第二讲 烃类流体相态(相态特征和数学模型)

确定合理开发方式，提高凝析油的采收率提供依 据
相态特征及相平衡分析研究的意义
油气藏工程设计和分析 • 研究多相多组分烃类流体的渗流规律 为试井解释分析、油气藏数值模拟、气井产 能分析、采气工艺设计提供依据 油气田地面工程设计 • 确定油气体系地面分离和矿场油气加工的最佳 生产工艺制度 提高凝析油的地面回收率
气液两相区 3 A
3、 反凝析区（蒸发）
4、气相区
4
B
温度T
③P—X（组成）关系相图和三元组成相图：
主要用于地层条件下注气混相驱和非混相提高采收率混相压
力和混相组成的预测，在《提高采收率》课程中有详细叙述。
虽然相图能够直观给出油气烃类流体的相态特征的变化并被 普遍采用，但仅依靠油气体系PVT相态实验测试，由于受实验仪器
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
第一节 油气烃类体系的基本相态特征
问题的提出： 油气藏类型：纯（干）气藏、凝析气藏、轻质油藏、 重质油藏、带油环的气藏、带气顶的油藏 实践表明：纯气藏外，其余的相态变化现象 问题：
油气藏烃类体系开采前在地下的处于什么相态？开采过
程中会发生怎样的相态变化？哪些因素影响相态变化？ 用什么方法定性和定量地描述相态变化规律？

（3-19）
液相逸度：
p fil RT RT ln( ) dVl RT ln Z l Z Vl xi P il VlT , Zil Vl
（3-20）
相态计算热力学平衡条件方程组
F N c 1 N 1c 2 CN 2
2、相图: 相图（也称状态图），主要可以指出在给 定的条件下，体系是由哪相所构成，其规律随 状态变量（如温度、压力）和体系组成是怎样 变化的。 相图是研究相平衡的重要工具，能直观形 象地反映体系的相变规律。
(1)立体相图: 油气体系的相态不仅与体系中烃类物质的
T, P ---------------------液 相 x1, x2, … xn
n
y
i 1
n
i
1
(3-5)
x
i 1
n
i
1
(3-6)
也有表示为:
y x 0
i 1 i i
(3-7)
汽
相
(4) 任一组分在平衡气液相
中的分配比例:
Baidu Nhomakorabea
y1, y2, …, yn
T, P ---------------------液 相 x1, x2, … xn
油
C3、C7、C20 10%、20%、70%
6、蒸汽压力：
P
蒸汽
液 体
T=c
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。
产生大量气体
7、沸点：
P
易挥发组分
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。
油
水
3、组分：
形成体系的各种物质称该体系的各组分，可以是单质或 化合物。 构成平衡体系的所有各相组成所需的最少组分数称独立 组分，在没有化学反应的体系中独立组分数等于组分数
C3、C7、C20
油
H2O
水
4、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 的数目（如压力、温度和浓度等）称为自由度 5、组成： 体系中构成某物质的组分的含量或比例数
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
特点：等温相变伴随着压力的改变
凝析过程（D→B）压力增加，蒸发 过程（B→D）压力减小 原因：混合体系中各纯物质的蒸气 压大小及凝析和蒸发难易程度不同。 从D到B气液两相的组成不断变化， 液相中易挥发组分愈来愈多。在露 点D，气相几乎占了体系的全组成， 只有极少的液滴，主要是难挥发的 组分；而在泡点B，液体几乎占了体 系的全组成，只有极少气泡，是易 挥发的组分。因此，在D→B的气相 转成液相过程中，要使更多的气相 转换成液相，就需提高压力。
组成有关，而且还取决于油气体系所处的温度、压力和所 占体积，可用状态方程表示相态与状态变量的关系： F（P、V、T）=0 （3-2）
以图解方式表示上述状态方程中三个状态变量 所描述的相态关系，就可得到立体相图。 在油气流体相态研究中，P-V-T三维立体相图用于描述 油气藏平面区域上和纵向上流体相态变化特征的分布规律 ，很详尽地表示出各参数间的变化关系。
n
zi xi 1 k i 1 V
zi k i zi (1 (k 1)V 1 (k 1)V ) 0 i 1 i i zi (k i 1) 1 (k 1)V 0 i 1 i
n
（3-15）
二、油气体系相态计算热力学平衡方程组
物料平衡条件方程组建立后，尚不能完全实现相平衡计
算。关键在于平衡常数Ki的确定。 平衡常数通常是温度、压力和组成的函数。获取相平衡 常数的方法较多，从实用观点看，收敛压力法曾受到广泛 重视，至今仍在使用。目前，随着计算机技术的发展，普
遍采用状态方程结合热力学平衡条件来确定。这也是我们
重点要讲的方法。
热力学平衡条件为：气液两相平衡时，体系中各组
分在气液相中的逸度应满足
(2)平面相图
在油气烃类流体相态研究中，不同的平面相图用于描述
不同的相态参数和相态特征。
①P—V关系相图
也称为PV等温线。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。
单组分体系P-V关系
E
C:临界点
Tc：是气体能够液化 所允许的最高温度。
C
汽
T>Tc
液 B
T=Tc
工作温度、压力范围所限，还不能得到完整的相图和全部的相态
参数 需要通过流体相平衡物料平衡方程和热力学平衡方程的建立 ，以及状态方程的开发和应用，来描述和预测油气藏烃类体系的
pVT相态特征和变化规律。
第二节 油气体系气液相平衡计算数学模型
相态分析项目：
1.确定初始凝析压力； 2.模拟油气藏等容衰竭开发过程； 3.预测凝析油损失规律； 4.确定分离器凝析油最佳分离条件等。
f ig f iL
逸度的表达式：
f ig yi ig p
（3-16） （3-17）
f il xiil p
用逸度、逸度系数表示的平衡常数Ki 由（3-16），（3-17）有
yi
f ig
ig p
代入K值表达式
f il xi il p
il Ki ig
yi Ki xi
汽
相
(1) 平衡气液相的组成
y1, y2, …, yn V ---------------------液 相 T, P
V L 1
yiV xi L zi
(3-3)
(2) 平衡气液相满足物质平衡关系
(3-4)
L
x1, x2, … xn
汽
相
(3) 平衡气液相的组成应满足:
y1, y2, …, yn
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
第三章 烃类流体相态
第一节 第二节 第三节 第四节 油气烃类体系的基本相态特征 油气体系气液相平衡计算数学模型 常用状态方程选择和分析 重馏分特征化处理
第五节
第六节
取样及PVT分析项目
判别油气藏类型的主要方法
相态特征及相平衡分析研究的意义
开发初期 • 判断油气藏类型 • 为储量计算提供PVT物性参数 • 估计衰竭式开发时地层反凝析油的损失量 • 油气藏开发阶段的划分
yi Ki xi
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
i
yi ki
zi k i yi 1 ki 1 V
（3-13）
zi xi 1 k i 1 V
液相物料方程：
x
i 1
n
i


i 1
n
zi 1 1 ki 1 V
（3-14）
3、气、液两相总物料方程
y x 0
i 1 i i
n
zi k i yi 1 ki 1 V
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。
二、 研究方法
• 相律 • 相图 • 流体相平衡的物料平衡条件和热力学平衡条件 （如露点方程、泡点方程和闪蒸方程） • 状态方程
1、相律:
热力学理论中，相律是用来确定体系自由度数 即独立变量数的热力学表达式 在相平衡计算中，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
流体相平衡模型主要由三部分构成：
1.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；
2.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； 3.相平衡计算的状态方程结构体系。
一、油气体系气液相平衡计算物料平衡方程组
基本假设条件： • 开采过程中，油气层温度保持不变； • 油气藏开采前后，烃孔隙空间不变，即忽略岩石膨胀对烃 孔隙空间的影响； • 孔隙介质表面润湿性、吸附和毛管凝聚作用对油气体系相 态变化的影响可忽略不计； • 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。
C:临界点 汽 C B 液 两相区 D T>Tc T=Tc
T<Tc
体积V
②P—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。
单组分体系P-T相图
C
液
A
气
特点：由一条饱和蒸气压 曲线构成。即体系的泡点 线和露点线相重合，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。
相律
对N相C个组分的油气烃类非均匀封闭体系 （1）整个系统不处于内部平衡状态，但每一相处于内部平衡状态， 因Gibbs-Duhem方程适用于每个相，每个相有C+1个自由度，则独 立变量数是N×（C+1），即体系自由度F为：
F N c 1
（2）若规定整个系统是处于内部平衡状态，则在N×（C+1）变 量中就有由平衡条件方程给出的（C+2）×（N-1）个平衡关系， 于是自由度F为：
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。体系可分为单组分和多组分体系。
油
C3、C7、C20
水
H2O
水
H2O
多组分体系
单组分体系
2、相： 体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为“相”
通常有气、液、固三相。相与相之间有明显的界面。对一 个相不要求每一部分都必须连续存在。
成了两相共存的最高压力。
Ⅱ.在TC≤T≤Tm或PA≤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。
液
3
Pm
1.等温逆行凝析 1 C
气
4
2.等温逆行蒸发 3.等压逆行凝析
气液两相区 2 A B 温度T
Tm
4.等压逆行蒸发
凝析气藏的开发过程(等温逆行凝析)
液
Pf 气
C
1 2
1、单相开采 2-3、两相区 2、 反凝析区（凝析）
yi ki xi
(3-8)
以上平衡关系式联立求解，即得到相平 衡 计算的物料平衡方程组 • 气相物料方程组 • 液相物料方程组 • 气液二相总物料平衡方程
1、气相物料方程
由
V L 1
yi ki xi
有 有
又由
L 1V yi xi ki
将L，xi的上述表达式代入方程 得到：