1、天然气的物理化学性质,第二章,第二章 天然气的物理化学性质,u确定天然气在各状态下物性参数的方法：l直接取气样进行实验测定；l根据天然气各组分的物理性质、物理规律利用混合规则进行计算。,第二章 天然气的物理化学性质,第一节 天然气的组成与分类 第二节 天然气的分子量、相对密度、密度和比容 第三节 天然气的偏差系数 第四节 天然气的等温压缩系数 第五节 天然气的体积系数 第六节 天然气的粘度 第七节 天然气中水蒸气含量 第八节 天然气的热值 第九节 天然气的爆炸性,一、基本概念 u体系(system) 指一定范围内一种或几种定量物质构成的整体，又称物系、系统。体系可分为单组分和多组分体系。,水,
2、多组分体系 multi-component,单组分体系 single-component,H2O,第一节 天然气的组成与分类,水,H2O,C3、C7、C20,油,u组分(component) 形成体系的各种物质称该体系的各组分，也即物系中所有同类的分子。,一、基本概念,拟组分(pseudo-component)：用于工程计算的一种假想组分，由物系中几种组分合并成。 例如，油气相态研究中常用组分： l纯组分：C1、C2、C3； l拟组分：轻烃组分C2-6、重烃组分C7+,水,H2O,C3、C7、C20,油,一、基本概念,u组成(composition)体系中构成某物质各组分所占的比例。定量表示体
3、系或某一相中的组分构成情况。,油,C3、C7、C20,10%、20%、70%,1、天然气：（烃类、非烃类） uNatural gas：指自然生成在一定压力、温度下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中的混合气体，其主要成分为甲烷与少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及以上烃类气体，并可能含有氮气、轻骑、二氧化碳、硫化氢与水蒸气等非烃类气体及少量氦、氩等惰性气体。lHydrocarbon：CnH2n+2C1(7098%)、C2(10%）C3C5(百分之几)、C6+（甚微）lNon-hydrocarbon：H2S、CO2、N2、CO、Ar、He,二、天然气的组成,二、天然气的组成,2、天然气组成天然气中各组分气体所占总
4、组成的比例实验室用气相色谱仪分析,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 各组分的摩尔数占总摩尔数的分数。,（摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示）,二、天然气的组成,u体积组成 ：也常用符号yi表示各组分的体积占总体积的分数。,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,二、天然气的组成,u质量组成：用符号wi表示各组分的质量占总质量的分数,u质量组成与摩尔组成的换算,由,，可推得：,Mi为组分i的摩尔质量(molecular weight),二、天然气的组成,思考：已知摩尔组成如何换算为质量组
5、成？,三、天然气的分类,天然气的分类,按烃类组分关系,按矿藏特点,按H2S、CO2含量,干气：地下地面均呈气态， C5+几乎没有,湿气：地下气态，地面有液烃，C5+很少,纯气藏气：地下气态， C190%，C2-C4少，C5+甚微，g0.5-0.6,酸性天然气：S1g/标m3,贫气：C3+100cm3/m3,富气：C3+100cm3/m3,凝析气藏气：地层原始状态呈气态，开发过程中，当地层压力低于露点压力时有液烃析出，C160-90%， C5+较高， g0.7-0.9,油田伴生气：地下与原油共存，伴随原油产出，C160%， C5+甚微， g1,净气： S1g/标m3,一、天然气分子量 (mole
6、cular weight） u定义：标态下1kmol（0、0.101MPa、22.4m3）天然气具有的质量。单位：kg/kmol又称平均分子量、视分子量 u确定方法：,第二节 天然气的分子量、相对密度、密度和比容,u定义(density) 在一定温度压力下，单位体积天然气的质量。,二、天然气的密度,（kg/m3）,u计算方法,在理想条件下，,实际气体，,u定义(specific gravity or relative density)在相同温度、压力下天然气的密度与干燥空气的密度之比。,三、天然气的相对密度,u计算方法,思考题：此关系式如何得到？,四、天然气的比容,u定义(specific v
7、olume)单位质量天然气所占据的体积,（m3/kg）,u计算方法,在理想条件下，,实际气体，,第三节 天然气的偏差系数,u气体状态方程描述一定量的气体压力、体积、温度之间关系 的数学方程式。,一、偏差系数的状态方程,1、偏差系数定义 指在相同温度、压力下，真实气体所占体积与相同量理想气体所占体积的比值。,l实际气体分子有体积，真实气体比理想气体难压缩 l实际气体分子间有引力，真实气体比理想气体易压缩 l Z的大小反映了两种相反作用的综合结果-Z1，真实气体比理想气体难压缩，体积更大-Z1，实际气体比理想气体易压缩，体积较理想气体小 -Z=1，实际气体接近理想气体 仅当p很低，T较高时，可认为
8、Z=1，相当于理想气体,由偏差系数的定义式：,研究nKmol摩尔实际气体，由（1）式：,（1）,（2）,又由理想气体状态方程为：,（3）,2、偏差系数的状态方程,把(2)代入理想气体状态方程(3)：,p,压力，MPa,(4),T,温度，K,Vm,气体体积，m3,R,通用气体常数，0.008314MPa.m3.Kmol-1.K-1,2、偏差系数的状态方程,思考题：R如何得到？,2、偏差系数的状态方程,u偏差系数状态方程的几种表现形式,lnKmol：,l1Kmol：,l1Kg：,V = m3 体积,Vm = m3/Kmol千摩体积, = m3/Kg比容,思考题：此式如何得到？,二、天然气偏差系数的
9、确定,u确定偏差系数的方法： l实验测定法,特点：可靠，但周期长，成本高，不适用于一般工程上的计算。 l查图版法 Standing-Katz图版 特点：查图较简单，在大多数工程上满足工程要求，在油田上用得较广。,l计算法-状态方程法 SRK、PR、SW、PT、LHSS等的偏差系数三次方程，应用牛顿迭代方法求解 11参数法(D-A-K)、H-Y 、8参数法（D-P-R）-经验公式法 Sarem法、Papay法、leung法、Carlie-Gillett法、Burnett法、Papp法等,二、天然气偏差系数的确定,原理 对应状态原理：两种性质相近的气体，在对应状态时，内涵性质一样,1、Standi
10、ng & Katz系数图,对比压力,对比温度,对天然气混合物，应用拟对比压力和拟对比温度,1、Standing & Katz系数图,拟临界压力ppc：,拟对比压力ppr：,拟对比温度Tpr：,拟临界温度Tpc：,对于非烃如H2S、CO2含量较高时，应对Tpc和ppc校正，校正后的拟临界温度和压力：,A-天然气中H2S和CO2之和。,B-天然气中H2S摩尔分数。,1、Standing & Katz系数图,已知天然气的g，可以由下面公式确定Tpc和ppc,对干气,对凝析气,1、Standing & Katz系数图,确定偏差系数的步骤：A、根据已知天然气的组成或相对密度求拟临界温度、拟临界压力B、如
11、含有非烃H2S、CO2 ，对拟临界温度和拟临界压力进行校正C、根据给定的温度、压力，计算拟对比温度和拟对比压力D、查图版，求得偏差系数,1、Standing & Katz系数图,2、D-A-K方法（11参数法）,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),应用状态方程拟合Standing-Katz图版得到,拟对比密度：,代入（1）式,2、D-A-K方法（11参数法）,如何求Z?,
12、由,变形,2、D-A-K方法（11参数法）,（3）,已知ppr、Tpr时，方程（3）只有一个未知数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（11参数法）,牛顿迭代法,令（3）的左端项为,2、D-A-K方法（11参数法）,2、D-A-K方法（11参数法）,牛顿迭代格式：,方法的适用范围：,或,2、D-A-K方法（11参数法）,已知p，T，求解Z的步骤： （1）根据yi或相对密度计算ppc和Tpc （2）计算拟对比参数ppr和Tpr （3）对pr赋初值，取Z=1 （4）计算F(pr) （5）计算F(pr) （6）迭代计算,（7）判
13、断,（8）将满足精度要求的pr代入（1）式或（2）式求Z,若满足，结束迭代，若不满足，,继续迭代,3、H-Y方法,Yarborough和Hall应用Starling-Carnahan状态方程得到的,特殊定义的对比密度：,3、H-Y方法,3、H-Y方法,方法的适用范围：1.2Tpr3.0，0.1ppr24.0,A1=0.31506237 A2= -1.04670990 A3= - 0.57832729 A4=0.53530771 A5=-0.61232032 A6=-0.10488813 A7=0.68157001 A8=0.68446549,(1),(2),应用状态方程拟合Standing-K
14、atz图版得到,拟对比密度：,4、D-P-R方法(8参数法）,4、D-P-R方法(8参数法）,4、D-P-R方法(8参数法）,4、D-P-R方法(8参数法）,牛顿迭代格式：,方法的适用范围：,一、定义 在等温条件下，当体系压力改变单位压力时，单位体积天然气的体积改变量。,第四节 天然气的等温压缩系数,单位：MPa-1,二、天然气等温压缩系数的确定,由偏差系数的状态方程：,二、天然气等温压缩系数的确定,可由相应温度下的Zp图在相应的压力Zp曲线上求出该点的Z值和相应的斜率Z/p，代入上式即可求出压力p下的Cg值。,二、天然气等温压缩系数的确定,若气体为理想气体，则Z=1,对实际气体，一般不直接根
15、据p计算Cg值，而将Cg表示为拟对比压力和拟对比温度的函数,二、天然气等温压缩系数的确定,计算Cg常用公式,Cpr等温拟对比压缩系数：,根据偏差系数Z和Tpr等温线上的切线斜率(Z/ppr)Tpr，可求出Cg值。,二、天然气等温压缩系数的确定,1、查Standing & Katz偏差系数图版,已知yi或相对密度，p，T，求解Cg （1）根据yi或相对密度计算ppc和Tpc （2）计算拟对比参数ppr和Tpr （3）在Standing & Katz偏差系数图版找到Tpr对应的Zppr线，求出Z （4）求Zppr线的斜率,（5）计算Cpr，,（6）计算Cg，,2、D-A-K（11参数法）,（1）,
16、（2）,2、D-A-K（11参数法）,2、D-A-K（11参数法）,2、D-A-K（11参数法）,已知yi或相对密度，p，T，求Cg （1）根据yi或相对密度计算ppc和Tpc （2）计算拟对比参数ppr和Tpr （3）对pr赋初值，取Z=1，,（9）计算Cg=Cpr/ppc,2、D-A-K（11参数法）,（4）计算F(pr)、F(pr) （5）迭代计算求pr （6）将满足精度要求的pr代入（1）式或（2）式求Z （7）计算Z/pr （8）将pr、Z、Z/pr代入，求Cpr,一、定义 相同数量的天然气在地层条件下的体积与其在地面标准条件下的体积之比，用符号Bg表示,第五节 天然气的体积系数,两
17、个特定状态，与过程无关 单位：m3sm3 g ,在地面标准状态下，气体体积可按理想气体状态方程来求取，此时Zsc=1：,第五节 天然气的体积系数,二、确定方法 由定义：,在地层温度、压力条件下，天然气所占的体积可按偏差系数状态方程求出：,第五节 天然气的体积系数,在标准状态下，psc=0.101325, Tsc= 293.15K,第五节 天然气的体积系数,第六节 天然气的粘度,一、定义 天然气内摩擦阻力的量度。 单位：mPa.s 二、确定方法 Carr Kobayshi & Burrows图版 Dempsey方法 Lee等人的方法,根据气体相对密度或摩尔质量，确定气体粘度 （1）根据T、g或M
18、g，查出大气压下的粘度1 （2）求出ppc,Tpc ,ppr,Tpr （3）根据ppr,Tpr查高压下的粘度与1之比/1 （4）计算= /11,1、Carr Kobayshi & Burrows图版,当天然气中含H2S、CO2、N2，首先对大气压下的粘度进行校正：,1、Carr Kobayshi & Burrows图版,2、Dempsey方法,拟合Carr Kobayshi & Burrows图版得到,2、Dempsey方法,A0=-2.46211820 A1=2.97054714 A2= 0.286264504 A3= 8.5042052210-3 A4=2.80860949 A5=-3.4
19、9803305 A6=0.360373020 A7= - 0.01044324 A8=-0.793385684 A9=1.39643306 A10=-0.149144925 A11=4.41015512 10-3 A12=0.0839387178 A13=-0.186408848 A14=0.0203367881 A15=-6.09579263 10-3,2、Dempsey方法,当天然气中含H2S、CO2、N2，首先对大气压下的粘度进行校正：,2、Dempsey方法,3、Lee等人的计算关系式,-天然气的粘度，mPa.S,T-绝对温度，K,g-天然气密度，g/cm3,第七节 天然气中水蒸气含量
20、,一、天然气的水露点和烃露点 1、天然气的水露点 是指在一定压力下与天然气的饱和水蒸汽量对应的温度；或在一定压力下，天然气中的水蒸汽开始冷凝结露的温度。 2、天然气的烃露点 是指在一定压力下，气相中析出第一滴“微小”的烃类液体的平衡温度。,二、天然气中的含水量,1、天然气中含水量的表示方法 用绝对湿度和相对湿度表示 （1）绝对湿度每1 m3的湿天然气所含水蒸汽的质量。,X绝对湿度，kg/ m3；W水蒸汽的质量，kg；V湿天然气的体积，m3；,pw水蒸汽的分压，kgf/ m2；T湿天然气的绝对温度，K；,Rw水蒸汽的体积常数，,Rw=47.1kg. m3/(kg.K)。,二、天然气中的含水量,（
21、2）相对湿度 饱和绝对湿度：指在某一温度下，天然气中能含有最大的水蒸汽量,相对湿度：在同样温度下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比,绝对干燥的天然气， pvw =0，则=0；,当湿天然气达到饱和时， pvw =psw，则=1；,一般湿天然气，01。,2、影响天然气中含水量的因素 （1）随压力增加而降低； （2）随温度增加而增加； （3）在气藏中，与天然气相平衡的自由水中盐溶解度有关，随含盐量的增加，天然气中含水量降低； （4）高比重的天然气组分，含水量少； （5）气体中N2含量高，会使水蒸气含量降低； （6）气体中CO2和H2S含量高，会使水蒸气含量上升。,三、天然气中的含水量,三、天然气中的含水量
22、,3、天然气中含水量的确定方法 u实验测定法l仪器测量：冷却镜面凝析湿度计和电解式水含量分析仪 l化学法测定：卡尔费休法，五氧化二磷吸收法和比色法 u查图版法 u公式计算方法,查图版法Mcketta-Wehe图版,W天然气含水蒸汽量； Wo相对密度为0.6的天然气含水蒸汽量； CRD相对密度校正系数； Cs含盐量校正系数，等于天然气与盐水接触时的含水蒸汽量和与纯水接触时的含水蒸汽量之比。,当天然气中酸性气体如H2S、CO2的含量大于5%时，必须对求得的天然气含水量进行校正，可查惠切尔特（Wichert）辅助图版校正,查图版法Mcketta-Wehe图版,基于水蒸汽的饱和蒸汽压，并对盐类组成和酸
23、气含量根据拉乌尔定律进行修正 Bukacek方法,公式计算法,第八节 天然气的热值,一、热值的概念 天然气热值：天然气完全燃烧（燃烧反应后生成最稳定的氧化物或单质）所发出的热量，用每千克或每立方米千焦表示，单位为kJ/m3。 高热值（或总热值）和低热值（或净热值） 高热值：天然气自身完全燃烧后发出的热量加上燃烧生成的水蒸汽又凝析成水所放出的汽化潜热的热值。 低热值：天然气自身完全燃烧后发出的热量。,第八节 天然气的热值,二、计算方法 1、理想气体热值,2、真实气体的热值 理想气体的热值除以气体混合物在基准状态下的偏差系数Z,在同样状态下含饱和水蒸汽的热值较干天然气热值低。,第九节 天然气的爆炸性,一、基本概念 爆炸下限：天然气与空气在形式爆炸的混合气体中天然气的最低含量，低于比值就不会爆炸。 爆炸上限：最高天然气含量为爆炸上限，高于此值也不会爆炸。 爆炸范围或爆炸极限：上、下限之间，对天然气为5-15%。 当压力低于50mmHg柱时，混合气体不会爆炸。随着压力增大，爆炸上限急剧增加，如压力为15MPa时，上限可达58%。压力愈高爆炸范围愈大。天然气含量小于4%时不会发生爆炸。,第九节 天然气的爆炸性,二、计算方法 天然气爆炸极限,L爆炸的上限或下限，%（体积百分数）；Li组分i的爆炸上限或下限，%（体积百分数）； Vi组分i的体积百分数。,
