含CO2天然氣黏度計(jì)算模型及影響因素研究

邵陽(yáng) 閆鐵 候兆凱

摘 ? ? ?要： CO2相變會(huì)導(dǎo)致天然氣黏度變化異常復(fù)雜，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量含CO2天然氣黏度數(shù)據(jù)具有一定困難，因此需要在已有黏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立相關(guān)計(jì)算模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)含CO2天然氣黏度的預(yù)測(cè)方法，對(duì)比計(jì)算氣體黏度的LBC、DS、LGE、Lucas等4種模型在預(yù)測(cè)CO2氣體黏度時(shí)的準(zhǔn)確性。通過計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，LGE黏度計(jì)算模型誤差較大，而DS方法能較準(zhǔn)確地確定含CO2天然氣的黏度。應(yīng)用DS模型對(duì)含CO2天然氣黏度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：壓力升高時(shí)，氣體黏度就會(huì)增大;相同溫度、壓力條件下CO2含量越高，黏度越小。以上結(jié)論對(duì)研究超臨界CO2熱物理性質(zhì)、揭示井筒流動(dòng)規(guī)律、油氣相變預(yù)測(cè)具有重要意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：黏度模型;CO2氣體黏度;預(yù)測(cè)方法;影響因素

中圖分類號(hào)：TE21 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）08-1741-04

Abstract： CO2 phase change will cause extremely complicated change of natural gas viscosity. It is difficult to apply experimental methods to measure natural gas viscosity data. The accuracy of the existing CO2 natural gas viscosity calculation model is not high. Therefore， it is necessary to establish a relevant calculation model based on the existing experimental data for prediction. According to the prediction method of CO2-containing natural gas viscosity， the accuracies of four models including LBC， DS， LGE and Lucas for calculating the viscosity of gas were compared. Through calculation and comparison， it was found that the error of the LGE viscosity calculation model was large， and the DS method could determine the viscosity of the gas containing CO2 more accurately. Through analyzing the influencing factors， it was found that the gas viscosity increased when the pressure increased; the higher the CO2 content at the same temperature and pressure， the lower the viscosity. The above research is of great significance for revealing the wellbore flow law and the prediction of oil gas phase change.

Key words： Viscosity model; CO2 gas viscosity; Prediction method ; Influence factor

目前我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的天然氣田中酸性氣田占比頗多，高含硫和CO2氣藏陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)[1-2]，研究酸性氣體的物理性質(zhì)將成為石油鉆探的熱門問題。

在酸性氣藏流體和超臨界CO2熱物理性質(zhì)中黏度均是流體的重要物理性質(zhì) [3]，其參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性為酸性氣田開發(fā)過程中的鉆井安全提供重要的理論基礎(chǔ)。目前含硫天然氣的黏度計(jì)算受到人們普遍重視[4]，而對(duì)含CO2氣體的黏度計(jì)算和預(yù)測(cè)研究相對(duì)不足。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量CO2氣體黏度是最直接、可靠的方法[5]，由于在實(shí)際工程中，CO2氣體黏度隨溫度和壓力值變化范圍較大，難以滿足工程計(jì)算的需要，因此探尋快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的CO2氣體黏度計(jì)算模型十分必要。

酸性氣體中由于H2S和CO2 等非烴氣體組分的影響，氣體黏度通常較高[3，6-7]。在計(jì)算氣體黏度的主要預(yù)測(cè)方法中，經(jīng)驗(yàn)公式法一般有4種模型，即LBC模型、DS模型、LGE模型和Lucas模型[8-9]。這種方法是基于常規(guī)氣體黏度的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法之上，通過擬合實(shí)驗(yàn)圖版，最后校正常規(guī)氣體黏度得到的 [3，6-7，10]，但此方法未計(jì)算實(shí)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值之間的誤差。因此，比較4種計(jì)算氣體黏度的預(yù)測(cè)模型，縮小計(jì)算氣體偏差因子與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，對(duì)有效指導(dǎo)井筒流動(dòng)規(guī)律、油氣相變預(yù)測(cè)具有重要意義[11-13]。

1 ?黏度計(jì)算及其校正模型

1.1 ?經(jīng)驗(yàn)公式

目前，確定酸性天然氣黏度的方法主要是經(jīng)驗(yàn)公式法，即對(duì)已有的黏度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行必要的校正，得到適用于含CO2或H2S組分的酸性天然氣黏度計(jì)算方法。

1.1.1 ?LBC模型

2 ?計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

利用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量CO2氣體黏度數(shù)據(jù)有一定困難，筆者在已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上構(gòu)建模型來關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)這些物性數(shù)據(jù)。本文數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[21]提供的氣體組成及實(shí)驗(yàn)值，測(cè)試溫度80 ℃，壓力范圍5～44 MPa，文獻(xiàn)中流體組成與特征參數(shù)如表1所示。為了優(yōu)選出能夠適用于含CO2天然氣的黏度計(jì)算方法，分別采用以上經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)上述樣品進(jìn)行計(jì)算，并以模型平均相對(duì)誤差為判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓縮因子計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)選。

從圖1中可以看出，DS方法計(jì)算的平均相對(duì)誤差最小。因此，筆者在計(jì)算天然氣黏度時(shí)采用的是DS方法，并使用楊繼盛方法進(jìn)行校正。

圖2和圖3所示為含不同比例二氧化碳混合氣體的黏度隨溫度、壓力的變化曲線。隨壓力增加，混合氣體黏度逐漸增大。相同壓力、溫度條件下，CO2含量越高，黏度增大。

3 ?超臨界CO2氣體黏度性質(zhì)

在CO2氣體黏度的研究基礎(chǔ)上，討論超臨界CO2氣體黏度的物理性質(zhì)。CO2的溫度和壓力大于臨界點(diǎn)溫度和壓力時(shí)達(dá)到超臨界狀態(tài)，此時(shí)的CO2就是超臨界CO2。超臨界CO2的擴(kuò)散性和動(dòng)力黏度均符合理想要求，是非常安全且潔凈的理想介質(zhì)[22-23]。

這里分析不同壓力條件下CO2黏度隨溫度的變化情況。由圖4可以看出，隨著溫度的增加，CO2黏度逐漸減小;在相同溫度條件下，壓力越大，氣體黏度也越大。從圖4中也可以看到，在臨界點(diǎn)附近，變化最為劇烈，也就是說在臨界點(diǎn)附近，CO2氣體黏度受溫度和壓力的影響最大。

通過對(duì)CO2黏度性質(zhì)的總結(jié)分析，處于超臨界區(qū)域內(nèi)的CO2的物理性質(zhì)受溫度和壓力的影響非常大。因此，這類氣體進(jìn)入井筒后不能按照一般流體進(jìn)行分析，避免造成井涌、井噴事故的發(fā)生，以免鉆井設(shè)備損壞、人員傷亡和環(huán)境污染。

4 ?結(jié) 論

1）基于經(jīng)驗(yàn)法的LGE模型和LUCAS模型雖然可以應(yīng)用在CO2氣體黏度的預(yù)測(cè)中，但誤差較大。

2） DS經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測(cè)CO2氣體黏度的準(zhǔn)確性要高于其他的預(yù)測(cè)模型，若不滿足DS模型的計(jì)算條件，也可適當(dāng)考慮LBC計(jì)算模型。

3） 溫度對(duì)氣體壓縮系數(shù)影響不大，可以忽略。

4）利用DS模型對(duì)含CO2天然氣各種物性參數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：CO2含量和溫度越高，偏差系數(shù)就越小;相同含量條件下，溫度越高，黏度越小;相同溫度、壓力條件下，CO2含量越高，黏度越小。

5）CO2黏度隨溫度增加而逐漸減小，相同溫度條件下，壓力越大，黏度也越大。處于超臨界區(qū)域內(nèi)的CO2物理性質(zhì)受溫度和壓力的影響非常大。此類氣體進(jìn)入井筒后不能按照一般流體進(jìn)行分析，避免安全事故的發(fā)生。

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