定的是分子對(duì)器壁碰撞的力，實(shí)際內(nèi)壓要大于表壓，因?yàn)樗囊徊糠帜芰縼?lái)克服分子間的作用力，因此必須加一個(gè)校正值 該校正值正比于氣體摩爾數(shù)（n）的平方，反比于體積(V)的平方,1、表壓與實(shí)際內(nèi)壓差的校正(分子作用力的校正),a為取決于氣體類型的常數(shù),這樣經(jīng)修改后的實(shí)際氣體的狀態(tài)方程（范德華方程）,式中：a、b取決于氣體類型的常數(shù)。,2、壓力增加導(dǎo)致氣體分子體積的校正,若每mol氣體所有單個(gè)分子的總體積為b， 則實(shí)際氣體的體積應(yīng)為nb(其中b為與氣體類型有關(guān)的常數(shù)）,三、實(shí)用氣體狀態(tài)方程式,以上介紹的實(shí)際氣體狀態(tài)方程式在計(jì)算上是十分繁瑣

5、的，因此油田上通常是采用一種最簡(jiǎn)便的校正方式。即在理想氣體狀態(tài)方程式的右側(cè)引入一個(gè)乘積因子Z。 這個(gè)乘積因子有幾個(gè)名稱，如壓縮因子、壓縮系數(shù)、偏差因子，但常用的是壓縮因子。,實(shí)際氣體的狀態(tài)方程式可寫成：,式中：Z壓縮因子。,理想氣體,實(shí)際氣體,已知理想氣體Z0l，那么實(shí)際氣體Z為：,所謂壓縮因子實(shí)際上是實(shí)際氣體與理想氣體的一個(gè)體積偏差系數(shù)。即表示lmol真實(shí)氣體的體積，在相同的溫度壓力下與理想氣體體積的偏差。 理想氣體的Zl，而實(shí)際氣體一般Z 0.3-1.7。,壓縮因子（Z）的含義可以用1摩爾理想氣體與實(shí)際氣體在同一溫度與壓力下的比較來(lái)說明,壓縮因子的表示方法,常用的壓縮因子表示方法是圖示法。

6、,可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出每種氣體在不同溫度、壓力下的壓縮因子，編繪成圖，供使用者查閱。,壓縮因子的影響因素?zé)N類氣體類型、壓力、溫度,1）烴類氣體類型 類型不同壓縮因子不同 2）壓力 低溫低壓時(shí)，稍微增加壓力，Z值減小，當(dāng)壓力增加到某一值時(shí)，Z值減小最大，這是由于實(shí)際氣體分子具有吸引力，造成比理想氣體易于壓縮的緣故。當(dāng)壓力進(jìn)一步增加時(shí)，則Z值增大，這是由于壓力達(dá)到一定范圍時(shí)，再增加壓力，分子距離更近，產(chǎn)生排斥力因而造成實(shí)際氣體比理想氣體更不易壓縮的緣故。,與溫度及壓力的關(guān)系可從分子 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)角度加以理解,3）溫度 隨溫度增加，Z值趨向1。這是因?yàn)檎鎸?shí)氣體隨溫度升高，動(dòng)能加大，分子距離也更大，這樣分

7、子間引力和斥力的影響就很微弱，因此實(shí)際氣體也就接近理想氣體。,組成對(duì)壓縮因子有影響,天然氣是復(fù)雜的烴類混合物而不是單一成分的烴類，如何解決混合氣體的壓縮因子？,范德華于1873年提出的相應(yīng)狀態(tài)理論。這個(gè)相應(yīng)狀態(tài)理論設(shè)想了從折算（對(duì)比）壓力、折算（對(duì)比）溫度和折算（對(duì)比）體積上看，任何氣體（包括氣體混合物）都具有相同的性質(zhì)， “折算”（對(duì)比）一詞的意義是每個(gè)p、V、T變量都用其與臨界值之比來(lái)表示。假設(shè)折算（對(duì)比）壓力為pr，折算（對(duì)比）溫度為Tr，折算（對(duì)比）體積Vr。也就是說不同氣體當(dāng)具有相同的折算（對(duì)比）壓力和折算（對(duì)比）溫度，則它們的折算（對(duì)比）體積亦應(yīng)相同。這個(gè)新方程就稱為范德華對(duì)比方程

8、，簡(jiǎn)稱對(duì)比方程。,2 壓縮因子的計(jì)算,一、對(duì)應(yīng)狀態(tài)理論,為什么混合氣體的實(shí)際溫度、壓力、體積折算到臨界狀態(tài) 才能消除氣體性質(zhì)對(duì)PVT的影響呢？,根據(jù)雙組分體系臨界點(diǎn)定義，液氣界限消失，液相、氣相的內(nèi)涵性質(zhì)相同。所謂內(nèi)涵性質(zhì)相同是指那些與物質(zhì)數(shù)量無(wú)關(guān)的性質(zhì)如密度、壓力、溫度、粘度、化學(xué)電位和表面張力等。 上述臨界點(diǎn)的意思是指任何氣體處于臨界狀態(tài)時(shí)，存在一定的共性，即可把它們視為同組分(單組分)氣體去考慮，這樣就可以作出它們的折算溫度、折算壓力與壓縮因子的關(guān)系圖。,實(shí)際上，從右圖可看出，不同氣體（甲烷、乙烷、丙烷）當(dāng)它們的折算溫度、折算壓力相同時(shí)，就具有大致相同的壓縮因子。,當(dāng)范德華方程式令其處于

9、臨界狀態(tài)時(shí)，用微分方法可以求得a、b、R與臨界參數(shù)的關(guān)系式如下：,由此二式可計(jì)算R:,將上述三式代入范德華方程式,得出對(duì)比方程：,該方程中不含與氣體類型有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)a、b,因而是一個(gè)通用性方程，適用于任何氣體.也即不同氣體當(dāng)具有相同的折算壓力、溫度時(shí)，則折算體積也相同，因此該方程稱為范德華對(duì)比方程。,根據(jù)壓縮因子的定義：,不同的氣體若具有相同的折算（對(duì)比）參數(shù)Pr、Tr、Vr，則稱它們處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)。處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)的氣體對(duì)于理想氣體表現(xiàn)出的偏差是相同的，這一關(guān)系稱為對(duì)應(yīng)狀態(tài)定律。,雖然對(duì)應(yīng)狀態(tài)理論是不夠完善的，但實(shí)踐證明可用于化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的氣體（如石蠟族烴） 圖可以看出，不同類型氣體的甲烷、乙烷、

10、丙烷，當(dāng)其折算壓力Pr和折算溫度Tr相同時(shí)，具有相同的壓縮因子（即各點(diǎn)都沿一條曲線分布）。,根據(jù)對(duì)應(yīng)狀態(tài)理論，對(duì)于單組分氣體只要知道其折算壓力Pr和折算溫度Tr，就很容易按圖版6-6查出其壓縮因子Z來(lái)。,二、天然氣壓縮因子的計(jì)算,1936年，凱依將對(duì)應(yīng)狀態(tài)理論進(jìn)行了修正，以便能用于混合氣體，對(duì)混合氣體的P、V、T性質(zhì)，他引入了一個(gè)與單組分氣體臨界狀態(tài)相近似的平均（虛擬）臨界值（虛擬臨界溫度和虛擬臨界壓力）作為混合氣體的臨界溫度和臨界壓力，再以此來(lái)求取折算溫度和折算壓力。因此，最終獲得的是虛擬折算溫度和虛擬折算壓力。這樣就可以作出天然氣壓縮因子與虛擬折算溫度和虛擬折算壓力的關(guān)系圖版。,（2）計(jì)算

11、相應(yīng)的虛擬折算參數(shù)：,具體的計(jì)算步驟如下： （1）求出天然氣的虛擬臨界常數(shù)：,Yi為權(quán)重，相當(dāng)于各組分在混合物中的百分含量或摩爾數(shù),（3）根據(jù)虛擬折算壓力和虛擬折算溫度，查圖6-7的圖版即可求出Z值。,在應(yīng)用氣體組分資料時(shí)，由于一般實(shí)驗(yàn)室氣體分析只作到C7（即庚烷），則計(jì)算C7以上組分的虛擬折算常數(shù)時(shí)，應(yīng)用比C7高一個(gè)成分（即辛烷）的臨界常數(shù)來(lái)代替C7以上組分的臨界常數(shù)。 當(dāng)非烴含量很少（N210，CO22）時(shí)，用圖6-7所求出的壓縮因子，其誤差小于3。若非烴或重?zé)N（C5以上）含量較多時(shí)，用圖6-7誤差較大，則需用一些其它圖表進(jìn)行校正。,但當(dāng)缺乏天然氣的組分資料時(shí)，還可以利用氣體相對(duì)密度的資料

12、，根據(jù)圖版查出虛擬臨界常數(shù)，求出天然氣的虛擬折算參數(shù)，最后根據(jù)虛擬折算參數(shù)查圖6-7即可求出天然氣的Z值。 利用氣體相對(duì)密度查圖所得出的虛擬臨界參數(shù)，與計(jì)算方法相比誤差為1.5。,天然氣相對(duì)密度與虛擬臨界參數(shù)圖 （據(jù)Brown等，1948）,3 天然氣體積系數(shù),天然氣體積系數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1m3氣體在地層溫度、壓力條件下所占有的體積數(shù)，在地下這一數(shù)值遠(yuǎn)小于1。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,Bg天然氣體積系數(shù)，無(wú)因次量； Vgs標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體體積（m3），標(biāo)準(zhǔn)狀況一般實(shí)驗(yàn)室取溫度0，壓力1atm，而我國(guó)礦場(chǎng)取溫度20，壓力1atm； Vg地層條件下氣體體積（m3）。,根據(jù)氣體狀態(tài)方程式：,在實(shí)際的油氣層

13、中，由于地層溫度保持不變，地層壓力不斷變化，因此Bg可以看作地層壓力的函數(shù)，在不同的地層壓力下，可作出Bg-p的關(guān)系曲線，該曲線在儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)運(yùn)用起來(lái)極為方便，可直接從曲線上查出來(lái)。,氣體壓縮系數(shù)是指壓力每改變一個(gè)大氣壓時(shí)，氣體體積的變化率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：,4 天然氣壓縮系數(shù),Cg天然氣壓縮系數(shù)； Vg天然氣體積（m3）； dVg/dp天然氣體積隨壓力變化率。 負(fù)號(hào)說明氣體壓縮系數(shù)與壓力變化的方向相反。,對(duì)理想氣體狀態(tài)方程 PV=nRT： 進(jìn)行求導(dǎo)得：,由于地層溫度幾乎不變，即在等溫條件下天然氣的壓縮為等溫壓縮，故寫成：,從上式可以看出氣體的等溫壓縮系數(shù)與壓力成反比，還可估算出系數(shù)的數(shù)量級(jí)。由

14、于天然氣是非理想氣體，我們從實(shí)用氣體狀態(tài)方程式知道：,在壓縮因子影響因素討論中已經(jīng)知道，在低壓下，壓縮因子隨壓力增加而下降，因此Z 對(duì)P 的偏導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，Cg比理想氣體的大；在高壓下，Z 隨壓力而增加，Z對(duì)p的偏導(dǎo)數(shù)為正值，Cg比理想氣體的要小。,理想氣體壓縮系數(shù),天然氣是多組分的混合氣體，本身沒有一個(gè)分子式，因此不能象純氣體那樣，由分子式算出其恒定的分子量。天然氣的分子量是人們假想的分子量，它是把在0、760mmHg、體積為22.4L的天然氣所具有的重量定義為該天然氣的分子量，叫視分子量。,5 天然氣的密度和相對(duì)密度,天然氣的組分不同，其視分子量不同。天然氣組分相同，而各組分含量的百分比不同

15、時(shí)，其視分子量也不同。因此，天然氣的視分子量是根據(jù)天然氣的組分和每種組分含量的百分?jǐn)?shù)計(jì)算出來(lái)的。,一、天然氣的密度,地下氣體密度的計(jì)算除公式外，也可采用諾模圖。,如果求得天然氣的視分子量（平均視分子量）， 1、按圖6-13 查得視對(duì)比（或視折算）溫度和壓力， 2、從圖6-7查得Z， 3、從圖6-14查出地下天然氣的密度。,實(shí)例 當(dāng)天然氣視分子量為23，地下溫度為200，壓力為2800psi，壓縮因子為0.95，則從圖中可查得地下天然氣密度為0.17g/cm3。,g天然氣的相對(duì)密度，無(wú)因次量； a、g分別為空氣、天然氣的密度（Kg/m3或g/cm3）； Ma、Mg分別為空氣、天然氣的分子量，Ma

16、28.97。,天然氣的相對(duì)密度可以定義為在相同的壓力和溫度條件下，天然氣的密度與空氣密度的比值，因此相對(duì)密度是一個(gè)無(wú)因次量。,二、天然氣的相對(duì)密度,天然氣的相對(duì)密度可用下列公式求得：,一般天然氣的相對(duì)密度在0.5一0.7之間，個(gè)別含重?zé)N或其它非烴時(shí)可大于1。對(duì)于相對(duì)密度大于1的天然氣，在氣田勘探和開發(fā)施工過程中，要特別注意中毒問題，應(yīng)避免在低洼、空氣不流通的地方施工。,天然氣組分測(cè)定目前廣泛采用氣相色譜儀 比重（相對(duì)密度）一般由組分、含量計(jì)算出分子量和密度后直接代到公式中求取,天然氣氣體內(nèi)部摩擦阻力的量度。,6 天然氣的粘度,一、概念,粘度是氣體與液體的一種性質(zhì)，它表示物體的一部分對(duì)另一部分移

17、動(dòng)時(shí)的阻力,氣體的粘度是由分子間相互碰撞后交換的動(dòng)能決定而引起的,設(shè)面積為A、間隔為dy的兩層氣體，如果下層流動(dòng)速度為v ，上層速度為v + dv ，那么二個(gè)氣層之間必存在一個(gè)反向阻力F，該阻力與二個(gè)氣層之間的速度梯度成正比。,二、動(dòng)力粘度單位,CGS制 厘米-克-秒制,SI制 米-千克-秒制,氣體常用,液體常用,三、動(dòng)力粘度的影響因素,與溫度、壓力和氣體組成有關(guān),低壓下，氣體的粘度與分子平均運(yùn)動(dòng)速度、平均自由行程（分子二次碰撞所走過的平均距離）和密度有關(guān)，與氣體壓力無(wú)關(guān)。這主要是低壓時(shí)，分子間距大，作用力不明顯，溫度起主導(dǎo)作用，因此主要與分子熱運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)，溫度越大，分子運(yùn)動(dòng)加快，分子間摩擦

18、力增大，粘度增加。因此分子量增大時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度減慢，粘度減小。,高壓下（大于30個(gè)大氣壓時(shí)），氣體粘度與液體類似，隨溫度增加而降低，隨分子量增大而加大。這是因?yàn)楦邏合路肿用芏燃哟?，氣體分子間的作用力成為主導(dǎo)作用。,根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，氣體粘度可表征為,7 天然氣在石油中的溶解和分離,天然氣在石油中的溶解能力，可用溶解系數(shù)來(lái)表示。當(dāng)壓力增加一個(gè)大氣壓時(shí)，溶解在單位體積石油中的氣量稱為溶解系數(shù)，其單位是m3/m3ata。,一、天然氣在石油中的溶解,按照亨利定律，單組分氣體在液體中的溶解度（Rs）與溶解時(shí)絕對(duì)壓力成正比：,Rs=Cp Rs氣體在單位液體的溶解度（scm3/m3） p溶解時(shí)的絕對(duì)壓力（a

19、ta） C溶解系數(shù)，表示溫度一定時(shí)，每增加一個(gè)大氣壓溶解在單位體積液體中的氣體量（m3/m3ata）,亨利定律是一個(gè)直線定律，C是一個(gè)常數(shù)，這對(duì)于不易互溶的氣-液系統(tǒng)是合適的。對(duì)于多組分結(jié)構(gòu)相近的烴類氣體在原油中的溶解則有較大的偏差，C不是一個(gè)常數(shù)，也就是說氣體溶解度并不符合亨利定律。 實(shí)驗(yàn)表明，天然氣在石油中的溶解度為一條凹向壓力軸的曲線 。它隨著壓力增大而減少，最后可以保持不變。這是因?yàn)樘烊粴庠谑椭械娜芙舛炔粌H決定于壓力，而且取決于天然氣和石油的組成，其次還受油層溫度的影響。,低壓時(shí)，有較多的重?zé)N組分和易溶的非烴組分急劇溶解，曲線較陡，壓力增加后，一些難溶的甲烷也溶于油中，曲線平緩。,1

20、、天然氣組成對(duì)溶解度的影響： 化學(xué)組成相近的天然氣的單一烴， 分子量增加，溶解度急劇增加。如 30C時(shí)甲烷溶解度為1，乙烷大4倍， 丙烷則大20倍,2、地層溫度對(duì)溶解度的影響： 溫度升高，溶解度下降,溶解度影響因素討論,3、原油相對(duì)密度 天然氣在相對(duì)密度小的輕質(zhì)油中的溶解度大于在相對(duì)密度大的重質(zhì)油中溶解度,重質(zhì)油,輕質(zhì)油,4、原油飽和壓力對(duì)溶解度的影響： 隨原油飽和壓力增加，溶解量增加,二、天然氣在石油中的分離,在采油中，經(jīng)常遇到的是天然氣從石油中分離的問題，即脫氣問題。當(dāng)油層中的壓力降低到飽和壓力時(shí)，溶解氣將從原油中分離出來(lái)。天然氣在石油中的溶解和分離，是一對(duì)矛盾的兩個(gè)方一面，是相反的兩個(gè)過

21、程。 1、油氣組成對(duì)溶解度有影響，對(duì)分離同樣存在影響。一般愈易溶解于石油中的氣體組分，它從石油中分離出來(lái)也就愈困難；反之，較難溶于石油中的氮?dú)?、甲烷等組分，就易從石油中分離出來(lái)。因此溶解在重質(zhì)油中的天然氣易分離，而溶解在輕質(zhì)油中的天然氣不易分離。,物理和化學(xué)性質(zhì)越相近的物質(zhì)越不易分離，反之易分離,分離與壓力關(guān)系是： 隨壓力降低，分子運(yùn)動(dòng)距離加大，液態(tài)分子對(duì)氣態(tài)分子的引力減小，分離氣量增加,用P-V圖上的泡點(diǎn)線的解釋上凸曲線，斜率逐漸減小,分離與溫度的關(guān)系是 隨溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，分離氣量增加。,用P-T圖上的泡點(diǎn)線的解釋上凹曲線，斜率逐漸增加,接觸脫氣： 即一次脫氣，是一次將油層壓力降至某一壓力（如降低至一個(gè)大氣壓），測(cè)量分離的氣量。在整個(gè)降壓過程中，分離的氣體不馬上排出容器，而是在指定壓力下才分離出來(lái)，然后引到容器外進(jìn)行計(jì)量。在引出氣體之前，氣體與石油長(zhǎng)時(shí)間接觸，建立了熱力平衡，因而在這種脫氣方式中，油氣系統(tǒng)總的組成是不變的，這叫接觸脫氣。它相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)室的一次脫氣，因此也叫一次脫氣。,分離還與脫氣方式有關(guān)，脫氣方式可分兩類：,差異脫氣： 即微分脫氣，就是在脫氣過程中，