西南石油大天然气工程讲义第2章 天然气的物理化学性质

第二章天然气的物理化学性质

提示

第二、三章是以后各章学习的基础。较全面的天然气物理化学性质应包括：1）物理性质，如：分子量、密度和相对密度、饱和蒸汽压、粘度、临界参数、真实气体和理想气体状态方程及气体偏差系数、体积系数、含水量、溶解度和烃露点等；2）相态性质和相平衡计算；3）热力学性质如：比热容、绝热指数、导热系数、汽化潜热、焓、熵、热值和爆炸性等。限于篇幅，本章只涉及与渗流、管流和储存有关的几个参数。这些参数的实验分析与测定是必不可缺少的手段。国家技术监督部门认可的方法和标准是测试的依据。在没有实验和现场试验数据时，那么采用一些经验公式是唯一可行的选择，而且有利于实现计算机编程。第一节天然气的组成与分类

一、天然气的组成天然气是指自然生成，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，其主要成分为甲烷及少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及以上烃类气体，并可能含有氮、氢、二氧化碳、硫化氢及水蒸汽等非烃类气体及少量氦、氩等惰性气体。天然气中还可能含多硫化氢、以胶溶态粒子形式存在于气相中的沥青质，还可能微含水银。石油工业范围内，天然气通常指从气田采出的气及油田采油过程同时采出的伴生气（参见国际标准化组织ISO14532.2001）。天然气中常见组分的性质见表2-1。为了了解天然气的组成，可以对天然气组分作全分析，目前国内外采用的分析仪器为气相色谱仪，主要有美国惠普和日本岛津系列气相色谱仪。表示天然气组成的方法有三种：1、摩尔组成：这是目前最常用的一种表示方法，常用符号表示气中组分i的摩尔组成，其表达式为

（2-1）

式中

——气组分i的摩尔数；

——气体总摩尔数，n为气体组分总数。

表2-1

天然气主要组分在标准状态下的物理化学性质

名称分子式分子量摩尔体积Vm/(m3/kmol)气体常数R/[J/(kg·K)]密度ρc/(kg/m3)临界温度Tc(K)临界压力Pc

c/MPa高热值Hh(MJ/m3)高热值Hh(MJ/kg)低热值H1/(MJ/m3)低热值H1/(MJ/kg)爆炸极限(体积分数)/%动力粘度μ×106/Pa·s运动粘度ν×106/m2/s沸点/℃定压比热容cp/[kJ/(m3·k)]绝热指数K导热系数λ/[W/(m·K)]偏心因子下限上限甲烷CH416.04322.362518.750.7174190.584.54439.84255.36735.90650.0505.015.010.6014.50-161.491.5451.3090.030240.0104乙烷C2H630.07022.187276.641.3553305.424.81670.35151.90864.39747.5152.913.08.776.41-88.602.24411980.018610.0986丙烷C3H844.09721.936188.652.0102369.824.194101.26650.37693.24046.3832.19.57.653.81-42.052.9601.1610.015120.1524正丁烷n-C4H1058.12421.504143.132.7030425.183.747133.88649.532123.64945.7451.58.56.972.53-.503.7101.1440.013490.2010异丁烷i-C4H1058.12421.598143.132.6912408.143.600133.04849.438122.85345.6501.88.5——-11.72—1.144—0.1848正戊烷C5H1272.15120.891115.273.453746.9653.325169.37749.042156.73345.3811.48.36.481.8536.06—1.121—0.2539氢H22.01622.427412.670.089833.251.28012.745141.92610.786120.1114.075.98.5293.0-252.751.2981.4070.21630.0000氧O231.99922.392259.971.4289154.334.971——————19.8613.60-182.981.3151.4000.02500.0213氮N223.01322.403296.951.2507125.913.349——————17.0013.30-195.781.3021.4020.02490.0400氦He3.01622.420281.170.13453.350.118————————-269.95—1.64(19℃)——二氧化碳CO244.01022.260189.041.9768304.257.290——————14.307.09-78.20(升华)1.6201.3040.013720.2250硫化氢H2S34.07622.180244.171.5392373.558.89025.36416.48823.38315.1924.345.511.907.63-60.201.5571.3200.013140.1000空气

28.06622.400287.241.2931132.403.725——————17.5013.40-192.501.3061.4010.02489—水蒸气H2O18.01521.629461.760.8330.863321.830——————8.6010.12—1.4911.3350.016170.3480

①

0℃，101.325kPa；②MJ，106J(焦)③引自文[1]。

2、体积组成：也常用符号表示

（2-2）

式中

Vi——气组分i的体积；

——气体总体积。当考虑天然气满足阿佛加德罗定律（体积相同、压力温度条件相同的各种气体具相同数量分子，1g物质的分子数6.02×1023）时，天然气中任何组分的体积组成在数值上等于该组分的摩尔组成。1kg摩尔气体在=0.101325MPa、=273k、=1下的体积均22.4m3/kmol，克摩尔气体为22.4cm3/gmol。3、质量组成：即为各组分的质量百分数，用符号wi表示

（2-3）

式中

mi——气组分i的质量；

——气体总质量。因为，故将质量组成换算为摩尔组成，可利用下式

（2-4）

式中：Mi——气组分i的分子量。二、天然气的分类按组分划分：干气、湿气、凝析气；烃类气，非烃类气；贫气、富气。按来源划分：有机和无机来源气。按有机母质类型分：腐植型气（煤型气）、腐泥型气（油型气）、腐泥腐植型气（陆源有机气）。按有机演化阶段分：生物气、生物-热催化过渡带气、热介气（热催化、热裂介）、高温热裂介气。按生储盖组合划分：自生自储、古生新储和新生古储等类型。按相态划分（物质气、液、固三态及其相互的转换称相态）：游离气、溶解气、吸附气、固体气（天然气水合物）。天然气凝液（NGL）系从气田气、油田伴生气、凝析气田气中通过冷凝而回收得到的烃类液体，即，国内从原油角度将NGL称轻烃。它包括三部分：乙烷、液化石油气（C3+C4，

LPG）和稳定轻烃（，也称稳定凝析油、轻油、天然汽油）。天然气的分类方法很多，现根据气藏工程需要，简要作以下介绍1、按烃类组分关系分类（1）干气在地层中呈气态，采出后在一般地面设备和管线中不析出液态烃的天然气。按C5界定法是指1标方井口流出物中C5以上液烃含量低于13.5cm3的天然气。（2）湿气在地层中呈气态，采出后在一般地面设备的温度、压力下即有液态烃析出的天然气。按C5界定法是指在1标方井口流出物中C5以上烃液含量高于13.5c

m3的天然气。（3）贫气丙烷及以上烃类含量少于100c

m3/m3的天然气。（4）富气丙烷及以上烃类含量大于100c

m3/m3的天然气。2、天然气按矿藏特点分类（1）纯气藏天然气在开采的任何阶段，矿藏流体在地层中呈气态，但随成分的不同，采到地面后，在分离器或管系中可能有部分液态烃析出。（2）凝析气藏天然气矿藏流体在地层原始状态下呈气态，但开采到一定阶段，随地层压力下降，流体状态跨过露点线进入相态反凝析区，部分烃类在地层中即呈液态析出。（3）油田伴生天然气在地层中与原油共存（溶解气和气顶气），采油过程中与原油同时被采出，经油、气分离后所得的天然气。3、按硫化氢、二氧化碳含量分类酸性天然气。指含有显著量的硫化氢甚至有可能含有有机硫化合物、氧化碳，需经处理才能达到管输商品气气质要求的天然气（参见文[1-2]）。第二节

天然气的分子量、相对密度、密度和比容

对于已知化学分子式的纯物质，可根据分子式得知其分子量（又称摩尔质量）。但天然气是多组分组成的混合物气体，不可能写出一个分子式，也就不能象纯物质那样由分子式算出其恒定分子量。天然气的分子量在数值上等于在标准状态下1摩尔天然气的质量。显然，天然气的分子量是一种人们假想的分子量，故称为视分子量。同时，由于天然气的分子量随组成的不同而变化，没有一个恒定的数值，因此又称为“平均分子量”。通常，多将上述数值简称为天然气的分子量。一、天然气分子量分子量计算常用的方法是当已知天然气中各组分i的摩尔组成和分子量后，天然气的分子量按加合法则可由下式求得

（2-5）

式中

——天然气分子量，克摩尔或公斤摩尔（g/gmol，kg/kmol）；

——天然气各组分的摩尔组成；

——组分i的分子量。二、天然气密度天然气的密度定义为单位体积天然气的质量。在理想条件下，可用下式表示

（2-6）

式中

——气体密度，kg/

m3；

m——气体质量，kg；

V——气体体积，m3；

P——绝对压力，MPa；

T——绝对温度，K；

M——气体分子量，kg/kmol；

R——气体常数，0.008471。对于理想气体混合物，用混合气体的视相对分子质量代替单组分气体的相对分子质量M，得到混合气体的密度方程

（2-7）

三、天然气相对密度天然气相对密度定义为：在相同温度、压力下，天然气的密度与空气密度之比。相对密度是一无因次量，常用符号表示。则

（2-8）

式中

——天然气密度

——空气密度。因为空气的分子量为28.96故

（2-9）

一般天然气的相对密度在0.5—0.7之间，个别含重烃多的油田气或其它非烃类组分多的天然气相对密度可能大于1。假设，混合气和空气的性质都可用理想气体方程描述，则可用下列关系式表示天然气相对密度

（2-10）

式中

——天然气相对密度；

——空气密度；

——空气视分子质量；

——天然气视分子质量。四、天然气的比容天然气的比容定义为天然气单位质量所占据的体积，在理想条件下，可写成：

（2-11）

式中

υ——比容，m3/kg。例2-1

由下表所列的理想气体性质，求在6.89MPa和311.1K条件下，1）视分子质量；2）气体相对密度；3）气体密度；4）气体比容组

分摩尔分数相对分子质量视相对分子质量.C10.7516.0412.030C20.0730.072.105C30.0544.102.205C40.0458.122.325C50.0472.152.886C60.0386.182.585C70.02100.212.004

解：1）2）应用方程（1-9）求

应用方程（2-7）求气体密度

kg/m3

应用方程（2-11）求比容

m3/kg

对于真实气体，可应用气体偏差系数Z修正因气体压力，温度和组分的影响，用真实气体定律结合相对分子质量，可得出真实气体密度的关系式

（2-12）

（2-13）

第三节

天然气的偏差系数

一、理想气体和真实气体状态方程气体状态方程广泛应用于天然气工程中，它是描述一定质量气体的压力、绝对温度和气体体积之间的关系。若假设气体分子间无作用力、分子体积与总体积相比小到可忽略不计，以及分子间、分子与容器间碰撞完全是弹性碰撞而无内能损耗，那么可以得到理想气体状态方程，，它主要用于低压条件，天然气工程中主要涉及高压条件下的实际气体，描述实际气体的状态方程很多，第三章中还要涉及，而其中最简单、应用最广泛的是下列方程（1kmol实际气体的状态方程）：

（2-14）

式中

P——气体绝对压力，MPa；T——气体绝对温度，k；——1kmol气体体积，m3/kmol；Z——气体偏差系数；R——气体通用常数