含CO2天然氣黏度計算模型及影響因素研究

邵陽 閆鐵 候兆凱

摘 ? ? ?要： CO2相變會導致天然氣黏度變化異常復雜，應用實驗手段測量含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驗數(shù)據(jù)的基礎上建立相關計算模型進行預測。根據(jù)含CO2天然氣黏度的預測方法，對比計算氣體黏度的LBC、DS、LGE、Lucas等4種模型在預測CO2氣體黏度時的準確性。通過計算比較發(fā)現(xiàn)，LGE黏度計算模型誤差較大，而DS方法能較準確地確定含CO2天然氣的黏度。應用DS模型對含CO2天然氣黏度進行計算，計算結果表明：壓力升高時，氣體黏度就會增大;相同溫度、壓力條件下CO2含量越高，黏度越小。以上結論對研究超臨界CO2熱物理性質(zhì)、揭示井筒流動規(guī)律、油氣相變預測具有重要意義。

關 ?鍵 ?詞：黏度模型;CO2氣體黏度;預測方法;影響因素

中圖分類號：TE21 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 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)計算的準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。目前含硫天然氣的黏度計算受到人們普遍重視[4]，而對含CO2氣體的黏度計算和預測研究相對不足。應用實驗手段測量CO2氣體黏度是最直接、可靠的方法[5]，由于在實際工程中，CO2氣體黏度隨溫度和壓力值變化范圍較大，難以滿足工程計算的需要，因此探尋快速、簡便、準確的CO2氣體黏度計算模型十分必要。

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]。在計算氣體黏度的主要預測方法中，經(jīng)驗公式法一般有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)驗預測方法之上，通過擬合實驗圖版，最后校正常規(guī)氣體黏度得到的 [3，6-7，10]，但此方法未計算實驗值與實測值之間的誤差。因此，比較4種計算氣體黏度的預測模型，縮小計算氣體偏差因子與實驗值之間的誤差，對有效指導井筒流動規(guī)律、油氣相變預測具有重要意義[11-13]。

1 ?黏度計算及其校正模型

1.1 ?經(jīng)驗公式

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

1.1.1 ?LBC模型

2 ?計算結果對比分析

利用實驗手段測量CO2氣體黏度數(shù)據(jù)有一定困難，筆者在已有實驗數(shù)據(jù)基礎上構建模型來關聯(lián)和預測這些物性數(shù)據(jù)。本文數(shù)據(jù)來自文獻[21]提供的氣體組成及實驗值，測試溫度80 ℃，壓力范圍5～44 MPa，文獻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天然氣的黏度計算方法，分別采用以上經(jīng)驗公式對上述樣品進行計算，并以模型平均相對誤差為判斷標準對壓縮因子計算方法進行優(yōu)選。

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

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溫度和壓力時達到超臨界狀態(tài)，此時的CO2就是超臨界CO2。超臨界CO2的擴散性和動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，在臨界點附近，變化最為劇烈，也就是說在臨界點附近，CO2氣體黏度受溫度和壓力的影響最大。

通過對CO2黏度性質(zhì)的總結分析，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，這類氣體進入井筒后不能按照一般流體進行分析，避免造成井涌、井噴事故的發(fā)生，以免鉆井設備損壞、人員傷亡和環(huán)境污染。

4 ?結 論

1）基于經(jīng)驗法的LGE模型和LUCAS模型雖然可以應用在CO2氣體黏度的預測中，但誤差較大。

2） DS經(jīng)驗公式法預測CO2氣體黏度的準確性要高于其他的預測模型，若不滿足DS模型的計算條件，也可適當考慮LBC計算模型。

3） 溫度對氣體壓縮系數(shù)影響不大，可以忽略。

4）利用DS模型對含CO2天然氣各種物性參數(shù)的影響因素進行了分析，結果表明：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。此類氣體進入井筒后不能按照一般流體進行分析，避免安全事故的發(fā)生。

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