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.docx
《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.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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
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；当温度在析蜡温度与最高比热容对应的温度之间时，由于随油温下降，单位温降的析蜡量逐渐增多，蜡相态变化放出的潜热也增多，c随温度降低而增大；温度小于最大比热容对应的温度时，单位温降析出的蜡量逐步减小，比热容c随温度降低而减小。
不同的区间有不同的计算原油比热容的计算公式，具体见教材。
5．蒸气压
原油蒸气压的大小反应原油的挥发性、储运过程中的潜在损耗率和安全性，以及对环境潜在污染等，因而对原油及油气田其他液体产品的蒸气压一般都有严格要求。
常用雷特蒸气压测定仪器测定原油和其他油品的蒸气压。
油样放在蒸气与液体体积比为4：
1的容器内，在38℃的恒温下测出蒸气的最大压力，蒸气室内的气体包括油蒸气、空气和水蒸气，油蒸气的压力即为雷特蒸气压。
由于原油内部分较轻组分蒸发进入蒸气空间，测定器内原油组成与装样时的组成发生了改变，测得的雷特蒸气压略低于同温下的液体真实蒸气压。
测得原油雷特蒸气压后，可由列线图换算为所求温度下的真实蒸气压。
小结：
1、我国常以原油组成、气油比、相对密度和粘度、硫含量等划分原油类型。
2、溶气原油物性计算
相对密度：
溶解度：
原油体积系数：
溶气原油密度：
粘度：
3、脱气原油物性：
原油倾点和凝点：
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。
密度：
粘度：
根据原油相对密度和温度估算原油动力粘度
比热容：
温度高于析蜡温度时，比热容随温度的升高而缓慢上升；当温度在析蜡温度与最高比热容对应的温度之间时，比热容c随温度降低而增大；温度小于最大比热容对应的温度时，比热容c随温度降低而减小。
雷特蒸气压：
油样放在蒸气与液体体积比为4∶1的容器内，在38℃的恒温下测出蒸气的最大压力，蒸气室内的气体包括油蒸气、空气和水蒸气，油蒸气的压力即为雷特蒸气压
自测：
一、选择题
1.把硫含量高的原油称为（ ）
正确答案：
D
A.高硫原油；
B.硫化原油；
C.硫性原油；
D.酸性原油。
2.同一原油的凝点比倾点约高2.5～3℃。
（ ）正确答案：
B
A.正确；
B.错误；
3.油品愈轻，°API相对密度愈大。
（ ）
正确答案：
A
A.正确
B.错误
第二节 气液平衡
概述：
本节主要介绍烃系的相特性以及相平衡常数和相平衡的计算等方面的知识。
通过本节的学习，我们应该掌握烃系的相特性以及相平衡常数和相平衡的计算等相关知识，另外，也需对影响相平衡的因素有所了解。
一元或任何固定组成的多元物系，在一定温度、压力下，将以一定的状态存在。
物系内或为液态，或为气态，或为气液两相。
本节主要介绍烃系的相特性以及相平衡常数和相平衡的计算等知识，使学员清楚的了解对于油气混合物体系在不同条件下处于什么状态，有什么特性。
1．烃系的相特性
（一）一元物系的相特性
只有一种纯化合物的物系称一元物系。
一元物系的相特性可用p－t、p－ν图表示，如下图所示。
P－t图上有升华曲线1-2，蒸气压曲线2－C和熔解曲线2－3，将图面分成5个区域，即：
固相区、液相区、蒸气区、气体区和密相流体区。
三相点2至临界点C之间为纯烃的蒸气压曲线，在曲线左上方的p－t条件下物系内为液相，右下方为蒸气相，只有压力和温度条件处于蒸气压曲线上的任一点时，物系内才存在气液两相。
气液两相共存并达到平衡状态时，宏观上两相之间没有物质的传递，物系内液相的挥发量与蒸气的凝结量相同，蒸气压力不再变化。
这时的气体称为饱和蒸气，液体称为饱和液体，相应压力称为饱和蒸气压。
因而，饱和蒸气压既表示液体的挥发能力，又表示蒸气的凝结能力。
在同一温度下，挥发性强的纯烃的蒸气压大于挥发性弱的纯烃的蒸气压。
对于特定的纯烃，在某一温度下有对应的饱和蒸气压。
温度愈高，分子的平均动能愈大，液相中就有更多的高动能分子克服液体分子间的吸引，逸出液面进入气相，即纯烃的饱和蒸气压随温度的提高而增大。
图一元物系相特性
（a）纯烃的p-t图；（b）p-ν图
左图：
1-2—升华曲线；2-C—蒸气压曲线；2-3—熔解曲线
在p-ν图上表示纯烃的液化过程。
若物系内的纯烃开始处于蒸气态，在恒温t1下压缩其体积，随压力上升，气体比体积逐渐减小。
当压力增至图中A点的压力p1时，物系内开始有液体凝析出来；继续压缩其体积，饱和气体中不断有液体析出，物系压力不变，比体积减小，在p-ν图的恒温线上出现了恒压水平线段，直至全部纯烃变为液体，如图中B点所示。
进一步压缩纯烃的体积，由于液体的压缩性很小，压力急剧增加。
若在较高温度下重复上述压缩过程，由于温度增高，纯烃的饱和蒸气压增大，使饱和蒸气的比体积减小；而饱和液体则由于温度升高、体积膨胀而使其比体积略有增大。
这样，饱和蒸气与饱和液体的比体积随着温度升高而互相接近，水平线变短，在临界温度tc时变为一点C，此时饱和蒸气和饱和液体的比体积相等。
由此可知，纯烃气体只有在温度低于tc以下才能进行液化，使气体液化的最高温度称临界温度，点C称临界点。
（二）二元物系相特性
由两种纯化合物（或称组分）构成的物系称为二元物系。
下图为质量浓度不同的C2和C7构成的二元物系的p－t相特性图。
最左边和最右边的曲线为纯C2和纯C7的蒸气压曲线。
图C2、C7混合物的相特性
B—泡点线；C—临界点；D—露点线
下标：
2—C2；7—C7；a—C2，90.22%；b—C2，50.22%；c—C2，9.78%
以图中C2质量浓度90.22%的C2－C7的p－t关系为例说明二元物系的相特性。
温度为40℃、压力小于0.5MPa时，物系内只有气相。
若保持温度不变，压缩其体积，当压力升至0.5MPa时，气体达到饱和状态并开始有液体凝析。
此时，物系内除微量的平衡液体外，全都是饱和蒸气，该点称露点，相应的温度和压力称为露点温度和露点压力。
继续压缩体积，在凝析液量增加的同时，物系的压力亦不断升高。
当压力达到5.2MPa时，除极微量的平衡气泡外，蒸气全部变为饱和液体，该点称为泡点，相应的温度和压力称为泡点温度和泡点压力。
进一步压缩其体积，液体成为过冷液体。
在其他温度下，重复上述压缩过程，可得到一系列泡点和露点压力，连接各泡点得泡点线Ba，同样可得露点线Da。
泡点线和露点线构成包线BaCaDa，包线内为气液两相能平衡共存的温度和压力范围。
在该范围内，物系的温度压力条件愈接近泡点线，物系内的饱和液体量愈多；愈接近露点线，饱和气体量愈多。
泡点线与露点线的交点为该特定比例C2－C7混合物的临界点。
在临界点气液两相的强度性质相同，变成均匀的一相。
因此，可以看出二元体系的相特性具有以下特点：
1．由图中可以看出，相特性与二元体系的组成有关，重组分越多，特性向右偏移。
2．饱和蒸汽压不在是温度的单值函数，在某一温度下，气液处于平衡状态时的压力有一个范围，其大小和汽化率有关。
习惯上把该温度下的泡点压力称为二元混合物在该温度下的真实蒸汽压。
3．二元体系的临界温度在构成二元体系的组分临界温度之间，临界压力多数情况下高于纯组分的临界压力。
4．两相区包线的最高温度和最高压力分别称为临界冷凝温度和临界冷凝压力。
临界冷凝温度、临界冷凝压力是气液两相能平衡共存的最高温度和最高压力。
在二元体系中不存在临界温度和临界压力是气液能平衡共存的最高温度和最高压力的结论：
P﹥Pc或t﹥tc，只要在包线范围内，体系内仍可出现气液平衡共存状态。
5．二元体系内，温度高于轻组分临界温度时，能使轻组分部分或全部液化。
这就解释了在远高于甲烷临界温度（－82.5℃）的油藏温度下，甲烷能全部或部分液化的现象。
6．临界点附近存在反常区，有反常冷凝和反常汽化现象。
对二元和多元物系p－t曲线临界点附近区域进行分析，见下图。
虚线0.1、0.2、0.3等表示平衡状态时液相在物系中所占的比例。
在临界点C的左边，当压力沿恒温线BD降低时，物系内将发生由泡点至露点的汽化过程。
如起始条件在临界点右侧，如点1，恒温降低至露点线后，继续降压，物系内部分混合物液化，并在点3处物系内液量达到最大。
此后，随着压力降低，已液化的混合物又发生汽化，直至到达下露点4为止。
在等温条件下，由于压力降低，反常地发生液化的现象称为等温反常冷凝。
如上述过程反向进行，由点4等温升压，物系内的混合物气体开始出现正常的冷凝，到点3物系内的液量达到最大，此后进一步升高压力，液相反而减少，直至上露点2又全部变成饱和蒸气，这称为等温反常汽化。
图二元、多元物系的反常蒸发和反常凝析
与此相似，当压力在临界压力和临界冷凝压力之间并保持不变，物系温度变化时，可出现等压反常冷凝和汽化现象。
反常汽化和反常冷凝是二元和多元物系相特性不同于一元物系的另一特点。
这种反常现象只在临界点的右侧（等温反常冷凝和汽化）或上方（等压反常冷凝和汽化）才可能发生。
反常汽化和反常冷凝现象只是在高压、高温下发生，在油气分离作业中一般不会遇到。
（三）多元体系的相特性
两种以上纯化合物（或组分）构成的物系称为多元物系。
多元物系的相特性与二元物系极为相似，它具有二元物系的全部相特性，但多组分混合物的临界压力更高、包络线所围面积更大。
2.相平衡计算
在油气分离器的相平衡计算中，通常已知：
石油的组成和流量，求给定压力和温度下原油和天然气的组成和流量。
在相平衡计算中，石油的组成常用各组分的分子分数表示，为简化计算，假设：
（1）石油中的非烷烃类，看作是相应的烷烃；
（2）挥发性强、易于进入气相的碳原子数少于6~7的烃作为独立组分，重于C6或C7的烃的总和作为一独立假组分，以C6＋或C7＋表示；
（3）石油中的非烃杂质气体N2、CO2、H2S等看作是独立组分。
已知石油的组成和流量求给定压力和温度下，原油和天然气的组成和流量时，需要求出在给定压力、温度时，这种多元体系相平衡时各种组分在气液相中的数量，未知数多，直接计算较困难，要借助某些基础理论寻找各参数间的相互关系。
（一）平衡常数
理想溶液：
有若干种物质构成的一种溶液，若各组分的分子体积相同，分子间的作用力相同，并且相互间不发生化学反应，把这种溶液称为理想溶液。
理想溶液的特点：
（1）各组分混合时有体积加和性，即溶液的体积等于各组分混合前的体积之和；
（2）各组分混合时，没有热效应，即没有吸热、放热现象；
（3）理想溶液的蒸汽压服从拉乌尔定律。
拉乌尔定律：
在溶液的蒸汽中，任意组分的分压Pi与该组分在溶液中的分子分数xi成正比，其比例系数就是该组分在体系温度下纯态时的饱和蒸汽压
即：
理想气体：
分子间没有相互作用、分子本身体积可以忽略不计的气体，由道尔顿定律可知：
若干种理想气体组成的混合气体中，某种气体i的分压Pi为该气体在混合气体中的分子分数yi与混合气体总压力P的乘积，即：
由理想溶液和理想气体构成的体系称为理想体系，它同时遵循道尔顿定律和拉乌尔定律：
∴
令
称为平衡常数，平衡常数k表示在一定条件下，气液两相平衡时，体系中组分i在气相与液相中分子浓度之比。
这样，平衡常数k把组分在气液相中的浓度联系起来了。
由上式也可以看出平衡常数k是体系压力和温度的函数。
实验证明：
对原油和天然气这样的非理想体系，平衡常数k是压力、温度和组成的函数，即k=f（P，T，组成），特别是高压下，组成对平衡常数的影响更为显著。
求相平衡常数的方法通常有两类：
（1）理论方法：
根据气液两相处于平衡时，混合物内每一组分在
升级会员 