1、第三節(jié)第三節(jié) 油氣油氣體系分離體系分離與溶解與溶解 當(dāng)溫度、壓力變化時(shí)，油藏?zé)N類會(huì)出現(xiàn)相態(tài)的變化。油氣田開發(fā)是一個(gè)近似的等溫降壓過(guò)程，當(dāng)油藏壓力低于油藏原始飽和壓力時(shí)，原油中的輕烴組分就會(huì)分離出來(lái)，原來(lái)的單一液相就變成了氣、液兩相； 若在開發(fā)過(guò)程中向油藏注水，提高油藏壓力，則氣、液兩相可以轉(zhuǎn)變?yōu)閱我灰合?。這種相態(tài)變化的本質(zhì)是氣體在油中的分離和溶解。1.1.天然氣天然氣在原油中的溶解度在原油中的溶解度( (solubility) )（1）亨利定律適用于性質(zhì)差別大、不易互溶的氣液體系；（2）氮?dú)?、甲烷在石油中的溶解均服從亨利定律；但天然氣不服從亨利定律，原因在于天然氣與石油是化學(xué)結(jié)構(gòu)相近的烴類物質(zhì)

2、，且天然氣是多組分烴類的混合物；（3）重?zé)N組分氣體在石油中的溶解度大，不符合亨利定律。1.2 1.2 天然氣在石油中的溶解及其影響因素天然氣在石油中的溶解及其影響因素 1.2.1 1.2.1 天然氣天然氣在石油中的在石油中的溶解溶解 圖1.2.1是一定量的天然氣在石油中的溶解圖，溫度一定時(shí)，（）在低壓下主要是溶解系數(shù)較大的重?zé)N組分和易溶的非烴組分，因此曲線陡峭；（）隨著壓力的增加重?zé)N組分基本溶解完畢，只有溶解系數(shù)小的輕烴組分如甲烷繼續(xù)溶解于石油，因而曲線變直；（）當(dāng)壓力達(dá)到Pb時(shí)，天然氣全部溶解于石油中，溶解度曲線變?yōu)樗骄€。溫度一定溫度一定, ,低壓下溶入石油中的低壓下溶入石油中的主要是溶解

3、系數(shù)較大的重?zé)N組主要是溶解系數(shù)較大的重?zé)N組分和易溶的非烴組分分和易溶的非烴組分, ,故曲線陡故曲線陡峭峭, ,隨著壓力的增加重?zé)N氣體基隨著壓力的增加重?zé)N氣體基本溶解本溶解完畢。完畢。甲烷氣體繼續(xù)溶甲烷氣體繼續(xù)溶解解, ,溶解曲線變直溶解曲線變直氣體溶解完畢，氣體溶解完畢，對(duì)應(yīng)飽和壓力對(duì)應(yīng)飽和壓力壓力繼續(xù)升高，無(wú)氣體可溶1.2.2 影響天然氣在石油中溶解的因素影響天然氣在石油中溶解的因素主要因素：主要因素：壓力、溫度、天然氣壓力、溫度、天然氣的的性質(zhì)、石油性質(zhì)、石油的的性質(zhì)。性質(zhì)。（1 1）壓力壓力：當(dāng)溫度一定時(shí)，天然氣溶解度隨壓力的增加而增加，且天然氣在石油中的溶解能力是無(wú)限的，但受壓力和天然

4、氣量的限制（圖.2.1）；（2 2）溫度溫度：隨溫度的升高，烴類組分的飽和蒸汽壓升高，所以天然氣的溶解度下降；（3 3）天然氣天然氣的性質(zhì)的性質(zhì)：?jiǎn)谓M分烴的相對(duì)分子質(zhì)量越大，在石油中的溶解度越大，天然氣中重?zé)N分子越多、相對(duì)密度越大，在石油中的溶解度越大；（4 4）石油石油的性質(zhì)的性質(zhì)：(圖1.2.5)在相同的溫度和壓力下，同一種天然氣在輕質(zhì)油中的溶解度大于在重質(zhì)油中的溶解度，因?yàn)樘烊粴獾男再|(zhì)與輕質(zhì)油的性質(zhì)相近造成的,因此在給定的溫度和壓力范圍內(nèi)，油氣組成越接近，烴類氣體在石油中的溶解度就越大。 此外，天然氣中非烴氣體的含量也影響溶解度。例如，40攝氏度時(shí)，在相對(duì)密度為0.873的石油中二氧化碳

5、的溶解系數(shù)幾乎是甲烷的3.5倍，而氮?dú)鈨H為甲烷的1/4。圖1.2.5 天然氣溶解度與石油相對(duì)密度的關(guān)系2.1 相態(tài)方程的建立 設(shè)：油氣體系中液相和氣相混合物的總量為1mol，在壓力為P，溫度為T時(shí)兩相達(dá)到熱力學(xué)動(dòng)平衡； 液相中的物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)為NL； 氣相中的物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)為Ng； 則： (2)( 1molNNgl2.2.相態(tài)方程相態(tài)方程如果油氣體系中有m個(gè)組分，任一組分i在氣相中的摩爾濃度為yi，在液相中的摩爾濃度為xi，在體系中的摩爾濃度為ni，則： (3)聯(lián)立式(2)和式(3)有： (4) 令yi/xi=ki，并代入式(4)得：giliiNyNxnliiiliiNxxyNxn1 式中ki為任

6、一壓力、溫度下組分i在氣液相中的分配比例，常稱為平衡常數(shù)或分配常數(shù)；式(5)為任一組分i在液相中的濃度表達(dá)式。liiiiNkknx1(5)(5)同理，將式(2)寫成Ng=1-NL，代入式(3)中可得到任一組分i在氣相中的濃度表達(dá)式： ( (6) 6) 在平衡條件下，烴類體系在氣液兩相中摩爾濃度之和必然等于1，則有：liiiiiNkkkny1 式(7) 為氣液體系的相態(tài)方程。利用上述方程，已知體系的總組成為ni，就可以計(jì)算出在不同壓力、溫度下，不同氣液分離方式下所能分離出的氣液數(shù)量及各個(gè)組分分別在氣、液兩相中的濃度yi和xi 。miliiiiimiliiiiNkkknyNkknx111111(7

7、)(7)2.2 露點(diǎn)壓力和泡點(diǎn)壓力的確定 露點(diǎn)方程和泡點(diǎn)方程是特定壓力點(diǎn)上的相態(tài)方程。 （1）露點(diǎn)壓力：一個(gè)烴類系統(tǒng)在一定的溫度下，以無(wú)限小量的液相和大量氣相平衡共存時(shí)的壓力。 在該壓力和溫度下，體系組成為：iiglnyNN10(8) 體系中只有無(wú)限小量液體，但該液體中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)之和為1。由式(7)可以寫出露點(diǎn)方程(9) ：11111mimimiiiliiiiknNkknx（2 2）泡點(diǎn)壓力：）泡點(diǎn)壓力：烴類系統(tǒng)在一定溫度下，有無(wú)限小量的氣相和大量的液相平衡共存時(shí)的壓力。泡點(diǎn)壓力亦稱飽和壓力。在此壓力和溫度下，體系的組成為： iiglnxNN01(10) 體系中只有無(wú)限小量的氣體，但氣泡

8、各組分的摩爾分?jǐn)?shù)之和為1。由式7可以寫出泡點(diǎn)方程(11) ：(11)mimiiiikny111到此為止建立了一組計(jì)算油氣分離的方程式(7)和用于計(jì)算露點(diǎn)壓力和泡點(diǎn)壓力下的方程式(10)和(11)。 注意：在進(jìn)行油氣分離計(jì)算時(shí)，由于地下烴類體系所含組分很多，應(yīng)用式(7)、式(10)和式(11)所得方程的個(gè)數(shù)會(huì)很多，用聯(lián)立方程式求解時(shí)會(huì)相當(dāng)麻煩。所以一般采用試算法進(jìn)行計(jì)算。原則是：原則是：先估選一個(gè)NL(或Ng)值代入式中，可計(jì)算出各組分的xi值(或yi)值，如果滿足xi=1(或yi=1)。則所選NL(或Ng)值即為所求值。 如果xi1(或yi1)，則重新選取NL(Ng)代入式中進(jìn)行計(jì)算，直到滿足

9、時(shí)為止。2.3 平衡常數(shù)平衡常數(shù)（equilibrium constant) ) 平衡常數(shù)平衡常數(shù)：是指在一定壓力和溫度條件下，氣液兩相處于平衡時(shí)，體系中某組分在氣相和液相中的分配比例。在數(shù)值上為該組分在氣相和液相中的摩爾分?jǐn)?shù)的比值，即ki=yi/xi。一些文獻(xiàn)中稱為平衡比或分配平衡比或分配系數(shù)系數(shù)。TiiiTiiiippppppxyk002.3.1 理想溶液的平衡常數(shù)理想溶液的平衡常數(shù)曲線的共同特點(diǎn)是曲線的共同特點(diǎn)是：a a、在低壓范圍內(nèi)，每、在低壓范圍內(nèi)，每條曲線的斜率都幾乎條曲線的斜率都幾乎等于等于- -；b b、除甲烷、除甲烷外，每條曲線的變化外，每條曲線的變化趨勢(shì)均為：從低壓開趨勢(shì)均

10、為：從低壓開始，隨壓力增加，平始，隨壓力增加，平衡常數(shù)不斷減小，當(dāng)衡常數(shù)不斷減小，當(dāng)壓力增大到某一數(shù)值壓力增大到某一數(shù)值時(shí)，平衡常數(shù)達(dá)到最時(shí)，平衡常數(shù)達(dá)到最小值；壓力繼續(xù)增加，小值；壓力繼續(xù)增加，平衡常數(shù)又增大，每平衡常數(shù)又增大，每一條曲線都有逼近于一條曲線都有逼近于1 1（x xi i=y=yi i) )的趨勢(shì)的趨勢(shì)。2.3.2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)及圖版確定平衡常數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)及圖版確定平衡常數(shù)實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明：在低壓(p2 MPa)下，混合物體系的組成對(duì)平衡常數(shù)的精度有較大的影響。因此認(rèn)為，高壓下平衡常數(shù)不僅是壓力、溫度的函數(shù)而且是體系組成的函數(shù)，即ki=f(P,T, 組成)。對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理

11、在兩個(gè)體系中，只要這兩個(gè)體系的組成為同族物，且收斂壓力相同，那么在這個(gè)體系中某組分的平衡比和該組分在另一個(gè)體系中同溫、同壓下的平衡比相同。例如甲烷、乙烷、丙烷和甲烷、乙烷、丁烷。即ki=(P，T，Pcv)。 收斂壓力收斂壓力( (convergence pressure) )定義定義：在lgk-lgp關(guān)系曲線上，當(dāng)壓力較高時(shí)，隨著壓力的增加每一條曲線都有收斂為平衡常數(shù)等于的趨勢(shì)，平衡常數(shù)收斂為時(shí)的壓力就是收斂壓力（pcv)。 當(dāng)給定溫度是體系的臨界溫度時(shí)，收斂壓力即為該體系的臨界壓力。但通常，一個(gè)體系所處的溫度不是它的臨界溫度，這時(shí)若壓力增加，體系可能出現(xiàn)泡點(diǎn)或露點(diǎn)，就不能由實(shí)驗(yàn)測(cè)出收斂壓力，

12、只能由這些曲線的變化趨勢(shì)外推出平衡常數(shù)為1的點(diǎn)。 1 1) ) 右圖右圖是是兩個(gè)體系兩個(gè)體系的收斂壓力的收斂壓力曲線；曲線；2 2) ) 體系體系1 1的收斂壓的收斂壓力為力為7.03 7.03 MpaMpa；3 3) ) 體系體系2 2的收斂壓的收斂壓力為力為35.2 35.2 MpaMpa；4) 4) 計(jì)算計(jì)算這兩個(gè)體系這兩個(gè)體系的相態(tài)參數(shù)時(shí)的相態(tài)參數(shù)時(shí), ,體系體系1 1選用收斂壓力選用收斂壓力7.03 7.03 MPaMPa的圖版確定平衡的圖版確定平衡常數(shù)常數(shù), ,則選用則選用收斂壓力為收斂壓力為35.2 35.2 MPaMPa的圖版。的圖版。 低壓條件下各組分的簡(jiǎn)化平衡常數(shù)圖版3.3

13、.油氣分離油氣分離 在油氣開采過(guò)程中，常遇到油氣分離的問(wèn)題。油氣分離不僅會(huì)在地面發(fā)生，也會(huì)在地下發(fā)生。 油氣分離是伴隨著壓力降低而出現(xiàn)的原油脫氣。 當(dāng)油藏壓力降低到飽和壓力時(shí),烴類體系就出現(xiàn)氣液兩相?，F(xiàn)場(chǎng)上通常將氣相稱之為溶解氣。 影響因素影響因素：壓力、溫度、體系組成影響天然氣在原油中的溶解，也影響從油中的分離。一般越容易溶解于石油中的氣體組分，越不容易從石油中分離心來(lái)；相反，越難溶解于石油中的氣體，也就越容易從石油中分離出來(lái)。這種現(xiàn)象稱為相近相容。 相近相容是油氣溶解與分離的基本特征。 分離分離方式方式：接觸分離、多級(jí)分離、微分分離。從石油中分離出天然氣的多少除與溫度、壓力（相圖）有關(guān)外，

14、還與分離方式有關(guān)。3.1 3.1 接觸分離接觸分離( (flash vaporization) ) 接觸分離接觸分離又稱閃蒸分離或一次脫氣。又稱閃蒸分離或一次脫氣。 接觸分離接觸分離：油藏?zé)N類體系從油藏狀態(tài)：油藏?zé)N類體系從油藏狀態(tài)瞬瞬時(shí)時(shí)變到某一特定狀態(tài)變到某一特定狀態(tài), ,引起油氣分離并迅速達(dá)引起油氣分離并迅速達(dá)到相平衡的過(guò)程。到相平衡的過(guò)程。 接觸分離接觸分離的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：油氣分離過(guò)程中油氣分離過(guò)程中, ,分離分離出的氣體與油始終保持接觸出的氣體與油始終保持接觸, ,體系組成不變。體系組成不變。油氣始終保油氣始終保持接觸持接觸系統(tǒng)組成不變系統(tǒng)組成不變曲線的拐點(diǎn)曲線的拐點(diǎn)( (單相轉(zhuǎn)化為兩

15、相單相轉(zhuǎn)化為兩相) )可可求出系統(tǒng)的泡點(diǎn)壓力求出系統(tǒng)的泡點(diǎn)壓力(P(Pb b=P=P3 3) )。說(shuō)明：說(shuō)明： 嚴(yán)格意義上的接觸分離是不存在的，因?yàn)榻祲汉妥儨乜傄幸粋€(gè)過(guò)程，氣液平衡也需要時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行油氣接觸分離應(yīng)保證兩個(gè)條件：一是分離出的油氣始終保持接觸，二是油氣分離過(guò)程體系的組成不變。實(shí)驗(yàn)室單次脫氣流程實(shí)驗(yàn)室單次脫氣流程 脫氣油溶解氣地層油3.2 3.2 多級(jí)分離多級(jí)分離( (又稱多級(jí)脫氣又稱多級(jí)脫氣) ) 在脫氣過(guò)程中分幾次降低壓力，最后達(dá)到指定的壓力(如大氣壓力）的脫氣方法。 多級(jí)分離的每一級(jí)分離特征與接觸分離是相同的，因此多級(jí)分離是由若干個(gè)不同的接觸分離(或一次分離)組合而成

16、的。 多級(jí)脫氣在脫氣過(guò)程中將每一級(jí)脫出的氣相排走后,液相再進(jìn)行下一級(jí)脫氣,也就是說(shuō)脫氣是在系統(tǒng)組成變化的條件下進(jìn)行的。 多級(jí)分離分出的氣量少，獲得的地面原油較多，且其中輕質(zhì)油含量較高，故測(cè)得的氣油比小。分離條件的研究具有重要意義，分離級(jí)數(shù)增加，投資及管理費(fèi)用也將增加。圖1.2.13為礦場(chǎng)多級(jí)脫氣流程示意圖。通過(guò)油氣分離計(jì)算，優(yōu)化分離條件，用有限的分離的分離級(jí)數(shù)達(dá)到最佳的分離效果。 一次脫氣和多級(jí)脫氣比較一次脫氣和多級(jí)脫氣比較【例3-8】某油田油井產(chǎn)物的組成見表3-12，按照表3-11所述的兩種脫氣方式經(jīng)行脫氣，計(jì)算一次脫氣和多級(jí)脫氣兩種脫氣方式的氣體數(shù)量和組成。 解：計(jì)算步驟如下：查出平衡比K

17、j的值；由于脫氣壓力均不高（3.5、0.46、0.1MPa），故選用收斂壓力為35.0MPa的K值圖版。見表：表表3 3- -1 12 2 油油井井 產(chǎn)產(chǎn)物物的的 組組成成、 各各組組 分分平平衡衡 常常數(shù)數(shù)表表組分油井產(chǎn)物的摩爾濃度zj49不同壓力的平衡比Kjp=3.5MPap=0.46MPap=0.1MPac10.4404 8.160265c20.0432 1.6510.646.5c30.0405 0.593.414.3c40.0284 0.231.255.35c50.0174 0.0880.4151.72c60.0290 0.0390.170.7一次脫氣計(jì)算一次脫氣計(jì)算111 3-201

18、1mmjjjjgjzxn K液相組成方程： 進(jìn)行進(jìn)行一次脫氣計(jì)算。一次脫氣計(jì)算。應(yīng)用公式(3-20) 采用試算法，分別計(jì)算3次氣相摩爾分?jǐn)?shù)值。計(jì)算結(jié)果列于表3-13。 由表3-13可以看出，第三次試算得到：一次脫氣時(shí)，每1mol油井產(chǎn)物可分離出0.3973的地面脫氣原油。并有0.6027mol的氣體；再按照yj=Kjxj， 可計(jì)算得到氣體的組成yj，列于表的最后一列。多級(jí)脫氣多級(jí)脫氣計(jì)算計(jì)算第二級(jí)第二級(jí) 第二級(jí)分離第二級(jí)分離(條件：絕對(duì)壓力0.46MPa，49)。第一級(jí)分離出的液體進(jìn)入第二級(jí)進(jìn)行分離，計(jì)算公式與上面完全相同，只是由于脫氣條件(壓力)不同，所查出的平衡比Kj不同。多級(jí)脫氣多級(jí)脫氣計(jì)算計(jì)算第二級(jí)第二級(jí)0.582 0.844 0.4190.582 0.156 0.091Lgnn剩下原油摩爾分?jǐn)?shù) 脫出氣體摩爾分?jǐn)?shù) 每摩爾的油井產(chǎn)物，經(jīng)第二級(jí)分離器后，得到原油和氣體的摩爾分?jǐn)?shù)分別為：多級(jí)脫氣多級(jí)脫氣計(jì)算計(jì)算第三級(jí)第三級(jí) 第三級(jí)分離第三級(jí)分離(在油罐中脫氣：絕對(duì)壓力為0.1MPa，溫度為49)，計(jì)算結(jié)果見下表：多級(jí)脫氣多級(jí)脫氣計(jì)算計(jì)算第三級(jí)第三級(jí)0.