模块二油田的开发和开采授课教案.docx

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模块二油田的开发和开采授课教案

第二章石油和天然气开采

油气性质和理论

课程内容

分配学时

　主要内容

重点

难点

　　第一节　原油性质

共2学时

1、原油分类；　

2、原油和天然气物性；　

3、烃系的相特性和相平衡计算。

原油物性

烃系的相特性和相平衡计算

　　第二节　气液平衡

概述：

　　本章主要讲述了原油的分类方法、溶气原油物性和脱气原油物性、烃系的相特性以及相平衡常数和相平衡的计算等内容，其目的是为本门课程的后续学习提供基础资料和基本理论。

本章的重点为烃系的相特性以及相平衡常数和相平衡计算等部分的知识。

本章计划授课学时学时，自学学时8学时。

建议学员在进行本章学习时要与相关的规范或标准相结合。

第一节　原油性质

原油是一种极其复杂的烃类和非烃类的液态混合物，其中碳和氢的质量分数分别为85%、12%左右，其余为硫、氮、氧和金属化合物。

人们已从原油中提炼出200多种纯化合物。

限于技术和经济原因，原油中到底有多少种化合物目前还不是很清楚。

原油中所含的烃类主要有正构及异构烷烃、环烷烃和芳香烃等。

　　本节主要介绍原油分类，溶气原油物性和脱气原油物性等知识，其中溶气原油物性和脱气原油物性是本节重点掌握内容。

本节主要介绍原油的分类方法、溶气原油物性和脱气原油物性。

通过本节的学习，我们应该掌握溶气原油物性和脱气原油物性相关知识，另外，也需对原油的分类方法有所了解。

原油分类

世界上已开采的原油至少有1500种以上，需要有分类标准确定不同原油的价值、地面处理难易程度及原油加工方案等。

常以原油组成、气油比、相对密度和粘度、硫含量等划分原油类型。

1．按组成分类

根据几种烃类在原油中的比例划分原油种类，Sachanen的分类法得到工业界的认可，见表2-1。

由于原油类型实在太多，符合表内分类的原油很少，因而出现了混合基原油，如石蜡－环烷基、环烷－芳香基、芳香－沥青基原油等。

表2-1按原油组成分类

原油类型

组成

石蜡基

烷烃>75%

环烷基

环烷烃>75%

芳香基

芳香烃>50%

沥青基

沥青质>50%

2．按气油比分类

按气油比可将油气井井流产物分成：

①死油，从油藏压力降至大气压，原油内无溶解气析出，即气油比为零；

②黑油或称普通原油，气油比小于356m3/m3的原油；

③挥发性原油，气油比在356～588m3/m3范围内的原油；

④凝析气,气油比在588～8905m3/m3；

⑤湿气，气油比大于8905m3/m3；

⑥干气,不含液体的天然气。

3．按收缩性分类

“收缩”指油藏原油在地面脱气后，体积的缩小。

收缩系数定义为单位体积油藏原油在地面脱气后的体积数，用来描述原油收缩性的大小。

收缩系数大于0.5的原油称为低收缩原油，小于0.5的为高收缩原油。

也有文献把气油比小于100m3/m3的原油称低收缩原油，高于200m3/m3的称高收缩原油。

4．按相对密度和粘度分类

　Dowd等人根据原油相对密度和粘度将原油分为普通原油、重质原油、特重原油和天然沥青（也称沥青砂、油砂）等，见表2-2。

表2-2按相对密度和粘度分类

类型

相对密度

粘度/（Pa·s）

普通原油

<0.934

<10

重质原油

0.934~1.000

<10

特重原油

>1.000

天然沥青

>10

5．按硫含量分类

原油都含有硫化物，其中大部分硫化物存在于高沸点馏分内。

把硫含量高的原油称酸性原油，但无统一标准。

一种说法是存在H2S，质量浓度超过3700mg/L者为酸性原油。

西方管道界常把硫含量超过0.5%质量分数者称酸性原油。

6．我国原油分类

　我国以常压沸点250～275℃和395～425℃两个关键馏分油的密度来划分原油类别（表2-3），并将原油分为七类（表2-4）。

表2-3原油关键组分分类

组分分类

第一关键组分20℃密度/（g·cm-3）

粘度/（Pa·s）

石蜡基

<0.8207

<0.8721

混合基

0.8560~0.8207

0.9302~0.8721

环烷基

>0.8560

>0.9302

表2-4原油分类

原油分类

第一关键组分分类

第二关键组分分类

石蜡基

石蜡基

石蜡基

石蜡－混合基

石蜡基

混合基

混合－石蜡基

混合基

石蜡基

混合基

混合基

混合基

混合－环烷基

混合基

环烷基

环烷－混合基

环烷基

混合基

环烷基

环烷基

环烷基

2.溶气原油物性

油井所产原油在进入矿场油库的常压储罐前，大多为溶气原油，其溶气量、密度、粘度等物性随压力温度条件而改变。

以下介绍的溶解度等溶气原油物性计算方法适用于压力、温度较高的油藏及油气两相流动条件下，溶气原油物性的经验计算方法，称为黑油模型。

　1．美国石油学会相对密度

在描述石油及石油产品时，西方国家常用°API相对密度，其范围从0~100°，与我国惯用相对密度的关系为

（2-1）

式中：

Δo－15℃下，原油对同温度水的相对密度。

　　由上式可知，水的°API为10；油品愈轻，°API相对密度愈大。

2．溶解度

把常态下矿场油库储罐中的原油称为脱气原油，把高于大气压、溶有天然气的原油称为溶气原油。

若原油和天然气处于相平衡状态，物系的压力为原油的泡点压力或饱和压力。

单位体积脱气原油在某一压力、温度下能溶解的天然气体积数（折算成标准状态下的体积）称天然气溶解度，或称溶解气油比，以RS表示，常以m3/m3为单位。

Lasater（雷萨特）在实验数据的基础上，给出了求解溶解度的相关式。

（2-2）

式中：

yg——天然气摩尔分数，由下式计算

Δg——天然气相对密度；

　　p——绝对压力，MPa；

　　T——温度，K；

　　Δo——脱气原油相对密度；

　　Mo——脱气原油相对分子质量，可由°API查图求得。

　　Standing（司坦丁）在大量油样实验测定的基础上，提出另一种形式计算溶解度的相关式

　　（2-3）

式中：

t——温度，℃。

　　由此看出，天然气在原油内的溶解度主要取决于压力，与温度、油气组成等有关。

油气相对密度愈接近，原油溶解天然气的能力愈强。

　　Chierici（查里锡）等人建议，原油相对密度大于0.966时用Lasater相关式，否则用Standing相关式。

3．原油体积系数

由于天然气在原油内的溶解，使原油体积增大。

单位体积脱气原油溶入天然气后具有的体积数称原油体积系数，以下式表示

　　（2－4）

式中Vosg、Vo——分别为溶气和脱气原油的体积。

显然，只要有气体溶入原油，原油的体积系数总大于1。

Standing根据大量实验，得出了如下结论：

饱和原油的体积系数随天然气在原油内溶解度RS的增多而增大；随物系温度的增高而增大；还和油气组成有关，油气相对密度愈接近，原油体积系数愈大。

4．溶气原油密度

原油内溶入天然气后，密度称为视密度，或表观密度。

由单位体积脱气原油内溶入天然气后的物料平衡，可得溶气原油的视密度，即

　　（2－5）

式中：

ρo——脱气原油密度；

　　　ρa——常态下空气密度；

　　　Δgs——溶入原油内天然气的相对密度。

　　与脱气原油相比，溶气原油的视密度较小。

溶于原油内的天然气是天然气中较重的组分，故溶解天然气的相对密度应大于天然气的相对密度。

Katz给出估算溶解天然气相对密度的计算式

　　（2-6）

　　溶解天然气的相对密度与天然气在原油内的溶解度RS有关，溶解度愈小溶解天然气的相对密度愈大，说明天然气内的较重组分更易溶解于原油内。

溶解天然气的相对密度还与脱气原油的相对密度有关，这是因为伴随轻质原油开采出来的天然气常含有较多的重组分，而伴随重质原油采出的天然气往往较贫，主要有甲烷、乙烷等组成，故在相同溶解度下溶于重质原油的天然气，其相对密度较小。

5．粘度

原油溶入天然气后粘度减小。

溶气原油粘度与脱气原油粘度、天然气溶解度RS有关，可用下式计算。

　　（2-7）

式中，、——同温度下溶气和脱气原油的粘度，mPa·s；

　　，

6．未溶解天然气密度

天然气中部分较重组分溶入原油后，使未溶解天然气的密度减小。

若油藏流体的气油比为Rn、天然气密度为ρg，则天然气质量为Rnρg。

在某一压力、温度下，有RS体积的天然气溶于原油内，溶解天然气的密度为ρgs，相应的质量为RSρgs。

按密度定义，未溶解天然气密度应为（Rnρg－RSρgs）/（Rn-RS）。

7．表面张力和界面张力

表面和界面张力可用仪器测定，也可由经验相关式估算。

　（2-8）

式中，σ′——某一压力p（MPa）、温度t（℃）条件下，溶气原油的表面张力；

　　　　　σ——相同温度、常压下脱气原油的表面张力。

在缺少试验数据的情况下，可用下式计算：

　　（2-9）

在油气田经常遇到油水混合物，油水“互不相溶”，在油水间存在界面和界面张力。

影响界面张力的因素十分复杂，除与油和水的表面张力有关外，尚与油水内存在的表面活性物质有关，表面活性物质能极大地改变油水间的界面张力。

有两个简单的关系式描述油水间的界面张力。

　　安特诺夫（Antonoff）认为，界面张力σ1，2为两种液体表面张力之差，即

　　（2-10）

　　实际上，油水间存在极小的互溶性，因而式中σ1和σ2为被对方饱和的液体的表面张力,非纯液体的表面张力。

安特诺夫规则没有通用性，只适用于某些物系。

　　吉列法而可和古得（Girifalco&Good）给出的关系式为

　　（2-11）

式中为常数。

对不能与水形成H键的物质，为0.51～0.78；能形成H键的为0.84～1.15。

　　以上计算溶气原油物性的方法，可粗略计算组分不确定物系内气液平衡时的气液数量和气液参数，常用于油藏内油气物性的估算，油气分离的粗略计算，还可用于原油和天然气两相流动管道的工艺计算。

1.脱气原油物性

在工艺计算中常需确定脱气原油的各项性质，如密度、粘度、比热等。

最可靠的方法是实验测定，在缺少实验数据条件下可按以下方法估算。

　　1．倾点和凝点

倾点是指在规定试验仪器和试验条件下，试管内油品在5s内能流动的最低温度。

凝点是油品在倾斜45°角试管内停留1min不流动的最高温度。

倾点和凝点是衡量油品流动性的条件性指标。

由于规定的试验条件和仪器不同，同一原油的倾点比凝固点约高2.5～3℃。

2．密度

若已知20℃时的原油密度，则在0～50℃范围内、温度为t时的密度可按下式计算

　　（2-12）

式中，ρt、ρ20——温度为t℃和20℃的原油密度，kg/m3；

　　ξ——温度系数，kg/（m3·℃），ξ=1.828-0.00132ρ20。

　　在20～120℃范围内，原油密度为

　　（2-13）

　　780≤ρ20＜860时，α＝（3.083-2.638×10-3ρ20）10-3

　　860≤ρ20≤960时，α＝（2.513-1.975×10-3ρ20）10-3。

3．粘度

原油粘度有动力粘度和运动粘度之分。

运动粘度为动力粘度除以相同温度、压力下的原油密度。

在缺少实验数据条件下，可根据原油相对密度和温度估算原油动力粘度。

　　（2-14）

式中，μo——原油粘度，mPa·s；

　　；；

　　t——温度，℃；

　　Δo——15℃原油的相对密度。

4．比热容

下图为实测的原油比热容-温度曲线。

图原油比热容－温度关系

　　四种原油的c-t曲线极其相似。

温度高于析蜡温度时，石蜡全部溶于原油内，比热容随温度的升高而缓慢上升