第二章 天然气的物理化学性质

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和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偏差系数的确定第四节天然气的等温压缩系数第五节天然气的体积系数和膨胀系数第六节天然气的粘度第七节天然气含水量和溶解度一、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。水多组分体系multi-component单组分体系single-componentH2O第一节天然气的组成和分类水H2OC3、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H2OC3、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。定量表示体系或某一相中的组分构成情况。油C3、C7、C2010%、20%、70%1、天然气：（烃类、非烃类）uNaturalgas：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。lHydrocarbon：CnH2n+nC1(70~98%)、C2(10%）C3~C5(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。niiiinny1/（摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示）二、天然气的组成11niiyu体积组成：用符号vi表示各组分的体积占总体积的分数。niiiiVVv1/★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11niivu质量组成：用符号Gi表示各组分的质量占总质量的分数niiiiwwG1/11niiGu质量组成与摩尔组成的换算iiinMw/由，可推得：)1//()/(niiMiGiMiGiyMi为组分i的摩尔质量(molecularweight)二、天然气的组成思考：已知摩尔组成如何换算为质量组成？气相C1,C2,C3Kg20485.2Kg5035.1Kg4387.14321mmmu已知：体系中各组分的质量如下二、天然气的组成u求：体系的质量组成、摩尔组成和体积组成气相C1,C2,C3二、天然气的组成l体系的质量组成31321iimmmmm14705.1814705.18/4387.14/3111iimmG79565.01G08285.02G1215.03G体系的总质量m体系的质量组成:气相C1,C2,C3043.161M体系中各组分的分子量:二、天然气的组成体系中各组分的摩尔数:l体系的摩尔组成070.302M097.443M/iiinmM111/14.4387/16.0430.9nmM20.05n30.05n气相C1,C2,C3二、天然气的组成体系的总摩尔数n:31321iinnnnn31/iiiiinnny105.005.09.0体系中各组分的摩尔组成:9.011ny05.022ny05.033ny气相C1,C2,C3二、天然气的组成体系中各组分的体积:iinV4.22)(16.201lV)(12.12lV)(12.13lVl体系的体积组成体系的总体积V:4.2231321iiVVVVV31/iiiiVVv9.011yv05.022yv05.033yv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，γg0.5-0.6酸性天然气：S1g/标m3贫气：C3+100cm/m3富气：C3+〉100cm/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，γg0.7-0.9油田伴生气：地下与原油共存，伴随原油产出，C160%，C5+甚微，γg〉1净气：S〉1g/标m3一、天然气分子量(molecularweight）u定义：标态下1kmol（0℃、1atm、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：niiigMyM1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。Vmg/二、天然气的密度（Kg/m3）u计算方法在理想条件下，RTpMVmg实际气体，ZRTpMgu定义(specificgravityorrelativedensity)在20℃，0.101MPa下天然气的密度与干燥空气的密度之比。agg/97.28/ggM三、天然气的相对密度u计算方法思考题：如何得到？气相C1,C2,C305.005.09.0321yyyu已知：天然气的摩尔组成如下u求：天然气的分子量和相对密度三、天然气的相对密度气相C1,C2,C3l天然气的分子量:niiigMyM133221MyMyMyi097.4405.007.3005.0043.169.0147.1862.097.28/ggM三、天然气的相对密度l天然气的相对密度:四、天然气的比容u定义(specificvolume)单位质量天然气所占据的体积gmV1（m3/Kg）u计算方法在理想条件下，gpMRTmV实际气体，gpMZRT第三节天然气偏差系数的确定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。idealactualVVZ/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lZ的大小反映了两种相反作用的综合结果-Z〉1，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Z=1，是理想气体idealactualVVZ由偏差系数的定义式：研究nKmol摩尔实际气体，由（1）式：（1）ZVVactualideal（2）又由理想气体状态方程为：nRTpVideal（3）2、偏差系数的状态方程把(2)代入理想气体状态方程(3)：nRTZVpactualZnRTpVp压力，MPa(4)T温度，KVm气体体积，m3R通用气体常数，0.008314MPa.m3.Kmol-1.K-12、偏差系数的状态方程思考题：R如何得到？ZnRTpVZRTpV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：ZRTpV=m3体积Vm=m3/Kmol千摩体积υ=m3/Kg比容思考题：R如何得到？二、天然气偏差系数的确定确定偏差系数的方法：1）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。2）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。TVppVTZscscsc3）计算法（1）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）（2）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、Standing&Katz系数图)T,p(fZrrcrp/ppcrT/TT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pcprppp/niciipcpyp1拟临界压力ppc：拟对比压力ppr：pcprTTT/拟对比温度Tpr：拟临界温度Tpc：niciipcTyT1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：pcpcTT)1(BBTTppscpcpcpc8.1/)(15)(12045.06.19.0BBAA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271813.93ggpcT2259.0103.0668.4ggpcp对凝析气27.393.1839.103ggpcT2077.0356.0868.4ggpcp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系数图例1：已知天然气的组成数据如下表，求ppc、Tpc和p=4.827MPa,T=320K时的ppr、Tpr组分摩尔分数临界温度,K临界压力,MPaC1C2C3C40.940.030.020.01190.6305.4369.8425.24.6044.8804.2943.7961、Standing&Katz系数图解：（1）ciipcTyT01.02.42502.08.36903.04.3056.19094.0)K(974.199（2）ciipcpyp01.0796.302.0294.403.0880.4604.494.0(MPa)598.41、Standing&Katz系数图解：pcprTTT/pcprppp/6002.1974.199/3201、Standing&Katz系数图05.1598.4/827.4组分摩尔分数分子量C1C2C3C40.940.030.020.0116.04330.07044.09758.124例2：已知天然气的组成数据如下表，求ppc、Tpc和p=4.827MPa,T=320K时的ppr、Tpr1、Standing&Katz系数图解：（1）求天然气的分子量MgiigMyM124.5801.002.0097.44070.3003.0043.1694.04457.176022.097.284457.17airggMM1、Standing&Katz系数图（2）求ppc和Tpc271813.93ggpcT26022.076022.01813.93(K)76.1992259.0103.0668.4ggpcp26022.0259.06022.0103.0668.4(MPa)6361.41、Standing&Katz系数图（3）求ppr和TprpcprTTT/pcprppp/6019.176.199/3200412.16361.4/827.41、Standing&