油层物理

（associated gas)
(sour gas)
(poor gas)
(rich gas)
第一节 天然气的视分子量和密度
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 i
→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？
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
二、真实气体状态方程
真实气体：分子有一定的体积(b)和质量； 分子间有吸力(p)和斥力(π)，其特点如下： 高压下：当分子间距离大于分子作用半径时，吸力(p)＞斥力(π)； 当分子间距离小于分子作用半径时，吸力(p)＜斥力(π)； 低压下：分子间距离很远，吸力(p)≈斥力(π)； 所以,真实气体的状态方程为：
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
说明：延长及陕北产量来自股份公司西部规划。
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
三、对比状态原理
1.对比状态原理及天然气的Z值求法
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 p 0V 0 Z 0 n RT 0
l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。
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
l实际气体(real gas)：分子有大小、分子间有作用 力（引力attractive force、斥力repulsive force） →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
对应状态原理：当两种气体，处于同一对应状 态时，气体的内涵性质如偏差系数Z，粘度等也 近似相同。 intensive property
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
三、对比状态定律
根据实际气体状态方程（VDW）：
RT a p 2 V b V
a、b——与物质性质有关的特征参数。不同的气体，有不同图版。 天然气是混合物，如何用统一的图版来确定天然气的压缩因子呢？ 不同气体，虽然在不同的温度和压力下的性质（包括压缩因子） 不同，临界参数也不同，但在各自的临界点确有共同的特性，如果以 临界状态作为描述气体状态的基准点，设定一组对比参数，不同的气 体只要对比参数相同，则处于对比状态。不同气体处于相同的对比状 态时，许多内涵性质也近似相同，这就是对比状态原理。对于化学性 质近似而且临界温度相差不大的物质，对比状态的具有很高的精度。 对比参数定义为： p T V
油 层 物 理
第一篇
储层流体的物化性质
The Physical & Chemical Properties of Reservoir Fluids
第二章 天然气的高压物理性质
天然气——以石蜡族低分子饱和烃气体和少量非烃气
体组成的混合物。
按 其 化 学 组 成 ， 甲 烷 （ CH4 ） 占 绝 大 部 分 （ 70~98% ） ， 乙 烷 （ CH6 ）、丙烷（ C3H8 ）、丁烷（ C4H10 ）等含量不多。此外，还含有少
pseudo-critical pressure pseudo-reduced pressure
p pc

yi pci
p pr p / p pc
l视/拟对比温度：
pseudo-reduced temperature
l视/拟临界温度：
pseudo-critical temperature
T pc

y iT c i
T pr T / T pc
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
(2)对比状态(corresponding state)
对比状态：两种气体，当对比压力、对比温度相 同时，若对比体积也近似相同，则称 这两种气体处于同一对应状态。 ★实验证实，各种真实气体都满足此规律。
(3)对应状态原理（corresponding state law）
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
单组分气体（甲烷）的Z~(p,T)图版
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
三、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)
量的非烃类气体。如硫化氢（ H2S ）、有毒的有机硫（硫醇 RSH 、硫醚
RSR等）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）及水气，有时 也含微量的稀有气体，如氦（He）和氩（Ar）等。
第二章 天然气的高压物理性质
天然气的特点：
1、天然气是以溶解状态存在于石油中或以游离状态存在于油藏的
顶部（气顶气）或存在于全部气藏中（气田气）； 2、天然气是一种混合气体，其组分复杂且经常改变；
pV ZnR T
Z—偏差系数（压缩因子）(deviation factor)
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。
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
(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。
摩尔分数
0.85 0.09
丙烷
丁烷
0.09
0.06 ∑=1.00
44.1
58.1
0.002
0.001 ∑=0.052
0.04
0.02 ∑=1.00
第一节 天然气的视分子量和密度
二、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
按形态分类：游离气、溶解气、液化气；
按含硫量分类：净气：含硫量＜1g/m3天然气； 酸气：含硫量＞1g/m3天然气； 按含汽油量分类：富气；汽油蒸汽含量＞100g/m3天然气； 贫气：汽油蒸汽含量＜ 100g/m3天然气；
第一节 天然气的视分子量和密度
2、天然气的分类
（free gas) （condensate gas)
u重量组成：用符号Gi表示 重量组成：各组分的重量占总重量的分数
G i wi / wi
i 1 n
G
i 1
n
iBaidu Nhomakorabea
1
第一节 天然气的视分子量和密度
一、天然气的组成
某天然气重量组成换算成摩尔组成
组分
甲烷 乙烷
重量分数
0.71 0.14
分子量Mi
16.0 30.1
重量分数/分子量
0.044 0.005
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
i 1
yi M i
n
第一节 天然气的视分子量和密度
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，Kg/m3）
u天然气相对密度(specific gravity or relative density)
lNon-hydrocarbon：H2S、CO2、N2、CO、O2、H2
Ar、He
第一节 天然气的视分子量和密度
一、天然气的组成
1、天然气的常规物性
广义的讲，天然气是从地下、在常温常压下呈气态的可燃气体的
统称，是以烃类为主并含少量非烃气体的混合物。
按组成分类：分干气和湿气（或贫气和富气） 干气——C5以上重烃低于13.5cm3/m3
→
Z0 1
pVT0 Z p 0V0T
式中：p0＝1atm，T0=20℃，V0 为T0、p0 下的体积。
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
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： corresponding state law 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
湿气——C5以上重烃超过13.5cm3/m3
贫气——C3以上重烃低于94cm3/m3 富气——C3以上重烃超过94cm3/m3
第一节 天然气的视分子量和密度
一、天然气的组成
2、天然气的分类
按矿藏分类：气藏气（甲烷含量80%以上），
油藏气（伴生气），包括溶解气和气顶气； 凝析气藏气，戊烷和戊烷以上烃类含量较高。
3、天然气和原油之间处于同一相态平衡体系中，油气相态随油藏
温度和压力的变化而改变； 4、天然气（地下）的性质不完全服从理想气体的一般规律。
第一节 天然气的视分子量和密度
一、天然气的组成：（烃类、非烃类）
实验室用气相色谱仪分析 uNatural gas：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：C1(70~98%)、C2(<10%） C3~C5(一般仅占百分之几)
u重量组成：用符号Gi表示 重量组成：各组分的重量占总重量的分数
G i wi / wi
i 1 n
G
i 1
n
i
1
第一节 天然气的视分子量和密度
u体积组成 ：用符号vi表示 体积组成：各组分的体积占总体积的分数。
v i Vi / Vi
i 1 n
v
i 1
n
i
1
★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
〔P+（ p – π） 〕×〔V-b〕=nRT
天然气状态方程（真实气体）： 在低压或地面条件下，天然气可近似视为理想气体； 在油气藏高温、高压条件下，与理想气体有很大的差别，按真实气 体的状态方程计算；
〔P+（ p – π） 〕×〔V-b〕=nRT
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
2、真实气体的状态方程 (1)天然气偏差系数状态方程
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。
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
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
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
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
u多组分(multi-component) l视/拟临界压力： l视/拟对比压力：
在20℃，0.101MPa下天然气的密度与干燥空气的 密度之比。（0.55~0.8）
g / a
或 M / 2 8 .9 6
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
状态方程(EOS)：描述流体压力、体积、温度之 间关系的数学方程式。F（p、V、T）＝0
一、理想气体的状态方程
pV nR T
i 1
n
y
i 1
n
i
1
（摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示）
mole fraction
第一节 天然气的视分子量和密度
u体积组成 ：用符号vi表示 体积组成：各组分的体积占总体积的分数。
v i Vi / Vi
i 1 n
v
i 1
n
i
1
★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
pr =
pc
Tr =
Tc
Vr =
Vc
第二节 天然气的状态方程和对比状态原理
对比状态原理推导:
RT a 2 实际气体状态方程—范德华方程： p V b V 在临界点上 ( ∂p ) RTc 2 a 0 T ∂ V (Vc b ) 2 Vc3
c
∂p 2 RTc 6a ( 2 )T 4 0 3 ∂ V (Vc b ) Vc RTc a pc 2 0 Vc b Vc