油层物理-第二章

1、（PetrophysicsPetrophysics）主讲教师：王长权主讲教师：王长权TelTel：1502702198715027021987QQQQ：396297836396297836油油 层层 物物 理理第一篇第一篇储层流体的物化性质储层流体的物化性质The Physical & Chemical Properties of Reservoir Fluids 天然气天然气以石蜡族低分子饱和烃气体和少量非烃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。体组成的混合物。按其化学组成，甲烷（按其化学组成，甲烷（CHCH4 4）占绝大部分（）占绝大部分（7098%7098%），乙

2、烷），乙烷（CHCH6 6）、丙烷（）、丙烷（C C3 3H H8 8）、丁烷（）、丁烷（C C4 4H H1010）等含量不多。此外，还含有少）等含量不多。此外，还含有少量的非烃类气体。如硫化氢（量的非烃类气体。如硫化氢（H H2 2S S）、有毒的有机硫（硫醇）、有毒的有机硫（硫醇RSHRSH、硫醚、硫醚RSRRSR等）、二氧化碳（等）、二氧化碳（COCO2 2）、一氧化碳（）、一氧化碳（COCO）、氮（）、氮（N N2 2）及水气，有时）及水气，有时也含微量的稀有气体，如氦（也含微量的稀有气体，如氦（HeHe）和氩（）和氩（ArAr）等。）等。第二章第二章 天然气的高压物理性质天然气的高

3、压物理性质天然气的特点：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、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）；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；、天然气是一种混合气体，其组分复杂且经常改变； 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、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；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。、天然气（地下）的性质不完全服从理想气体的

4、一般规律。第二章第二章 天然气的高压物理性质天然气的高压物理性质第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度一、天然气的组成一、天然气的组成：（烃类、非烃类）：（烃类、非烃类）实验室用气相色谱仪分析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。为气态的烃类和少量非烃类气体组成的混合物。 lHydrocarbon：C C1 1( (707098%)98%)、C C2 2(10%(10%） C C3 3C C5 5( (一般仅占百分之几一般仅占百分之几) ) lNon-hydroc

5、arbon：H H2 2S S、COCO2 2、N N2 2、COCO、O O2 2、H H2 2 Ar Ar、HeHe 一、天然气的组成一、天然气的组成 1、天然气的常规物性、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。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：按组成分类：分干气和湿气（或贫气和富气）分干气和湿气（或贫气和富气） 干气干气C5以上重烃低于以上重烃低于13.5cm3/m3 湿气湿气C5以上重烃超过以上重烃超过13.5cm3/m3 贫气

6、贫气C3以上重烃低于以上重烃低于94cm3/m3 富气富气C3以上重烃超过以上重烃超过94cm3/m3 第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度一、天然气的组成一、天然气的组成 2、天然气的分类、天然气的分类按矿藏分类：按矿藏分类：气藏气（甲烷含量气藏气（甲烷含量80%以上），以上）， 油藏气（伴生气），包括溶解气和气顶气；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。凝析气藏气，戊烷和戊烷以上烃类含量较高。按形态分类：按形态分类：游离气、溶解气、液化气；游离气、溶解气、液化气；按含硫量分类：按含硫量分类：净气：含硫量净气：含硫量1g/m3天

7、然气；天然气； 酸气：含硫量酸气：含硫量1g/m3天然气；天然气；按含汽油量分类：按含汽油量分类：富气；汽油蒸汽含量富气；汽油蒸汽含量100g/m3天然气；天然气； 贫气：汽油蒸汽含量贫气：汽油蒸汽含量 100g/m3天然气；天然气；第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度2、天然气的分类、天然气的分类（free gas)（associated gas)（condensate gas)(sour gas)(rich gas)(poor gas)第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度3 3、天然气组成

8、的表示方法、天然气组成的表示方法 三种方法三种方法：摩尔组成、体积组成、质量组成：摩尔组成、体积组成、质量组成u摩尔组成：用摩尔组成：用yi表示，最常用的一种表示方法表示，最常用的一种表示方法 摩尔组成摩尔组成：各组分的摩尔数占总摩尔数的分数。：各组分的摩尔数占总摩尔数的分数。 niiiiNNy1/（摩尔分数摩尔分数，可用百分数，也可用小数表示），可用百分数，也可用小数表示） 11niiymole fraction第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度u体积组成体积组成 ：用符号：用符号vi表示表示 体积组成体积组成：各组分的体积占总体积的分数。各组分的体积占总体积的分数。

9、 niiiiVVv1/当考虑天然气为遵循阿伏加德罗定律的混合气体当考虑天然气为遵循阿伏加德罗定律的混合气体时，其时，其体积组成与摩尔组成相等体积组成与摩尔组成相等 11niivu重量组成重量组成：用符号：用符号Gi表示表示 重量组成重量组成：各组分的重量占总重量的分数各组分的重量占总重量的分数 niiiiwwG1/11niiG第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度u体积组成体积组成 ：用符号：用符号vi表示表示 体积组成体积组成：各组分的体积占总体积的分数。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当考虑天然气为遵循阿伏加德

10、罗定律的混合气体时，其时，其体积组成与摩尔组成相等体积组成与摩尔组成相等 11niivu重量组成重量组成：用符号：用符号Gi表示表示 重量组成重量组成：各组分的重量占总重量的分数各组分的重量占总重量的分数 niiiiwwG1/11niiG一、天然气的组成一、天然气的组成 某天然气重量组成换算成摩尔组成某天然气重量组成换算成摩尔组成组分组分重量分重量分数数分子量分子量Mi重量分数重量分数/分子量分子量摩尔分数摩尔分数甲烷甲烷乙烷乙烷丙烷丙烷丁烷丁烷0.710.140.090.06=1.0016.030.144.158.10.0440.0050.0020.001=0.0520.850.090.04

11、0.02=1.00第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度第一节第一节 天然气的视分子量和密度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天然气分子量天然气分子量 l定义：标态下定义：标态下1mol（0、1atm、22.4l）天然气天然气具有的质量，即平均分子量、具有的质量，即平均分子量、视分子量视分子量 l确定方法：确定方法：niiiMyM1第一节第一节 天然气的视分子量和密度天然气的视分子量和密度u天然气密度天然气密度(density) 在

12、一定温度、压力下，单位体积天然气的质量。在一定温度、压力下，单位体积天然气的质量。 Vmg/u天然气天然气相对密度相对密度(specific gravity or relative density) 在在20，0.101MPa下天然气的密度与干燥空气的下天然气的密度与干燥空气的密度之比。（密度之比。（0.550.8）ag/或或96.28/M（g/cm3，Kg/m3）第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理状态方程状态方程( (EOS)EOS)：描述流体压力、体积、温度之描述流体压力、体积、温度之间关系的数学方程式间关系的数学方程式。F（p、V、T）0一、一、理

13、想气体的状态方程理想气体的状态方程 nRTpV l上式描述的气体上式描述的气体pVT 行为与气体种类无关行为与气体种类无关pVnRT 称为理想气体的状态方程。称为理想气体的状态方程。l理想气体理想气体(ideal gas)：气体分子无体积、无质气体分子无体积、无质量、相互间无作用力的假想气体量、相互间无作用力的假想气体。第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理l实际气体实际气体(real gas)：分子有大小、分子间有作用分子有大小、分子间有作用力（引力力（引力attractive force、斥力斥力repulsive force） pVT 行为常常行为常常

14、不满足不满足理想气体状态方程：理想气体状态方程： w在低压下，近似满足；（在低压下，近似满足；（4atm，温度较高）温度较高） w在高压下，分子间距在高压下，分子间距 不能忽视分子大小及分子间作用力不能忽视分子大小及分子间作用力 不满足理想气体状态方程不满足理想气体状态方程用什么方程描述实际气体用什么方程描述实际气体的的p pVT 行为？行为？二、真实气体状态方程二、真实气体状态方程真实气体：真实气体：分子有一定的体积分子有一定的体积(b)和质量；和质量； 分子间有吸力分子间有吸力(p)和斥力和斥力()，其特点如下：，其特点如下： 高压下：高压下：当分子间距离大于分子作用半径时，吸力当分子间距

15、离大于分子作用半径时，吸力(p)斥力斥力()； 当分子间距离小于分子作用半径时，吸力当分子间距离小于分子作用半径时，吸力(p)斥力斥力()； 低压下：低压下：分子间距离很远，吸力分子间距离很远，吸力(p)斥力斥力()； 所以所以,真实气体的状态方程为：真实气体的状态方程为： P+（ p ） V-b=nRT 天然气状态方程天然气状态方程（真实气体真实气体）： 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；体的状态方程

16、计算； P+（ p ） V-b=nRT 第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理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、真实气体的状态方程(1)(1)天然气偏差系数状态方程天然气偏差系数状态方程ZnRTpV Z偏差系数偏差系数（压缩因子）压缩因子）(deviation factor)特点：特点：l保留了理想气体状态方程的基本形式，仅增加保留了理想气体状态方程的基本形式，仅增加参数参数Z。计算简便，广为工程计算中采用。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。不受压力的限制，在很

17、高的压力下可用。第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理( (2) )偏差系数偏差系数Z 偏差系数偏差系数：给定温度、压力下，实际气体所占体积：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与同温同压下相同数量的理想气体所占体积之比。体积之比。 u反映了实际气体与理想气体压缩性的差异。反映了实际气体与理想气体压缩性的差异。 l分子体积、分子间分子体积、分子间斥力斥力实气比理气实气比理气难难压缩；压缩； l分子间分子间引力引力实气比理气实气比理气易易压缩；压缩； Z 的大小反映了两方面影响的综合效果。的大小反映了两方面影响的综合效果。物理意

18、义：物理意义：第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理 lZ1，V实实V理理实气接近理气实气接近理气 lZ1，V实实V理理实气比理气实气比理气易压缩易压缩引力引力 lZ1，V 实实V 理理实气比理气实气比理气难压缩难压缩斥力斥力u反映了实际气体与理想气体反映了实际气体与理想气体p pVT行为的偏差程度行为的偏差程度 lZ 相当于理想气体状态方程中引入的相当于理想气体状态方程中引入的校正系数校正系数，校正校正实际气体实际气体由于分子大小和分子间力的作用引由于分子大小和分子间力的作用引起的起的非理想性非理想性。 l不同气体，在不同不同气体，在不同T、p 下，偏离理

19、想气体下，偏离理想气体pVT 行行为的程度不同为的程度不同Zf（p、T、组成组成）Z Z是用气体状态方程计算实际气体是用气体状态方程计算实际气体pVTpVT 行为的关键行为的关键 说明：延长及陕北产量来自股份公司西部规划。第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理三、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对比状态原理及天然气的Z值求法值求法 第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理方法方法：实验测定实验测定、图版法图版法、状态方程法状态方程法 实验测定实验测定据状态方程有：据状态方程有：TVppVTZ000Zn

20、RTpV 0000nRTZVp10Z式中：式中：p p0 01atm1atm，T T0 0=20=20，V V0 0 为为T T0 0、p p0 0 下的体积。下的体积。在在p、T 下，下，在标态下，在标态下，第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理 图版法图版法u单组分气体的单组分气体的Z( (p,T) )图版：图版： 用实验测定的不同用实验测定的不同T T、p p 下的下的Z Z 绘制。绘制。u混合气体的混合气体的Z ( (pr ,Tr)图版：图版： 据据对应状态原理对应状态原理用实测数据绘制；用实测数据绘制； Z Z( (pr ,Tr)图版是一种图版是一

21、种通用图版通用图版。原因原因：l对单组分气体：对单组分气体：Zf（p、T）l对混合气体：对混合气体：Zf（p、T、组成）组成） 不可能不可能测定、绘制所有混合气体的测定、绘制所有混合气体的Z ( (p,T) 图图corresponding state law第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理单组分气体（甲烷）的单组分气体（甲烷）的Z( (p,T) )图版图版第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理三、对应状态原理三、对应状态原理（corresponding state law）(1)(1)对比参数对比参数(reduced

22、 parameter) 对于体系，在对于体系，在p、T条件下条件下 u对单组分对单组分（single-component)crppp l对比温度：对比温度：(reduced temperature) crTTT l对比体积：对比体积：(reduced volume) crVVV l对比压力：对比压力：(reduced pressure) 第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理u多组分多组分(multi-component)l视视/ /拟临界压力：拟临界压力：pseudo-critical pressureciipcpypl视视/ /拟拟对比压力对比压力：ps

23、eudo-reduced pressure pcprppp/ciipcTyTl视视/ /拟拟对比温度对比温度：pseudo-reduced temperature pcprTTT/l视视/ /拟拟临界温度：临界温度：pseudo-critical temperature 第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理(2)(2)对比状态对比状态(corresponding state) 对比状态对比状态：两种气体，当对比压力、对比温度相两种气体，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。这两种气

24、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。实验证实，各种真实气体都满足此规律。(3)(3)对应状态原理对应状态原理（corresponding state law） 对应状态原理：对应状态原理：当两种气体，处于同一对应状当两种气体，处于同一对应状态时，气体的态时，气体的内涵性质内涵性质如偏差系数如偏差系数Z Z，粘度等也粘度等也近似相同。近似相同。intensive property三、对比状态定律三、对比状态定律 根据实际气体状态方程（根据实际气体状态方程（VDW）：）： a、b与物质性质有关的特征参数。不同的气体，有不同图版。与物质性质有关的特征参数。不同的气体，有不同图版。

25、 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？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

26、多内涵性质也近似相同，这就是对比状态原理。对于化学性态时，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。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：对比参数定义为：2VabVRTpcrppp =crTTT =crVVV =第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理 对比状态原理推导对比状态原理推导: 实际气体状态方程实际气体状态方程范德华方程：范德华方程： 在临界点上在临界点上 2VabVRTp02)() (32cccTVabVRTVpc06)(2) (4322

27、 cccTVabVRTVpc02ccccVabVRTp第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理联立联立求得求得 或：或：取：取：227=bapcbVc3=bRaTc278=ccccccVRTpTRVpa89=6427=3=222cccpRTVb8=3=cccTVpR38=375. 0=83=ccccRTVpZ23=ccVpa3=cVbcccTVpR38=第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理 代入代入VDW原式：原式：改写为：改写为：令：令：则：则：因此：因此：2233)3/(8VVpTVVVTppcccccc2)/(3)3

28、/1/(38/ccccVVVVTTppcrTTT/=crppp/=crVVV/=23)3/1(38rrrrVVTp)(=Pr,TpfZpr第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理 所以，任意组成的天然气，都只用同一张图版来确定其压缩因子所以，任意组成的天然气，都只用同一张图版来确定其压缩因子 第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理天然气（多组分气体）的天然气（多组分气体）的Z( (pr，Tr) )图版图版 求求Z值值 A.已知已知T、P和气体摩尔组成求压缩因子和气体摩尔组成求压缩因子 。 解解（1） 求视临界温度和视临界压力

29、求视临界温度和视临界压力 ： （2）求视对比温度和视对比压力：）求视对比温度和视对比压力： （3）根据计算出的和查天然气压缩因子图版得）根据计算出的和查天然气压缩因子图版得Z。 ciiPcTyT=ciiPcpyp=PrciiPcTyTTTT=PrciiPcpypppp第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理解：解：（1） 根据根据g，由图由图2-4中查中查出出TPC、pPC； （2）计算视对比温度）计算视对比温度和视对比压力：和视对比压力： （3）根据计算出的和）根据计算出的和查天然气压缩因子图版得查天然气压缩因子图版得Z。PcTTT =PrPcppp =Pr

30、第二节第二节 天然气的状态方程和对比状态原理天然气的状态方程和对比状态原理B.已知天然气的相对密度已知天然气的相对密度g和和T、p，求其压缩因子，求其压缩因子Z。C.当天然气中非烃气体含量不高时当天然气中非烃气体含量不高时（N N2 22%,CO2%,CO2 21%,3MPa)(3MPa)下天然气粘度的求法（图版法）下天然气粘度的求法（图版法）求出天然气在求出天然气在0.1MPa0.1MPa（一个大气压情况下）的粘度（一个大气压情况下）的粘度 A A、根据天然气的分子量或相对密度和温度，在图、根据天然气的分子量或相对密度和温度，在图2-122-12（4040页）查得天然气页）查得天然气在在0.

31、1MPa0.1MPa下的粘度（纯烃）下的粘度（纯烃）(1 1) )1 1 ； B B、根据天然气的相对密度和天然气中非烃含量，在图、根据天然气的相对密度和天然气中非烃含量，在图2-122-12（4040页）页）查得天然气在查得天然气在0.1MPa0.1MPa下的粘度（非烃）下的粘度（非烃）(1 1) )2 2； C C、 1 1 = ( = (1 1) )1 1 + ( + (1 1) )2 2计算天然气视对比压力和对比温度计算天然气视对比压力和对比温度根据天然气的视对比压力和对比温度在图根据天然气的视对比压力和对比温度在图2-132-13（4141页）查得天然气的页）查得天然气的相对粘度（相对粘度（/ / 1 1