采气工程第二章烃类流体相态PPT课件.ppt

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#l相态的几个基本概念 l多组分烃类流体相态变化和原理 l气液平衡的物料和热力学平衡的基本概念 l气液平衡计算的基本步骤 l实际气体状态方程的基本结构 l重馏分特征化基本原理本章掌握重点#一、烃类流体相态特性（一）基本概念 l 体系 l 相 l 组分 l 组成 l 自由度 l 相平衡 l 化学位 l 逸度 #1、体 系l l体系是在一定范围内一种或几种定量的体系是在一定范围内一种或几种定量的物质物质 体系和环境是相对的体系和环境是相对的 范围是研究时划定的范围是研究时划定的 环境和体系密切相关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确定了环境和体系的关系 l l体系分类体系分类 可分为单组分体系和多组分体系可分为单组分体系和多组分体系 孤立体系孤立体系 与环境无能量和物质交换与环境无能量和物质交换 封闭体系封闭体系 与环境仅有能量交换、无物质交换与环境仅有能量交换、无物质交换 敞开体系敞开体系 与环境既有能量交换、又有物质交换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#2、相l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l l构成体系的各种纯物质构成体系的各种纯物质 可以是单质也可以是化合物可以是单质也可以是化合物 各物质之间无化学反应各物质之间无化学反应纯水盐水#5、 自由度l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、浓度、组成等 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l l体系中构成某种物质（组分）的含量或比例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体系中各组分的组成摩尔百分比的加和等于1 14、 组成#6、化学位l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l l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 l l迁移速度受化学位控制迁移速度受化学位控制 l l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）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F等价化学位 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）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盐水#(二）单组分和多组分烃类l单一烃类组分相态特征 l多组分烃类体系相态特征 l多组分体系的反转凝析现象 l常见气藏的P-T相图#1、单一烃类组分相态特性l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PT图） 压力-体积投影图（ 简称PV图）BCD液气、液两相区气临界点TTcT=TcP单组分体积VBCD液气、液两相区气临界点TTcT=TcP多组分体系体积V#1、单一烃类组分相态特性l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PT图） 压力-体积投影图（ 简称PV图）l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 l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，c，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2、多组分烃类体系相态特征u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，其描述方程为： 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： TcTReservoirTm， Tc临界凝析温度 Pc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2、多组分烃类体系P-T相图及特征两相共存的最高温度#3、常见气藏的P-T相图干气气藏P-T相图示意图C湿气藏P-T相图示意图Csep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#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#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。

F等价化学位 逸度系数 可由状态方程计算Question：How to calculate composition of every component in system?（一） 气液平衡计算基本概念及应用#(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 ，孔隙定容体系温度保持恒定 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）： 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=1.0 平衡气、液相的组成应分别满足归一化条件：或表示为：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：平衡气、液相中任一组分的分配比例用平衡常数描述：烃类混合体系中i组分的摩尔组成#(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程#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？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？#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相平衡计算的热力学平衡条件方程组为： 液/xi汽/yi（三）油气体系气液平衡时热力学平衡方程#l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、等液量线液/xi汽/yi解释（四）、相平衡计算的常用数学模型#对Pd赋初值 对Ki赋初值 计算组成xi 计算逸度fLi，fVi 计算平衡常数Ki 平衡条件检查，即：|fLi- fVi| 检查露点是否收敛汽/yi解释露点计算步骤：#2、泡点计算于是泡点状态气相的组成归一化条件为：泡点定义：第一个气泡刚好析出时的状态计算泡点就是计算泡点压力或泡点温度液/xi汽/yi计算步骤和露点计算相似#3、气液平衡计算（天然气地面工程中又称平衡冷凝）u气液平衡计算方程组建立 u气液平衡计算满足的条件 u气液平衡计算方法#对每个Ki赋初值如用Willson公式赋初值 用牛顿迭代法求解平衡冷凝方程，确定V 计算组成xi，yi 用状态方程计算逸度fLi，fVi 计算平衡常数Ki 对每个组分检查平衡条件是否收敛，条件：| fLi- fVi |输入P、T、zi 初值Ki物质平衡计算V L、V、xi、yi计算Ki计算ZL、ZV计算fLi、fVi | fLi- fVi |?NY气液平衡计算步骤：#定义：平衡冷凝是气体冷却到一定P、T下达到的平衡。

（1）平衡冷凝方程 总物料平衡方程 F = V+L （Kmol/h） 液化率：e = L/F 汽化率：1-e = V/F 组分i的物料平衡方程平衡冷凝方程 其基本计算步骤和气液平衡计算是一样的，因为液化率相当于液相摩尔分数4、地面工程中的平衡冷凝计算#u该方法为便于用矩阵形式采用牛顿迭代法计算，把物质平衡方程组中的第n+1个方程用压力的形式表示出来： u露点计算： u u u泡点计算： u u u等温闪蒸：（四）常用的第二类相平衡计算数学模型#三、实际气体状态方程和热力学性质重点和难点 (1)*EOS的压力形式： (2)*EOS的Z因子形式 (3)*用状态方程进行逸度计算#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)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压力的影响； (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展 (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Van der Waals方程做半经验半理论改进l前三类有较严密的理论基础，但由于结构复杂，实际应用上存在一些困难 l活度理论在描述气液平衡方面不能令人满意 l第五类方程目前用得最为广泛（主要介绍PR、SRK EOS）#（1）压力形式 1961 从分子物理学角度、用非球形不对称分子间相互作用位能（引力和斥力）与简单球形对称非极性分子间的位能偏差来改进： 1、SRKEOS 对含弱极性组分的非烃烃混合体系计算有改善 对含H2S的油气体系误差较大十五863子课题验收汇报#十五863子课题验收汇报uZ 的三次方型状态方程 将的代入SRK的压力方程:式中： A = f（P,T,yi），B = f（P,T,yi）(2) SRK方程的Z因。