Skip to content
Brent$117,6Газ TTF$1 192USD453,87 ₸
MunaiHub

Формулы: Свойства газов

Формулы уроков темы «Свойства газов» раздела «Физика пласта и разработка» с условиями применимости и единицами, а также обозначения: что означает каждый символ в этих уроках.

Уравнение состояния идеального газа
pV=nRTpV = nRT

СИ (любая согласованная система единиц)

Справедливо, если: молекулы не имеют собственного объёма и не притягиваются друг к другу — хорошее приближение при низком давлении и температуре намного выше критической; давление и температура абсолютные.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Уравнение состояния реального газа
pV=ZnRT,Z=VреалVидpV = ZnRT,\qquad Z = \frac{V_{\text{реал}}}{V_{\text{ид}}}

любая согласованная система единиц

Справедливо, если: ZZ — не постоянная: он зависит от состава газа, давления и температуры, и его определяют для каждого состояния; газ однофазен (в пласте и в трубе нет выпадающей жидкости).

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Приведённые температура и давление
Tr=TTc,pr=ppcT_r = \frac{T}{T_c},\qquad p_r = \frac{p}{p_c}

безразмерные отношения; температура — только в кельвинах или градусах Ранкина

Справедливо, если: принцип лучше всего выполняется для простых неполярных молекул (метан, азот, аргон); для крупных несимметричных и полярных молекул — тяжёлых углеводородов, сероводорода, воды — отклонения больше.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Псевдокритические параметры смеси (правило Кея)
Tpc=∑iyi Tc,i,ppc=∑iyi pc,iT_{pc} = \sum_i y_i\,T_{c,i},\qquad p_{pc} = \sum_i y_i\,p_{c,i}

К и МПа (или °R и psia)

Справедливо, если: состав газа известен полностью, ∑yi=1\sum y_i = 1; для фракции C7+ критические параметры оценивают по корреляциям от её молярной массы и плотности; неуглеводородных компонентов немного; сероводород и углекислый газ требуют поправки (ниже).

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Псевдокритические параметры природного газа по относительной плотности (аппроксимация Стэндинга)
Tpc=168+325 γg−12,5 γg2,ppc=677+15 γg−37,5 γg2T_{pc} = 168 + 325\,\gamma_g - 12{,}5\,\gamma_g^2,\qquad p_{pc} = 677 + 15\,\gamma_g - 37{,}5\,\gamma_g^2

промысловые: TpcT_{pc} — градусы Ранкина, ppcp_{pc} — psia

Справедливо, если: природные (сухие и тощие) газы, в которых азота, углекислого газа и сероводорода не больше нескольких процентов; это аппроксимация графической корреляции; для газоконденсатных смесей используют другую кривую (дополнительный раздел), для жирных газов точнее более поздние корреляции; при заметном содержании кислых газов их учитывают отдельно — поправкой, как в следующем разделе.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Поправка Уичерта — Азиза к псевдокритическим параметрам
Tpc′=Tpc−ε,ppc′=ppc Tpc′Tpc+B (1−B) εT'_{pc} = T_{pc} - \varepsilon,\qquad p'_{pc} = \frac{p_{pc}\,T'_{pc}}{T_{pc} + B\,(1 - B)\,\varepsilon}

температуры и ε\varepsilon — в одних единицах (К или °R), давление — в любых

Справедливо, если: поправка построена по опытам с газами, содержавшими примерно до 54 мол. % углекислого газа и до 74 мол. % сероводорода; если в газе много азота или тяжёлых углеводородов, для точного расчёта нужен лабораторный анализ или уравнение состояния.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Поправочный член Уичерта — Азиза
ε=120 (A0,9−A1,6)+15 (B0,5−B4)\varepsilon = 120\,\left(A^{0{,}9} - A^{1{,}6}\right) + 15\,\left(B^{0{,}5} - B^{4}\right)

ε\varepsilon — в градусах Ранкина; для кельвинов результат делят на 1,8

Справедливо, если: доли — мольные и в долях единицы, а не в процентах.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Коэффициент сверхсжимаемости газа Ван-дер-Ваальса
Z=VmVm−b−aR T VmZ = \frac{V_m}{V_m - b} - \frac{a}{R\,T\,V_m}

СИ или любые согласованные

Справедливо, если: качественная модель: количественно для природного газа её точности недостаточно, на практике используют более совершенные уравнения состояния (Кубические уравнения состояния).

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Уравнение Дранчука — Абу-Кассема
Z=1+(A1+A2Tpr+A3Tpr3+A4Tpr4+A5Tpr5)ρr+(A6+A7Tpr+A8Tpr2)ρr2−A9(A7Tpr+A8Tpr2)ρr5+A10(1+A11ρr2)ρr2Tpr3 e−A11ρr2Z = 1 + \left(A_1 + \frac{A_2}{T_{pr}} + \frac{A_3}{T_{pr}^3} + \frac{A_4}{T_{pr}^4} + \frac{A_5}{T_{pr}^5}\right)\rho_r + \left(A_6 + \frac{A_7}{T_{pr}} + \frac{A_8}{T_{pr}^2}\right)\rho_r^2 - A_9\left(\frac{A_7}{T_{pr}} + \frac{A_8}{T_{pr}^2}\right)\rho_r^5 + A_{10}\left(1 + A_{11}\rho_r^2\right)\frac{\rho_r^2}{T_{pr}^3}\,\e^{-A_{11}\rho_r^2}

безразмерная

Справедливо, если: область применения: 1,0<Tpr≤3,01{,}0 < T_{pr} \le 3{,}0 и 0,2≤ppr<300{,}2 \le p_{pr} < 30; при TprT_{pr}, близких к 1, и ppr>1p_{pr} > 1 точность заметно хуже; аппроксимирует ту же обобщённую диаграмму, поэтому наследует её ограничения: для кислых газов нужны исправленные псевдокритические параметры.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Псевдокритические параметры газоконденсатной смеси по относительной плотности (аппроксимация Стэндинга)
Tpc=187+330 γg−71,5 γg2,ppc=706−51,7 γg−11,1 γg2T_{pc} = 187 + 330\,\gamma_g - 71{,}5\,\gamma_g^2,\qquad p_{pc} = 706 - 51{,}7\,\gamma_g - 11{,}1\,\gamma_g^2

промысловые: °R и psia (для К делят на 1,8, для МПа умножают на 0,006895)

Справедливо, если: смесь в пласте однофазна (давление выше давления начала конденсации); неуглеводородных компонентов немного; для богатых смесей точнее расчёт по составу с псевдокомпонентами C7+ или по уравнению состояния.

Идеальный и реальный газ: коэффициент сверхсжимаемости →
Объёмный коэффициент газа
Bg=VплVст=pстp⋅Z TTстB_g = \frac{V_{\text{пл}}}{V_{\text{ст}}} = \frac{p_{\text{ст}}}{p}\cdot\frac{Z\,T}{T_{\text{ст}}}

абсолютные давления и температуры в согласованных единицах

Справедливо, если: газ однофазен в пласте и остаётся газом до стандартных условий; для жирного газа и газоконденсата часть газа на поверхности превращается в жидкость, и пересчёт ведут по составу (Типы пластовых флюидов); Zст=1Z_{\text{ст}} = 1: у природного газа при стандартных условиях ZZ отличается от единицы на доли процента.

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Плотность газа в пласте
ρg=ρg,стBg,ρg,ст=1,204 γg\rho_g = \frac{\rho_{g,\text{ст}}}{B_g},\qquad \rho_{g,\text{ст}} = 1{,}204\,\gamma_g

кг/м³; BgB_g — для тех же стандартных условий, что и ρg,ст\rho_{g,\text{ст}}

Справедливо, если: газ однофазен и на поверхности, и в пласте (вся его масса остаётся газом).

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Изотермическая сжимаемость газа
cg=−1V(∂V∂p)T=1p−1Z(∂Z∂p)Tc_g = -\frac{1}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial p}\right)_T = \frac{1}{p} - \frac{1}{Z}\left(\frac{\partial Z}{\partial p}\right)_T

любые согласованные: МПа и МПа⁻¹ или psi и psi⁻¹

Справедливо, если: температура постоянна — пласт считают изотермическим; газ однофазен; вторая форма получается подстановкой V=ZnRT/pV = ZnRT/p (вывод — в дополнительном разделе).

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Псевдоприведённая сжимаемость газа
cpr=cg ppc=1ppr−1Z(∂Z∂ppr)Tprc_{pr} = c_g\,p_{pc} = \frac{1}{p_{pr}} - \frac{1}{Z}\left(\frac{\partial Z}{\partial p_{pr}}\right)_{T_{pr}}

безразмерная

Справедливо, если: наклон берут по той же обобщённой диаграмме (или её аппроксимации), по которой находят ZZ.

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Вязкость природного газа (корреляция Ли — Гонсалеса — Икина)
μg=10−4 K exp⁡(Xρg Y),K=(9,4+0,02 M) T1,5209+19 M+T,X=3,5+986T+0,01 M,Y=2,4−0,2 X\begin{gathered}\mu_g = 10^{-4}\,K\,\exp\left(X\rho_g^{\,Y}\right),\qquad K = \frac{(9{,}4 + 0{,}02\,M)\,T^{1{,}5}}{209 + 19\,M + T},\\ X = 3{,}5 + \frac{986}{T} + 0{,}01\,M,\qquad Y = 2{,}4 - 0{,}2\,X\end{gathered}

эмпирическая: TT — °R, ρg\rho_g — г/см³, μg\mu_g — мПа·с

Справедливо, если: построена по измерениям на природных газах при температурах примерно от 40 до 170 °C и давлениях до 55 МПа; погрешность — несколько процентов; для кислых газов, газов с большим содержанием азота и для газоконденсатов точность ниже; плотность газа считают с ZZ, найденным с поправкой на кислые компоненты.

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Псевдодавление реального газа
m(p)=2∫p0pp′μg(p′) Z(p′)  dp′m(p) = 2\int_{p_0}^{p}\frac{p'}{\mu_g(p')\,Z(p')}\,\dd p'

согласованные; в промысловых единицах — psi²/сП

Справедливо, если: пласт изотермический; газ однофазен.

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Вязкость газовой смеси при низком давлении
μсм=∑iμi yiMi∑iyiMi\mu_{\text{см}} = \frac{\sum_i \mu_i\,y_i\sqrt{M_i}}{\sum_i y_i\sqrt{M_i}}

вязкости в одних и тех же единицах

Справедливо, если: давление низкое (порядка атмосферного), газ близок к идеальному; для пластовых давлений результат умножают на отношение μ/μ1\mu/\mu_1 по графику или пересчитывают по плотности.

Объёмный коэффициент, сжимаемость и вязкость газа →
Уравнение Ван-дер-Ваальса
p=RTVm−b−aVm2p = \frac{RT}{V_m - b} - \frac{a}{V_m^2}

метрические: МПа, К, м³/кмоль (любая согласованная система)

Справедливо, если: aa и bb постоянны для вещества и не зависят от температуры — главное упрощение уравнения; давление и температура абсолютные; при a=b=0a = b = 0 получается уравнение идеального газа pVm=RTpV_m = RT.

Кубические уравнения состояния →
Параметры уравнения Ван-дер-Ваальса по критическим константам
a=2764 R2Tc2pc,b=18 RTcpc,Zc=pcVcRTc=38a = \frac{27}{64}\,\frac{R^2T_c^2}{p_c},\qquad b = \frac{1}{8}\,\frac{RT_c}{p_c},\qquad Z_c = \frac{p_cV_c}{RT_c} = \frac{3}{8}

любые согласованные; с R=0,008314R = 0{,}008314 МПа·м³/(кмоль·К) aa получается в МПа·м⁶/кмоль², bb — в м³/кмоль

Справедливо, если: в критической точке изотерма имеет горизонтальный перегиб: ∂p/∂Vm=∂2p/∂Vm2=0\partial p/\partial V_m = \partial^2 p/\partial V_m^2 = 0 при T=TcT = T_c; параметры подобраны так, чтобы уравнение точно проходило через критические температуру и давление; критический объём при этом получается таким, какой даёт уравнение.

Кубические уравнения состояния →
Общая форма двухпараметрических кубических уравнений
p=RTVm−b−ac α(T)(Vm+δ1b)(Vm+δ2b),ac=ΩaR2Tc2pc,b=ΩbRTcpcp = \frac{RT}{V_m - b} - \frac{a_c\,\alpha(T)}{(V_m + \delta_1 b)(V_m + \delta_2 b)},\qquad a_c = \Omega_a\frac{R^2T_c^2}{p_c},\quad b = \Omega_b\frac{RT_c}{p_c}

любая согласованная система; Ωa\Omega_a, Ωb\Omega_b, δ1\delta_1, δ2\delta_2 безразмерны

Справедливо, если: вещество описано тремя константами: TcT_c, pcp_c и (для SRK и PR) ацентрическим фактором ω\omega; уравнение точно проходит через критические температуру и давление каждого вещества, но не через его критический объём; bb от температуры не зависит: вся зависимость от температуры — в α(T)\alpha(T).

Кубические уравнения состояния →
Уравнение Пенга — Робинсона
p=RTVm−b−ac α(T)Vm2+2bVm−b2,ac=0,45724 R2Tc2pc,b=0,07780 RTcpcp = \frac{RT}{V_m - b} - \frac{a_c\,\alpha(T)}{V_m^2 + 2bV_m - b^2},\qquad a_c = 0{,}45724\,\frac{R^2T_c^2}{p_c},\quad b = 0{,}07780\,\frac{RT_c}{p_c}

метрические: МПа, К, м³/кмоль (постоянные 0,45724 и 0,07780 безразмерны и годятся для любой системы)

Справедливо, если: знаменатель Vm2+2bVm−b2=(Vm+2,414 b)(Vm−0,414 b)V_m^2 + 2bV_m - b^2 = (V_m + 2{,}414\,b)(V_m - 0{,}414\,b), то есть δ1=1+2\delta_1 = 1 + \sqrt2 и δ2=1−2\delta_2 = 1 - \sqrt2; для смеси aa и bb берут по правилам смешения (раздел о смесях).

Кубические уравнения состояния →
Температурная функция притяжения уравнений SRK и PR
α(T)=[1+m(1−T/Tc)]2\alpha(T) = \left[1 + m\left(1 - \sqrt{T/T_c}\right)\right]^2

безразмерная; температуры абсолютные

Справедливо, если: зависимость m(ω)m(\omega) подобрана по давлениям насыщенных паров углеводородов, поэтому своя у каждого уравнения; для тяжёлых веществ с ω>0,49\omega > 0{,}49 к уравнению PR применяют уточнённую зависимость (дополнительный раздел).

Кубические уравнения состояния →
Ацентрический фактор
ω=−lg⁡pspc∣T=0,7 Tc−1\omega = -\lg\left.\frac{p_s}{p_c}\right|_{T = 0{,}7\,T_c} - 1

безразмерный; давления абсолютные, в одних единицах

Справедливо, если: определён по кривой давления насыщенных паров жидкости; у углекислого газа температура 0,7 Tc0{,}7\,T_c ниже тройной точки, и кривую продолжают за неё; для фракций C7+ и псевдокомпонентов ω\omega оценивают по корреляциям.

Кубические уравнения состояния →
Уравнение Пенга — Робинсона относительно коэффициента сверхсжимаемости
Z3−(1−B) Z2+(A−3B2−2B) Z−(AB−B2−B3)=0Z^3 - (1 - B)\,Z^2 + (A - 3B^2 - 2B)\,Z - (AB - B^2 - B^3) = 0

безразмерная форма; pp и TT абсолютные

Справедливо, если: AA и BB вычислены при тех же абсолютных давлении и температуре, для которых ищут ZZ; для смеси aa и bb рассчитывают по составу той фазы, свойства которой ищут.

Кубические уравнения состояния →
Правила смешения Ван-дер-Ваальса
a=∑i∑jxixj (1−kij)aiaj,b=∑ixibia = \sum_i\sum_j x_ix_j\,(1 - k_{ij})\sqrt{a_ia_j},\qquad b = \sum_i x_ib_i

как у параметров компонентов

Справедливо, если: смесь рассматривают как одно «среднее» вещество (правила смешения Ван-дер-Ваальса); kijk_{ij} не зависят от давления, а в простейшем варианте и от температуры; состав подставляют для той фазы, свойства которой считают: у газа и жидкости одной смеси aa и bb разные.

Кубические уравнения состояния →
Фугитивность и условие равновесия фаз
fi=φi xi p,fi L=fi V  для каждого компонентаf_i = \varphi_i\,x_i\,p,\qquad f_i^{\,L} = f_i^{\,V}\ \ \text{для каждого компонента}

давление в любых единицах; φi\varphi_i безразмерен

Справедливо, если: фазы находятся при одинаковых давлении и температуре; равенство фугитивностей каждого компонента во всех фазах — условие равновесия, равносильное равенству химических потенциалов; для идеального газа φi=1\varphi_i = 1, и фугитивность равна парциальному давлению yipy_ip.

Кубические уравнения состояния →
Коэффициент фугитивности компонента смеси по уравнению Пенга — Робинсона
ln⁡φi=bib(Z−1)−ln⁡(Z−B)−A22 B(2∑jxjaija−bib)ln⁡Z+(1+2)BZ+(1−2)B\ln\varphi_i = \frac{b_i}{b}(Z - 1) - \ln(Z - B) - \frac{A}{2\sqrt2\,B}\left(\frac{2\sum_j x_ja_{ij}}{a} - \frac{b_i}{b}\right)\ln\frac{Z + (1 + \sqrt2)B}{Z + (1 - \sqrt2)B}

безразмерная; логарифмы натуральные

Справедливо, если: правила смешения Ван-дер-Ваальса с коэффициентами kijk_{ij}; ZZ, AA и BB рассчитаны для состава и корня именно этой фазы.

Кубические уравнения состояния →
Сдвиг объёма (поправка Пенелу)
Vm=VmEOS−c,c=∑ixiciV_m = V_m^{\text{EOS}} - c,\qquad c = \sum_i x_ic_i

м³/кмоль

Справедливо, если: cic_i не зависят от давления, в простейшем варианте — и от температуры; cic_i подбирают по измеренной плотности жидкости (компонента, дегазированной или пластовой нефти) или оценивают по корреляциям; при c>0c > 0 объём уменьшается, а плотность растёт.

Кубические уравнения состояния →
Приведённое кубическое уравнение
t3+P t+Q=0,P=c1−c223,Q=2c2327−c2c13+c0t^3 + P\,t + Q = 0,\qquad P = c_1 - \frac{c_2^2}{3},\quad Q = \frac{2c_2^3}{27} - \frac{c_2c_1}{3} + c_0

безразмерная

Справедливо, если: коэффициенты действительные; число действительных корней определяет знак D=Q2/4+P3/27D = Q^2/4 + P^3/27.

Кубические уравнения состояния →
Коэффициент фугитивности по уравнению состояния
ln⁡φi=∫V∞[1RT(∂p∂ni)T,V,nj≠i−1V] dV−ln⁡Z\ln\varphi_i = \int_V^{\infty}\left[\frac{1}{RT}\left(\frac{\partial p}{\partial n_i}\right)_{T,V,n_{j\ne i}} - \frac{1}{V}\right]\dd V - \ln Z

безразмерная; RR, TT, VV, pp — в согласованных единицах

Справедливо, если: интегрирование при постоянных температуре и количествах остальных компонентов; на бесконечном объёме фаза — идеальный газ.

Кубические уравнения состояния →
Уточнённая зависимость m(ω) уравнения Пенга — Робинсона для тяжёлых компонентов
m=0,379642+1,48503 ω−0,164423 ω2+0,016666 ω3m = 0{,}379642 + 1{,}48503\,\omega - 0{,}164423\,\omega^2 + 0{,}016666\,\omega^3

безразмерная

Справедливо, если: предложена авторами уравнения в 1978 году для веществ с ω>0,49\omega > 0{,}49; при меньших ω\omega используют формулу 1976 года.

Кубические уравнения состояния →

Обозначения

СимволЗначение и где встречается
(∂Z/∂p)T\left(\partial Z/\partial p\right)_T
aa
AA
A1…A11A_1 \ldots A_{11}
aca_c
ac, ba_c,\ b
ai, bia_i,\ b_i
aija_{ij}
a, ba,\ b
a, b, A, Ba,\ b,\ A,\ B
bb
BB
BgB_g
bib_i
cc
c2, c1, c0c_2,\ c_1,\ c_0
cgc_g
cic_i
cprc_{pr}
fif_i
kijk_{ij}
L, VL,\ V
lg⁡\lg
mm
MM
m(p)m(p)
nn
nin_i
pp
p0p_0
pст, Tстp_{\text{ст}},\ T_{\text{ст}}
ppcp_{pc}
ppc, pprp_{pc},\ p_{pr}
psp_s
p, Tp,\ T
P, QP,\ Q
p, V, n, R, Tp,\ V,\ n,\ R,\ T
p, T, Vm, Rp,\ T,\ V_m,\ R
p, T, Vm, R, bp,\ T,\ V_m,\ R,\ b
p(T,V,n1,n2,…)p(T, V, n_1, n_2, \ldots)
  • уравнение состояния, записанное для nn киломолей смеси: в нём стоят n2a=∑i∑jninjaijn^2a = \sum_i\sum_j n_in_ja_{ij} и nb=∑inibinb = \sum_i n_ib_i, МПаКубические уравнения состояния
RR
tt
TT
Tc, pcT_c,\ p_c
Tc,i, pc,iT_{c,i},\ p_{c,i}
TpcT_{pc}
Tpc, ppcT_{pc},\ p_{pc}
Tpr, pprT_{pr},\ p_{pr}
Tr, prT_r,\ p_r
T, pT,\ p
Tpc′, ppc′T'_{pc},\ p'_{pc}
T/TcT/T_c
VV
VидV_{\text{ид}}
VреалV_{\text{реал}}
VcV_c
VmV_m
VmEOSV_m^{\text{EOS}}
xix_i
yiy_i
yi, Miy_i,\ M_i
ZZ
ZcZ_c
α(T)\alpha(T)
γg\gamma_g
δ1, δ2\delta_1,\ \delta_2
ε\varepsilon
μg\mu_g
μg, Z\mu_g,\ Z
μi\mu_i
ρg\rho_g
ρg,ст\rho_{g,\text{ст}}
ρr\rho_r
φi\varphi_i
ω\omega
Ωa, Ωb\Omega_a,\ \Omega_b