天然气工程烃类流体相态
(新版教材)天然气工程授课教案
教书育人工作计划要点本学期，我主讲“天然气工程”课。
为了上好本课程，培养学生德、智、体全面发展，既教书又育人，使学生在思想上和专业技术上都获得较大提高，特制定如下计划：１、坚持四项基本原则，培养学生热爱祖国和社会主义的思想。
在教学过程中，以党的政策为指导，使学生真正成为社会主义建设人才。
２、培养学生热爱石油工业，热爱本专业的思想和为石油工业奉献的精神。
结合我国石油天然气工业的发展，使学生了解我国石油工业的创业精神。
３、明确学习目的，培养学生良好的学习风气。
经常和学生进行思想交流，掌握他们的思想、学习情况及学习方法。
主动关心和帮助学生，使学生真正掌握所学知识。
４、结合生产实际，因地制宜，因材施教。
改进教学方法，理论与实践相结合，使学生既掌握所学知识，又能用于解决实际问题。
培养学生分析问题和解决问题的能力。
５、培养学生浓厚的学习兴趣，提高学生学习的积极性。
在课堂上采用生动活泼的教学方法，提高学生对本专业的学习兴趣。
对学生的学习严格要求，要求学生按时完成作业，严格考勤，经常抽查，对迟到、早退的学生要严格批评、教育，要求学生遵守纪律。
６、严格要求自己，认真备课和讲课，做到内容熟练和精练。
在教学中，不断了解学生学习情况，做到循序渐进，由浅入深。
讲解中突出重点，注重启发，培养能力。
７、认真批改作业，耐心辅导，注意效果。
内容提要：第一章天然气工程绪论概述我国天然气工业的现状及发展，天然气工程的研究对象、内容和方法，有关学习天然气工程的目的和方法。
第二章天然气的主要物性参数（复习）第一节天然气的组成与分类第二节天然气的相对分子质量、密度、相对密度和比容第三节天然气的偏差系数第四节天然气的等温压缩系数第五节天然气的体积系数和膨胀系数第六节天然气的粘度第七节天然气中水蒸气含量第八节天然气的热值第九节天然气的爆炸性第三章烃类流体相态第一节油气烃类体系的基本相态特征烃类相态基本概念、单组分和两组分烃的相态特征及临界点定义之差异，反转凝析现象及解释，各类气田（干气、湿气、凝析气）的P-T图等。
第二讲 烃类流体相态(相态特征和数学模型)
yiV xi L zi
yi yiV (1 V ) zi Ki
对此方程进行整理
气相组成方程：
zi ki yi 1 k i 1 V
气相物料方程：
（3-11）
y
i 1
n
i
i 1
n
zi ki 1 1 ki 1 V
（3-12）
2、液相物料方程
液相组成方程： x
温度T
多组分体系P-T相图 特点：蒸汽压 曲线分别为两 条曲线，泡点 线 AC 和 露 点 线 BC ， 在 泡 点 线 和露点线之间 的区域形成气、 液两相共存状 态。
Pm
C
液
气
气液两相区
Tm
A
B
温度T
Ⅰ. 单组分体系的临界点表示体系气液两相共存的最高点 ；而对于烃类多组分体系，临界点在相图形态上则表现为 泡点线和露点线的交点。 临界凝析温度（Tm）代替了单组分体系的临界温度而 成了两相共存的最高温度 临界凝析压力（Pm）代替了单组分体系的临界压力而
yi Ki xi
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f il il p f il 1 xi xi Ki Ki f ig 1 yi yi
Ki
ig p
f ig
（3-18）
逸度、逸度系数的确定 气相逸度：
p RT RT ln( ) dVg RT ln Z g Vg Z yi P ig Vg ,T , Zig Vg fig
两相区 D
F
Pc: 临界温度下气体 液化 所需的最小压 力。 特点：等温相变发生 在恒定压力状态
T<Tc
体积V
多组分体系P-V关系
天然气开采技术
第一章 绪论1、 天然气：是指在不同地质条件下生成、运移并以一定压力储集在地下构造中的气体。
2、 我国天燃气工程技术特点：1） 地层和储层特性的特殊性：埋藏深（3000-6000m ）开发开采难度大； 中低渗气藏居多，自然产能低：储集量不富集，中小型气田居多，开发分散性、复杂性 2） 气藏产水危害的严重性 3） 流体性质的高腐蚀性4） 天然气的可爆性和高压危险性第二章 天然气物理化学性质1、天然气组成：烃类气体：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及以上气体 非烃类气体：氮气、氢气、硫化氢、二氧化碳、水等 惰性气体：氦气、氩气等 3、 天然气组成的表示方法：已知天然气由k 种组分组成，组分i 的摩尔数为n i 体积为v i 质量为m i1） 摩尔分数法：ii kii=1n y n=∑ 2）体积分数法：ii kii=1V y V=∑ 3）质量分数法：ii kii=1m w m=∑4、 天然气按烃类气体分类：1） 按戊烷及以上组分分：干气：1m 3井口流出物中戊烷及以上液态烃含量低于13.5cm 3的天然气。
湿气：1m 3井口流出物中戊烷及以上液态烃含量高于13.5cm 3的天然气。
2） 按丙烷及以上组分分：贫气：1m 3井口流出物中丙烷及以上烃类含量低于100cm 3的天然气。
富气：1m 3井口流出物中丙烷及以上烃类含量高于100cm 3的天然气。
5、 天然气的相对分子量、密度、相对密度、比容：相对分子量：ni i i=1M y M =∑ 密度：g PMRTρ=相对密度：g g a 28.96Mργρ==比容：g 1νρ= 6、 天然气的偏差系数Z ：指相同温度、压力下，真实气体体积与同质量理想气体体积之比。
影响因素：组成、温度、压力 确定方法：1）实验法2）图版法：H 2S 、CO 2校正；凝析气校正 3）计算法7、 临界压力c P 临界温度c T 对比压力：r cP P P =对比温度：r c T T T =拟临界压力：npc ciii=1P P y =∑ 拟临界温度：npcci i i=1TT y =∑拟对比压力：pr pc P P P =拟对比温度：pr pcTT T = 8、 天然气等温压缩系数C g ：g T1V C V P ∂⎛⎫=-⎪∂⎝⎭ 拟对比等温压缩系数：pr g pc C C P =9、天然气体积系数、膨胀系数：体积系数：天然气在地层条件下体积与在地面条件下体积之比。
天然气工程烃类流体相态
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天然气工程烃类流体相态
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
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天然气工程烃类流体相态
1、体 系
体系是在一定范围内一种或几种定量的 物质
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：
露点计算：
泡点计算：
等温闪蒸：
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天然气工程烃类流体相态
•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
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。
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天然气工程烃类流体相态
•多组分烃类体系P-T相图及特征
•
•两相共存的最高压力
•泡点线
•等液量线
两
相
共 存
3、多组分体系的反
的
最 高
转凝析现象
压
力
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。
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component in system?
用途：判断气液两相是否达到平衡的可测工具或称参数。
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天然气工程烃类流体相态
•(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
•汽/yi
体系温度保持恒定
不考虑油气接触介质的影响
天然气工程-烃类流体相态
2
本章掌握重点
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
3
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
汽/yi
2、逸度系数与逸度、压力和组成的关系
逸度系数与逸度、压力和组成的关系为：
3、气液相平衡热力学方程组
ln ig ln ( fig )
液/xi
我们已经知道气液两相平衡时，热力学
y iP
条件是各组分在气相和液相中的逸度相等
ln il ln ( fil )
（ fig fil ）。
Question：How to calculate
fvi = fLo,
i=1,2,…n
逸度单位：与压力单位相同
composition of every component in system?
用途：判断气液两相是否达到平衡的可测工具或称参数。
16
(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程
（1）假设条件
15
（一） 气液平衡计算基本概念及应用
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。
汽/yi
2、相平衡常数(平衡分配比) K i
yi xi
f P, T, z 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 Ki iL iV
天然气的相特性解读
采用较多的有相对密度法、平衡常数法、Baillie-Wichert法。下面我们
将分别介绍。 1.相对密度法（经验图解法） 相对密度法认为：假定有游离水存在的条件下，天然气水合物的形
成温度和形成压力只和天然气的相对密度有关。此法不适合高浓度的酸 性气体。
由图（2－15）可知： T=f(P,S) 为天然气在P、S条
W 0.985W0CRDCB
W0 — 由图2－7查得的未经校正天然气含水量 ，g/103m3
2. 含酸性组分的天然气水含量预测 （1） 坎贝尔（Campbell）法 当天然气中的酸性组分低于40％时，用下式计算其含水量
Ws 0.985 ( yHCWHC y W CO2 CO2 y W H2S H2S )
H2S／CO2＝1:3 ～10:1；对C3H8的含量进行校正。 考察结果 与HYSIM软件预测的结果相比，75％的数据相差±1.1℃；
90％的数据相差±1.7℃ 图的用法见红虚线所示。
五、烃－水体系的相特性
烃－水体系的相特 性是指含水天然气在一 定条件下（P、T）下的 相态特性。和我们以前 学过的相图一样，烃－ 水体系的相特性图直观 地表示了含水天然气在 不同定条件下的相特性 。右图是一般烃－水体 系的相特性。
出现水 合物
出现液 态水
开始有液 烃出现
第三节 烃－二氧化碳体系相特性
在天然气加工过程中，二氧化碳的含量较多时，将出现以下两方面的问题： ①在低温、高压下，二氧化碳和水形成固体水合物，堵塞设备和管道； ②当天然气的温度较低（一般＜-57℃）时，二氧化碳本身会形成干冰，同样会 堵塞设备和管道，尤其是透平膨胀机出口和脱甲烷塔顶部。 脱除天然气中的水可以防止二氧化碳水合物的形成；脱二氧化碳可防止生成干 冰，但是，如果选择好工艺条件，在不脱除二氧化碳情况下，仍可防止生成干冰。 因此，研究烃－二氧化碳体系相特性，预测固体二氧化碳的形成条件，可帮助选择 防止水合物生成的条件。本节主要讨论：
第3章油气藏烃类的相态和汽液平衡
第三章 油气藏烃类的相态和汽液平衡
油气藏烃类：石油和天然气 特点： （1）处于地层深部、高温高压状态下 （2）是多种烃类和非烃类所组成的混合物 （3）各地油气藏流体混合物的组成差别甚
大 （4）原始地层条件下，呈现多种状态 （5）生产过程中相态发生变化 （油气藏、
井筒、地面）
7、拟组分(Pseudo—component)： 石 油天然气中含有上百种不同化学结构 的分子。有时也可将性质相近、含量 较少的若干化学成分人为合并为一种 拟组分。
纯组分：仅包含一类分子的组分叫纯组分。
第一节 油气藏烃类的相态特征
二、 单、双组分体系的相态特征
泡点压力：温
1、单组分体系(即纯物质)的相态特征 度一定时、压
油气体系中气体的溶解与分离
天然气从原油中的分离 天然气向原油中的溶解
液
按油井产物组成试算泡点压力
平 衡
用相态方程求解油气分离问题的实例
一次脱气和多级脱气比较
微分脱气计算
第一节 油气藏烃类的相态特征 课程导入
本节从相态原理出发，描述油气藏的类型。
第一节 油气藏烃类的相态特征 一、相态及其表示法
1、体系（控制体）：人为划分出来、用于研 究的对象。体系可以看作是由边界面包围 起来的空间。
3-1
图 乙 烷 的
6 临界点：汽、液两相 5 P能c 够共存的最高温度
4 点和最高压力点。
F。
3
液相区
C
D。
。。
BE
力降低过程中 开始从液相中 分离出第一批 超临界区 气泡时的压力。
（气相区）
压力，MPa
P-T
2
相 图1
。 -100 -50
采气工程烃类流体相态
采气工程烃类流体相态引言烃类流体在采气工程中具有重要的地位。
了解烃类流体在不同条件下的相态行为对于优化采气工程过程以及提高产量具有重要的意义。
本文将对烃类流体的相态行为在采气工程中的应用进行探讨，并介绍一些常见的烃类流体相态模型。
烃类流体的相态行为烃类流体在采气工程中的相态行为主要受到温度和压力的影响。
根据温度和压力的变化，烃类流体可以存在以下几种相态：气态、液态和固态。
气态相态当温度较高，压力较低时，烃类流体通常处于气态相态。
在气态下，烃类分子之间的距离较大，分子之间作用力相对较弱。
烃类流体在气态下具有较低的密度和较高的可压缩性。
液态相态当温度适中，压力适合时，烃类流体会转变为液态相态。
在液态下，烃类分子之间的距离较近，相互作用力较强。
烃类流体在液态下具有较高的密度和较低的可压缩性。
固态相态当温度较低，压力较高时，烃类流体可以转变为固态相态。
在固态下，烃类分子之间的距离更近，相互作用力更强。
烃类流体在固态下具有较高的密度和几乎无可压缩性。
烃类流体相态模型为了描述烃类流体在不同条件下的相态行为，研究人员提出了一些相态模型。
以下是几种常见的烃类流体相态模型：理想气体模型理想气体模型是烃类流体相态研究中最简单的模型之一。
在理想气体模型中，假设烃类分子之间没有相互作用力，分子之间是完全独立的。
根据理想气体模型，烃类流体在气态下服从理想气体方程。
引力模型引力模型是一种更为复杂的烃类流体相态模型。
在引力模型中，考虑了烃类分子之间的引力作用。
引力模型可以更准确地预测烃类流体的气液相变行为，并对烃类流体的密度变化给予了更准确的描述。
状态方程模型状态方程模型是一类基于实验数据的数学公式，用于描述烃类流体在不同条件下的相态行为。
常见的状态方程包括van der Waals方程、Peng-Robinson方程等。
这些方程可以通过调整一些参数来适应不同的烃类流体。
烃类流体相态在采气工程中的应用烃类流体的相态行为对于采气工程的研究和设计具有重要的影响。
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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
盐Hale Waihona Puke 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。
水
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i io RTn( fi fio ) fi i yi P
逸度系数i 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 Ki iL iV
8
(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
9
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 f ( P ,V ,T ) 0
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：
45% 55%
8,000
60% 70%
6,000
75% 85%
4,000
2,000
0 -200 -100
PHB4 P-T图
300
400
T(K)
0
100
200
温度 (deg C)
500
600
300
400
1
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
气
水
5
井 口 装 置
阀座
井口保护器
锥形阀
弹簧
孔板压座
外壳
芯子
孔板
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）
纯
水
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
盐
水
6
4、 组成
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1
盐 水
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
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。
11
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
压力-温度投影图（ 简称P—T图） 压力-体积投影图（ 简称P—V图）
P
临界点
C
T>Tc
气
P
临界点
C
T>Tc
气
T=Tc
T=Tc
B
D
液 气、液两相区 T<Tc
B
D
液 气、液两相区 T<Tc
单组分体积V
10
多组分体系体积V
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 f ( P ,V ,T ) 0
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）
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。
400
500
温度（k）
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
Pm——临界凝析压力
13
气体系特有的现象
4、常见气藏的P-T相图
干气气藏P-T相图示意图
C
60
PP湿气藏P-T相图示意图 地地层层条条件件
50
"等液量线0.01" 泡点线
"等液量线0.005" 临界点
露点线 等液量线0.008
40
压力（MPa）
30
20
C
sep
10
分离器 TT
0
0
100
200
300
第三章 烃类流体相态
（概论）
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。
P(MPa)
压力 (kPa)
35
30
25
20
15
10
5
0
100
200
14,000
15%
25%
12,000
30%
40%
10,000
2
本章掌握重点
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
3
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
整的体系。f (P ,T ,V , x1, x2, xn ) 0
12
多组分烃类体系P-T相图及特征
两相共存的最高压力
P
两相共存的最高压力
Pm
C
泡点线
等液量线
1
2 3
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
4
常常出现和这相反
4
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
露点线
的逆变现象，即在
5
等温降压或等压升
➢ 气藏类型-相图法：
Tm
T
温的情况下，反而 会引起液体的凝析。
➢ 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，
天然气体系中凝析
Tm——临界凝析温度