第三章 烃类流体相态
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
油层物理1-3第三节油气藏烃类的相态课件
v 露点压力(dew point pressure) . 在温度一定的情况下，开始从气相中凝结出第一滴液滴的压力。
v 临界点(critical point) . 在临界状态下，共存的气、液相所有内涵性质相等。
v 内涵性质(intensive property) . 与物质的数量无关的性质，如粘度、密度、压缩性等等。
8
8
一、油藏烃类的相态表示方法
(2)相态的表示方法 v相态——相平衡态(phase equilibrium state)； v相态研究——指体系相平衡状态随组成、温度、压力
等状态变量的改变而发生变化的有关研究。
→直观的相态研究和表示方法：相图。 v相图(phase diagram)：表示相平衡态与 Nhomakorabea系组成、温
12
12
一、油藏烃类的相态表示方法
(3)三角相图 (三元或拟三元相图) (triangular/ternary/ pseudo-ternary)
主要用于研究地层条件下注气混相 驱和非混相驱提高原油采收率。
(gas injection注气)
(miscible flooding混相驱) (immiscible flooding非混相驱)
(正常相变) ； 液相：40→30→20→10→0％。 ➢ E→F降压：单一气相
27
27
三、单、双、多组分体系相态特征
结果：气相体系等温降压穿过反凝析区时，体系中液相含量 ↑
u 等温反凝析(isothermal retrograde condensation) 等温反凝析：在温度不变的条件下，随压力降低而从气相中凝析出液体 的现象。
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。
油层物理第3章油气藏烃类的相态和汽液平衡
（3）两组分中只要有一个组分 占绝对优势，相图的两相区域就 变得越窄。
双组分体系的P-V相图
1.3 多组分系统的相态特征
1、多组分烃类相图
相包络线aCpCCTb把两
相区和单相区分开， 气相区
包络线内是两相区，
包络线外所有流体都
（2）可以划分为C1，C2~6，C7+三个组分，其中将C2H6至C6H14之间所 有分子视为一个中间组分C2~6，而将C7Hl6以上的所有成分视为液烃组分 C7+——混相驱
拟组分划分的原则：
（1）是根据成分的含量，含量高的成分可单独列为一个组分，而若干 个微量成分合并为一个组分。
（2）是根据研究的目的和需要划分。
变化过程： 从地下到地面的采出过程中，状态变化也很复杂，例如
原油中溶解的天然气会从原油中分离，而凝析气则会发生由气 态转变为液态的反凝析现象。
油藏开发前烃类混合物究竟处于什么相态？为什么开采 过程中会发生一系列相态的变化呢？烃类的相态变化的规律是 什么?
内因是事物变化的根据：油藏烃类的化学组成的复杂 性是相态转化的内因。
由D至E随压力降低体系液相 蒸发是正常现象，而由B到D随 压力降低凝析量增加则为反常 凝析现象(也称为逆行凝析现 象)。
B点称为上露点（又称为第 二露点），E点称为下露点（又 称为第一露点），压力低于E时， 凝析液将全部蒸发为汽相。
同理可得出不同温度下的 最大凝析液量点，将此连接为 CDCTBC区即为反凝析区。
（气相区）
-100
Tc
-50
0
50
温度，C
100
150
图3—3 乙烷的P-T 相图
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
第03章-油气烃类的相态和气液平衡
油层物理学Petrophysics第三章油气藏烃类的相态和气液平衡第三章油气藏烃类的相态和气液平衡优点：详细直观缺点：绘制和应用不方便p-V 相图单组分体系的等温相变发生在恒定压力状态；油气烃类多组分体系的等温相变则伴随着压力的改变。
凝析过程（D—>B ）压力增加，而蒸发过程（减小。
气一、相态及其表示法p-T 相图✓p—T 压曲线构成✓体系的泡点线和露点线相重合✓在一定温度条件下（T ≤Tc 转变是在等压下完成的。
-100-50050100150温度，C液相区蒸汽区。
A超临界区（气相区）C TcPc 。
B ED 。
F 。
乙烷的p -T 相图一、相态及其表示法位置 组分1 % 组分2 % 组分3 % M 点 M 点 M 点0 70 20100 0 500 30 30露点线临界点露点1、单组分体系开始从液相中分离出第一批气泡时的压力、温度开始从气相中凝结出第一批液滴时的压力、温度泡点露点临界点气液两相共存的最高压力、最高温度点三点液相中分离出气泡时压力、温度点组成的线气相中凝结出液珠时压力、温度点组成的线泡点线露点线饱和蒸汽压线气液两相共存的压力、温度点组成的线一线液相区气液两相区气相区AC 线以上AC 线右下方AC 线上的点三区一、相态及其表示法一、相态及其表示法2、双组分体系的相态特征临界凝析压力点泡点线地下油气藏是复杂的多组分烃类体系，在压力、温度一定时，它的相态特征取决于系统的组成和每一组分的性质。
因此，对不同油气藏不同烃类体系，其相图也各不相同。
已知油气藏温度及压力时，就可用相图临界点与油气藏原始条件点的相对位置关系来判断油气藏类型。
三、油气藏(多组分体系)的相态特征未饱和油藏饱和油藏凝析气藏过饱和油藏反常凝析区等液量aC线，液相区与两相区的分界线bC线，气相区与两相区的分界线虚线，线上的液相含量相等泡点线露点线等液量线CDTBC线包围的阴影部分aC线以上bC线右下方aCb线包围的区域液相区反常凝析区气液两相区气相区bC线上的点C点，泡点线与露点线的交点P点，两相共存的最高压力点T点，两相共存的最高温度点泡点露点临界点临界凝析压力点临界凝析温度点第二露点气体在等温降压过程中出现的露点当油藏压力降低至泡点压力之后，有大量气体从油中分离出来；分离器条件，气油比小于1800m 3/m 3，原油相对密度小于0.78，产出的油呈深色； 等液量线较稀疏。
2.2 油气藏烃类的相态特征
2.地面原油的分类
2)按含胶质、沥青的量分：
少胶质原油（胶质、沥青的含量< 8%）；
胶质原油 （胶质、沥青的含量8—25%）；
多胶质原油（胶质、沥青的含量> 25%）； 我国多数油田为胶质原油及少胶质原油，如大庆 莎尔图油田胶质含量为13.3%，胜利油田胶质、沥青 含量为21.4%，江汉王场油田胶质沥青含量达60.6%。
泡点压力:温度一定，开始从 液相中分离出第一批气泡的 压力. 露点压力:温度一定，开始从 气相凝析出第一批液滴的压 力. 泡点线 露点线 饱和蒸汽压线单组分的饱和 蒸汽压线为泡点线和露点线 的共同轨迹. 分析1----2 3-----4相态变化
几种常见物质的饱和蒸汽压线
3
双组分体系的相态特征
临界点 临界凝析温度点 泡点线 露点线 等液量线 气相区
典型湿气相图 1 地层温度高于临界凝析温度, 但分离器条件位于两相区内; 2临界点在临界凝析压力的左下方; 3 地面有液烃析出。
6
几种典型的油气藏相图
1 地层温度介于于 临界温度和临界 凝析温度之间, 2 原始状态下烃类 体系为单相气体 ; 3 地面分离器条件 下可获得25%左 右的液体。
凝析气藏相图
双组分体系相态的特点
课堂练习：
在同一坐标系中画出以下各系统相图：
1)100% CH4； 2)100% C5H12； 3)10%CH4+90% C5H12； 4)90% CH4+10% C5H12；
5)50% CH4+50% C5H12 。
正烷烃的双组分系统的临界点轨迹 (虚线表明两组分不同比例时的临界点轨迹)
2.地面原油的分类
3)按含蜡量分：
少蜡原油（蜡含量< 1% ）； 含蜡原油（蜡含量1-2% ）； 高含蜡原油（蜡含量> 2% ）；
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盐 水
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等温化学位 F
fi = φi yiP
o µi − µi = RTℓn( fi fio )
盐 水
F逸度系数 φ i可由状态方程计算（对理想气体混合物其值位1.0）
2、相平衡常数(平衡分配比)
K
i
=
yi xi
= f
(P, T ,
zi
)
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
F等温化学位 F
液/xi
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
fi = φi yiP
‹#›
P-T相
1
3
的
P Pm C 2
两 相 共 两相共存的最高压力 存 的 最 高 压 力
压 压 的
3
相 压
的 压 的 的
4 5 Tm T
的
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， ‹#›
第三章 烃类流体相态 （概论）
PHB4 P -T图
气藏类型：
干气藏 湿气藏 凝析气藏
P(MPa)
ห้องสมุดไป่ตู้
35 30 25 20 15 10 5 0 100 200 300 T(K) 400 500 600
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。
‹#›
‹#›
(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
汽/yi
（2）数学模型（物料平衡方程）
液/xi
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=1.0 ②平衡气、液相的组成应分别满足归一化条件：
(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
‹#›
（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
y
液 相 组 成 方 程
i
z ik i = 1 + ( k i − 1 )V
：
x
气 相 物 料 平 衡
i
=
方
zi 1 + ( k i − 1 )V
程 ：
∑
y
料
∑
i
= ∑
平 衡
z ik i 1 + ( k i − 1 )V
方 程 ：
= 1
液
相
物
x
i
= ∑
物
zi 1 + ( k i − 1 )V
料 平 衡 方
∑ ∑
y x
i i
= 1 = 1
或表示为：
∑ ( yi − xi ) = 0
③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：
y iV + x iL = z i
④平衡气、液相中任一组分的分配比例用平衡常数描述： K i = yi / xi
‹#›
(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程
⑤ 由 料 以 平 上 衡 关 方 系 程 可 气 得 相 气 组 、 液 相 组 成 成 方 程 ： 计 算 方 程 ， 物
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？
‹#›
(三）、油气体系气液平衡时热力学平衡方程
汽/yi
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
压力-温度投影图（ 简称P—T图） 压力-体积投影图（ 简称P—V图）
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：
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）
敞开体系
与环境既有能量交换、又有物质交换
气
外 壳 芯 子 孔板
水
‹#›
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
纯 水
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
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。
P 固相
D
C(临 界 点 )
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。
o µi − µi = RTℓn( fi fio )
F逸度系数
φ 可由状态方程计算 i
fvi = fLo,
i=1,2,…n
逸度单位：与压力单位相同
Question：How to calculate 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。
‹#›
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
井 口 装 置
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
阀 座 锥形阀
井口保护器
弹 簧 孔板压座
封闭体系
与环境仅有能量交换、无物质交换
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）
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。
压力-温度投影图（ 简称P—T图） 压力-体积投影图（ 简称P—V图）
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：
P
临界点
P C T>T c 气 T=T c B 液 D
气、液两相区
临界点
C
T>T c 气 T=T c
T<T c
B 液
35 30
0 0 100 200 300 温度（k） 400 500
PHB4 P-T图
典型特点：
P(MPa)
25 20 15 10 5 0 100 200
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
‹#›
300 T(K)
400
500
600
二、气液平衡及相图计算
Tm——临界凝析温度 Pm——临界凝析压力
4、常见气藏的P-T相图
P
干气气藏P-T相图示意图
地层条件
湿气藏P-T相图示意图
P P
地层条件
压 力（ MPa）
地层条件
60
"等液量线0.01" "等液量线0.005" 临界点 露点线 等液量线0.008
50
泡点线
40
30
C
分离器
20
C
sep
T
分离器
10
T T
盐 水
‹#›
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
‹#›
6、化学位
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 i K ‹#›
= φ iL φ iV
(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
‹#›
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
D
气、液两相区
T<T c
单组分体积V