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1、第一节第一节 油气性质油气性质第二节第二节 气液相平衡气液相平衡第二章第二章 油气性质和基础理论油气性质和基础理论标准状态 国国内内外外计计量量气气体体体体积积采采用用的的状状态态标准常不相同，常见的有三种标准常不相同，常见的有三种:n 压力压力101.325kPa、温度、温度20n 压力压力1atm、温度、温度60（15.6）n 压力压力101.325kPa、温度、温度01m3(20)=0.985m3(15)=0.932m3(0) 原原 油油 原原油油是是一一种种极极其其复复杂杂的的烃烃类类和和非非烃烃类类的的液液态态混混合合物物，其其中中碳碳和和氢氢的的质质量量分分数数分分别别为为85%、
2、12%，其余为硫、氮、氧和金属化合物。，其余为硫、氮、氧和金属化合物。 原原油油中中所所含含的的烃烃类类主主要要有有：正正构构及及异异构构烷烷烃烃；环烷烃；环烷烃；芳香烃。芳香烃。 原油内原油内C C1616以上的正构烷烃称为石蜡。以上的正构烷烃称为石蜡。 原原油油是是一一种种胶胶体体溶溶液液，常常含含有有胶胶质质、沥沥青青质质，还有砂、各种盐类及金属腐蚀产物等。还有砂、各种盐类及金属腐蚀产物等。原油分类原油分类 常用的原油分类方法有：常用的原油分类方法有：n按组成分类按组成分类n按气油比分类按气油比分类n按收缩性分类按收缩性分类n按相对密度和粘度分类按相对密度和粘度分类n按硫含量分量按硫含量
3、分量我国原油分类我国原油分类 是以是以常压沸点常压沸点250275和和395425两个关键馏分油的密度两个关键馏分油的密度划分原油类别。首先对划分原油类别。首先对关键组分分类，见表：关键组分分类，见表：我国原油分类我国原油分类溶气原油物性溶气原油物性 原原油油和和天天然然气气是是两两种种互互溶溶的的流流体体，在在一一定定压压力力和和温温度度条条件件下下，天天然然气气会会全全部部和和部部分分溶溶解解在在原原油油中中，溶溶气气原原油油的的溶溶气气量量、密密度度、粘粘度度等等物物性性随随压压力力、温温度度条条件件而而改改变变。这这里里主主要要介介绍绍适适用用于于压压力力、温温度度较较高高的的油油藏藏
4、及及油油气气两两相相流流动动条条件件下下的的溶溶气气原原油油物物性性的的经经验验计计算方法，称为算方法，称为黑油模型黑油模型。美国石油协会相对密度美国石油协会相对密度 在在描描述述石石油油及及石石油油产产品品时时，西西方方国国家家常常用用APIAPI相相对对密密度度，数数值值在在0 100，与与我国惯用的相对密度的关系：我国惯用的相对密度的关系：o 15下原油下原油对同温度同温度水的相对密度。水的相对密度。 溶解度溶解度 常常压压储储罐罐中中的的原原油油称称为为脱脱气气原原油油 stock-tank oil；高高于于大大气气压压溶溶有有天天然然气气的的原原油油称称为为溶气原油溶气原油。 单单位
5、位体体积积脱脱气气原原油油在在某某一一压压力力、温温度度下下能能溶溶解解的的天天然然气气体体积积数数（折折算算成成标标准准状状态态下下的的体体积积）称称天天然然气气溶溶解解度度，或或称称溶溶解解气气油油比比Rs，m3/m3。溶解度诺谟图溶解度诺谟图图中结论图中结论n压力愈高，溶解气油比愈大；压力愈高，溶解气油比愈大；n温度愈低，溶解气油比愈大；温度愈低，溶解气油比愈大；n油、气是相对密度愈接近，原油溶解天油、气是相对密度愈接近，原油溶解天然气的能力愈强。然气的能力愈强。 诺诺谟谟图图是是Laster在在实实验验数数据据的的基基础础上上给给出出来来的的。可可见见，天天然然气气在在原原油油中中溶溶
6、解解度度与压力、温度和油气组成有关。与压力、温度和油气组成有关。Lasater相关式相关式no 脱气原油相对密度；脱气原油相对密度；nMo 脱气原油相对分子质量，脱气原油相对分子质量，查图查图；nyg 天然气摩尔分数，由天然气摩尔分数，由公式公式计算或计算或查图查图；Standing相关式相关式Chierici等人建议：等人建议： 原油相对密度大于原油相对密度大于0.966时用时用Lasater相关式相关式 原油相对密度小于原油相对密度小于0.966时用时用Standing相关式相关式式中式中 t 温度，温度，原油体积系数原油体积系数 单单位位体体积积脱脱气气原原油油溶溶入入天天然然气气后后具
7、具有有的的体积数称为体积数称为原油体积系数原油体积系数。 天天然然气气溶溶入入原原油油使使得得原原油油的的体体积积增增大大，所所以以原原油体积系数总是大于油体积系数总是大于1。原油体积系数诺谟图原油体积系数诺谟图原油体积系数诺谟图相关式原油体积系数诺谟图相关式 可见，原油体积系数与温度、油气组成以及天可见，原油体积系数与温度、油气组成以及天然气在原油中的溶解度有关：然气在原油中的溶解度有关：n温度愈高，原油体积系数愈大；温度愈高，原油体积系数愈大；n油、气相对密度愈接近，原油体积系数愈大；油、气相对密度愈接近，原油体积系数愈大；n溶解气油比愈大，原油体积系数愈大。溶解气油比愈大，原油体积系数愈
8、大。溶气原油密度溶气原油密度 溶溶气气原原油油的的密密度度称称为为视视密密度度，或或表表观观密密度度。脱脱气气原原油油中中溶溶入入天天然然气气后后，其其密度和相对密度都下降。密度和相对密度都下降。溶解天然气相对密度的诺谟图溶解天然气相对密度的诺谟图溶解天然气相对密度诺谟图相关式溶解天然气相对密度诺谟图相关式 可见，溶解天然气的相对密度与可见，溶解天然气的相对密度与溶解气油比溶解气油比和和脱气原油的相对密度脱气原油的相对密度有关：有关：n溶解度愈小，溶解天然气的相对密度愈大，说明溶解度愈小，溶解天然气的相对密度愈大，说明天然气中的重组分更易溶入原油；天然气中的重组分更易溶入原油；n脱气原油的相对
9、密度愈大，溶解天然气的相对密脱气原油的相对密度愈大，溶解天然气的相对密度愈小，这是因为伴随重质原油开采出的天然气度愈小，这是因为伴随重质原油开采出的天然气较轻（较轻（C1+C2），而伴随轻质原油开采出的天然），而伴随轻质原油开采出的天然气较重（气较重（C5+）。）。溶气原油的视密度溶气原油的视密度n如如果果含含有有C1、C2、H2S等等在在常常态态下下不不能能液液化化的的化化合合物物，则则不不能能直直接接用用这这个个公公式式计计算算，因因为为无无法法测测定定其其液液体体密密度度，可可利利用用溶气原油视密度图溶气原油视密度图来查的。来查的。粘粘 度度 原原油油溶溶入入天天然然气气后后粘粘度度减减
10、小小。Chew-Connaly给给出出了了计计算算图图表表和和公公式：式： 未溶解天然气密度未溶解天然气密度 天天然然气气中中溶溶于于原原油油的的都都是是较较重重组组分分，因因此未溶解天然气密度减小。此未溶解天然气密度减小。 表面张力和界面张力表面张力和界面张力 表表面面张张力力和和界界面面张张力力可可以以用用仪仪器器测测定定，也也有有很很多多经经验验相相关关式式可可以以用用来来估估算算，常用的是常用的是修正系数修正系数法。法。 常压下原油表面张力与原油相对密常压下原油表面张力与原油相对密度关系曲线度关系曲线的表达式。的表达式。脱气原油物性脱气原油物性 在在工工艺艺计计算算中中常常常常需需要要
11、确确定定脱脱气气原原油油的的物物性性，最最可可靠靠的的方方法法是是实实验验测测定定，在在缺缺少少实实验验条条件件的的情情况况下下可可以以利利用用一一些些关系式计算。关系式计算。倾点和凝点倾点和凝点 倾倾点点和和凝凝点点是是衡衡量量油油品品流流动动性性的的指指标标，是是在在规规定定的的试试验验仪仪器器和和试试验验条条件件下下测测定定的的。倾倾点点是是油油品品在在试试管管中中5秒秒内内能能流流动动的的最最低低温温度度。凝凝点点是是油油品品在在倾倾斜斜45角角试试管管内内停停留留1 1分分钟钟不不流流动动的的最最高高温温度度。同同一一原原油油的的倾倾点点比比凝凝固固点点约约高高2.52.533。西西
12、方方国国家家广广泛泛使使用用倾倾点点，中中、俄俄等等国常使用凝点。国常使用凝点。密密 度度在在050范围内范围内 kg/mkg/m3 3 kg/(m kg/(m3 3)在在20120范围内范围内粘粘 度度 在缺少实验数据条件下，可根据相对密度和在缺少实验数据条件下，可根据相对密度和温度估算原油的动力粘度：温度估算原油的动力粘度： mPas o15原油的相原油的相对密度密度比热容比热容在原油析蜡温度以上时在原油析蜡温度以上时在原油析蜡温度以下时在原油析蜡温度以下时蒸气压蒸气压 目目前前，还还没没有有用用于于测测定定原原油油蒸蒸气气压压的的专专用用测测定定器，原油蒸气压的获得仍要利用雷特蒸气压。器
13、，原油蒸气压的获得仍要利用雷特蒸气压。 雷雷特特蒸蒸气气压压测测定定器器原原来来是是为为测测定定汽汽油油的的蒸蒸气气压压而而设设计计的的。它它有有两两个个上上下下连连通通的的室室：燃燃料料室室（容容积积为为125亳亳升升）和和空空气气室室（容容积积为为500毫毫升升），容容积积比为比为1:4。 将将油油品品装装入入燃燃料料室室，剧剧烈烈摇摇动动后后在在38恒恒温温水水浴浴中中所所测测得得的的油油品品蒸蒸气气的的最最大大压压力力，即即为为雷雷特特蒸蒸气气压。压。 油品蒸气压的求法油品蒸气压的求法雷特蒸气压与真实蒸气压的换算雷特蒸气压与真实蒸气压的换算气液相平衡气液相平衡 在在一一定定温温度度、压
14、压力力条条件件下下，组组成成一一定定的的物物系系，当当气气液液两两相相接接触触时时，相相间间将将发发生生物物质质交交换换，直直至至各各相相的的性性质质（如如温温度度、压压力力和和气气、液液相相组组成成等等）不不再再变变化化为为止止。达达到到这这种种状状态态时时，称称该该物物系系处处于于气气液液相相平衡状态平衡状态。 油油气气田田井井流流是是一一种种由由数数百百种种纯纯化化合合物物组组成成的的极极其其复复杂杂的的烃烃类类和和非非烃烃类类的的混混合合物物。因因此此，要要了了解解油油气混合物体系的相平衡，必须了解烃系的相特性。气混合物体系的相平衡，必须了解烃系的相特性。一元体系的相特性图一元体系的相
15、特性图 只只有有一一种种纯纯化化合合物物的的物物系系称称一一元元体体系系。一一元元体体系的相特性可用系的相特性可用pt、pv 图表示，如图所示。图表示，如图所示。一元体系的相特性一元体系的相特性 可见，一元体系的相特性主要有以下可见，一元体系的相特性主要有以下特点特点：纯烃的饱和蒸气压仅仅是温度的单值函数，纯烃的饱和蒸气压仅仅是温度的单值函数，压力愈高，其饱和蒸气压愈大压力愈高，其饱和蒸气压愈大纯烃气体温度愈高，愈不容易液化纯烃气体温度愈高，愈不容易液化临界压力和临界温度是气夜两相共存的最高临界压力和临界温度是气夜两相共存的最高压力和最高温度压力和最高温度纯烃饱和蒸气压的求法纯烃饱和蒸气压的求
16、法查图法查图法计算法计算法二元体系的相特性图二元体系的相特性图二元体系的相特性二元体系的相特性可见，二元体系的相特性主要有以下可见，二元体系的相特性主要有以下特点特点：由由PT 图图可可以以看看出出，相相特特性性与与二二元元体体系系的的组组成成有有关，重组分越多，特性向右偏移关，重组分越多，特性向右偏移饱饱和和蒸蒸气气压压不不再再是是温温度度的的单单值值函函数数，在在某某一一温温度度下下，气气液液处处于于平平衡衡状状态态时时的的压压力力有有一一个个范范围围，其其大大小和汽化率有关，汽化率愈小，饱和蒸气压愈大小和汽化率有关，汽化率愈小，饱和蒸气压愈大二二元元体体系系的的临临界界温温度度在在构构成
17、成二二元元体体系系的的组组分分临临界界温温度度之之间间，临临界界压压力力多多数数情情况况下下高高于于纯纯组组分分的的临临界界压力压力二元体系的相特性二元体系的相特性临临界界冷冷凝凝温温度度、临临界界冷冷凝凝压压力力是是气气液液两两相相能能平平衡衡共共存存的的最最高高温温度度和和最最高高压压力力，在在二二元元体体系系中中临临界界温温度度和和临临界界压压力力不不再再是是气气液液能能平平衡衡共共存存的最高温度和最高压力的最高温度和最高压力二二元元体体系系内内，温温度度高高于于轻轻组组分分临临界界温温度度时时，仍能使轻组分部分或全部液化仍能使轻组分部分或全部液化临临界界点点附附近近存存在在反反常常区区
18、，有有反反常常冷冷凝凝和和反反常常汽化现象汽化现象二元体系反常区二元体系反常区 反反常常冷冷凝凝又又包包括括等等温温反反常常冷冷凝凝和和等等压压反反常常冷冷凝凝；反反常常汽汽化化又又包包括括等等温温反反常常汽汽化化和和等等压压反反常常汽汽化。化。 多元体系的相特性多元体系的相特性 两两种种以以上上纯纯化化合合物物构构成成的的体体系系称称为为多多元元体体系系，它它具具备备二二元元体体系系相相特特性性的的全全部部特特征征，但但多多组组分分混混合合物物的的临临界界压力更高、包络线所围面积更大压力更高、包络线所围面积更大 。相平衡计算相平衡计算 集集输输系系统统的的压压力力、温温度度条条件件总总是是在
19、在石石油油的的压压力力温温度度相相态态图图的的包包线线范范围围内内，因因此此，在在集集输输系系统统的的压压力力、温温度度条条件件下下，石石油油总总是是分分成成气气、液两相。液两相。 相相平平衡衡计计算算往往往往是是已已知知石石油油的的组组分分和和流流量量，以以及及分分离离的的压压力力、温温度度条条件件，求求原原油油和和天天然然气气的组成和流量。的组成和流量。 相平衡计算的假设相平衡计算的假设 由于石油组分多且不确切，无法假设计算出分由于石油组分多且不确切，无法假设计算出分离条件下每种组分在气相和液相中的数量。因此，离条件下每种组分在气相和液相中的数量。因此，要做一些简化假设：要做一些简化假设：
20、 石油中的非烷烃类，看作是相应的烷烃石油中的非烷烃类，看作是相应的烷烃 挥挥发发性性强强、易易于于进进入入气气相相的的碳碳原原子子数数少少于于67的的烃烃作作为为独独立立组组分分，重重于于C6或或C7的的烃烃的的总总和和作作为一独立假组分，以为一独立假组分，以C6或或C7表示表示 石石油油中中的的非非烃烃类类杂杂质质气气体体N2、CO2、H2S等等看看作是独立组分作是独立组分 理想溶液和理想气体理想溶液和理想气体 理理想想溶溶液液服服从从拉拉乌乌尔尔定定律律：在在溶溶液液的的蒸蒸汽汽中中，任任意意组组分分的的分分压压P Pi i与与该该组组分分在在溶溶液液中中的的分分子子分分数数x xi i成
21、成正正比比，其其比比例例系系数数就就是是该该组组分分在在体体系系温温度度下下纯纯态时的饱和蒸汽压，即：态时的饱和蒸汽压，即： 理理想想气气体体服服从从道道尔尔顿顿定定律律：若若干干种种理理想想气气体体组组成成的的混混合合气气体体中中，某某种种气气体体i的的分分压压Pi为为该该气气体体在在混混合合气气体体中中的的分分子子分分数数yi与与混混合合气气体体总总压压力力P的的乘乘积，即：积，即： 相平衡常数相平衡常数 平衡常数是体系压力和温度的函数平衡常数是体系压力和温度的函数 对对原原油油和和天天然然气气这这样样的的非非理理想想体体系系，平平衡衡常常数数是是压压力力、温温度度和和组组成成的的函函数数
22、，特特别别是是高高压压下下，组组成成对对平衡常数的影响更为显著平衡常数的影响更为显著 理想溶液和理想气体构成的体系称为理想体理想溶液和理想气体构成的体系称为理想体系。同时遵循拉乌尔定律和道尔顿定律，则：系。同时遵循拉乌尔定律和道尔顿定律，则：定义平衡常数定义平衡常数组成对平衡常数的影响组成对平衡常数的影响 溶液组成对溶液组成对C4平衡常数的影响平衡常数的影响 1：C4一C2；2：C4一C1 ；3：C4一天然气吸收油相平衡常数的求法相平衡常数的求法理论方法理论方法解析法解析法经验方法经验方法 查图法查图法 会聚压法会聚压法 相平衡计算相平衡计算 在进行油气平衡分离计算时，通常已知：在进行油气平衡
23、分离计算时，通常已知： 石油的组成石油的组成zi和各组分的分子量和各组分的分子量Mi 分离的温度和压力条件分离的温度和压力条件P、t 石油中每种组分在分离条件下的平衡常数石油中每种组分在分离条件下的平衡常数ki 通过计算要确定的参数是：通过计算要确定的参数是： 若若进进入入体体系系的的物物料料为为1mol，求求在在分分离离条条件件下下气液平衡时，气液相各有多少，气液平衡时，气液相各有多少，V 和和L 求求气气液液的的组组成成，即即各各种种组组分分在在气气、液液相相中中的的分分子分数子分数yi和和xi 相平衡计算公式相平衡计算公式根据体系物料平衡：根据体系物料平衡：L+V=1 L+V=1 组分物
24、料平衡：分物料平衡： 又有：又有： 相平衡的计算步骤相平衡的计算步骤 求求L L、V V、x xi i、y yi i时时有有三三个个方方程程，四四个个未未知知数数，因因此此求求解解应应该该是是一一个个试试算算过过程程，步步骤如下：骤如下： 假设假设L或或V，由，由L+V=1求出求出V或或L 求求xi和和yi 校校核核xi或或yi的的总总和和是是否否为为1，否否则则需需重新假设重新假设V或或L 相平衡计算程序框图相平衡计算程序框图K 值（习题值（习题5中用）中用）条件条件2.5105Pa105PaC1100255C21743C35.223C42.44.95C50.81.65C60.230.6C7
25、0.0180.0375泡点的计算泡点的计算 当当物物料料处处于于泡泡点点时时，无无限限小小量量气气体体和和大量液体共处于体系内，即大量液体共处于体系内，即V V00，L L11。 在在体体系系温温度度下下满满足足上上述述方方程程的的压压力力就就是物料的泡点压力，在泡点：是物料的泡点压力，在泡点：露点的计算露点的计算 露露点点时时，体体系系内内的的液液相相量量为为无无限限小小，即即L L00，V V11。 在在体体系系温温度度下下满满足足上上述述方方程程的的压压力力就就是物料的露点压力，在露点：是物料的露点压力，在露点：影响相平衡的因素n 石油组成石油组成n 分离压力分离压力n 分离温度分离温度
26、按组成分类按组成分类 根根据据几几种种烃烃类类在在原原油油中中的的比比例例划划分分原原油种类，油种类，Sachanen分类法分类法:n 石蜡基原油石蜡基原油 烷烃大于烷烃大于75%n 环烷基原油环烷基原油 环烷烃大于环烷烃大于75%n 芳香基原油芳香基原油 芳香烃大于芳香烃大于50%n 沥青基原油沥青基原油 沥青质大于沥青质大于50%按气油比分类按气油比分类 按气油比将油气井井流产物分成：按气油比将油气井井流产物分成：n 死油死油 deal oil 气油比为零气油比为零n 黑油黑油 black oil 气油比小于气油比小于356m3/m3n 挥发性原油挥发性原油 volatile oil 气油
27、比气油比356588m3/m3n 凝析气凝析气 condensate gas 气油比气油比5888905m3/m3n 湿气湿气 wet gas 气油比大于气油比大于8905m3/m3n 干气干气 dry gas 不含液体的天然气不含液体的天然气按收缩性分类按收缩性分类 “收收缩缩”指指油油藏藏原原油油在在地地面面脱脱气气后后体体积积的的缩缩小小。收收缩缩系系数数的的定定义义是是单单位位体体积积油油藏藏原原油油在在地地面面脱脱气气后后的的体体积积数数，用用来来描描述述原原油油收收缩缩性性的的大大小小。根据收缩系数的大小划分原油种类根据收缩系数的大小划分原油种类:n 低低收收缩缩原原油油 low-
28、shrinkage crude oil 收收缩缩系数大于系数大于0.5n 高高收收缩缩原原油油 high-shrinkage crude oil收收缩缩系数小于系数小于0.5按相对密度和粘度分类按相对密度和粘度分类 Dowd等等人人根根据据原原油油相相对对密密度度和和粘粘度度划划分原油种类分原油种类:n 普普通通原原油油 相相对对密密度度小小于于0.934 粘粘度度小小于于10Pasn 重重质质原原油油 相相对对密密度度0.934 1.000 粘粘度度小于小于10Pasn 特重原油特重原油 相对密度大于相对密度大于1.000n 天然沥青天然沥青 粘度大于粘度大于10Pas按硫含量分类按硫含量分
29、类 把把硫硫含含量量高高的的原原油油称称为为酸酸性性原原油油 sour crude，但没有统一标准。，但没有统一标准。n一种说法，一种说法，H2S体积浓度超过体积浓度超过3700mg/Ln西方管道界，硫含量超过西方管道界，硫含量超过0.5%（质量）（质量）0APIMO关系图关系图泡点压力系数与气体摩尔分数的关系泡点压力系数与气体摩尔分数的关系气体摩尔分数计算式气体摩尔分数计算式P 绝对压力，绝对压力，MPa；T 温度，温度，K；g 天然气相对密度；天然气相对密度；溶气原油视密度图溶气原油视密度图溶气原油粘度溶气原油粘度 修正系数修正系数 修正系数可以通过修正系数可以通过查图查图得到，也可得到，也可以用曲线回归的关系式计算。可见，修以用曲线回归的关系式计算。可见，修正系数是压力的单值函数，而且压力愈正系数是压力的单值函数，而且压力愈高，修正系数愈小。高，修正系数愈小。
