二天然气的物理化学性质课件.ppt

1、二二.天然气的物理化学性质天然气的物理化学性质掌握天然气的组成和分类；掌握天然气的分子量、相对密度、比容；掌握天然气偏差系数的确定；掌握天然气的体积系数和膨胀系数；掌握天然气的粘度计算；掌握天然气含水量和溶解度。教学要求：教学要求：重点：上述物性参数的定义及其物理含义难点：天然气偏差系数的确定方法。教学重点、难点：教学重点、难点：一、天然气的组成一、天然气的组成1.天然气的定义：天然气的定义：指自然生成的，在一定压力下蕴藏于地下指自然生成的，在一定压力下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中混合气体。岩层孔隙或裂缝中混合气体。石油工业范围内，石油工业范围内，天然气通常指从气田采出的气及油田采油天然气通常指

2、从气田采出的气及油田采油过程同时采出的伴生气。过程同时采出的伴生气。甲甲烷：占绝大部分；烷：占绝大部分；乙烷、丙烷、丁烷和戊烷：含量不多；乙烷、丙烷、丁烷和戊烷：含量不多；天然气中还含有少量的非烃类气体及少量稀有气体。天然气中还含有少量的非烃类气体及少量稀有气体。若天然气以非烃类气体为主要组成，则该气体称为非若天然气以非烃类气体为主要组成，则该气体称为非烃类气体。烃类气体。天然气中常见组分的性质天然气中常见组分的性质 临界温度：单组份气体在某一温度时，不管加多大的压力都不能使气体转化为液体，此温度即为临界温度。临界压力：在临界温度时，使气体液化所需要的最低压力。了解临界温度和临界压力有什么意义

3、？甲烷：天然气的主要组成部分，在天然气混合物中所占比例变化范围广，根据油气藏类型的不同，可以为29-99.9（体积比），在气藏中为80-99.5，在凝析气藏中为75.0-94.4，在油藏伴生气中为20-97。纯甲烷无色，稍有蒜味。比空气轻，具有高的热稳定性和很高的热值含量。乙烷：乙烷：无色气体，比空气稍重。在20时，加压至3.8MPa 以上，可液化成相对密度为0.446的液体。其含量可在0.05-25范围变化。丙烷：丙烷：无色气体，比空气重。温度在20且压力在0.85MPa以上时呈液态。含量在0.005-4.0变化。正丁烷：相对密度比空气大1倍。在0.1013MPa下，当温度高于0.6时，纯正

4、丁烷才呈气态。含量在0.001-2.0变化。异丁烷：在0.1013MPa下，温度高于-11时呈气态，温度更低时才呈液态。戊烷：在0.1013MPa下，正戊烷在36以上、异戊烷在28以上时方为气体，后者为汽油的组成部分，在凝析气藏中含有较多的该类组分。氮气：在天然气中的体积含量一般不超过10。无色无味的惰性气体。在标准压力下，当温度低于-195时氮气开始液化。硫化氢：极臭有毒的可燃气体，易溶解于水。niiinniy1in-气组分气组分 i 的摩尔数；的摩尔数；-气体总摩尔数。气体总摩尔数。niin1-i 气体组分的摩尔组成气体组分的摩尔组成;yi 式中式中2）体积组成）体积组成1iniiViVy

5、式中式中 yi -气体气体 i 的体积占总体积分数；的体积占总体积分数；Vi -气体气体 i 的体积；的体积；.气体总体积niniV3）质量组成）质量组成niiimmiW1式中式中 mi -气组分气组分 i 的质量的质量;-气体总质量。气体总质量。im质量组成为质量组成为各组分的质量百分数各组分的质量百分数，W i 表示表示4)质量组成换算为摩尔组成质量组成换算为摩尔组成iMWnii式中式中 M i 气组分气组分 i 的分子量。将气体的分子量。将气体质量组成质量组成换算换算为为摩尔组成摩尔组成：niiiiiMWMWiy1/1.按烃类组分关系分类按烃类组分关系分类1）干气和湿气）干气和湿气（1）

6、干气：）干气：在地层中呈气态，采出后在一般地面设备和管线在地层中呈气态，采出后在一般地面设备和管线中不析出液态烃的天然气。中不析出液态烃的天然气。按按C5 界定法是指界定法是指1m3 井口流出物中井口流出物中C5以上液态烃含量以上液态烃含量低于低于13.5 cm3的天然气。的天然气。（2）湿气：）湿气：在地层中呈气态，采出后在一般地面设备的温度、在地层中呈气态，采出后在一般地面设备的温度、压力下即有即有液态烃析出的天然气。压力下即有即有液态烃析出的天然气。按按C5 界定法是指界定法是指1m3井口流出物中井口流出物中C5以上液态烃含量以上液态烃含量高高于于13.5 cm3的天然气。的天然气。二、

7、天然气的分二、天然气的分类类2）贫气和富气）贫气和富气(1)贫气：贫气：指丙烷及以上烃类含量指丙烷及以上烃类含量少于少于100cm3/m3的天然气。的天然气。(2)富气富气：指丙烷及以上烃类含量指丙烷及以上烃类含量大于大于100cm3/m3的天然的天然气。气。2.按矿藏特点分类按矿藏特点分类1）纯气藏天然气）纯气藏天然气 在开采的任何阶段，矿藏流体在地层中呈气态，但随成在开采的任何阶段，矿藏流体在地层中呈气态，但随成分的不同，采到地面后在分离器或管系中可能有部分液态烃分的不同，采到地面后在分离器或管系中可能有部分液态烃析出。析出。2）凝析气藏天然气）凝析气藏天然气 矿藏流体在地层原始状态下呈气

8、态，但开采到一定阶矿藏流体在地层原始状态下呈气态，但开采到一定阶段，随地层压力下降，流体状态进入相态反凝析区，部分段，随地层压力下降，流体状态进入相态反凝析区，部分烃类在地层中即呈液态析出。烃类在地层中即呈液态析出。3）油田伴生天然气）油田伴生天然气 在地层中与原油共存，采油过程中与原油同时被采出，在地层中与原油共存，采油过程中与原油同时被采出，经油、气分离后得的天然气。经油、气分离后得的天然气。3.按硫化氢、二氧化碳含量分类按硫化氢、二氧化碳含量分类 酸性天然气酸性天然气:指含有显著量的硫化氢甚至有可能含有指含有显著量的硫化氢甚至有可能含有有机硫化物、二氧化碳，需经处理才能达到管输商品气气有

9、机硫化物、二氧化碳，需经处理才能达到管输商品气气质要求的天然气。质要求的天然气。第二节第二节 天然气的分子量、相对密度、天然气的分子量、相对密度、密度和比容密度和比容一、天然气的分子量一、天然气的分子量niiiMyM1)(已知天然气中各组分已知天然气中各组分 i 的摩尔组成的摩尔组成 yi 和分子量和分子量 Mi后，求分子量后，求分子量M:定义：定义：指单位体积天然气的质量。在理想条件下可表示为:R气体常数，0.008314（MPam3）/（kmolK）。g g=m/V=m/V=pMpM/RT/RT二、天然气密度二、天然气密度天然气密谋的影响因素有哪些？gp M WgR T 理想气体混合物，用

10、混合气体的视分子量理想气体混合物，用混合气体的视分子量 MWg 代替单组分气体的相对分子量代替单组分气体的相对分子量M，得到，得到混合气体的混合气体的密度方程：密度方程：定义：定义：在相同温度、压力下天然气的密度与空气密度之比，则：因为空气的分子量为28.96（29），故 M/28.96 一般天然气的相对密度在0.5-0.7之间，个别含重烃多的油田或其他非烃类组分多的天然气相对密度可能大于1。gag三、天然气相对密度三、天然气相对密度定义：定义：天然气单位质量所占据的体积。在理想条件下，可写成ggpMWRTmV1四、天然气的比容四、天然气的比容 对于真实气体，可应用气体偏差系数Z修正因气体压力

11、、温度和组分的影响。进入第三节第三节 天然气偏差系数的确定天然气偏差系数的确定1.定义：定义：是指在相同温度、压力下，真实气体所占的体积与是指在相同温度、压力下，真实气体所占的体积与同质量理想气体所占的体积之比。同质量理想气体所占的体积之比。（Compressibility Factor or Z-Factor)数值：数值：z可等于可等于1，大于，大于1，小于，小于1。意义：反映实际气体偏离理想气体的程度。意义：反映实际气体偏离理想气体的程度。一、天然气偏差系数一、天然气偏差系数(又称压缩因子又称压缩因子)idealactualVVZ 低压条件下低压条件下，可以应用理想气体的状态方程。（假设气

12、体分子所占的体积与气体总体积相比可以忽略不计；气体分子之间没有吸引力和排斥力；气体分子之间的碰撞是弹性碰撞）：pV=nRT 式中 P是压力；V是气体的摩尔体积；T是绝对温度；R是通用气体常数。进入进入高压下，按实际气体的气体状态方程计算。在有些情况下，真实气体也可以近似地看成理想气体。如远离液态的真实气体皆可以看成接近于理想气体。但接近液态的真实气体都必须作为真实气体。按我国法定计量单位，通用气体常数的定义是：在标准状态下(即压力为0.101325MPa；温度为273.15K时)1kmol的气体所占据22.4m3的标准容积。故通用气体常数的值计算如下：KkmolmMPa008314.015.2

13、3714.22101325.03R或 R=8.3143 J/(molK)=8314.3 J/(kmolK)一种物质的物理参数是它对应临界点物性参数的函数。因此，表示真实气体与理想气体性质偏差的气体偏差系数是相应压力和温度的对比压力和对比温度的函数。Pr对比压力：指气体的绝对工作压力P与临界压力Pc之比，Pr=P/Pc;Tr对比温度：指气体的绝对工作温度T与临界温度Tc之比，Tr=T/Tc。),(rrTpfZ2.对应状态原理对应状态原理ciipcpr/TyTTTTciipcpr/pypppp对于天然气混和物，天然气混和物，常用拟对比温度拟对比温度和拟对比压力拟对比压力来表示：拟对比温度：指气体的

14、绝对工作温度与拟临界温度的比值。拟对比压力：指气体的绝对工作压力与拟临界压力的比值。二、确定二、确定Z的常用方法的常用方法1.StandingKatz 偏差系数图偏差系数图ZZ例题例题2-2 天然气组分如下表，应用Standing-Katz的 系数图求在13.78MPa和366.48K条件下的 系数。组分 摩尔分数 yi相对分子质量 Mi临界压力pci（MPa）临界温度Tci（K）C10.930016.0434.604190.6C20.032930.0704.880305.4C30.013644.0974.249369.8nC40.003758.1243.796425.2iC40.002358

15、.1243.648408.2nC50.001072.1513.368469.7iC50.001272.1513.381460.4C60.000886.1783.012507.4C70.0005128.2592.289594.7H20.014028.0133.399126.3 Yarborough和Hall应用Starling-Carnahan状态方程得到以下关系式2prprrpr/112.1exp/06125.0TTpZr为对比密度，用试凑法从下列方程中求得2prpp/82.218.23pr2prpr2r3pr2prpr3r4r3r2rr)/11(2.1exp/06152.0/4.42/2.2

16、42/7.9058.4/76.976.14-1pTTpTTTTTTrrTrr2.应用状态方程求应用状态方程求Z3.应用经验公式求偏差系数应用经验公式求偏差系数Z（1）Sarem法法（2）Papay法法（3）Leung法法（4）Carlie-Gillett法法（5）Burnett法法（6）Papp法法 使用最小二乘法拟合关系式 ，用Legeadre多项式将方程写成rr,TpfZ ypxpAZnmnmmn 5050（1）Sarem法法NppZZrr/90sin11 美国天然气协会（AGA）的偏差系数值由下列方程求的近似值（5）Burnett法法 第四节第四节 天然气的等温压缩系数天然气的等温压缩系

17、数定义：在等温条件下，天然气随压力变化的体积变化率定义：在等温条件下，天然气随压力变化的体积变化率(简简 称压缩系数或弹性系数称压缩系数或弹性系数)。1()VgTVPC ZPVnRTCpr：等温拟对比压力压缩系数：等温拟对比压力压缩系数第五节第五节 天然气的体积系数和膨胀系数天然气的体积系数和膨胀系数一、体积系数一、体积系数定义：天然气在地层条件下所占体积与其在地面条件下的体积之比。scVgVB(273)293scscscscZTpt pVgpVTpBZ气藏中随着气体的不断采出，气藏压力在不断降低，而地下气藏的温度可视为常数。此时，可将 视为仅是气藏压力的函数，即pZCBg/gB二、膨胀系数二

18、、膨胀系数第六节第六节 天然气的粘度天然气的粘度一、粘度的定义一、粘度的定义1.定义：定义：流体抵抗剪切作用能力的量度。天然气粘度符合牛顿内摩擦定律。xx yuy xy剪切应力；剪切应力；u ux x 在剪切应力在剪切应力x x方向上的流体速度；方向上的流体速度；xuy在与在与x x垂直垂直y y方向上的流体速度梯度方向上的流体速度梯度.绝对粘度（或动力粘度），绝对粘度（或动力粘度），Pa.s或或mPa.s。低压下粘度受热运动控制低压下粘度受热运动控制(分子间距大小分子间距大小):):TT；PconstPconst;MM高压下粘度受分子间引力控制高压下粘度受分子间引力控制(分子引力大小分子引力

19、大小):):PP；T;MT;M （，（，i i），），mPa.smPa.s2、影响粘度的参数、影响粘度的参数1.Carr粘度图板方法Carr等人（1954）的关系式只需气体相对密度或相对分子质量，就可以确定气体粘度。这种关系是以曲线图形式表示的。大气压下烃类气体粘度的确定大气压下烃类气体粘度的确定1)先求天然气分子量先求天然气分子量 M 或或 相对密度相对密度2)再求天然气大气压力下粘度再求天然气大气压力下粘度 1二、天然气粘度的确定二、天然气粘度的确定大气压下大气压下非烃类非烃类气体粘度的确定气体粘度的确定则需修正则需修正22211()()()()unNCOH S 1在大气压和任意温度下，校

20、正的天然气粘度；在大气压和任意温度下，校正的天然气粘度；1()un在在11下未校正的天然气粘度；下未校正的天然气粘度；222(),(),()NCOH S含非烃的粘度含非烃的粘度。高压下气体粘度的确定高压下气体粘度的确定 查图板，由查图板，由 和和 求粘度比求粘度比prTprP21/求高压下粘度求高压下粘度2.已有天然气单组分的数据，可用混合定律求混合气体粘度：niiiniiigiMYMY15.015.01giiMiY-在在0.1MPa和给定温度下单组分气体粘度；和给定温度下单组分气体粘度；-气体单组分气体单组分 i 分子量；分子量；-混合气体中某组分混合气体中某组分 i的摩尔分数。的摩尔分数。

21、Herning&Zipperer公式：第七节第七节 天然气含水量和溶解度天然气含水量和溶解度一、天然气的水露点和烃露点1、天然气的水露点：在一定压力下与天然气的饱和 水蒸气量对应的温度。水露点可通过测量得到,或查天然气的水含量表得到。2、天然气的绝对湿度：在1m3天然气中所含水蒸汽的克数。绝对湿度可通过测量得到。3、天然气的烃露点：在一定压力下，气相析出第一滴“微小”的烃类液体的平衡温度。烃露点可通过测量得到，或天然气组分延伸分析得到。它一般取决于压力和组成（高含碳组分影响大）。二、天然气的发热量和沃贝指数二、天然气的发热量和沃贝指数1、天然气的高位发热量（用、天然气的高位发热量（用Hs表示）

22、表示）定义：在恒定压力101.325kPa和恒定温度T 下单位体积气体与空气完全燃烧所放出的热量。燃烧反应生成水，在温度T下完全冷凝为液体。2、天然气的低位发热量（用、天然气的低位发热量（用Hi表示）表示）定义：在恒定压力101.325kPa和恒定温度T下单位体积气体与空气完全燃烧所放出的热量。燃烧反应生成水，在温度T下始终保持为气相。3、沃贝指数沃贝指数 是燃烧的热负荷指数，等于燃气高位发热量与相对密度开方的比值。表示燃气性质对热负荷的综合影响。三、天然气的含水量三、天然气的含水量影响因素：1）含水蒸气量随压力增加而降低；2）含水蒸气量随温度增加而增加。3）在气藏中，天然气的含水量与天然气相

23、平衡的自由水中盐溶解度有关，随含盐量增加而降低。4)高密度的天然气组分，含水量少。描述天然气中含水量的多少，统一用绝对湿度和相对湿度（水蒸气的饱和度）表示。绝对湿度：绝对湿度：即每1m3的湿气中所含水蒸气的重量，其关系式为：TRpVWXwvw式中 X绝对湿度，kg/m3；W水蒸气的重量，kg；V湿天然气的体积，m3；Pvw水蒸气的分压，kg/m2；T湿天然气的绝对温度，K；Rw水蒸气的体积常数，Rw=47.1kgm/(kgK)。若天然气中水蒸气的分压达到饱和蒸汽压,则饱和绝对湿度可写为 TRpXwsws式中 Xs绝对湿度，kg/m3；Psw水蒸气的饱和蒸汽压，kg/m2。饱和绝对湿度：饱和绝对

24、湿度：在一定温度下，天然气中含有最大的水蒸气量。相对湿度相对湿度：在同样温度下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比。swvwppXXS四、天然气的溶解度四、天然气的溶解度1.定义：定义：在一定压力下，单位体积石油或水中所溶解在一定压力下，单位体积石油或水中所溶解的天然气量。的天然气量。2.影响因素：影响因素：温度、压力、油、水性质、组分。温度、压力、油、水性质、组分。3.天然气的溶解度通常用溶解系数天然气的溶解度通常用溶解系数 与压力表示：与压力表示：pRs式中式中 Rs -天然气在油或水中的溶解度，天然气在油或水中的溶解度，m3/m3;-天然气溶解系数天然气溶解系数：在一定温度下，压力每增加在一定温

25、度下，压力每增加 一个单位值，一个单位值，单位体积石油或水中溶解的天然单位体积石油或水中溶解的天然 气量气量,m3/(m3MPa)。P -压力，压力，MPa;地下水通常含有一定的盐量，影响天然气的溶解度。可先求出去离子水的溶解度，而后再进行校正，公式：4110/1XYRs式中 Rs-天然气在盐水中的溶解度，m3/m3;1-在1 m3淡水中的含 气量,m3;X -校正系数；Y -水中含盐量，mg/L。当天然气从水或石油中溢出时，最早溢出的气体是什么？结 束真实气体：真实气体：分子有一定的体积和质量，而且分子之间有作用力；理想气体：理想气体：分子则假设是无体积大小和质量的质点，而且分子之间不存在作用力。真实气体与理想气体真实气体与理想气体