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。
天然气分类(一)
天然气分类(一)一、天然气分类原则(1)按组分划分：干气、湿气；烃类、非烃类。
(2)按天然气来源划分：有机来源、无机来源。
(3)按生储盖组合划分：自生自储型、古生新储型和新生古储型。
(4)按天然气相态划分：游离气、溶解气、吸附气、固体气(气水化合物)。
(5)按有机母质类型划分：腐殖气(煤型气)、腐泥气(油型气)、腐殖腐泥气(陆源有机气)。
(6)按有机质演化阶段划分：生物气、生物一热催化过渡带气、热解气(热催气、热裂解气)、高温热裂解气等。
(7)其他。
二、国内外学者对天然气类型划分20世纪五六十年代，前苏联的学者以气体的来源、化学成分、存在条件为基础划分天然气类型，对广义天然气研究起积极推动作用。
七八十年代，欧美的地质学家，趋向于以狭义天然气为主的成因分类，并形成以有机来源和无机来源两大类天然气成因分类的轮廓，出现以有机质不同母质类型天然气划分的雏型，见表1-1-1。
80年代，我国天然气地质学家发展了狭义天然气成因类型的划分，确定了天然气有机和无机两大基本来源，明确地提出有机成因气中的油型气和煤型气的基本类型，并以有机质的化学作用形式及演化特征，确定出微生物作用形成的生物气、热解作用形成的热催化气和热裂解气的概念，见表1-1-2。
1989年戴金星院士等提出原始物质、化学作用形式及成熟度、组分、相态等不同天然气分类方案，见表1-1-3。
表1-1-1国外学者对天然气的分类作者Козлов(1950)Высодкий(1950)Соколов(1965)Tissot(1978)天然气类型在地壳中生成的气生物化学成因气自然化学反应生成气变质成因气放射性成因气辐射化学成因气核反应成因气运移气宇宙成因气空气成因气岩浆气或地下深处气地壳中形成的气生物化学气菌解气热解气岩石化学气放射性成因气循环气大气残余宇宙气宇宙气地球古大气圈地表气和水下沉积层气土壤和母岩气沼泽气和泥炭气海洋水下沉积物气沉积岩气油田气、气田气煤田气、地层水气盐层气、分散气变质岩气花岗石圈和玄武岩气火山气岩浆气(来自溶岩湖)喷气孔喷气大气有机成因气生物气早期成岩气热解气裂解气无机来源气浅层水中空气火山地热气放射性成因气作者Hunt(1979)Tiratisoo(1979)Schoell(1980,1988)MacDonald(1983)天然气类型沉积有机质的微生物降解气沉积有机质的热降解煤层的成熟作用储层石油和沥青的热转化火成岩、变质岩的气体扩散碳酸盐岩的热分解沉积物捕获的大气细菌气与煤有关的天然气与油有关的天然气非烃气体非生源气地球原始大气甲烷生物成因气混合成因气热成因气非生物甲烷沉积岩中有机质微生物降解沉积岩中有机质降解原油的热裂解煤的变质作用岩浆及火山岩高温反应地幔原生甲烷的向外运移。
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：
天然气的组成分类及地球化学特征
按有机质演化阶段分类
1.生物气——指有机质在未成熟阶段 (Ro<0.4%~0.5%)经厌氧细菌生物化学降解所 生成的气态产物。化学成分以甲烷为主，典 型生物气为干气，重烃气含量常小于0.5%, 一般δ13C1<-55‰。
2.热解气——指有机质在成熟演化阶段（Ro 为0.5%～2.0%）经热催化作用生成的天然气， 包括油型热解气和煤型热解气。
二、天然气的类型
1. 按天然气来源划分
有机成因天然气：指沉积岩中沉积有机质通过细菌、物理化学等 形成的天然气 无机成因天然气：泛指在任何环境下由无机物质形成的天然气。包括宇
宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气及无机盐类分解气。无机成因 气来源广泛、复杂，多与宇宙或地球深处地幔、岩浆活动有关，当 代科学技术水平尚难深入研究它们。它们常沿深大断裂或转换断层 上升至上部圈闭中，聚集成工业气藏。
一、天然气成因类型 二、有机成因气的主要类型及其特征 三、碳、氢、氦和氩同位素地球化学特征
四、轻烃地球化学
五、各类天然气的鉴别
第一节 天然气成因类型
一、概念
广义的天然气是指自然界中的一切气体，即岩石圈、 水圈、大气圈以及地幔和地核中的一切气体 狭义的天然气是指以烃类气体为主（在少数情况下 也有以CO2和N2为主，极个别情况下也有以H2S为 主）的，分布于岩石圈、水圈以及地幔和地核中的 气体 在油气勘探中主要研究的是岩石圈中的可燃天然气 体，主要成分为CH4
1）油型热解气——由腐泥型干酪根在成熟演化阶段生成的天然气， Ro为 0.5%～1.3%主要形成液态烃和湿气， Ro为1.3%～2.0% 主要形成凝析油气
在成熟阶段多以成油(包括凝析油)为主、成气为辅，故油型热解气在大多数情况 下均以“配角”伴生于原油或部分凝析油中，只在少数情况下呈游离的气顶气， 个别情况下可呈夹层的游离气层气。
第二章 天然气的相特性
天然气储层：DD’线有液体析出，
称为富天然气层；EE’线为“干” （或“贫”）天然气层。
相图的形状及临界点的位置与
储层流的组成有密切关系。图2－6 给出了临界点的可能位置：
A－B：干天然气（甲烷摩尔数大于
80％）临界点的可能位置；
B－C：富天然气临界点可能的位置；
C点：多数原油储层临界点的可能
位置；
Ⅰ型:晶格内有46个水分子,共有8个空腔
2个小空腔,直径0.52nm 6个大空腔,直径0.59nm 16个小空腔,直径0.48nm 8个大空腔,直径0.69nm
Ⅱ型:晶格内有136个水分子,共有24个空腔
由此可知： dmax>0.69nm的分子，不能形成水合物，例戊烷 dmax<0.59nm的分子，能形成Ⅰ型水合物，例甲烷 0.59<dmax<0.69nm的分子，只能形成Ⅱ型水合物，例丙烷 下面是一些分子形成水合物的类型 组分 N2 CO2 H2S CH4 C2H6 C2H4 结构 Ⅰ C3H8 C3H6 iC4H10 Ⅱ
烃类的相特性 烃－水系统相特性 烃－二氧化碳系统相特性
第一节 烃类的相态特性
纯组分体系的相态特性 两组份体系的相态特性 多组份体系的相态特性 相态特性的实际应用
一、纯组分体系 由相律，F= C-φ+2 可知
纯组分，C＝1；
当 Φ＝1时，F＝2 Φ＝2时，F＝1
Φ＝3时，F＝0
体系的最大自由度为 2，当固定一个变量时，利用平面坐标即可描述 其相态关系。
压缩 液体
超临界 气体
1. 纯组分的 P-T图
气体
FH－气、固相平衡线 HD－固、液相平衡线 HC－气、液相平衡线 H点－三相点 C点－临界点（Pc,Tc) 气体、过热蒸汽、超临 界流体的区别
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。
天然气工程复习
（1） 天然气工程复习（2） 天然气偏差系数反映了实际气体偏离理想气体的程度。
一方面实际气体有大小、体积另一方面分子间醋存在着吸引力或者排斥力。
（3） 天然气等温压缩系数C g ：在等温条件下，天然气随压力变化的体积变化率。
PZ Z P Z T P P P nRT ZnRT P P V T ∂∂-=-∂∂-=∂∂=11)]()[()(V 1-Cg 2 （4） 天然气体积系数是指天然气在底层下的体积预期在地面标准下的体积之比sc g V V B =（5） 天然气水露点是指在一定的压力下于天然气的饱与蒸汽压气量所对应的温度。
天然气烃露点是指在一的压力下，气相中析出的第一滴“微小”的烃类液体的平衡温度。
天然气的绝对湿度是指1m 3天然气中所含水蒸气的克数。
（6） 影响天然气中水蒸气含量的因素。
①水蒸气含量随压力增大而减小②水蒸气含量随温度升高而增加③水蒸气含量随含盐量的增加而降低④高密度的天然气中水蒸气含量少⑤气体中N 2含量高水蒸气含量低⑥CO 2与H 2S 含量高水蒸气高（7） 常用状态方程①范德华方程②RK 方程③SRK 方程④PR 方程⑤LHHSS 方程（8） 等组分膨胀实验的目的是为了测取凝析油体系在底层条件下体积膨胀能力的大小与露点压力而设计的实验，目的是为了获取凝析油体系PV 关系与露点压力等流体相态特征参数。
（9） 气体流入井越近井轴，流速越高，因此非达西流淌产生的附加压降也要紧发生在井壁邻近。
（10） q AOF 反映气井的潜能，是评估气井的重要参数，常用于气井分类，配产与其他公式中无因次变化等（11） 射孔引起的表皮系数能够分成三部分：射孔孔道几何形状引起的的表皮系数（S P ），由于钻井与固井造成的井筒伤害引起的表皮系数（S d ），射孔孔道周围压实带产生的伤害引起的表皮系数（S dp ）.S= S P + S d + S dp（12） 不管是泥浆污染对井底邻近岩层渗透性造成的伤害，或者是酸化对它的改善，都仅限于井壁邻近很小范围。
油气储层流体相行为研究及应用
油气储层流体相行为研究及应用一、引言油气储层是石油、天然气等能源的重要产地，而了解储层内流体相行为对于提高采收率、节约开采成本、提高采油效率等方面具有重要意义。
本文将对油气储层流体相行为进行深入探讨，并探讨其在实际应用中的意义。
二、油气储层流体相行为概述油气储层流体相行为指的是储层内不同组分流体之间的物理化学行为。
储层内主要存在三种组分的流体：烃类、水和天然气。
而在储层内，这三种组分的相行为对于油气的开发产生重要影响。
1.烃类烃类是指油气储层中的石油和油类化合物，它们往往被视为非溶解性油。
在储层内，烃类和其他流体之间的相互作用通常是低的。
物理化学行为的研究发现，在不同状态下，烃类的性质表现出不同的特点，如沉积相、水相、气相等。
2.水水是储层内的一种主要组分。
储层内的水通常被分为三种类型：吸附水、自由水和连续相水。
不同类型的水对于油气的形成和加工产生着重要影响。
如：在各种生产过程中，吸附水与烃类的亲和性有很大的不同，所以吸附水含量的多少对油气开采的成功与否、成本高低都产生着重要影响。
3.天然气天然气是储层内的一种气体，它在储层内的物理化学行为与烃类和水有着很大的不同。
在储层内，天然气通常被视为非溶解性气态。
天然气在储层内的物理化学行为对于油气的开采也产生着很大的影响。
如天然气的气压、温度、密度等参数对于储层内烃类和水的相分布产生着重大影响。
三、油气储层流体相行为研究在油气储层流体相行为研究中，直接观测储层内的实际情况是很难的。
因此，研究者们通常采用数值模拟、实验模拟等手段来研究油气储层流体相行为。
通常采用的方法有：1.渗流模拟渗流模拟方法是指利用计算机程序模拟石油沉积物内部的三维流动和相行为。
在模拟过程中，通过模拟不同条件下的温度、压力、岩石组成等因素对油气的移动和分布情况进行预测。
渗流模拟方法在原油探测、石油生产中得到了广泛应用。
2.实验模拟实验模拟方法是指通过模拟实验，研究石油、天然气等流体在不同条件下的相行为。
天然气基础知识
( 0 )Z c5 (5.74673 105 )(e1.155 r 2.016) 22
二、天然气的基本参数
12天然气的导热系数
图表法：
2013-6-18
23
二、天然气的基本参数
13天然气的饱和含水量和水露点
饱和含水量：一定条件下天然气与液态水达到相平衡时 气相中的含水汽量。可由绝对湿度和相对湿度来描述。 绝对湿度：单位体积天然气中含有的水汽量。mg/m3 相对湿度：天然气绝对湿度和饱和温度之比。
上的重烃类,
二、天然气的基本参数
1.天然气的分子量
定义：标准状态下，1kmol天然气的质量为天然气的平 均分子量，简称分子量。
2.天然气的密度
2.1平均密度：
2.2相对密度：
*
2013-6-18
a
7
二、天然气的基本参数
3天然气的临界参数
（1）临界温度：气体能被液化的最高温度。
（2）临界压力：临界温度状态下，气体液化所需的压力
2.状态标准
国际计量大会标准：温度273.15K,压力101.325kPa ISO和ANSI标准：温度288.15K,压力101.325kPa
我国SYL04标准：温度293.15K,压力101.325kPa
2013-6-18
3
一、天然气的组成及分类
1．天然气按矿藏特点分类
（1）纯气藏天然气
不论开采的任何阶段，矿藏流体在地层中均呈气态，但随成分的 不同，采出到地面后，在分离器或管系中可能有部分液态烃析出。 （2）凝析气藏天然气 矿藏流体在地层原始状态下呈气态，但开采到一定阶段，随着地 层压力下降，流体状态跨过露点线进入相态反凝析区，部分烃类在地
天燃气工程基本知识讲义
第一章天然气的形成据国际能源会议预测，21世纪世界能源将进入天然气时代，21世纪初期天然气将逐渐替代石油。
前者占能源百分比将超过50%。
随着人们环保意识的加强，天然气这种绿色能源又是重要的化工原料日益受到重视。
各国政府和能源工业界都把天然气工业放在重要的位置上，研究本国发展天然气工业的潜力和途径，制定天然气工业的中长期发展战略，增加对天然气工业的投资比例。
世界上丰富的天然气资源为天然气工业发展奠定了坚实的物质基础。
据专家预测，世界上常规天然气资源达400×1012～600×1012m3。
此外，还有大量的非常规天然气资源。
目前，天然气资源探明程度很低，天然气完全可以满足人类对能源的需求。
据美国《油气杂志》1998年年终号报导，全世界估算剩余探明天然气储量145.6×1012m3。
其中亚太地区为10.2×1012m3，西欧为4.5×1012m3，东欧与独联体为56.7×1012m3,中东为49.5 ×1012m3，非洲为10.2×1012m3，西半球总计14.5×1012m3，居前10位的国家依次为俄罗斯、伊朗、卡塔尔、沙特阿拉伯、阿布扎尔、美国、委内瑞拉、阿尔及利亚、尼日利亚、伊拉克。
1998年我国天然气剩余探明储量为1.3669×1012m2,位居第20位。
第一节概述一、地层条件下的天然气从广义上讲，在常温常压下以气态存在的任何天然物质都叫天然气，这些天然物质在地壳中是很有限的。
主要是由5个碳原子以下的烃类，二氧化碳、氮气、硫化氢、氢气、氦气和氩气。
这些天然气体大多数通常以超临界状态存在。
它们可溶解在水里或者原油内。
原油主要由5个或5个碳原子以上的烃类组成。
这些高分子烃类在常温常压下呈液态。
当埋藏深度增加时，温度平均以30℃/km的幅度上升（视局部热流量和地层剖面的热传导率而定，变化范围为20~80℃/km）。
C2-天然气物理化学性质-初稿
定义：在一定温度压力下，单位体积天然气的质量。
单位： kg/m3。
确定方法：
ρg
=
m V
=
pM （理想气体） RT
ρg
=
pM （实际气体） ZRT
2. 天然气的密度（density）
通用气体常数
R = PVm T
公制标准状态： 英制标准状态：
R = 0.101325× 22.4 = 0.008314 MPa ⋅ m3
确定方法： γ g = ρg / ρa γ g = M g / 28.96
第二节 天然气的相对分子质量、密度和比容
4. 天然气的比容（ specific volume ）
定义：单位质量天然气所占据的体积 。
单位： m3/kg。
确定方法：
υ
=
V m
=
1 ρg
υ = V = RT m pM g
（理想气体）
n2 = 0.05
n3 = 0.05
3
n = ∑ni =1 i=1
y1 =0.9 y2 =0.05 y3 = 0.05
1. 天然气的组成
已知体系中各组分的质量如表，求wi、vi和yi。
组分
C1
质量/kg 14.4387
C2 1.5035
C3 2.20485
(3) 求vi
n1 = 0.9
n2 = 0.05 n3 = 0.05
273.15
Kmol ⋅ K
R = 14.7 × 379 .4 ≈ 10 .73 Psia ⋅ ft 3
520
1bmol ⋅ R
注：单位不同，R数值不同；单位相同，数值一样； R与气体种类无关。
第三章烃类流体相态
第三章烃类流体相态第三章烃类流体相态提示烃类流体相态研究是油气田开发的重要理论基础之一，凝析气田开发、注气提高石油采收率、油气分离和矿场加工等领域都离不开它，也是本书中的难点和重点，它涉及到物理化学和工程热力学的基础知识。
凝析气田开发的本质特征就是存在着反凝析现象，凝析油气（烃类）体系组成、相态在开发过程中随时随地发生变化，这一复杂渗流、流动现象靠烃类流体相态研究来揭示它。
相态研究要从定性和定量、实验、理论和应用等多方面加以研究。
研究的重点是：1）不失时机地取得有代表性的凝析油气样品和确定室内实验分析的内容。
2）以实验为依据，选用合适的状态方程进行烃类体系相平衡计算。
3）甲烷和C+n重馏分组成对相平衡计算影响很大，为提高计算速度和效果，要进行C+n 特征化处理，这是烃类体系相平衡计算中一个特殊问题，要对C+n重馏分进行劈分，整个烃类体系组合成恰当数量的拟组分，做得好，就能省时、省力，而且效果还好。
4)油气相态研究有待于深化、发展，要了解其发展趋势。
5）注意烃类体系相态研究在其他方面的应用，如：油气藏类型的判断，提高天然气矿场加工有用组分回收率和注气提高石油采收率等。
第一节油气体系的基本相态特征根据《油层物理》课程已掌握的知识，我们知道石油和天然气都是由多种烃类物质和少数非烃类物质所组成的混合物。
油气田开发与开采的实践表明，除了纯气藏之外，凝析气藏和油藏的开发、开采及地面工艺过程都会经历油气之间烃组分的相互溶解和分离、物态转换等相态变化现象。
因此，油气藏烃类体系开采前在地下处于什么相态，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描述相态变化规律，这是我们所关心的问题。
我们首先讨论烃类体系基本相态特征的表述。
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。
天然气工程烃类流体相态73页PPT
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
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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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•(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
•（2）数学模型（物料平衡方程）
等温化学位
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
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天然气工程烃类流体相态
(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
可以是单质也可以是化合物 各物质之间无化学反应
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•纯 水
•盐 水
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•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
在多组分体系中则
•露点线
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
Ø 气藏类型-相图法：
会引起液体的凝析。
Ø 干气藏： TReseroir Tm
Ø 湿气藏： TReservoir Tm ，但地面分离条件落在两相区
Ø 凝析气藏： Tc＜TReservoir＜Tm，
天然气体系中凝析
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。
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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
| fLi- fVi |＜ε
•输入P、T、zi •初值Ki
•物质平衡计算V •L、V、xi、yi
•计算ZL、ZV
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•计算fLi、fVi
•N
•计算Ki
•| fLi- fVi |＜ε?
•Y
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•4、地面工程中的平衡冷凝计算
定义：平衡冷凝是气体冷却到一定P、T下达到的平衡。
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。
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。
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：
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？
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天然气工程烃类流体相态
•7、相平衡
•盐
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。
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。
2、相平衡常数(平衡分配比)
•汽/yi
定义：平衡时，组分i在气相和液相中的摩尔分数之比。
•液
公式：
/xi
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
等温化学位
相平衡
逸度系数 可由状态方程计算
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
•Question：How to calculate
fvi = fLo,
i=1,2,…n
composition of every
逸度单位：与压力单位相同
•④平衡气、液相中任一组分的分配比例用平衡常数描述：
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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
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天然气工程烃类流体相态
•如何利用物料平衡方程求解相平衡问题？
•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） •。物料平衡方程的牛顿迭代法
•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 ：
•或表示为：
•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：
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天然气工程烃类流体相态
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
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
•气
•水
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•井 口
装 置
•井口保护器
天然气工程-烃类流体相 态
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2020/11/18
天然气工程烃类流体相态
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
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天然气工程烃类流体相态
•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
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。
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天然气工程烃类流体相态
（1）平衡冷凝方程
①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
②组分i的物料平衡方程
• 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
•③平衡冷凝方程
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•（四）常用的第二类相平衡计算数学模型
² Tm——临界凝析温度 ² Pm——临界凝析压力
气体系特有的现象
天然气工程烃类流体相态
4、常见气藏的P-T相图
•干气气藏P-T相图示意图
•P •地层条
•湿气藏P-T相图示意图 件
•C
•C
•se
p
•T
•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
•阀 座 •锥形阀
•弹 簧
•孔板压座
•外 壳
•芯 子
பைடு நூலகம்
•孔板