天然气压力-密度新模型的研究及其应用.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 8 月 第 3 6 卷 第 8 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y j ． J P I A u g ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 8 天然气压 力一 密度新模型 的研 究及 其应 用 谢刚 ，张信勇 中国石油集团测井有限公司长厌事业部， 陕西西安7 1 0 2 0 1 [ 摘要]天 然气的压力和 密度是 油气 田开发、采油呆 气、油 气储 运、油 气计量等领域 中非 常重要 的参数。 在理想状态方程 的基础上 ，对天然气的体积进行 了修 正，重新 推导 出一个 关联压 力和 密度 的模 型。在 甲 烷 、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷 、二氧 化碳、氮 气等气体 的纯 物质、二元体 系和 三元体 系 中 分别进行 了验证和实例计算。结果表 明 ，计算值 与实测值 符合较 好，相关 系数0 ． 9 9 。所提 出的新 模型 形 式简单 、参数少、计算精度较高 ，能满足 工程 需要。 同时，该 方程对于 天然 气的准确计 量也具 有一定 的借 鉴 指 导 作 用 。 [ 关键词]状 态方程 ；压力 ；密度 ；压缩 因子 ；体积修正 ；真实气体 [ 中图分类号]TE 3 1 1 _ 1 [ 文献标 志码]A [ 文章编号]1 0 0 0～ 9 7 5 2 2 O 1 4 O 8 一O 1 l 6 一O 5 天然 气计 量过程 中采 用差 压式 流 量 计 和 质量 流 量 计 时 ，天 然 气 的密 度 是 一 个非 常 关 键 的 参数 。同 时 ，天然气 密 度在油 气 田开发 、采油 采气 、油 气储 运 、油气计 量 等领域 中 的应用也 相 当广泛 。在计 量 参 比条件下 ，可按照国家标准 G B ／T 1 1 0 6 2 --1 9 9 8 _ 】 ] ，根据给出的不同工况计算天然气的密度。但是在实 际操作过程中，由于工况差异 ，特别是在高压条件下，压力 、温度对天然气的密度影响较大 。而且天然 气 组 成复杂 ，含 有 甲烷 、乙烷 、丙烷 、正丁烷 、异 丁烷 、正戊 烷 、二氧 化碳 、氮气 等多 种组 分 ，这 对 于 天然 气密 度 的计 算带 来 了很多 困难 ，导致 计算 精度 难 以达到 要求 。天然 气 密度 的准确性 更会 直接 影响 到 天然 气计量 的精确性 。 笔者在国家标准 GB ／ T 1 1 0 6 2 1 9 9 8的基础上 ，采用压缩 因子和体积修正相结合的方法 ，提出了一 个 关 联压 力 和密度 的新模 型 ；并在 甲烷 、乙烷 、丙 烷 、正丁 烷 、异丁烷 、正戊烷 、二 氧化碳 、氮气 等气 体纯物质 、二元体系和三元体系中分别进行了验证和实例计算 。 压力一 密度新模型的建立 理想 气体 状态方 程 p V n RT 主要 基于 两个假 设 分子 间没 有作 用力 ，分 子没有 大小 l_ 2 ] 。根 据 理 想气 体状 态方 程 ，可 以得 出理想气 体 的密度 公式 为 fD一 1 lD一 式 中 p 为天然气密度 ， k g ／ m。 ； 为压力 ， P a ； R为通用气体常数 ， 约为8 ． 3 1 4 J ／ mo l K ； T为绝对温度， K； 为体 积 ， m。 ； 为 物质 的量 ， mo l ； M 为摩 尔质量 ， k g ／ mo l 。 对于 真实 气体来 说 ，分子 间 的作 用 力和分 子 大小是 不能 忽视 的 ，特别是 在 高压下 ，这 2个 因素 的作 用更明显。实际工况 中经常会 出现压力和温度变化较大的情形 ，此时气体的各项热力学参数与理想状态 有很大的偏差。因此 ，在计算密度过程中，必须进行合理的修正。 根据 GB ／ T 1 1 0 6 2 --1 9 9 8 ，笔者在理想气体状态方程中引入 了压缩因子 Z pV Zn R T 2 热力学 研究 表 明 ，体 积修 正是 提高状 态方 程 计算 精 度 的有 效 方法 。因此 ，在 式 2 的基 础 上 ，继 续 对方 程进 行 了修 正 。在 高 压 工况 条 件 下 ，对 气 体 有 着 一 定 的 压 缩 作 用 ] 。基 于 此 ，采 用 多 变 压 缩 [ 收稿 日期]2 0 1 31 2 2 3 [ 作者简介]谢 刚 1 9 8 o一 ，男，2 0 0 5年中国石油大学 华东毕业 ，硕士 ，工程 师，现从 事测井信 息采集及油 气田开发 工程等相 关工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 8期 谢刚 等 天然气压 力一 密度新模型的研究及其应用 p V K 一 常 数 的 处 理 方 法 ， 用 将 真 实 气 体 的 体 积 修 正 为 ． 。 另 外 ， 为 了 提 高 方 程 的 精 度 ， 又采用了指数项对体积进行了修正， 即 V r e 。 修正后的密度方程为 ， 、 Ⅳ p lD一 e 下-- K 2 P O 3 其 中， K 、 K。 是与温度相关的参数 ， 可 由试验值 回归得出。 对式 3 两边取 自然对数后 ， 得到 1n lD - 1n 一 1 一 K 1 1n 4 令 A 一 1 n ＼ M z [ R 2 o T％ ， B - - K p 。 ， c 一 1 -- K ， 则 得 到 一 个 形 式 简 单 的 3 参 数 压 力 一 密 度 新 模 型 l n p A B c1 n 5 2 天然气压力一 密度新模型的验证和应用 首 先 用 甲 烷 气 体对提 出的压力一 密 度 新 模 型 进 行 了 验 证 见 图 1 ，结 果 表 明 在 3 0 0 ～4 5 0 K、 O ～ 1 8 0 MP a范 围 内 ， 计 算 值 与 试 验 值 符 合 良好 ，精 度 较 高 R 0 ． 9 9 。 从 A、 B、 C 三 个 参 数 与 温 度 的 拟 合 结 果 可 以看 出 ， A 与 1 n 丁呈 线 性关 系 ， B、 C与 丁 符 合 线 性 关 系。这 说 明 ，笔 者 提 出 的 压力 ～ 密度 新 模 型 可 以 对 天 然 气 在 不 同 温 度 、 不 同 压 力 下 的 密 度 数 据 进 行 关 联 。 由 于 方 程 形 式 简 单 ，操 作 灵 活， 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 1 “ 1 K 图 1压 力 - 密 度 模 型 在 甲烷 气 体 中 的验 证 结 果及 模 型 参数 与 温 度 的 关 系 省 去 了复杂 烦琐 的计 算步 骤 ，天然 气 密度 数据 计算 精确 。 该模 型最初是针对天然气 的压力 、密度计算提出的，为了考察天然气压力一 密度新模 型对其他气体 的适用性，笔者选择 了天然气组成中常见的乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷 、正戊烷 、二氧化碳 、氮气 ， 通过文献检索查阅了相关气体 在一 定温度 和压力范 围下 的密度试验值 见表 1 ，进行 了实例 计算 。 图 2 ～4 的结果显示 ，天然气压力一 密度新模型不仅适用于 甲烷 ，而且在 乙烷 、丙烷 、正丁烷 、异丁烷 、 正戊烷、二氧化碳 、氮气等纯物质气体 中都表现出了较好 的计算精度 R。 0 ． 9 9 。同时，二元体 系 和三元体 系的高精度拟合结果也进一步说明了该模型的普适性。特别是对于高压条件下 ，天然气压力一 密 度新模 型 表现 出 了较高 的精 度 ，计算 结果 能 达到 工程 要求 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然 气工程 2 0 1 4年 8月 表 1 纯气体及 其二 元、三元体 系的温度 、压力范 围及数据来源 物质 温度范围／ K 压力范围／ MP a 文献 物质 温度 范围／ K 压力范围／ MP a 文献 甲烷 3 0 0 4 5 0 O ～1 8 0 [ 3 ] 氮气 2 6 5 ～4 0 0 1 0 N1 6 0 L 6 ] 乙烷 3 1 0 4 5 0 2 O ～1 6 0 E 3 3 甲烷一 甲基环己烷 3 2 3 ～4 2 3 2 o ～1 4 0 [ 6 3 丙烷 3 4 O ～4 0 0 0 ～2 0 0 [ 4 3 乙烷～ 氘代正戊烷 3 8 3 ～4 2 3 2 0 ～2 4 0 [ 6 ] 正丁烷 2 8 0 ～3 8 0 2 0 ～2 0 0 E 4 3 丙烷一 正丁烷 2 8 0 4 4 0 2 O ～2 0 0 r 7 1 异丁烷 2 8 O ～3 8 0 2 O ～2 0 0 [ 5 3 二氧化碳一 异丁烷 2 8 0 ～4 4 0 2 O ～2 0 0 E 7 ] 正戊烷 3 2 3 ～4 2 3 2 o 2 5 o [ 5 3 正丁烷一 异丁烷 2 8 0 ～4 4 o 2 o ～2 0 0 [ 7 ] 二氧化碳 3 l O 4 5 o 1 o ～1 6 0 [ 5 ] 丙烷一 正丁烷一 异丁烷 2 8 0 4 4 0 2 0 --2 0 0 E 7 3 目 ● bo v ＼ p ／ MPa a 甲烷 p ／ MPa d 正丁烷 D ， M P a g 二氧化碳 ∞ 茸 ● v 、 、 乜 p ／ MPa b 乙烷 p ／ M Pa e 异丁烷 p ／ MPa h 氮气 * 目 ● 柚 ＼ q 叩 目 ● U ＼ 包 图 2 压 力一 密度新模型在纯物质气体中的应用 M IP a C 丙烷 p ／ MPa f 正戊烷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 8 期 谢刚 等 天然气压力一 密 度新模型 的研 究及其应用 置 ● 一 ＼ 包 且 ● 一 ＼ q p ／ M Pa a 甲烷0 ． 2 5 一 甲基环 己烷 目 ● ∞ V ＼ d 丙烷0 ． 5 O 一 正丁烷 I V I P a g 乙烷0 ． 2 6 一 氘代正戊烷 3 结论 昌 ● 一 ＼ q 叩 且 ● 一 ＼ V I P a b 丙烷0 ． 2 7 一 正丁烷 目 ● b o 一 ＼ p ／ MPa e 甲烷0 ． 7 5 一 甲基环 己烷 p ／ IV I Pa h 乙烷0 ． 9 8 - 氘代正戊烷 胄 ● bo 一 ＼ q n 耳 ● 一 ＼ 图 3 压 力 ～ 密 度 新模 型在 二 元 体 系 中的 应 用 p ， M P a c 甲烷0 ． 5 0 一 甲基环己烷 p ， M P a f 丙烷0 ． 7 3 - 正丁烷 笔者在理想状态方程的基础上 ，采用压缩 因子和体积修正结合的方法 ，推导出用于描述天然气压力 与密度关系的新模型。该方程中包含 的物理量较少，避免了烦琐 的计算步骤 ；经过体积修正 ，大大提高 了模型的计算精度 。在天然气中的验证结果表明 ，新模型在天然气密度计算过程 中表现出了较高的准确 性 ，且 3 个参数与温度也具有 良好 的线性对应关系。同时 ，对于乙烷、丙烷、正丁烷 、异丁烷 、正戊 烷 、二氧化碳 、氮气等纯物质气体、二元体系和三元体系中的应用结果表 明，在尽可能广泛的压力与温 度条件下 ，模型的计算结果与试验值符合较好 。因此 ，笔者提 出的天然气压力一 密度新模型具有一定 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 0 石 油天 然气工程 2 0 1 4 年 8 月 普适性 ，这对于提高天然气密度计算的标准化操作和准确计量也将会有一定的借鉴和参考意义。 n ■ ● 一 ＼ 薯 ● 一 ＼ 包 p ／ M Pa a 丙烷0 ． 3 2 - 正丁烷0 ． 3 3 - 异丁烷 ， M P a c 丙烷0 ． 2 1 一 正丁烷0 ． 2 1 一 异丁烷 n 目 ● 一 ＼ 皇 ● 一 ＼ q p ／ M Pa b 丙烷0 ． 5 9 一 正丁烷0 ． 2 1 - 异丁烷 p ／ MPa d 丙烷0 ． 2 1 - 正丁烷0 ． 5 8 一 异丁烷 图 4压 力 - 密 度 新模 型在 三 元体 系 中 的应 用 [ 参考文献] [ 1 ]GB ／ T 1 1 0 6 2 --1 9 9 8 ，天然气发热量 、密度 、相对密度和沃伯指数的计算方法 I s ]． [ 2 3王正烈 ，周亚平 ．物理化学 [ M3．北京 高等教育 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 3 3 D i e g o E C， I v a n D M，Ke n n e t h R H．Ac c u r a t e P p T d a t a f o r me t h a n e f r o m 3 0 0 t o 4 5 0 K u p t o 1 8 0 MP a口]．C h e mi c a l E n g i n e e r Da t a，2 01 0，5 58 2 6 ～ 8 2 9 ． [ 4 ]B y u n H S， Di No i a T P，Mc Hu g h M A．Hig h - p r e s s u r e d e n s i t i e s o f e t h a n e ，p e n t a n e ，p e n t a n e d 1 2 ，2 5 ． 5 wt e t h a n e i n p e n t a n e d 1 2 ， 2 ． 4 wt ％ d e u t e r a t e d p o t y e t h y l e n e - c o b u t e n e P E B i n e t h a n e ， 5 ． 3 wt ％ h y d r o g e n a t e d P E B i n p e n t a n e ， 5 ． 1 wt ％ h y d r o g e n a t e d P E B i n p e n t a n d l 2 ． a n d 4 ． 9 wt ％ h y d r o g e n a t e d P E B i n p e n t a n e d 1 2 2 3 ． 1 w t e t h a n e I- j ]．C h e mi c a l E n g i n e e r Da t a ， 2 0 0 0 ， 4 5 8 1 O ～ 8 1 4 ． [ 5 3 Miy a mo t o H， Ue ma t s u M．Me a s u r e me n t s o f v a p o r p r e s s u r e s f r o m 2 8 0 t o 3 6 9 K a n d P， P ， Tp r o p e r t i e s f r o m 3 4 0 t o 4 0 0 K a t p r e s s u r e s t o 2 0 0 MP a f o r p r o p a n e[ J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Th e r mo p h y s i c s ，2 0 0 6 ， 2 7 1 0 5 2 1 0 6 0 ． [ 6 ]Mi y a mo t o H，Ue ma t s u M．P， p ，Tp r o p e r t i e s f o r n b u t a n e i n t h e t e mp e r a t u r e r a n g e f r o m 2 8 0 K t o 3 8 0 K a t p r e s s u r e s u p t o 2 0 0 MP a[ J ]．C h e mi c a l T h e r mo d y n a mi c s ，2 0 0 7 ， 3 9 5 8 8 5 9 3 ． ‘ [ 7 3 Miy a mo t o H，Ue ma t s u M．Th e ，p ，T， p r o p e r t i e s o f 1 p r o p a n e z 2 扎一b u t a n e wi t hz 1一 O ． 0 0 0 0 ， 0 ． 2 7 2 9 ，0 ． 5 0 2 1 ， a n d 0 ． 7 3 0 8 o v e r t h e t e mp e r a t u r e r a n g e f r o m 2 8 0 t o 4 4 0 K a t p r e s s u r e s f r o m 1 t o 2 0 0 MP a[ J - I．C h e mi c a l T h e r mo d y n a mi c s ，2 0 0 8 ， 4 0 2 4 0～ 2 4 7 ． ． [ 编辑] 黄鹂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m