第三节 天然气的高压物性Properties of Natural Gases in high pressure

教学目的：掌握天然气的定义、组成和分类、视分子量和比重、状态方程式、体积系数、压缩系数、天然气的粘度教学重点和难点：视分子量和比重、状态方程式、体积系数、压缩系数、天然气的粘度教法说明：课堂讲授教学内容：

一 天然气的定义广义而言 : 天然气就是指自然界所有靠天然

生 成的气体，如气田气、油田气和煤 层气 .狭义而言 : 天然气就是指从地下采出的一切

可 燃气体，是由烃类气体和少量非烃

类气体所组成的混合物 , 在常温常 压下为气态 .

二 天然气的组成和分类化学成分 : 烷烃 : 甲烷 ~ 戊烷 (C1~C5) 非烃类气体 : CO2,N2,H2S,H2O 稀有气体 : 氦气 , 氖气 有毒硫化物 : 硫醇 , 硫醚等不同的油气田 , 其天然气的组成不同 .组成表示 : 1 摩尔组成 2 体积组成 3 重量组成

1 摩尔组成 yi

ni------- 天然气中第 i 组份的摩尔数

2 体积组成 yi

3 重量组成 gi

4 三种组成之间的关系

N

1ii

i

i

n

ny

N

1ii

i

i

v

vy

N

1ii

i

i

w

wg

N

1i i

i

i

i

i

mgm

g

y

天然气的分类按矿藏分 :

气田气 C1 ＞ 80% C2 ～ C4 不多 C5+ 甚微

油田气（溶解、气顶） C2 含量高 C1 变化大 20 ～ 97%

凝析气田气 C5+ 含量较多， C175 ～ 94% .

按组成分 : 湿气（富气）： C6+ ＞ 100g/m3

贫气： C6+=10 ～ 100g/m3

干气： C6+ ＜ 10g/m3

按含硫量分 : 净气： S ＜ 1g/m3

酸气： S ＞ 1g/m3

三 天然气的视分子量和比重天然气的视分子量 M 0℃ ， 760 毫米汞柱，体积为 22.4 米 3 （升）的天然气所具有的重量定义为该种天然气的公斤（克）分子量。 计算公式：

天然气的比重 S 在相同温度和压力下，天然气的重度与空气的重度之比 计算公式：

天然气的比重也可以采用气体比重瓶直接测试。一般为 0.5 ～ 0.7 ，个别情况大于 1.0

n

1iii

n

1iii

MyM

MyM

n

1iii Mg

1

n

1iii

a

g )(SS ys

97.28

M

四 天然气的状态方程式自然界中的一切变化都遵循三大定律： （ 1 ）物质不灭定律（即连续性方程） （ 2 ）能量守恒定律（即伯努利方程） ( 流体力学） （ 3 ）状态方程（真实气体状态方程） 所谓状态方程就是描述气体体积、压力和温度的关系式。 在油气田开发中，天然气从地层流向井底，再从井底流到地面，这一系列运动总是伴随着有压力、温度的变化，也就是说天然气的状态从下而上无时不在变化着，所以我们为了确定天然气的体积随油层压力和温度的变化规律，就必须讨论天然气的状态方程。

1 理想气体状态方程式理想气体状态方程式： 理想气体：（ 1 ）气体分子为无体积无质量的质点；（ 2 ）气体分子之间无作用力（引力和斥力） 在常温常压下气体的状态可以用上式进行计算，因为在高温低压下（ 1 ）气体分子间距大，分子间的作用力可以忽略不计；（ 2 ）气体体积较大，气体分子本身的体积可以忽略不计。

nRTPV

2 真实气体状态方程式（ 1 ）从理想气体的假设入手 范德华方程式 :

　　　 a——范德华常数

　　　b——范德华常数 　　除了范德华方程外，还有本尼迪克特—韦布—鲁宾状态方程、贝蒂—布里奇曼状态方程等，这些方程式因参数较多理论计算非常复杂，因此多用于纯理论研究，工程计算一般运用很少。

RTbVV

aP

2

（２）修正法（实验法）

　　式中 Z称为压缩因子，它反映了实际气体与理想气体的一切偏差。既考虑了分子作用力的存在，也考虑了气体分子自身体积．引力因素使得真实气体较理想气体易于压缩，而体积因素使得真实气体较理想气体难于压缩，Ｚ值的大小则是这两个因素影响的综合体现．Z＝１时，气体的引力因素和体积因素相等，但并不表示此　　时的真实气体就是理想气体．Z＞１时，气体的引力因素＜体积因素，真实气体较理想气　　体难于压缩．Z＜１时，气体的引力因素＞体积因素，真实气体较理想气　　体易于压缩． 　　　　　

znRTPV

Ｚ的计算（ 1 ）单组分气体（通过实验制成图版）

Ｚ的计算（续）（２）多组分气体（对应状态原理） 　　对于多组分体系 , 是否也可以采用上述的实验法呢 ?对应状态原理 如果两种气体处于对应状态 ,则这两种气体的所有内涵性质相同 .( 即与某种物质量的多少无关的量 , 如压缩因子 , 粘度等 )对应状态 如果两种气体的对比压力和对比温度相同 ,则这两种气体处于对应状态 .对比压力 Pr: Pr=P/Pc Pc-----临界压力对比温度 Tr: Tr=T/Tc Tc-----临界温度

临界状态 当某种物理的气液界面消失时所对应的温度和压力就称为临界温度和临界压力 .此时的物质统称为流体 , 而气相和液相的性质完全相同 .

常见物质的临界参数气体 分子式 分子量 临界压力 (MPa) 临界温度 (K)甲烷 CH4 16.0 4.64 190.67乙烷 C2H6 30.1 4.88 303.50丙烷 C3H8 44.1 4.26 370.00

正丁烷 nC4H10 58.1 3.79 425.39CO2 CO2 44.01 7.38 304.17H2S H2S 34.0 9.00 373.56N2 N2 28.0 3.39 126.11

天然气视临界参数的计算方法 : 1 公式法 :

2 查图法 :

n

1iciipc

n

1iciipc

TyT

PyP

对应状态原理证明 真实气体状态方程 　　 用图形描述某种气体的 P,V,T关系为

RTbVV

aP

2

很显然在 P—V坐标体系中 ,临界点 C 为一拐点 , 于是有 :

由范德华方程得 :

解方程组得 :

或

　　

0V

P

0V

P

Tc

2m

2

Tcm

2c

c

cm

b27aP

R27a8T

b3VV

c

cc

Vb

VPa

3

1

3 2

0V

a6

bV

RT2P

0V

a2

bV

RT

V

P

4m

3m

c

Tc

2

m

2

3m

2m

c

Tcm

v

将所得的 a、 b值代 入范德华方程中得：

两边同除以 PcVc 并化简得 :

由此可见 ,任何两种气体只要其对比压力和对比温度相等 ,则其对比体积也相等 , 这就表明该两种气体处于对应状态 .

c

ccccc

T

TVPVV

V

VPP

3

8

3

32

2

Tr3

8

3

1VrVr3Pr 2

Z的计算 :

从上式可以看出 :只要气体的临界压缩因子 Zc为一常数 ,则当两种气体的对比压力和对比温度相等时 ,它们的压缩因子必相等 .

RT

PVZ m

Tr

VrPrZ

TT

VVPP

RT

VP

T

T

VP

VP

RT

PV

c

c

mcmc

c

mcc

c

c

mcc

mccm

那么究竟Zc为多少呢 ? 理论上 :

实际气体 :

从表中可以看出，尽管各种气体的临界参数 Tc、 Pc相差很大，但Zc相差极小 , 这说明用对应状态法求真实气体压缩因子完全满足精度要求 .

375.08

3

RT

VPZ

c

ccc

气体 Pc Tc Vc Zc氦 He 2.26 5.3 0.0578 0.30

氢 H2 12.8 33.3 0.0650 0.305

氧 O2 50.10 154.8 0.0780 0.307

氮 N2 33.5 126.2 0.0901 0.297

甲烷 CH4 45.8 190.7 0.990 0.290

乙烷 C2H6 50.0 282.4 0.124 0.268

苯 C6H6 48.6 562.0 0.260 0.274

二氧化碳 CO2 72.9 304.2 0.094 0.274

氨 NH3 111.5 405.6 0.072 0.242

天然气压缩因子的求解步骤1 根据组成求Pc、 Tc2 由给出的 P、 T求 Tr、 Pr3 根据Tr、 Pr 查天然气压 缩因子图版

天然气压缩因子的校正1 N2 的影响 (>20% 时误差>3%)

gNNN ZyZyZa222

1

aZCZ

天然气压缩因子的校正2 CO2 的影响 (>4% 时误差>5%)

如果天然气中同时含有 CO2 和 N2 时

3 H2S 的影响aCZZ

5550.0TT cc

)1(T8.1

TP8.1P

yyS2HS2Hc

ccc

g2COCOCO Z)1(yZZ y22

gNCON2NCOCOa Z)yy1(ZyyZZ22222

五 天然气的体积系数 Bg1 定义 : 气体在地层条件下所具有的体积（游离

态气体，如气顶气、气层气）与标准状况下所占有体积的比值 .( 无单位 )

2 计算 :

一般情况下 Bg<<13 物理意义：反映了单位体积（标况）的天然

气地层条件下所占有的体积。

gog V

VB

0

0

nRT

P

P

ZnRT

00

0

PP273

t273Z

P

P

T

TZ

六 天然气的压缩系数 Cg1 定义 : 压力每改变一个单位 ( 大气压 ) 时，气体

体积的变化率 .或：压力改变一个单位 ( 大气压 ) 时，单位气体体积的变化量 .单位 :1/MPa

2 计算 :

(1) 纯组分体系气体压缩系数的求法

P

ZnRTV

ZnRTPV

P

V

V

1Cg

2P

ZnRT

dP

dZ

ZP

ZnRT

dp

dv

dP

dZ

Z

1

P

1V

dP

dZ

Z

1

P

1

dP

dV

V

1Cg

P

1

dP

dZ

Z

1

P

ZnRT

dP

dZ

Z

1

P

1

P

ZnRT

(2) 多组分体系气体压缩系数的求法

PrPP c

PrdPdP c

dP

dZ

Z

1

P

1

dP

dV

V

1Cg

PrdP

dZ

Z

1

PrP

1

cc

PcPrdZ

dZ

Pr

1

P

1 Cgr

c

求法与前同对比压缩系数

对比压缩系数 Cgr 的求法

七 天然气的粘度1 低压下天然气粘度的求法 (1) 公式计算法

(2) 查图法

21ii

21iii

My

My

2 高压 (>3MPa) 下天然气粘度的求法 (1) 根据天然气的组成求出天然气的比重，并根 据所得比重（查图）求出天然气在一个大气 压情况下的粘度 .

(2) 根据天然气的组成求天然气的临界压力和临界温度 .

(3) 求天然气的对比压力和对比温度 .

(4) 查图得 (5)

1

1

11

习 题某油田的气组成如下 , 油层温度为 t=32℃ , 油层压力

为 8.3MPa.

试求 :1 、该天然气的压缩因子 .2 、气体体积系数 Bg.3 、如气井日产气 10000立方米（标准状况），它在

地下所占的体积是多少？4 、该气体的压缩系数 Cg.5 、试从物理意义上区别 Z、 Bg 、 Cg 的不同点 .6 、计算上述气体在油层压力为 20.0MPa，油层温

度为 93.3℃ 时气体的粘度。

组分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10

组成 90% 5% 3% 2%

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