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
二、研究方法 2.相图 （2）平面相图 在油气藏烃类体系相态研究中，不同平面相图可用于描述 不同的相态参数和相态特征。 1）p—V相图
p—V相图也称为pV等温线。可用于表示在温度一定的条件
下，油气体系的压力、比容（或体积）与相态变化的关系。图 3-1a和图3-1b分别给出单组分体系和油气烃类多组分混合体系 的p—V相图。
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
与单组分体系相比，油气烃类体系的p—T相图还具备以下 两个特点： a.单组分体系临界点定义不再适用于多组分体系，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，临界凝析温度Tm代替了单组分体系的Tc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pc而成 了两相共存的最高压力。所以，应该这样来定义多组分体系的 临界点，在临界状态下，共存的气、液相所有内涵性质（如粘 度、密度、压缩性、膨胀系数、折射率、化学电位和表面张力 等）相等，在相图形态上则表现为泡点线和露点线的交点。
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
平衡组成分配比：
平衡气液相质量守恒方程：
yi Ki = xi
（3-9）
yiV + xi L = Zi
气相组成方程：
（3-10） 10）
zi Ki yi = 1 + (Ki − 1)V
气相物料平衡方程组：
（3-11） 11）
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
建立物料平衡方程组。设已知一个由n个组分构成的油气烃类 体系，取1mol的质量数作为分析单元，那么当其在开发过程中 处于任一气液两相平衡状态时。 物料平衡参数有：F（=1）─烃类体系的总摩尔数；L─液相 总摩尔数；V─气相总摩尔数； Zi─烃类混合体系中i组分的摩 尔组成（可由色谱分析获得、已知量）；xi─液相中i组分的摩 尔组成； yi─气相中i组分的摩尔组成；p─烃类体系所处的压 力；T─烃类体系所处的温度。 根据上述变量，还可得到：ZiF─总混合物中i组分的摩尔数 （F=1mol）；xiL─平衡时，液相中i组分的摩尔数；yiV─平衡 时，气相中i组分的摩尔数。
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组 气 相 V，y1，y2……yn 液 相 L，x1，x2……xn T 、p
图3-3 气液平衡体系 那么根据图3-3所示的烃类气液平衡体系，在温度T和压 力p条件下，可建立体系的物料平衡关系。
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
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 足质量数归一化条件；即
气液两相总物料平衡方程：
zi (Ki −1) ∑(yi − xi ) = ∑1+(K −1)V = 0 i=1 i=1 i
n n
（3-15） 15）
这里方程（3-12）、（3-14）、（3-15）所表示的相平 衡条件的热力学含义是等价的，当作为求解相平衡问题的目 标函数时三式都是温度、压力、组成和气相摩尔分量的函数， 并具有高度的非线性方程特征，需用试差法循环迭代求解。 油气藏开发与开采中所需处理的油气体系相态问题，通 常可归结为露点、泡点、等液量和等温闪蒸计算两大类相平 衡计算。
对于油气体系，不论我们进行哪一项相态分析，如确定初 始凝析压力，模拟油气藏等容衰竭开发过程相态计算，预测凝 析油损失规律等，或者确定分离器凝析油最佳分离条件，都必 须首先建立用于相态计算的流体相态模型。尽管凝析气藏投入 开发后，地层流动段、井筒流动段和地面分离段流动特点和相 态变化特征条件不同，我们所关注的定量分析因素不同。但其 相态变化的物质平衡关系和热力学平衡关系则可用相同的流体 相平衡模型来描述。流体相平衡模型主要由三部分构成：描述 平衡气液相组成、物质量（摩尔数）及平衡常数与温度、压力 关系的物料平衡条件方程组；描述平衡气液相组成、物质量、 平衡常数与逸度关系的热力学平衡条件方程组及用于相平衡计 算的状态方程结构体系。
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
b.在TC≤T≤Tm或pc≤p≤pm范围内存在着逆行凝析和逆行 蒸发现象。归纳起来有四种逆行现象，如等温逆行凝析（等温 降压过程中引起蒸汽液化），等温逆行蒸发（等温升压过程中 引起液体的汽化），等压逆行凝析（等压升温过程中引起蒸汽 液化），等压逆行蒸发（等压降温过程中引起的液体汽化）。 在上述四种逆行现象中对凝析气田开发实践来说主要是等温逆 行凝析现象。
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
要建立适合于油气藏烃类体系的相平衡计算物料平衡方 程，首先应给出以下基本假设条件： 首先应给出以下基本假设条件： 1）开采过程中，油气层温度保持不变； 2）油气藏开采前后，烃孔隙空间是定容的，即忽略岩石 膨胀对烃孔隙空间的影响； 3）孔隙介质表面润湿性、吸附和毛管凝聚现象作用对油 气体系相态变化的影响可忽略不计； 4）开采过程中，油气藏任一点处油气两相间的相平衡过 程可在瞬间完成。
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
一、有关的物理化学概念 6.蒸汽压力和沸点 在一个密闭抽空的容器里，部分充有液体，容器温度保持 一定，处于气液相平衡时气相所产生的压力称为饱和蒸气压， 体现为气相分子对器壁的压力。当液体的蒸汽压力等于外加压 力时，液体内部产生气泡，并不断地冒出而沸腾的温度称为沸 点。易挥发组分在相同条件下比难挥发组分的蒸汽压高而沸点 要低。
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
二者显出明显的差异：单组分体系的p—T相图由一条饱和 蒸汽压曲线构成（图3-2a中的AC线），即体系的泡点线和露点 线相重合，它反映在一定温度条件下（T≤Tc），体系从气态 转变为液态和从液态转变为气态是在等压下完成的。而油气烃 类混合体系的蒸汽压曲线则分别为两条曲线，液相的泡点线AC 和气相的露点线BC，在泡点线和露点线之间的区域形成气—液 两相共存状态。
F = C－N +2
（3-1）
在油气藏烃类体系相平衡计算中，相律主要用来指导我 们正确地选择描述相态变化规律的变量个数。
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
二、研究方法 1.相律 对于单组分烃类体系，当自由度为零时，出现最大的相数 3，因此，如三相平衡共存（仅在三相点上有可能），则压力 和温度都应固定不变。如仅出现两相，则自由度为1，既可以 选定温度，也可以选定压力，一旦选定其中一个变量，另一个 即可确定。对于双组分体系，当出现两相时，自由度为2，因 此两相能在温度和压力的一个变化范围内存在，对温度和压力 均可作出选择。对多组分烃类体系，由于相数通常远小于能够 出现的最大相数，相律起的指导作用较小。因此随着组分数的 增多，必须知道更多的组分浓度，以便确定体系的相态。
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
一、有关的物理化学概念 1.体系 体系是指一定范围内一种或几种定量物质构成的整体。体 系可分为单组分体系和多组分体系。单组分体系是指与周围 物质相分隔而由单一种纯物质所组成的体系，而多组分体系 则是由与周围其它物质分隔而由多种不同的纯物质所组成的 体系。油气藏中石油、天然气和凝析油都属于多组分烃类体 系。
二者之间的相态变化显出不同的规律。单组分体系的等温 相变发生在恒定压力状态；而对于油气烃类混合物，等温相变 则伴随着压力的改变。
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
二、研究方法 2）p—T相图 p—T相图可用于表示油气烃类体系的压力、温度与体系相 态变化的关系。图3-2a和图3-2b分别给出单组分体系和油气多 组分烃类混合体系气液两相的p—T相图 。
zi Ki ∑ yi =∑1 + (K −1)V =1 i i =1 i =1
液相组成方程：
n n
（3-12） 12）
zi xi = 1 + (Ki − 1)V
液相物料平衡方程组：
zi ∑xi = ∑1 + (K −1)V =1 i i =1 i =1
n n
（3-13） 13）
（3-14） 14）
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
C: 临临临 C: 临临临
C 压力 ( P )
汽 T >T c 压力 ( P )
C
T
>T
c
T
=T
c
B 液 两相两
D
T =T c
B
D
T< Tc
T <T c
两相两
体体 V
体体 V
图3-1a 单组分P—V关系
图3-1b 混合物p—V关系
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
或
i =1
∑(yi − xi ) = 0
n
（3-7）
任一组分在平衡气液相中的分配比例可用平衡常数来描述， 平衡常数等于相平衡条件下该组分在气相中的摩尔分数yi与在 液相中的= xi
程和物料平衡方程所构成的物料平衡方程组。其中：
（3-8）
以上平衡关系联立求解，即可得到由平衡气液相组成方
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
pa pb pc 压 压力 ( P ) pm C 1 2
C
压力 ( P )
和
液
体
3 4
和 蒸 汽
Tm
A
饱
A B ) 等温 ( T 等温 ( T )
饱
5 TcTd Tm
图3-2a 单组分的p—T相图
图3-2b 混合物的p—T相图
液相的泡点线AC和气 相的露点线BC，
V + L =1
（3-3）
平衡气、液相中各组分的摩尔分量应满足物质平衡关系：
yiV + xi L = Zi （3-4） 平衡气液相的组成y1，y2……yn及x1，x2……xn应分别满足
组成归一化条件：
i =1
∑ yi =1
n
（3-5）