天然气工程-烃类流体相态

1十五863子课题验收汇报气藏类型：干气藏湿气藏凝析气藏重要性：是确定开发方式的基础川西北、川中、新疆、青海、华北、中原、大港等地都存在凝析气田。PHB4P-T图05101520253035100200300400500600T(K)P(MPa)02,0004,0006,0008,00010,00012,00014,000-200-1000100200300400温度(degC)压力(kPa)15%25%30%40%45%55%60%70%75%85%第三章烃类流体相态（概论）2十五863子课题验收汇报主要内容一、烃类流体相态特性二、油气体系气液平衡计算三、实际气体状态方程和热力学性质四、重馏分特征化五、相态法气藏类型判别简介3十五863子课题验收汇报相态的几个基本概念多组分烃类流体相态变化和原理气液平衡的物料和热力学平衡的基本概念气液平衡计算的基本步骤实际气体状态方程的基本结构重馏分特征化基本原理本章掌握重点4十五863子课题验收汇报一、烃类流体相态特性（一）基本概念体系相组分组成自由度相平衡化学位逸度（二）单组分和多组分烃类体系5十五863子课题验收汇报1、体系体系是在一定范围内一种或几种定量的物质体系和环境是相对的范围是研究时划定的环境和体系密切相关研究的范围确定了体系中的物质及物质量，也确定了环境和体系的关系体系分类孤立体系与环境无能量和物质交换封闭体系与环境仅有能量交换、无物质交换敞开体系与环境既有能量交换、又有物质交换井口保护器井口装置阀座锥形阀弹簧孔板压座外壳芯子孔板水气6十五863子课题验收汇报2、相体系内任何均一的部分体系总是由一定数目的相构成相有气、液、固三种，可以不连续存在（如：干冰可由固相直接到气相）相与相之间存在界面任何一相都能与体系的其它均匀部分分开3、组分构成体系的各种纯物质可以是单质也可以是化合物各物质之间无化学反应纯水盐水7十五863子课题验收汇报5、自由度在不改变平衡体系中原有平衡相数的条件下可独立改变的量天然气中一般为压力、温度、组成当某一参数改变引起相数的改变，则该参数不是独立变量盐水体系中构成某种物质（组分）的含量或比例天然气中一般用摩尔百分比表示体系中各组分的组成摩尔百分比的加和等于14、组成8十五863子课题验收汇报6、化学位控制物质传递的强度位能它实际上是体系某种物质的偏摩尔内能（内能确定了分子运动速度）当有多相存在时，它决定了某种组分在一相到另一相的传递强度概念抽象、难于具体化和计算。7、相平衡体系中各组分在相与相之间的迁移传递速度相等时的状态。迁移速度受化学位控制相平衡时，某组分在各相中的化学位相等（相平衡热力学条件）8、逸度●校正了的压力，它是人们在实现由热力学变量（化学位）向物理测量变量转换的一种概念工具。它直接将数学上的抽象量与实际的可以测量的普通强度量相联系起来。等温化学位逸度系数可由状态方程计算（对理想气体混合物其值位1.0）iioRTnfifio()fyPiiii盐水相平衡时，某组分在各相中的逸度相等为相平衡的另一种热力学判定条件。平衡常数KiiLiV盐水9十五863子课题验收汇报(二）单组分和多组分烃类体单一烃类组分相态特征多组分烃类体系相态特征多组分体系的反转凝析现象常见气藏的P-T相图10十五863子课题验收汇报1、单一烃类组分相态特性理论和实验研究同时表明，对于同一纯物质存在以下关系它表明图解上述函数关系需要三维空间。在实际应用中三维空间难于应用实际经常使用的是：压力-温度投影图（简称P—T图）压力-体积投影图（简称P—V图）fPVT(,,)0BCD液气、液两相区气临界点TTcTTcT=TcP单组分体积VBCD液气、液两相区气临界点TTcTTcT=TcP多组分体系体积V11十五863子课题验收汇报1、单一烃类组分相态特性理论和实验研究同时表明，对于同一纯物质存在以下关系它表明图解上述函数关系需要三维空间。在实际应用中三维空间难于应用实际经常使用的是：压力-温度投影图（简称P—T图）压力-体积投影图（简称P—V图）fPVT(,,)0在天然气工业中普遍使用的是P—T图。（单组分P-T相图）（临界点：两相共存的最高温度、压力点）PDC(临界点)固相液相气相H三相点T单组分P-T相图单一组分烃类体系的相态研究已经揭示了相平衡的许多重要特性。无论体系多么复杂，多相共存、蒸气压、临界点、连续单相区等重要概念将会应用到任一体系。临界点：气液相内涵性质相同的点，这时气液两相共存。临界参数：Pc，Tc，ρc，Zc，Vc正常相变：P衡定，T升高，液相全变为气相。T衡定，P下降，液相也会全变为气相。特点：无两相区，是一个急变过程。12十五863子课题验收汇报2、多组分烃类体系相态特征单一组分与多组分体系的基本区别在于：体系中每增加一个组分就要增加一个自由度。我们必须规定附加的变量来确定体系的状态。对于一个含有N个组分的体系，其描述由此可见，多组分体系不可能用三维空间来描述一个完整的体系。fPTVxxxn(,,,,,)12013十五863子课题验收汇报PTTmPmC12345两相共存的最高压力两相共存的最高压力泡点线露点线等液量线气藏类型-相图法：干气藏：TReseroirTm湿气藏：TReservoirTm，但地面分离条件落在两相区凝析气藏：Tc＜TReservoir＜Tm，Tm——临界凝析温度Pm——临界凝析压力3、多组分体系的反转凝析现象在纯组分体系中，当等温压缩或等压降温时，都会导致有液体的凝析产生。在多组分体系中则常常出现和这相反的逆变现象，即在等温降压或等压升温的情况下，反而会引起液体的凝析。天然气体系中凝析气体系特有的现象多组分烃类体系P-T相图及特征14十五863子课题验收汇报4、常见气藏的P-T相图P地层条件分离器T干气气藏P-T相图示意图C湿气藏P-T相图示意图P地层条件分离器TCP地层条件TsepPHB4P-T图05101520253035100200300400500600T(K)P(MPa)典型特点：干气在任何环节不产生液烃湿气在分离器有液烃产生凝析气在地下、井筒和分离器均有液烃产生01020304050600100200300400500温度（k）压力（MPa）等液量线0.01等液量线0.005露点线泡点线临界点等液量线0.00815十五863子课题验收汇报二、气液平衡及相图计算(一)相平衡计算的基本概念及应用(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程(三)油气体系气液平衡时热力学平衡方程(四)相平衡计算的常用数学模型(五)相图计算16十五863子课题验收汇报1、相平衡体系中各组分在相与相之间的迁移传递速度相等时的状态对任一组分，气相分子进入液相的速度和液相分子进入气相的速度相等。特点：P、T一定，平衡时各相组成不变,是一个动态平衡。液/xi汽/yi2、相平衡常数(平衡分配比)定义：平衡时，组分i在气相和液相中的摩尔分数之比。公式：计算方法：收敛压力法状态方程法iiiiz,T,PfxyK3、相平衡计算模型的原理相平衡相平衡时，某组分在各相中的化学位相等组分i的气相逸度应与液相逸度相等fvi=fLo,i=1,2,…n逸度单位：与压力单位相同用途：判断气液两相是否达到平衡的可测工具或称参数。等温化学位逸度系数可由状态方程计算iioRTnfifio()fyPiiiiQuestion：Howtocalculatecompositionofeverycomponentinsystem?（一）气液平衡计算基本概念及应用17十五863子课题验收汇报(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程（1）假设条件体系处于气液相平衡等组成膨胀体系温度保持恒定不考虑油气接触介质的影响液/xi汽/yi（2）数学模型（物料平衡方程）设对于一混合烃类体系，取1mol的物质作为分析单元，那么当其处于任一气液两相平衡状态对应有以下特性（数学描述）：①平衡气液相的摩尔分量V和L分别在0和1之间变化，且满足归一化条件：V+L=1.0②平衡气、液相的组成应分别满足归一化条件：yxii11或表示为：()yxii0③平衡气、液相中的各组分的量之和应分别等于各自总的量的大小：yVxLziii④平衡气、液相中任一组分的分配比例用平衡常数描述：Kyxiii/18十五863子课题验收汇报⑤由以上关系可得气、液相组成计算方程，物料平衡方程气相组成方程：yzkkViiii11()液相组成方程：xzkViii11()气相物料平衡方程：yzkkViiii111()液相物料平衡方程：xzkViii111()气液两相总物料平衡方程：()()()yxzkkViiiii1110(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程19十五863子课题验收汇报目标：求在给定压力和温度条件下得气、液两相的摩尔分量及组成解法：物料平衡方程是高度非线性方程，一般采用迭代法求解（如：牛顿迭代法）。如何利用物料平衡方程求解相平衡问题？VkkzVfiii)1(1)1()(令VkkzdVVdfVfiii)1(1)1()()(2')()('1VfVfVVKK|)(|VfV的初值：进料为液相，可使初值小于0.5；进料为气相，可使初值大于0.5收敛判据：物料平衡方程的牛顿迭代法要求得平衡气液相的摩尔分量和组成，关键的参数是气液两相的平衡常数Ki，只要能准确知道气液平衡状态下各组成的平衡常数，就能进行气液平衡计算。那么气液两相平衡时其热力学条件和平衡常数有什么关系呢？20十五863子课题验收汇报1、气液平衡常数与气液相逸度的关系2、逸度系数与逸度、压力和组成的关系3、气液相平衡热力学方程组我们已经知道气液两相平衡时，热力学条件是各组分在气相和液相中的逸度相等（ffigil）。已知气液相的逸度表达式分别为：fyPfxPigiigiliil从而：kyxiiiilig它表示气液平衡时，各组分在气相和液相中的平衡分配比为其逸度系数之比，这即是热力学平衡理论求解相平衡的出发点。逸度系数与逸度、压力和组成的关系为：lnln()lnln()igigiililifyPfxP只要应用能同时描述气液两相状态方程计算气液相的逸度，就能对相平衡进行精确的描述；相平衡计算的热力学平衡条件方程组为：FPTxyffFPTxyffFPTxyfflglgnnnnlng1111122222000(,,,)(,,,)(,,,)液/xi汽/yiln()lnggjiggViigVTzfpRTRTdVRTZypzV(三）、油气体系气液平衡时热力学平衡方程21十五863子课题验收汇报油气体系相平衡的统一数学模型：物料平衡方程组热力学平衡条件方程组其中的露点、泡点和闪蒸模型均可从该模型导出通过该模型的变化。可计算体系的露点线、泡点线、等液量线kTiiriiexp[.()(/)]Pr537111kyxiiiiligyzkkViiii11()xzkViii11()yVxLziii()()()yxzkkViiiii1110FPTxyffFPTxyffFPTxyfflglgnnnnlng1111122222000(,,,)(,,,)(,,,)液/xi汽/yi解释（四）、相平衡计算的常用数学模型22十五863子课题验收汇报1、露点计算当体系由气相到液相的相态变化时，如果处于露点（有雾状液存在时），其相平衡的物质量的关系表现为平衡气相的摩尔分量V→1；平衡液相摩尔分量L→0，由平衡气液相的物料平衡方程可得：yzkkVzxzkVzkii