含CO2天然气黏度计算模型及影响因素研究

邵阳 闫铁 候兆凯

摘      要： CO2相变会导致天然气黏度变化异常复杂，应用实验手段测量含CO2天然气黏度数据具有一定困难，因此需要在已有黏度实验数据的基础上建立相关计算模型进行预测。根据含CO2天然气黏度的预测方法，对比计算气体黏度的LBC、DS、LGE、Lucas等4种模型在预测CO2气体黏度时的准确性。通过计算比较发现，LGE黏度计算模型误差较大，而DS方法能较准确地确定含CO2天然气的黏度。应用DS模型对含CO2天然气黏度进行计算，计算结果表明：压力升高时，气体黏度就会增大;相同温度、压力条件下CO2含量越高，黏度越小。以上结论对研究超临界CO2热物理性质、揭示井筒流动规律、油气相变预测具有重要意义。

关  键  词：黏度模型;CO2气体黏度;预测方法;影响因素

中图分类号：TE21       文献标识码： A       文章编号： 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

目前我国已发现的天然气田中酸性气田占比颇多，高含硫和CO2气藏陆续被发现和开发[1-2]，研究酸性气体的物理性质将成为石油钻探的热门问题。

在酸性气藏流体和超临界CO2热物理性质中黏度均是流体的重要物理性质 [3]，其参数计算的准确性为酸性气田开发过程中的钻井安全提供重要的理论基础。目前含硫天然气的黏度计算受到人们普遍重视[4]，而对含CO2气体的黏度计算和预测研究相对不足。应用实验手段测量CO2气体黏度是最直接、可靠的方法[5]，由于在实际工程中，CO2气体黏度随温度和压力值变化范围较大，难以满足工程计算的需要，因此探寻快速、简便、准确的CO2气体黏度计算模型十分必要。

酸性气体中由于H2S和CO2 等非烃气体组分的影响，气体黏度通常较高[3，6-7]。在计算气体黏度的主要预测方法中，经验公式法一般有4种模型，即LBC模型、DS模型、LGE模型和Lucas模型[8-9]。這种方法是基于常规气体黏度的经验预测方法之上，通过拟合实验图版，最后校正常规气体黏度得到的 [3，6-7，10]，但此方法未计算实验值与实测值之间的误差。因此，比较4种计算气体黏度的预测模型，缩小计算气体偏差因子与实验值之间的误差，对有效指导井筒流动规律、油气相变预测具有重要意义[11-13]。

1  黏度计算及其校正模型

1.1  经验公式

目前，确定酸性天然气黏度的方法主要是经验公式法，即对已有的黏度的经验公式进行必要的校正，得到适用于含CO2或H2S组分的酸性天然气黏度计算方法。

1.1.1  LBC模型

2  计算结果对比分析

利用实验手段测量CO2气体黏度数据有一定困难，笔者在已有实验数据基础上构建模型来关联和预测这些物性数据。本文数据来自文献[21]提供的气体组成及实验值，测试温度80 ℃，压力范围5～44 MPa，文献中流体组成与特征参数如表1所示。为了优选出能够适用于含CO2天然气的黏度计算方法，分别采用以上经验公式对上述样品进行计算，并以模型平均相对误差为判断标准对压缩因子计算方法进行优选。

从图1中可以看出，DS方法计算的平均相对误差最小。因此，笔者在计算天然气黏度时采用的是DS方法，并使用杨继盛方法进行校正。

图2和图3所示为含不同比例二氧化碳混合气体的黏度随温度、压力的变化曲线。随压力增加，混合气体黏度逐渐增大。相同压力、温度条件下，CO2含量越高，黏度增大。

3  超临界CO2气体黏度性质

在CO2气体黏度的研究基础上，讨论超临界CO2气体黏度的物理性质。CO2的温度和压力大于临界点温度和压力时达到超临界状态，此时的CO2就是超临界CO2。超临界CO2的扩散性和动力黏度均符合理想要求，是非常安全且洁净的理想介质[22-23]。

这里分析不同压力条件下CO2黏度随温度的变化情况。由图4可以看出，随着温度的增加，CO2黏度逐渐减小;在相同温度条件下，压力越大，气体黏度也越大。从图4中也可以看到，在临界点附近，变化最为剧烈，也就是说在临界点附近，CO2气体黏度受温度和压力的影响最大。

通过对CO2黏度性质的总结分析，处于超临界区域内的CO2的物理性质受温度和压力的影响非常大。因此，这类气体进入井筒后不能按照一般流体进行分析，避免造成井涌、井喷事故的发生，以免钻井设备损坏、人员伤亡和环境污染。

4  结 论

1）基于经验法的LGE模型和LUCAS模型虽然可以应用在CO2气体黏度的预测中，但误差较大。

2） DS经验公式法预测CO2气体黏度的准确性要高于其他的预测模型，若不满足DS模型的计算条件，也可适当考虑LBC计算模型。

3） 温度对气体压缩系数影响不大，可以忽略。

4）利用DS模型对含CO2天然气各种物性参数的影响因素进行了分析，结果表明：CO2含量和温度越高，偏差系数就越小;相同含量条件下，温度越高，黏度越小;相同温度、压力条件下，CO2含量越高，黏度越小。

5）CO2黏度随温度增加而逐渐减小，相同温度条件下，压力越大，黏度也越大。处于超临界区域内的CO2物理性质受温度和压力的影响非常大。此类气体进入井筒后不能按照一般流体进行分析，避免安全事故的发生。

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