第三节天然气的高压物性（4学时）一、教学目的了解天然气的组成和分类方法，熟练掌握天然气各种高压物性参数的计算方法。
了解对应状态原理的应用。
二、教学重点、难点教学重点1、天然气各种高压物性参数的计算2、对应状态原理的证明及应用3、压缩因子的物理意义教学难点1、对应状态原理的证明2、多组分体系压缩系数的计算三、教法说明课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的数据和图表四、教学内容本节主要介绍六个方面的问题：一、天然气的组成二、天然气的分子量等参数三、天然气的状态方程四、天然气的体积系数五、天然气的压缩系数 六、天然气的粘度（一）、天然气的组成及分类1、天然气的组成化学组成：天然气就是指地下采出的可燃气体的总称，它是由多种气体组成的一种混合物，其组成主要的烃类气体，同时含有少量的非烃类气体，天然气的组成通常采用气相色谱仪进行全分析来获得，从化学角度来看，天然气通常含有：（1）甲烷（＞80%）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷（少）、己烷、庚烷 （2）H 2S 、硫醇、硫醚、CO 2、CO 、N 2、H 2O 、He 、Ar 天然气在地层中有三种存在形式： （1）以溶解状态存在于原油中 （2）以游离状态存在于气通部分 （3）存在于气层中 天然气的三种组成表示方法： （1）重量组成：%1001⨯=∑=ni iii WW g（2）体积组成：%1001⨯=∑=ni iii VV y（3）摩尔组成：%1001⨯=∑=ni iii NN y2、天然气的分类 （1）、按矿藏分气田气： C 1＞80% C 2～C 4不多 C 5+甚微 油田气：（溶解气、气顶气）C 2含量高 ，C 1变化大20～97% 凝析气田气：C 5+含量较多，C 175～94% （2）、按组成分湿气（富气）：C 6+＞100g/m 3 贫气：C 6+ 10～100g/m 3 干气：C 6+＜10g/m 3 （3）、按含硫量分：净气：S ＜1g/m 3 酸气：S ＞1g/m 3（二）、天然气的分子量及比重1、天然气的分子量天然气的视分子量：天然气为一种由多种烃类和非烃类气体组成的混合物，它没有固定的分子式和分子量，人们为了以后计算上的方便，特意给天然气假想了一个分子量，称为视分子量。
（1）、定义：把在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。
（2）、计算：()()∑∑==⋅=⋅=ni i ini i iM yM M yM 11()∑==ni i iM g11注意：天然气的组成不一样，分子量不一样；组成相同，比例不同，分子量也不同。
2、天然气的比重（1）、定义：在相同温度和压力下，天然气的温度与空气的重度之比。
（2）、计算:()∑=⋅==n1i i i ag y s S r r S97.28M= 天然气的比重一般为0.5～0.7，个别情况大于1.0，天然气的比重测量常采用上述的公式计算或采用比重瓶法直接测试。
(三)、天然气的状态方程所谓状态方程就是指描述气体体积、压力、温度的关系表达式。
（1）、理想气体状态方程式理想气体状态方程式为：PV=nRT式中：P —气体的压力，MPa V —P 下气体的体积，升 T —绝对温度，（273.15+0C ）0K N —气体摩尔数 R —气体常数理想气体状态方程式的适用条件： （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）真正的理想气体是不存在的，但在高温和低压状态下的气体可以近似地看作理想气体，这是因为在高温低压下（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。
（2）、实际气体状态方程式A 、从理想气体的假设入手 范德华方程式：()nRT nb V V a n P 22=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+()RT b V a P V 2=-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+ a ——范德华常数 b ——范德华常数压力项的修正考虑的是分子引力因素，体积项的修正考虑的是分子体积因素。
除范德华方程外，还有RK （Redlich-Kwong ）状态方程、SRK(Soave- Redlich-Kwong)状态方程等，同学们可参阅有关文献。
B 、实验法根据理想气体状态方程式，对理想气体状态方程式直接进行修正，修正后的状态方程为：PV=ZnRT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．由此可见，要运用实际气体状态方程式进行气体状态的计算，就先必须确定在两种不同状态下气体的压缩因子Z。
A、单组分体系—实验法(作图)B、多组分体系—对应状态原理法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=P/Pc Pc-----临界压力对比温度 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.天然气视临界参数计算 1 公式法:2 查图法:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==∑∑==n1i ciipc n1i ciipc Ty T Py P对应状态原理的证明由范德华方程式在临界点得,⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂0V P 0V P Tc 22Tc水平拐点 ()()0V a 6b V RT 2V P 0V a 2b V RT V P 43c Tc 2232c Tc=--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=+--=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂解方程组得：⎪⎩⎪⎨⎧====2272783b a P R a T bV V cb c c m c c cc Z T V P R =()RTb V a P v 2=-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+或⎪⎩⎪⎨⎧=⋅=cc c V b V P a 3132 83RT V P Z c c c c ==将所得的a 、b 值代入范德华方程中得：c c c c 22c c T T V P 383V V V V P 3P =⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+ 两边同除PcVc 得c cc c cc c cc c TTV V V V P P T T V VV P V V P P 38313383332222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+()T3831V V 3P 2=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+RT PVZ =()()()TVP Z T T V V P P RT V P T T V P V P RT P V c c c c cc c c c c c c c ⋅⋅=⋅=⋅⋅=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.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. 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(3) 天然气压缩因子的校正（A ）N 2对压缩因子的影响：埃勒尔茨等人研究了N 2对天然气压缩因子的影响后指出：如果天然气中N 2的含量＜10%，那么按对应状态理论计算的该混合气体的压缩因子误差＜1%；如果含量＞20%，误差将＞3%这时建议采用下述方法来计算含N 2的天然气的压缩因子。
(a ）()g N N N Z y Z y Za 2221-+⋅= 式中：2N y ——天然气中的摩尔分数；Z g ——气样中烃混合气的压缩因子，同前根据对应状态原理求得，值得注意的是，这时的烃类气体的组成应该重新折算到将整个烃类气体视为100%时的摩尔组成，再根据新的组成来计算临界参数，然后求得Z g 值。
2N Z ——氮气的压缩系数，可查N 2(b ）计算含N 2的天然气的真实压缩系数a Z C Z ⋅=C ——附加比校正系数，这个校正系数与天然气中N 2（B ）CO 2对Z 的影响()g CO CO CO Z y y Z Z ⋅-+⋅=2221斯坦丁指出：气样中CO 2的含量在2%以下时，用对应状态原理计算可得到满意的结果。
再次等又指出，如气样中CO 2含量为4%时，用对应状态原理所计算的Z 值将产生5%的误差，并建议：含CO 2的天然气的压缩因子用下式计算：()g CO CO CO a Z y Z y Z ⋅-+⋅=22212CO Z ——CO 2的压缩因子，可以查图。
倘若天然气中同时含有2CO Z 、N 2，那采用下式计算：()gNCO N N CO CO a Zy y 1Z y y Z Z 222222--++=a CZ Z =()2N y f C =Z g ——烃类气体的压缩因子 （C ）H 2S 对Z 的影响目前，关于H 2S 对Z 的影响的资料甚少，研究的也不多。
但对于H 2S 含量不多的天然气可以直接将H 2S 的临界参数参与混合计算来确定压缩系数。
对H 2S 含量较大的气样，建议采用实验室测量。
对于H 2S 和CO 2含量很高的天然气，那么就采用：ε5550.0-='pc pa T T()εB B T T P P pc pcpc pc -+'⋅='18.18.1T pc 、P pc ——气样校正前的视临界系数，计算；'pc T 、'pc P ——校正后的视临界参数；B ——在含和H 2S 的天然气中，B=S H y 2ε——视临界温度校正系数()S H CO y y f 22,=ε最后根据'pc T 、'pc P 来求P 、T ，从而查出Z 值。
(四)、天然气的体积系数1 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:gog V VB =0nRT P P ZnRT ⋅=000P P273t 273Z P P T T Z ⋅+⋅=⋅⋅=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。
(五)、天然气的压缩系数1 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/MPa2 计算:(1) 纯组分体系气体压缩系数的求法dPdZ Z 1P 1dP dV V 1C g ⋅-=⋅-=（a ）先求Z（b ）求P 、T 对应点处的dP dZ ，这里要注意dPdZ值的正负性。
