油层物理(第二章-2)

第三节 天然气的高压物性天然气的最大特点是具有极大的压缩性。 本节内容

@天然气的常规物性@天然气状态方程和对应状态原理(equation of state)

@天然气的体积系数(formation volume factor)@天然气的等温压缩系数(compressibility) @天然气的粘度(viscosity)

第三节 天然气的高压物性本节目的：u了解天然气的化学组成描述方法； u明确天然气分子量、密度和相对密度的定义； u掌握天然气的状态方程和对应状态原理； u掌握天然气的偏差系数、体积系数、压缩系数、 粘度的定义、影响因素及确定方法；

deviation factor

corresponding state law

第三节 天然气的高压物性本节重点：u天然气的状态方程和对应状态原理； u天然气各高压物性参数的定义、影响因素及确 定方法。 本节难点： u偏差系数的定义、物理含义和确定方法；天然 气粘度的影响因素分析。

一、天然气的常规物性1、天然气的组成：(烃类、非烃类)实验室用气相色谱仪分析 u天然气：指从地下采出的，常温常压下相态为气 态的烃类和少量非烃类气体组成的混合物。 l烃类：C1(70~98%)、C2(<10%)

C3~C5(一般仅占百分之几)l非烃类：H2S、CO2、N2、CO、O2、H2

Ar、He

一、天然气的常规物性2、天然气的分类(free gas) (condensate gas) (associated gas)

(sour gas)(poor gas)

(rich gas)

一、天然气的常规物性3、天然气组成的表示方法三种方法：摩尔组成、体积组成、质量组成 u摩尔组成：用yi表示，最常用的一种表示方法 摩尔组成：各组分的摩尔数占总摩尔数的分数。

yi N i / N ii 1

n

yi 1

n

i

1

(摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示)

mole fraction

3、天然气组成的表示方法u体积组成 ：各组分的体积占总体积的分数。yi Vi / Vii 1 n

yi 1

n

i

1

标准状态下1mol气 体体积为22.4L

★当考虑天然气为遵循阿伏加德罗定律的混合气体 时，其体积组成与摩尔组成相等 u质量组成：用符号Gi表示 质量组成：各组分的质量占总质量的分数Gi wi / wii 1 n

Gi 1

n

i

1

3、天然气组成的表示方法u质量组成与摩尔组成的换算 由

wi / M i Ni ,可推得：G /M i i ni y i n n G /M i i i 1

Mi为组分i的摩尔质量(molecular weight)

一、天然气的常规物性4、天然气分子量、密度和相对密度(molecular weight、density、specific gravity) u天然气分子量 l定义：标态下1mol(0℃、1atm、22.4l)天然气 具有的质量，即平均分子量、视分子量

l确定方法：

M yi M ii 1

n

4、天然气分子量、密度和相对密度u天然气密度(density)

在一定温度、压力下，单位体积天然气的质量。

g m /V

(g/cm3,K

g/m3)

u天然气相对密度(specific gravity or relative density) 在20℃,0.101MPa下天然气的密度与干燥空气的 密度之比。

g / a

或 M / 28.96

标准状态：工程：20℃、1at; 实验室：0℃、1at

二、天然气的状态方程★和对应状态原理状态方程：描述流体压力、体积、温度之间关系 的数学方程式。F(p、V、T)=01、理想气体的状态方程

pV nRTl上式描述的气体pVT 行为与气体种类无关 →pV=nRT 称为理想气体的状态方程。 l理想气体(ideal gas):气体分子无体积、无质 量、相互间无作用力的假想气体。

1、理想气体的状态方程l实际气体(real gas):分子有大小、分子间有作用 力(引力、斥力)→pVT 行为常常不满足理想气体状态方程：

w在低压下，近似满足；(<4atm,温度较高)w在高压下，分子间距↓ →不能忽视分子大小及分子间作用力 →不满足理想气体状态方程 用什么方程描述实际气体 的pVT 行为？

二、天然气的状态方程和对应状态原理2、真实气体的状态方程 (1)天然气压缩状态方程

pV ZnRTZ—压缩因子、偏差系数、偏差因子 特点：

l保留了理想气体状态方程的基本形式，仅增加 参数Z。计算简便，广为工程计算中采用。l不受压力的限制，在很高的压力下可用。

2、真实气体的状态方程(2)偏差系数Z ★偏差系数：给定温度、压力下，实际气体所占体积 与同温同压下相同数量的理想气体所占 体积之比。 物理意义： u反映了实际气体与理想气体压缩性的差异。 l分子体积、分子间斥力→实气比理气难压缩；

l分子间引力→实气比理气易压缩；→Z 的大小反映了两方面影响的综合效果。

2、真实气体的状态方程lZ=1,V实=V理→实气接近理气 lZ<1,V实<V理→实气比理气易压缩←引力 lZ>1,V 实>V 理→实气比理气难压缩←斥力 u反映了实际气体与理想气体pVT行为的偏差程度 lZ 相当于理想气体状态方程中引入的校正系数， 校正实际气体由于分子大小和分子间力的作用引 起的非理想性。 l不同气体，在不同T、p 下，偏离理想气体pVT 行 为的程度不同→Z=f(p、T、组成) ★Z是用气体状态方程计算实际气体pVT 行为的关键

二、天然气的状态方程和对应状态原理3、偏差系数Z 的求取★ 方法：实验测定、图版法、状态方程法① 实验测定 据状态方程有： 在p、T 下，

在标态下，

pV ZnRT p0V0 Z 0 nRT0

→

Z0 1

pVT0 Z p0V0T

式中：p0=1atm,T0=20℃,V0 为T0、p0 下的体积。

3、偏差系数Z 的求取★② 图版法 u单组分气体的Z~(p,T)图版： ——用实验测定的不同T、p 下的Z 绘制。 u混合气体的Z ~(pr ,Tr)图版： ——据对应状态原理用实测数据

绘制； ——Z~(pr ,Tr)图版是一种通用图版。 原因： l对单组分气体：Z=f(p、T) l对混合气体：Z=f(p、T、组成) →不可能测定、绘制所有混合气体的Z ~(p,T) 图

二、天然气的状态方程和对应状态原理4、对应状态原理(corresponding state law)(1)对比参数(reduced parameter) 对于体系，在p、T条件下

u对单组分(single-component)l对比压力：(reduced pressure)

l对比温度：(reduced temperature)

l对比体积：(reduced volume)

p pr pc

T Tr Tc

V Vr Vc

4、对应状态原理u多组分(multi-component) l视/拟临界压力： l视/拟对比压力：pseudo-critical pressure pseudo-reduced pressure

p pc yi pcil视/拟临界温度：pseudo-critical temperature

p pr p / p pcl视/拟对比温度：pseudo-reduced temperature

T pc yiTci

Tpr T / Tpc