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文檔簡介

天然氣的物理性質

西南石油大學石油工程學院

目錄(1)概述第一章什么是天然氣?第二章

天然氣是怎樣形成的?第三章

天然氣的組成?

目錄(2)第四章天然氣的狀態(tài)方程

第五章計算天然氣的物性參數(shù)

第六章硫化氫的危害第七章天然氣的爆炸性

第一章什么是天然氣?

1廣義而言:自然界所有天然生成的可燃氣體,如氣田氣,油田氣,煤層氣等。2凡是從地下采出的可燃氣體,統(tǒng)稱為天然氣。3從地下采出的在常溫常壓下,其相態(tài)為氣態(tài)的烴類和少量非烴類氣體所組成的混合物。

第二章

天然氣是怎樣形成的?

1生油/氣層,儲油/氣層;2儲油/氣層的構造特點生油/氣層生油/氣層1動植物的殘骸2高溫

3高壓

4缺氧

5億萬年時間前

儲油/氣層1背斜(1)1背斜(2)儲油/氣層1背斜(3)—儲油/氣層1背斜(4)—儲油/氣層儲油/氣層2斷層儲油/氣層3向斜4巖性尖滅

4巖性尖滅儲油/氣層儲油/氣層條件

1高溫

2高壓

3不滲透的蓋層

4不滲透的底層(底水,鹽丘等)5封閉系統(tǒng)(圈閉)描述儲油層的重要參數(shù)

1.孔隙度2.滲透率3.飽和度儲油孔隙空間儲油裂縫空間

地震勘探

鉆井(1)鉆井(2)鉆井(3)鉆井(4)鉆頭挪威海上鉆井平臺

采油/氣(1)采油樹(井口裝置)采油/氣(2)采油樹(井口裝置)采油/氣(3)井底裝置采油/氣(4)驅動類型采油/氣(5)——地面流程地面流程地面流程(油)地面流程(氣)地面流程第三章

天然氣的組成1.單質和混合物2.天然氣是一種混合物3.一般天然氣的組成

4.天然氣的性質

天然氣混合物(1)1.碳氫化合物--甲烷

CH4--乙烷

C2H6

--丙烷

C3H8

--丁烷

C4H10--戊烷

C5H12--己烷C6H14--庚烷C7H16..

....CnH2n+2

天然氣混合物(2)1.碳氫化合物:烴類天然氣混合物(3)天然氣混合物(4)天然氣混合物

(5)2.天然氣中的非碳氫化合物--氮N2--二氧化碳CO2--氦He--硫化氫H2S--氧O2--水蒸汽H2O

第四章氣體的狀態(tài)方程

1.波依爾定律2.查理定律3.尼古拉杜爾斯定律4.理想氣體定律5.真實氣體的狀態(tài)方程波依爾定律(1)如果氣體的溫度保持不變,已知的,一定量氣體的體積與它的絕對壓力的變化成反比。這一定律的數(shù)學表達式如下:

(1)

波依爾定律(2)

式中:V1–

在原始條件下,以立方英尺表示的天然氣體積;V2–在第二種條件下,以立方英尺表示的天然氣體積;P1-在原始條件下,以psia

(磅/平方英寸(絕對))表示的天然氣壓力波依爾定律(2-1)P2-在第二種條件下,以磅/平方英寸(絕)表示的天然氣壓力;

由于在大多數(shù)應用波依爾定律時,都是計算在第二種壓力條件下,氣體的體積值.所以,可將上述公式改寫為:

查理定律(1)如果壓力保持不變,已知的一定量氣體的體積與它的絕對溫度的變化成正比。這一定律的數(shù)學表達式如下:(2)查理定律(2)式中:T1–以0R(絕對溫度,F(xiàn)+460)表示的氣體初始溫度;

T2-以0R(絕對溫度,F+460)表示的,在第二套條件下的氣體溫度;查理定律(3)

由于在大多數(shù)應用查理定律時,都是計算在第二套溫度條件下,氣體的體積值。所以,可將上述公式改寫為:(1)尼古拉-杜爾斯定律(1)該定律描述的是:在相同壓力和相同溫度下,所有氣體都具有相同的體積。據(jù)此,就有:它們都具有相同的分子數(shù)。尼古拉-杜爾斯定律(2)一定體積下,以磅表示的氣體重量在數(shù)值上等于它的分子量(眾所周知的摩爾體積);在溫度為600F;壓力為14.73磅/平方英寸(絕)(psia)時,氣體的體積為378.9立方英尺。尼古拉-杜爾斯定律(3)

表1-1給出了碳氫化合物和其它常與天然氣相關組分的原子式和分子重量。從表上我們可以看出甲烷的分子(重)量為16.043。結合上面有關分子體積的解釋可知其體積為378.9立方英尺。當溫度為600F;壓力為14.73磅/平方英寸(絕)(psia)時,它的重量為16.043磅(lb)。

表1

分子量組分

原子式

分子(重)量

甲烷CH416.043

乙烷C2H6

30.070

丙烷C3H844.097

丁烷C4H1058.124

戊烷C5H1272.151

己烷C6H1486.178

庚烷C7H16100.205

二氧化碳CO244.011

氮氣N228.016O

氧氣沖O232.00

水污H2O18.016

空氣28.967表1的注釋上面給出的分子量是基于以下的原子重量:氫

1.008;

12.011;

14.008;

16.000;氬

39.994;

空氣的分子量是假定其中含有:

78.09%的氮;

20.95%的氧;

0.93%的氬和

0.03%的二氧化碳的結果。

理想氣體定律(1)常把理想氣體定律表達為:式中

P-

氣體壓力;V–氣體體積;

理想氣體定律(2)

n-氣體的磅-摩爾數(shù);R-通用氣體常數(shù)。它隨著所使用的壓力、體積和溫度的單位(量綱)不同而改變。理想氣體定律(3)

既然氣體的磅-分子數(shù)等于氣體的重量除以該氣體的分子量。那末,我們就可以把理想氣體定律表達為:

PV=10.722×(W/M)×T(5)

×理想氣體定律(4)式中:P–氣體壓力,磅/平方英寸(絕)(psia);V–氣體體積,立方英尺;

W–氣體重量,磅;

M–氣體分子量;

0R–氣體的絕對溫度(華氏)。理想氣體定律(5)當壓力以磅/平方英寸(絕)表示;并使用常用的通用氣體常數(shù)值1,544時,就得到公式中的常數(shù)10.722。理想氣體定律(6)理想氣體公式可以寫成很多形式。用于確定一定量氣體重量的公式如下:W=0.0933×(MVP/T)(6)

上式中的符號及單位與上式同第二章(真實)氣體定律(1)

概述

氣體定律

氣體常數(shù),R

壓縮因子(系數(shù)),Z第二章氣體定律(2)5.密度,ρ;比容υ6.摩爾分數(shù);

體積分數(shù)和重量分數(shù)

天然氣的粘度概述(1)1.工程師所關心的是:--氣體開采(采氣);--氣體輸送;--可出售天然氣的性質;--取暖用天然氣的數(shù)量;--熱值和品質(質量)。

概述(2)2.本教材中所說的氣體體積都是基于“標準狀態(tài)”下的體積。除非另有說明。標準壓力為:14.65磅/平方英寸(絕)(psia);標準溫度為:600F。概述(3)3.一般,在生產(采氣、輸配氣)中都要對天然氣進行計量。-氣體壓力的實際測量值要高于標準壓力值許多倍;-氣體溫度的實際測量值要高于標準溫度值許多倍。概述(4)

因此,工程人員需要計算在生產過程中的特定壓力和溫度條件下,一定量氣體的體積,或其它參數(shù)。應用氣體定律就可以進行這一類問題的計算。氣體定律氣體定律的表達式:

PV=nRT(2-1)

PV=nZRT

(2-2)氣體常數(shù)R

(1)氣體常數(shù)R的值取決于在方程2-2中各參數(shù)所使用的單位(量綱):PV=nZRT氣體常數(shù)R

(2)式中:

P–絕對壓力,磅/平方英寸(絕)(

psia);V-氣體體積,立方英尺(cuft);z-壓縮系數(shù),比值;

氣體常數(shù)R

(3)

n-磅-摩爾數(shù);T-絕對溫度,(0F+459.67);眾所周知得到的是蘭金溫標下的溫度;或

0R。氣體常數(shù)R

(3)

氣體常數(shù)R的值為:R=10.732(立方英尺;0R;磅-摩爾)(cuft,psia,0R-1,lb-mole-1);R=1.545(立方英尺;磅/平方英尺;0R;磅-摩爾)(cuft,lb/sqft,oR-1lb-mole)。氣體常數(shù)R

(4)對于一磅氣體:

Pv=bzTb=R/M(2-3)

取空氣的平均分子量為:

28.964以及

天然氣相對于空氣的比重為γg。天然氣的分子量就等于:M=28.964γg氣體常數(shù)R

(5)

此時可得:b=10.732/28.964γg=0.37053/γg(2-4)以立方英尺(cuft);磅/平方英尺(絕)(psi);0R-1;和磅(lb)表示的公式為:

(2-5)壓縮系數(shù)(1)

實際上,壓縮系數(shù)z是一個變量。它的值取決于氣體的:--壓力;

--溫度;

--組分中除烴以外的其它組分壓縮系數(shù)(2)

對于大多數(shù)工程目的,通過引入下列概念的計算可以滿足工程計算的需要:-視對比壓力:

ppr

=p/ppc

-視對比溫度:Tpr=T/TPC

上式中的Ppc和TPC分別為視臨界壓力和視臨界溫度壓縮系數(shù)(3)

壓縮系數(shù)(4)

Ppr=P/Ppc

;Tpr=T/Tpc

上式中所有的單位都是要以絕對單位表示:壓力—磅/平方英寸(絕)(

psia);

溫度—蘭金溫度(0F+460).天然氣中含有二氧化碳、氮氣和二氧化硫

的視臨界性質CO2或N2

CO2N2H2S的體積%ppc

Tpc

ppc

Tpc

ppc

Tpc

1+4-1-1-3-2-22+8-3-3-6+4-2

3+12-5-5-9+7-34+17-7-7-11+10-35+21-9-9-14+15-4..34+147-57-57-9335+152-59-59-9536+156-61-61-98密度ρ和比容ν(1)考慮一磅氣體,并使用方程2-2和2-3就可以計算出該氣體的密度ρ和比容v

。

pv=bzT(2-6)b=o.37053zT/γg

(2-7)

(2-8)

密度ρ和比容ν(2)

(2-9)

上式中的密度和比容單位是:磅/立方英尺(lb/cuft)。

算例

(1-1)確定天然氣的密度和比容。已知在2.765psia

和1790F條件下:

γg=0.642;CO2=2.0%,;N2=3.0%;

ppc=670+8-5=673

ppr=2,765/673=4.11

Tpc=372–3-9=360

Tpr=(460+179)/360=1.78算例

(1-2)

Tpr

Ppr

1.701.804.100.8570.8934.150.8570.894在

ppr=4.11和

Tpr=1.78時,

z=0.866算例

(1-3)計算出的氣體的比容為:=

υ=1/8.45=0.118cuft/lb摩爾分數(shù)、體積分數(shù)和重量分數(shù)(1)在常壓和溫度為600F下,天然氣的壓縮系數(shù)的范圍是從

0.997到0.998;

對于干空氣的壓縮系數(shù)大約為0.9996摩爾分數(shù)、體積分數(shù)

和重量分數(shù)(2)采用近似計算方法,將天然氣看成理想氣體。則氣體的摩爾數(shù)就直接正比于氣體的體積。同時,天然氣中一種組分的摩爾分數(shù)就等于它的體積分數(shù)。摩爾分數(shù)(1)一般使用下面的符號:

Yi–天然氣混合物中,I組分的摩爾分數(shù);

ni-天然氣混合物中,I組分的摩爾數(shù);

N-天然氣混合物的總摩爾數(shù)。摩爾分數(shù)(2)體積分數(shù)(2)當氣體混合物滿足尼古拉-杜爾斯定律時,氣體混合物中的任何組分的體積分數(shù)在數(shù)值上就等于它的摩爾分數(shù)。重量分數(shù)(1)通過對上述公式的相反運算,就可以將重量分數(shù)轉換成摩爾分數(shù)。重量分數(shù)(2)上式中:YI-氣體混合物中,i組分的摩爾分數(shù);-氣體混合物中,i組分的重量;

Mi–氣體混合物中i組分的摩爾數(shù)。天然氣的粘度(1)定義牛頓液的粘度指的是單位面積上的剪(切)力與局部速度梯度之比值。天然氣的粘度(2)上式中:

K=(9.4+0.02M)T1.5/(209+19m+T);X=3.5+986/T+0.01M;Y=2.4–0.2X;ρ1=densityingm/ccρ1=(1.4926*10-3)pM/zT天然氣的粘度(3)

李耶特(Leeetal.)已經用實驗的方法測量了四種天然氣的粘度。測量的溫度范圍是從1000F到3400F;壓力范圍是從100psia

到8,000psia。

天然氣的粘度(4)

他發(fā)現(xiàn)按照實驗數(shù)據(jù)所推導出的,計算氣體粘度的方程的標準誤差為±2.7%;而最大誤差為9.0%。在實驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)之間;以及按照圖2-3的到的數(shù)據(jù),都具有相當好的一致性。碳氫氣體的粘度

第三章

關于天然氣中H2S的常識介紹天然氣中H2S的常識介紹1.定義2.天然氣加工處理的要求

3.表達在天然氣中微量H2S濃度的單位4.H2S的危害以其預防控制1.定義(1)所謂的“酸性”天然氣指的就是含有硫化氫(H2S)的天然氣。1.定義(2)

當天然氣混合物中的硫化氫含量已經超過了氣體商品氣所規(guī)定的限(定)值時,我們說該天然氣是“酸性”的天然氣。商品氣一般指的是干線輸送公司,或天然氣的最終用戶。1.定義(3)

許多公司或用戶都制定了它們自己的規(guī)定。對銷售的天然氣中的硫化氫含量的最低限值。例如:加利佛尼亞(美國)州

每100標準立方英尺(scf)天然氣中含有的硫化氫不大于1/4喱(1喱=0.0648克);

=5.75毫克/標準立方米(mg/m3);=體積濃度的限值為4ppm.1.定義(4)加拿大

每100標準立方英尺(scf)天然氣中含有的硫化氫不大于1喱(1喱=0.0648克);

=23毫克/標準立方米(mg/m3);

酸性天然氣中含有的硫化氫濃度從幾個ppm到超過90%。1.定義(5)

一般,酸性天然氣也含有二氧化碳(CO2)。由于硫化氫和二氧化碳都微溶于水。因此他們會使天然氣攜帶的微量水(蒸汽)溶液呈弱酸性。通常把這種天然氣稱之為酸氣。2.天然氣加工處理的要求(1)

可出售天然氣的規(guī)范嚴格限制了其中硫化氫和二氧化碳等的含量。因此,當把天然氣輸送到市場出售之前,必須將天然氣中的上述組分加以脫除。2.天然氣加工處理的要求(2)例如,大多數(shù)北美國家要求在市場上所出售的天然氣必須滿足下列的各項規(guī)范要求:

Specification

項目

可售出氣的規(guī)范要求

英制單位

SI單位最大水蒸汽含量4or7lbs/MMscf60or112mg/m3最大CO2含量2%byvol2%byvol.最大H2S含量4ppm(vol)4ppm(vol.)0.25(喱)grain/100scf6mg/m3最大總硫含量5grain/100acf115mg/m3最大氧(O2)含量0.3%byvol0.3%byvol.最低熱值975Btu/scf36MJ/m3烴露點出<150Fat800psig<-100Cat5500kpa3.表達在天然氣中微量H2S

濃度

的單位(1)用于表示天然氣中硫化氫(H2S)濃度的單位取決于它在天然氣中的含量多少。1.當硫化氫的含量大于0.1%時,其濃度常用其體積百分數(shù),或克分子百分數(shù)表示。3.表達在天然氣中微量H2S

濃度的

單位(2)2.當硫化氫的含量低于0.1%時,通常使用體積數(shù)的百萬分之幾(ppm)來表示。例如0.1%就等于1000ppm。3.在英制單位系統(tǒng)中,可出售氣中硫化氫的含量用每100標準立方英尺氣體中有多少喱來表示。而在SI(公制)單位系統(tǒng)中,這一限值則用每立方米氣體中含有多少克(mg/m3)硫化氫來表示。

4.

H2S的危害及其預防控制論

--硫化氫(H2S)對人類健康的危害

--硫化氫(H2S)對碳鋼和低合金鋼的危害--安全操作的最低要求--天然氣的爆炸和控制對人類健康的危害性(1)

H2S是十分有毒的氣體。當它的濃度很低時(0.01ppmto150ppm

),可以聞到臭雞蛋的氣味;在較高濃度下,對于探測到硫化氫(H2S)的存在,嗅覺是不可靠的對人類健康的危害性(2)當人吸入硫化氫時,通過血液的流動將它帶帶身體的各部分,包括大腦中的呼吸神經中樞。因此人的神經系統(tǒng)受到影響。最中導致人的呼吸停止。對人類健康的危害性(3)4.當空氣中硫化氫的濃度為500ppm

時,如果人暴露于其中,就會導致失去知覺,如果不及時地加以搶救,就會造成死亡。

人暴露于更高濃度的硫化氫場合可能會導致立刻死亡悲劇。對人類健康的危害性(4-1)Tab3-2H2S對健康的一般影響(1)H2S濃度Ppm

一般影響_______________________________________0.01to0.3臭味的門坎(閾)值___________________________________________________1to5中等強度的令人不快的臭味??赡芤饜盒?、、流眼淚、頭痛或矢眠。長時間暴露的影響是中等的。___________________________________________________108-小時的工作暴露極限。1515-分鐘的工作暴露極限。20最高工作暴露極限。達到人員撤離水平。對人類健康的危害性(4-2)Tab3-2H2S對健康的一般影響(2)H2S濃度Ppm

一般影響20-50輕度眼睛和肺部的感染。在暴露幾天后,可能引起眼鏡的損傷;可能引起消化系統(tǒng)的紊亂和失去食欲。100眼睛和肺部的感染。______________________________________________________150失去嗅覺,嚴重的眼睛和肺部感染。______________________________________________________500在30分鐘內造成嚴重的眼睛損傷、肺部嚴重感染。在4-8小時之內引起知覺喪失和死亡。_____________________________________1000在1-2次呼吸中就可使呼吸停止。H2S對碳鋼和低合金鋼的危害(1)由于酸性溶液的存在,會出現(xiàn)下面的陽極和陰極反應:

在陽極處:

Fe←→Fe+++2eH2S+H2O←→H++HS-+H2OHS-+H2O←→H++S-+H2OH2S對碳鋼和低合金鋼的危害(2)在陰極處:

2e+2H+++S→2H++FeSFe+H2S→H2O→

FeS+2H+

陽極、陰極反應的結果陽極和陰極反應明顯地引起下列有害的影響:

--普通的金屬損失危害;--出現(xiàn)點蝕(一種常見的腐蝕現(xiàn)象);

--導致出現(xiàn)氫致開裂;--導致氫脆和硫應力開裂。安全操作的最低要求(1)如果在操作中能夠充分地采用和注意以下這些適當?shù)膫€步驟,酸性氣體的操作就可以安全地進行。下面是酸性氣安全操作的最低要求:安全操作的最低要求(2)--設計和制造、安裝的所有機器和設備所使用的材料和方法能滿足酸性氣服役所應用的規(guī)范和標準的規(guī)定和要求。

安全操作的最低要求(3)--對所有的管理人員、與酸性氣接觸人員、設備操作、維護人員必須進行硫化氫危害性及緊急救護方法等方面的培訓。必須為上述人員提供檢測空氣中硫化氫(H2S)含量的最新式裝備。

安全操作的最低要求(4)--業(yè)主必須為操作和維護人員制定,并寫出書面的安全程序。必須通過在安全會議上經常討論有關自身硫化氫生產情況下的危害特點;而制定出有關酸性氣安全生產的企業(yè)文化。安全操作的最低要求(5)--對所有設備的腐蝕和輕微泄漏都應進行監(jiān)測。當發(fā)現(xiàn)上述任何一種可識別的跡象時,都應采取正確的步驟和措施。安全操作的最低要求(6)--必須將最新的SCADA監(jiān)測和自動測量方法包括到整體的安全程序和酸性氣設備操作之內。天然氣的爆炸和控制論(1)1.定義2.爆炸的范圍3.天然氣爆炸的控制

1.定義(1)當可燃材料與空氣混合并燃燒時,就引起溫度的升高;同時引起體積的突然膨脹。這種就像存在炸藥或炸彈一樣的劇烈的燃燒現(xiàn)象稱之為爆炸。1.定義(2)爆炸只在一定的條件下發(fā)生。它主要取決于在空氣中有多少比例的天然氣存在。一旦在空氣中的天然氣處于爆炸極限的比例之內;并滿足存在火源的條件下,一次天然氣的爆炸將被火源點燃。2.爆炸范圍內(1)天然氣是混合物,所以,它沒有一個恒定的單位重量。它有一個爆炸的范圍。最大的和最小的爆炸極限分別稱之為爆炸上限和爆炸下限。2.爆炸范圍內(2)烴類在空氣中的爆炸極限的百分比表3-3

烴類LowerLimit(%)UpperLimit(%)

甲烷5.015.0乙烷3.212.0丙烷2.49.5丁烷1.98.5戊烷1.48.0汽油1.46.02.爆炸范圍內(2-1)表3-3指出(1)

當甲烷在空氣中的含量在百分之5.0到15.0之間時,它將燃燒。也就是說,當甲烷在混合物中太貧時(空氣的比例太富(多)),并不支持燃燒。2.爆炸范圍內(2-1)表3-3指出(2)當甲烷在空氣中的含量高于百分之15.0時,該混合物太富(沒有足夠的空氣百分比),也不支持燃燒的發(fā)生。3.天然氣的爆炸和控制(1)Table3-4一些物質在空氣中的爆炸極限百分比

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