天然气工程课件

课程名称：天然气工程课程名称：天然气工程概述天然气工业发展现状课程的目的和基本要求本课程所讲授的内容主要参考书要求自学的内容一天然气工业发展现状世界探明剩余可采储量1390000亿m3以目前开采速度，寿命66年全世界能源消耗，天然气占23%左右我国96年天然气产量196.74亿m3，较95年增长6.1%，占世界排名21我国天然气生产不能满足经济增长要求准备从俄罗斯进口天然气，已进行论证二课程的目的和基本要求在学习气田开采理论和方法的基础上，结合现场实际，讲述现场实用的天然气开采计算分析方法和一些观察技巧，使同学们熟练掌握有关天然气开发和开采的知识和技能，学会应用它们解决实际生产问题三本课程所讲授的内容烃类流体相态特性气井流入动态气井井筒流动集输气管流生产系统分析井场工艺天然气净化气井防腐和防垢四主要参考书杨继盛编《采气工程基础》杨继盛、刘建仪编《采气实用计算》杨宝善编著《凝析气藏开发工程》[美]C.U.依克库《天然气藏工程》[美]C.U.依克库《天然开采工程》郭天民等《多元气-液平衡及精馏》李士伦等《气田及凝析气田开发》五要求自学内容以下概念及常用计算方法：天然气视分子量相对密度压缩因子等温压缩系数体积系数天然气粘度第一章烃类流体相态特性一、烃类流体相态特性二、实际气体状态方程和热力学性质三、气液平衡及相图计算回顾第一节一、烃类流体相态特性（一）基本概念（二）单组分和两组分烃类体系（一）基本概念体系、相、组分、自由度相平衡、化学位、逸度（二）单组分和两组分烃类体系单一烃类组分相态特征多组分混合物相态特征多组分体系的反转凝析现象常见的几种天然气体系P-T相图二、实际气体状态方程和热力学性质1873年，VanderWaals从分子热力学理论研究着手，考虑分子有实际体积、分子间有斥力和引力作用，提出了基于硬球分子模型的VanderWaals状态方程：PRTvbav()2右边第一项:分子体积和斥力对压力的作用第二项:分子间引力对压力的影响其最大的成功之处在于:(1)第一次导出了满足临界点条件，且对V是简单的三次方型状态方程状态方程有明确的物理意义(2)通过与（Andrews）实测CO2体系临界等温线对比，首次用状态方程阐明气液两相相态转变的连续性(3)提出了两参数对比态原理(4)建立和发展能同时精确描述平衡气液两相相态行为的状态方程是可能的存在的问题：(1)它仅对理想气体做了简单的修正，引入a和b时忽略了实际分子几何形态和分子不对称性及温度对贩肿蛹淞Φ挠跋(2)其理论临界压缩因子为0.375，远大于实测值0.292至0.264，仅适用于简单的球形对称的非吸性分子体系目前在状态方程改进，主要发展方向：(1)基于统计热力学正则分配函数理论发(2)由统计热力学刚球扰动理论发展(3)按摩尔密度展开级数并结合统计热力学发展(4)基于溶液活度理论发展(5)根据分子热力学建立偏心硬球模型对VanderWaals方程做半经验半理论改进应用情况：●前三类有较严密的理论基础，但由于结构复Тτ檬艿较拗●活度理论在描述气液平衡方面不能令人满意●第五类方程目前用得最为广泛主要介绍PR-EOS1976年Peng和Robinson等人对VDW、RK、SRK进行辛松钊氲难芯慷猿饬ο?(1)VDW方程的斥力项，从简单性和实用性来讲(2)对引力项和分子密度作出了深入的分析，给出了引力项更好的结构PaTgvbattract()(,)并指出适当地选择gvb(,)的函数形式，可以更好地反映包括偏心硬球分子体系在内的分子密度对引力项的影响，并使之更适用于临界区的计算。PR-EOS给出的gvb(,)的具体结构为：gvbvvbbvb(,)()()本节重点和难点内容(1)PR-EOS的压力形式：(2)PR-EOS的Z因子形式(3)用状态方程进行逸度计算(4)混合流体的焓的计算(5)混合流体的熵的计算(6)热容的计算(1)PR-EOS的压力形式：PRTvbaTvvbbvb()()()天然气工程的实际应用中，用到的是混合体系，故在下面给出的是PR—EOS用于混合体舷档慕峁梗ǘPRTvbaTvvbbvbmmmm()()()aRTPicici0457240987104222.(.)bRTPicici0077800987104.(.)iirimT[()].11052miii03746415422026992...混合规则：aTxxaakmijijijijjnin()()()111bxbmiiin1(2)PR-EOS的Z因子形式ZBZABBZABBBmmmmmmmmmmm322231230()()()AaTPRTmm()()2BbPRTmm（3）用状态方程进行逸度计逸度的计算可由下式推导：RTnfyPvRTPdPiiiP()0其中：vVniiTPnj(),,为i组分的偏摩尔体积PR-EOS的逸度方程为：nfyPbbZnZBABabbnZBZBiiimmmmmmimimmmmm()()()()(..)122224140414其中：（注意在平衡计算时yi分别表示气液相的组成）iiijijijjnyaak()().0511(4)混合流体的焓的计算焓方程的计算可由下式推导：HHVTVTdPopnPT[()],0PR-EOS的焓方程为：HHRTZaTTBnZBZBommmmmmm()()..12224140414a(T)Tm式中理想焓的计算可参照《气田及凝析气田开发》或《多元气-液平衡及精馏》等书(5)混合流体的熵的计算熵方程的计算可由下式推导：SSRPVTdPopnPT[()],0PR-EOS的熵方程为：SSRnZRbnZBZBommmmmm()..12224140414a(T)Tm对于理想熵的计算可参照《化工手册》(6)热容的计算：对于定压热容的计算，可以通过其定义来求得。由《物理化学》我们可以知道，定压热容是温度的偏导数，即：CHTPP()由它我们可以对PR-EOS的焓方程在恒定压力的情况下对T求偏导，得到其定压热容的方程。然后，由定压热容和定容热容的关系：CCRpv求得定容热容的值。第一章烃类流体相态特性一、烃类流体相态特性二、实际气体状态方程和热力学性质三、气液平衡及相图计算二、实际气体状态方程和热力学性质计算(一)VDW,成功之处、问题、改进、应用(二)PR-EOS方程及流体热力学性质计算(1)PR-EOS的压力形式：(2)PR-EOS的Z因子形式(3)用状态方程进行逸度计算(4)混合流体的焓的计算(5)混合流体的熵的计算(6)热容的计算三、气液平衡及相图计算(一)油气体系气液平衡计算物料平衡方程(二)油气体系气液平衡时热力学平衡方程(三)相平衡计算的常用数学模型(四)相图计算(一)油气体系气液平衡计算物料平衡方程（1）假设条件（2）数学模型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/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利用物料平衡方程求解相平衡问题目标：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）。在物料平衡方程中，我们可以看出：要求得平衡气液相的摩尔分量和组成，一个很关键的参数是气液两相的平衡常数，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？(二)油气体系气液平衡时热力学平衡方程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(,,,)(,,,)(,,,)油气体系相平衡的统一数学模型为：物料平衡方程组热力学平衡条件方程组(三)相平衡计算常用模型泡点计算露点计算气液平衡计算（三）相平衡计算的常用数学模型建立适合于油气体系露点、泡点和等温闪蒸计算的相平衡条件方程组构成第一类型的相平衡计算数学模型掌握相平衡计算方法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：yzkkVzxzkVzkiiiiiiiiii1111()()而露点状态液相的组成归一化条件为：xzkiii1结合气液平衡热力学条件，露点计算数学方程：FPTxyffFPTxyffFPTxyffFPTxyzklglgnnnnlngniiii111112222210001(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)[给定T（或P）→求P（或T）、液相组成]2、泡点计算L→1，V→0：yzkkVzkxzkVziiiiiiiiii1111()()而泡点状态气相的组成归一化条件为：yzkiii1结合气液平衡的热力学条件，得到泡点计算数学方程：FPTxyffFPTxyffFPTxyffFPTxyzklglgnnnnlngniiii111112222210001(,,,)(,,,)(,,,)(,,,){给定T（或P）→求P（或T）、气相组成}3、气液平衡计算气液平衡计算方程组建立气液平衡计算满足的条件气液平衡计算方法kTiiriiexp[.()(/)]Pr537111kyxiiiiligyzkkViiii11()xzkViii11()yVxLziii()()()yxzkkViiiii1110FPTxyffFPTxyffFPTxyfflglgnnnnlng1111122222000(,,,)(,,,)(,,,)4、相图计算由：◆露点→露点线◆泡点→泡点线◆给定液量→计算等液量线（1）L、P→T和平衡气液组成（2）L、T→P和平衡气液组成以上的计算就构成了P-T相图计算的基本内容。第二章气井流入动态产能试井完井方式对气井流入动态的影响气井流入