天然氣物理性質開發(fā)第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日在常溫常壓下，1-5個碳原子的烴類為氣體，即天然氣。天然氣是指在不同地質條件下生成、運移，并以一定的壓力儲集在地層中的氣體。大多數(shù)氣田的天然氣是可燃性氣體，主要成分是氣態(tài)烴類，并含有少量的非烴氣體。一、天然氣的組成烴類氣體甲烷（CH4）占絕大部分乙烷（C2H6）丙烷（C3H8）丁烷（C4H10）戊烷（C5H12）含量不多非烴氣體（少量）硫化氫（H2S）硫醇（RSH）硫醚（RSR）二氧化碳（CO2）一氧化碳（CO）氮（N2）水汽（H2O）稀有氣體（微量）氦（He）氬（Ar）等?！?天然氣的組成和相對視分子量及天然氣的視臨界常數(shù)第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日天然氣的組分不同，其相對視分子量不同。天然氣組分相同，而各組分含量的百分比不同時，其相對視分子量也不同。因此，天然氣的相對視分子量是根據天然氣的組分和每種組分含量的百分數(shù)計算出來的。二、天然氣的相對視分子量天然氣是多組分的混合氣體，本身沒有一個分子式，因此不能象純氣體那樣，由分子式算出其恒定的分子量。天然氣的分子量是人們假想的分子量，規(guī)定把在0℃、760mmHg、體積為22.4L的天然氣所具有的重量定義為該天然氣的分子量，叫相對視分子量。§1天然氣的組成和相對視分子量及天然氣的視臨界參數(shù)第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日三、天然氣的視臨界參數(shù)§1天然氣的組成和相對視分子量及天然氣的視臨界參數(shù)天然氣在臨界點的溫度和壓力稱為視臨界參數(shù)，即視臨界溫度和視臨界壓力。由于多組分特點，只有實驗方法可以直接測得天然氣的視臨界參數(shù)，間接方法有Kay混合規(guī)則方法和經驗公式1）Kay方法若天然氣由k種組分組成，則視臨界參數(shù)為第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日2）經驗公式方法干氣凝析（濕）氣第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日§2天然氣的狀態(tài)方程式和對應狀態(tài)原理一、理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體的假設:①氣體分子本身所占的體積比起整個氣體體積來說是可以忽略不計，②所有氣體分子間的碰撞以及分子與器壁的碰撞是純彈性的，③氣體分子之間以及分子和容納它的器壁之間不存在引力或排斥力。對于理想氣體，它將遵守如下定律：波義爾定律：或（當T=常數(shù)）蓋·呂薩克定律：或（當P=常數(shù)）查理定律：或（當V=常數(shù)）第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日由上得到：通用氣體常數(shù)根據如上定律可推導出如下理想氣體狀態(tài)方程，假定有1mol氣體，可寫成：由波義爾定律：由蓋－呂薩克定律：如果有狀態(tài)或任何其它狀態(tài)均可寫成上述等式因此可用一個通用式表示，即若為n摩爾氣體，則可寫成第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日二、范德華方程式對于實際氣體來說，除低壓條件下近似服從理想氣體狀態(tài)方程式外，一般都與理想氣體狀態(tài)方程式發(fā)生偏差，有時甚至發(fā)生較大的偏差。這是因為實際氣體的分子間具有作用力。在低壓時，分子與分子間距離較大，作用力可以忽略不計；當處于高壓時，分子間的距離縮短了，其相互間作用力已經不能忽略。對于理想氣體曾假設分子本身的體積比起總體積來小到可以忽略不計，這在壓力很低時，可以近似地認為是這樣。然而，實際上當氣體密度隨壓力增高而加大時，分子所占的體積就不能忽略不計了。范德華考慮了實際氣體的上面二種情況，對理想氣體狀態(tài)方程進行了修正：第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日表壓測定的是分子對器壁碰撞的力，實際內壓要大于表壓，因為它要消耗一部分能量來克服分子間的作用力，因此必須加一個校正值該校正值正比于氣體摩爾數(shù)（n）的平方，反比于體積(V)的平方1、表壓與實際內壓差的校正(分子作用力的校正)

a——為取決于氣體類型的常數(shù)第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日這樣經修改后的實際氣體的狀態(tài)方程（范德華方程）式中：a、b——取決于氣體類型的常數(shù)。2、壓力增加導致氣體分子體積的校正若每mol氣體所有單個分子的總體積為b，則n摩爾實際氣體的體積應為nb(其中b——為與氣體類型有關的常數(shù)）第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日范德華方程是1873年提出的，之后出現(xiàn)了許多狀態(tài)方程：1.壓縮因子狀態(tài)方程2.BWR方程3.RK方程4.SW方程5.PT方程等三、實用氣體狀態(tài)方程式第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日以上介紹的實際氣體狀態(tài)方程式在計算上是十分繁瑣的，因此油田上通常是采用一種最簡便的校正方式。即在理想氣體狀態(tài)方程式的右側引入一個乘積因子Z。這個乘積因子有幾個名稱，如壓縮因子、壓縮系數(shù)、偏差因子，但常用的是壓縮因子。實際氣體的狀態(tài)方程式可寫成：式中：Z——壓縮因子。1、天然氣的壓縮因子狀態(tài)方程第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日理想氣體實際氣體已知理想氣體Z0＝l，那么實際氣體Z為：所謂壓縮因子實際上是實際氣體與理想氣體的一個體積偏差系數(shù)。即表示lmol真實氣體的體積，在相同的溫度壓力下與理想氣體體積的偏差。理想氣體的Z＝l，而實際氣體一般Z＝0.3-----1.7。壓縮因子（Z）的含義可以用1摩爾理想氣體與實際氣體在同一溫度與壓力下的比較來說明第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日常用的壓縮因子表示方法是圖示法?？赏ㄟ^實驗測出每種氣體在不同溫度、壓力下的壓縮因子，編繪成圖，供使用者查閱。2、壓縮因子的表示方法第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3、壓縮因子的影響因素1）烴類氣體類型

類型不同壓縮因子不同2）壓力

低溫低壓時，稍微增加壓力，Z值減小，當壓力增加到某一值時，Z值減小最大，這是由于實際氣體分子具有吸引力，造成比理想氣體易于壓縮的緣故。當壓力進一步增加時，則Z值增大，這是由于壓力達到一定范圍時，再增加壓力，分子距離更近，產生排斥力因而造成實際氣體比理想氣體更不易壓縮的緣故。與溫度及壓力的關系可從分子運動學及動力學角度加以理解第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3）溫度

隨溫度增加，Z值趨向1。這是因為真實氣體隨溫度升高，動能加大，分子距離也更大，這樣分子間引力和斥力的影響就很微弱，因此實際氣體也就接近理想氣體。第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日組成對壓縮因子有影響天然氣是復雜的烴類混合物而不是單一成分的烴類，如何解決混合氣體的壓縮因子？第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日4、壓縮因子求取1）天然氣壓縮因子求取的實驗方法將一定質量的天然氣樣品裝入高壓實驗裝置的PVT筒中，在恒溫條件下測定天然氣的壓力與體積的關系，然后利用下式計算不同壓力下的天然氣的壓縮因子。實驗方法可以測得絕大多數(shù)氣體的壓縮因子，缺點是測試過程長，應用范圍有限。第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日范德華于1873年提出了的對應狀態(tài)理論來解決混合氣體的壓縮因子問題。因為不同氣體雖然在不同溫度、壓力下的性質（包括壓縮因子）不同，但在各自臨界點卻有共同的性質，如果以臨界狀態(tài)作為描述氣體狀態(tài)的基準點，則在相同的對比壓力、對比溫度下，天然氣中所有純烴氣體具有相同的壓縮因子。①

對應狀態(tài)原理2）SK圖版法（Standing和Katz圖版）第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日為什么混合氣體的實際溫度、壓力、體積折算到臨界狀態(tài)才能消除氣體性質對PVT的影響呢？根據雙組分體系臨界點定義，液氣界限消失，液相、氣相的內涵性質相同。所謂內涵性質相同是指那些與物質數(shù)量無關的性質如密度、壓力、溫度、粘度、化學電位和表面張力等。上述臨界點的意思是指任何氣體處于臨界狀態(tài)時，存在一定的共性，即可把它們視為同組分(單組分)氣體去考慮，這樣就可以作出它們的折算溫度、折算壓力與壓縮因子的關系圖。右圖可看出，不同氣體（甲烷、乙烷、丙烷）當它們的折算溫度、折算壓力相同時，就具有大致相同的壓縮因子。第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日這個對應狀態(tài)理論設想從折算（對比）壓力、折算（對比）溫度和折算（對比）體積上看，任何氣體（包括氣體混合物）都具有相同的性質，“折算”（對比）一詞的意義是每個p、V、T變量都用其與臨界值之比來表示。假設折算（對比）壓力為pr，折算（對比）溫度為Tr，折算（對比）體積Vr。也就是說不同氣體當具有相同的折算（對比）壓力和折算（對比）溫度，則它們的折算（對比）體積亦應相同。將折算參數(shù)代入范德華方程，如下：第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日當左式令其處于臨界狀態(tài)時，用微分方法可以求得a、b、R與臨界參數(shù)的關系式如下：由此二式可計算R:將上述三式代入方程式第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日得出對比方程：該方程中不含與氣體類型有關的常數(shù)項a、b,因而是一個通用性方程，適用于任何氣體.也即不同氣體當具有相同的折算壓力、溫度時，則折算體積也相同，因此該方程稱為范德華對比方程。根據壓縮因子的定義：第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日不同的氣體若具有相同的折算（對比）參數(shù)Pr、Tr、Vr，則稱它們處于對應狀態(tài)。處于對應狀態(tài)的氣體對于理想氣體表現(xiàn)出的偏差是相同的，這一關系稱為對應狀態(tài)原理。第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日雖然對應狀態(tài)原理是不夠完善的，但實踐證明可用于化學結構相似的氣體（如石蠟族烴）圖可以看出，不同類型氣體的甲烷、乙烷、丙烷，當其折算壓力Pr和折算溫度Tr相同時，具有相同的壓縮因子（即各點都沿一條曲線分布）。第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日根據對應狀態(tài)原理，對于單組分氣體只要知道其折算壓力Pr和折算溫度Tr，就很容易按圖版6-6查出其壓縮因子Z來。第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日②

天然氣壓縮因子的計算1936年，凱依將對應狀態(tài)理論進行了修正，以便能用于混合氣體，對混合氣體的P、V、T性質，他引入了一個與單組分氣體臨界狀態(tài)相近似的平均（虛擬）臨界值（虛擬臨界溫度和虛擬臨界壓力）作為混合氣體的臨界溫度和臨界壓力，再以此來求取折算溫度和折算壓力。因此，最終獲得的是虛擬折算溫度和虛擬折算壓力。這樣就可以作出天然氣壓縮因子與虛擬折算溫度和虛擬折算壓力的關系圖版。第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）計算相應的虛擬折算參數(shù)：具體的計算步驟如下：（1）求出天然氣的虛擬臨界常數(shù)：Yi為權重，相當于各組分在混合物中的百分含量或摩爾數(shù)第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）根據虛擬折算壓力和虛擬折算溫度，查圖6-7的圖版即可求出Z值。在應用氣體組分資料時，由于一般實驗室氣體分析只作到C7（即庚烷），則計算C7以上組分的虛擬折算常數(shù)時，應用比C7高一個成分（即辛烷）的臨界常數(shù)來代替C7以上組分的臨界常數(shù)。當非烴含量很少（N2＜10％，CO2＜2％）時，用圖6-7所求出的壓縮因子，其誤差小于3％。若非烴或重烴（C5以上）含量較多時，用圖6-7誤差較大，則需用一些其它圖表進行校正。第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

對應狀態(tài)定律適用于化學結構相似的烴類氣體混合物，當天然氣中非烴氣體含量大于5%時，必須對SK圖版法求取的壓縮因子進行校正。修正方法一般是根據非烴的含量，采用經驗公式或修正曲線圖版首先修正天然氣的視臨界參數(shù)，再修正視對比參數(shù)，從而達到修正Z的目的。含氮天然氣的校正模型Eilerts（1948）的提出了含氮天然氣壓縮因子的求取方法。該方法按權重進行校正③具非烴組分的天然氣壓縮因子校正第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日已知溫度、壓力從該圖版中查出氮氣的壓縮因子ZN已知天然氣摩爾分數(shù)從該圖版中查出疊加體積校正系數(shù)C第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日Wichert和Aziz（1970）引入了一個以CO2和H2S濃度為函數(shù)的視臨界溫度的校正系數(shù)。然后再校正視臨界壓力，最后按已校正的視臨界參數(shù)計算視對應參數(shù)，再由SK圖版查出Z。含H2S和CO2天然氣壓縮因子的校正第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日根據H2S、CO2含量以及視臨界溫度，查出視臨界溫度的校正系數(shù)，然后分別計算校正后的視臨界溫度和視臨界壓力，再計算折算視臨界溫度和折算視臨近壓力，最后查SK圖版。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日實際工作中測定天然氣的相對密度要比測定天然氣的組成容易得多，因此當缺乏天然氣的組分資料時，可以利用氣體相對密度的資料，根據圖版查出虛擬臨界常數(shù)，求出天然氣的虛擬折算參數(shù)，最后根據虛擬折算參數(shù)查圖即可求出天然氣的Z值。利用氣體相對密度查圖所得出的虛擬臨界參數(shù)，與計算方法相比誤差為1.5％。天然氣相對密度與虛擬臨界參數(shù)圖（據Brown等，1948）3）壓縮因子相對密度圖版法虛擬臨界壓力圖版虛擬臨界溫度圖版第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日4）壓縮因子計算的經驗方法經過60多年的運用，證明SK方法十分可靠，計算機的發(fā)展推動了天然氣壓縮因子計算方法的發(fā)展，Takacs（1976）比較了長期使用的八種計算壓縮因子的方法，把它們歸納成為二大類：1、分析-擬合SK等溫曲線2、應用狀態(tài)方程計算第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日通過聯(lián)立式，用迭代法解出y值代入二式中任何一式即可求出Z值該方法由Starting-Carnahan狀態(tài)方程發(fā)展而來①Hall和Yarborough方法（1973）第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日②Dranchuk-Durvis-Robinson方法（1974）該方法是應用8系數(shù)的BWR狀態(tài)方程式擬合SK壓縮因子關系式建立的，公式為：DDR公式第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日③Copal方法（1977）此方法用直線方程式擬合SK壓縮因子曲線的不同部分，其基本關系式是：第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日§3天然氣的高壓物性參數(shù)——天然氣體積系數(shù)天然氣體積系數(shù)是在標準狀況下（20℃，1atm），1m3氣體在地層溫度、壓力條件下所占有的體積數(shù)，在地下這一數(shù)值遠小于1。其數(shù)學表達式為：Bg——天然氣體積系數(shù)，無因次量；Vgs——標準狀況下的氣體體積（m3），標準狀況一般實驗室取溫度0℃，壓力1atm，而我國礦場取溫度20℃，壓力1atm；Vg——地層條件下氣體體積（m3）。根據氣體狀態(tài)方程式：求體積系數(shù)時需要該參數(shù)第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日在實際的油氣層中，由于地層溫度保持不變，地層壓力不斷變化，因此Bg可以看作地層壓力的函數(shù)，在不同的地層壓力下，可作出Bg-p的關系曲線，該曲線在儲量計算時運用起來極為方便，可直接從曲線上查出來。第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日氣體壓縮系數(shù)是指等溫條件下，單位體積的氣體隨壓力的變化率。其數(shù)學表達式為：§3天然氣的高壓物性參數(shù)——天然氣壓縮系數(shù)Cg——天然氣壓縮系數(shù)；Vg——天然氣體積（m3）；dVg/dp——天然氣體積隨壓力變化率。負號說明氣體壓縮系數(shù)與壓力變化的方向相反。對理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT：進行求導得：由于地層溫度幾乎不變，即在等溫條件下天然氣的壓縮為等溫壓縮，故寫成：第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日從上式可以看出理想氣體的等溫壓縮系數(shù)與壓力成反比，還可估算出系數(shù)的數(shù)量級。由于天然氣是非理想氣體，我們從實用氣體狀態(tài)方程式知道：在壓縮因子影響因素討論中已經知道，在低壓下，壓縮因子隨壓力增加而下降，因此Z對P的偏導數(shù)為負值，Cg比理想氣體的大；在高壓下，Z隨壓力而增加，Z對p的偏導數(shù)為正值，Cg比理想氣體的要小。理想氣體壓縮系數(shù)第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日對多組分天然氣，SK圖版只建立了壓縮因子與虛擬折算壓力的關系，故該式不能直接計算多組分天然氣的壓縮系數(shù)，需將其中的壓力變換為虛擬折算壓力由天然氣虛擬折算壓力公式該式即為計算天然氣壓縮系數(shù)常用公式求壓縮系數(shù)時需要該參數(shù)第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日天然氣密度定義為單位體積天然氣的質量?！?天然氣的高壓物性參數(shù)——天然氣的密度和相對密度在一定溫度和壓力下天然氣的密度可由氣體的狀態(tài)方程求出天然氣的密度通常在實驗室測定天然氣的密度第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日地下氣體密度的計算除公式外，也可采用諾模圖。先求得天然氣的視分子量（平均視分子量），1、按圖6-13查得視折算溫度和視折算壓力，2、從圖6-7（SK圖版）查得Z，3、從圖6-14查出地下天然氣的密度。根據油層壓力和視分子量查得視對比壓力根據油層溫度和視分子量查得視對比溫度第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日1、當天然氣視分子量為23，地下溫度為200℉，壓力為2800psi，分別從前面2個圖版查取虛擬折算壓力和虛擬折算溫度；2、再從SK圖版上查取Z（為0.95）；3、最后從右圖中查得地下天然氣密度為0.17g/cm3。實例第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日γg——天然氣的相對密度，無因次量；ρa、ρg——分別為空氣、天然氣的密度（Kg/m3或g/cm3）；Ma、Mg——分別為空氣、天然氣的分子量，Ma＝28.97。

天然氣的相對密度可以定義為在標準溫度（293K）和標準壓力（0.101Mpa）下，天然氣的密度與干燥空氣密度的比值，因此相對密度是一個無因次量。天然氣的相對密度天然氣的相對密度可用下列公式求得：若將標準狀態(tài)下的天然氣和空氣視為理想氣體，則相對密度為第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日一般天然氣的相對密度在0.5一0.7之間，個別含重烴或其它非烴時可大于1。對于相對密度大于1的天然氣，在氣田勘探和開發(fā)施工過程中，要特別注意中毒問題，應避免在低洼、空氣不流通的地方施工。天然氣組分測定目前廣泛采用氣相色譜儀比重（相對密度）一般由組分、含量計算出分子量和密度后直接代到公式中求取第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日粘度是天然氣內部摩擦阻力的量度?！?天然氣的高壓物性——天然氣的粘度一、概念粘度是氣體與液體的一種性質，它表示物體的一部分對另一部分移動時的阻力氣體的粘度是由分子間相互碰撞后交換的動能決定而引起的第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日設面積為A、間隔為dy的兩層氣體，如果下層流動速度為v，上層速度為v+dv，那么二個氣層之間必存在一個反向阻力F，該阻力與二個氣層之間的速度梯度成正比。面積A第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日二、動力粘度單位氣體常用液體常用CGS制厘米-克-秒制SI制米-千克-秒制第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日三、動力粘度的影響因素與溫度、壓力和氣體組成有關低壓下，氣體的粘度與分子平均運動速度、平均自由行程（分子二次碰撞所走過的平均距離）和密度有關，與氣體壓力無關。這主要是低壓時，分子間距大，作用力不明顯，溫度起主導作用，即主要與分子熱運動特征有關，溫度越大，分子運動加快，分子間摩擦力增大，粘度增加。而分子量增大時，運動速度減慢，粘度減小。高壓下（大于30個大氣壓時），氣體粘度與液體類似，隨溫度增加而降低，隨分子量增大而加大。這是因為高壓下分子密度加大，氣體分子間的作用力成為主導作用。根據氣體分子運動論，氣體粘度可表征為第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日§4天然氣在石油中的溶解和分離溶解系數(shù)——當壓力增加一個大氣壓時，溶解在單位體積石油中的氣量稱為溶解系數(shù)，其單位是m3/m3·ata。反映天然氣在石油中的溶解能力。一、天然氣在石油中的溶解按照亨利定律，單組分氣體在液體中的溶解度（Rs）與溶解時絕對壓力成正比：Rs=Cp

Rs——壓力為p時，氣體在單位液體的溶解度（m3/m3）p——溶解時的絕對壓力（ata）C——溶解系數(shù)，表示溫度一定時，每增加一個大氣壓溶解在單位體積液體中的氣體量的增加值（m3/m3·ata）第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日亨利定律是一個直線定律，C是一個常數(shù)，適用于性質差別大不易互溶的氣-液體系（如甲烷、氮氣等在石油中的溶解服從亨利定律）。對于多組分結構相近的烴類氣體在原油中的溶解則有較大的偏差，C不是一個常數(shù)，也就是說氣體溶解度并不符合亨利定律。由于天然氣與石油是化學結構相近的烴類物質，且天然氣是多組分烴類的混合物，因此天然氣不服從亨利定律。實驗表明，天然氣在石油中的溶解度為一條凹向壓力軸的曲線。它隨著壓力增大而減少，最后可以保持不變。這是因為天然氣在石油中的溶解度不僅決定于壓力，而且取決于天然氣和石油的組成，其次還受油層溫度的影響。低壓時，有較多的重烴組分和易溶的非烴組分急劇溶解，曲線較陡，壓力增加后，一些難溶的甲烷也溶于油中，曲線平緩。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日1、天然氣組成對溶解度的影響：單組分烴的相對分子質量越大，在油中溶解度越大。如30°C時甲烷溶解度為1，乙烷大4倍，丙烷則大20倍。因此若天然氣中重烴分子越多，相對密度越大在油中溶解度越大2、地層溫度對溶解度的影響：溫度升高，溶解度下降溶解度影響因素討論第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3、原油相對密度在相同溫壓條件下，同一種天然氣在相對密度小的輕質油中的溶解度大于在相對密度大的重質油中溶解度重質油輕質油4、原油飽和壓力對溶解度的影響：隨原油飽和壓力增加，溶解量增加第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日二、天然氣在石油中的分離在采油中，經常遇到的是天然氣從石油中分離的問題，即脫氣問題。當油層中的壓力降低到飽和壓力時，溶解氣將從原油中分離出來。天然氣在石油中的溶解和分離，是一對矛盾的兩個方一面，是相反的兩個過程。1、油氣組成對溶解度有影響，對分離同樣存在影響。一般愈易溶解于石油中的氣體組分，它從石油中分離出來也就愈困難；反之，較難溶于石油中的氮氣、甲烷等組分，就易從石油中分離出來。因此溶解在重質油中的天然氣易分離，而溶解在輕質油中的天然氣不易分離。物理和化學性質越相近的物質越不易分離，反之易分離第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日分離與壓力關系是：隨壓力降低，分子運動距離加大，液態(tài)分子對氣態(tài)分子的引力減小，分離氣量增加c用P-V圖上的泡點線的解釋——上凸曲線，斜率逐漸減小第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日分離與溫度的關系是隨溫度升高，分子熱運動加快，分離氣量增加。用P-T圖上的泡點線的解釋——上凹曲線，斜率逐漸增加第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日即一次脫氣，是一次將油層壓力降至某一壓力（如降低至一個大氣壓），測量分離的氣量。在整個降壓過程中，分離的氣體不馬上排出容器，而是在指定壓力下才分離出來，然后引到容器外進行計量。在引出氣體之前，氣體與石油長時間接觸，建立了熱力平衡，因而在這種脫氣方式中，油氣系統(tǒng)總的組成是不變的，這叫接觸脫氣。它相當于實驗室的一次脫氣，因此也叫一次脫氣。分離還與脫氣方式有關，脫氣方式可分兩類：接觸脫氣第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日即微分脫氣，就是在脫氣過程中，隨氣體的分離不斷地將它排出容器之外，直至壓力降到指定壓力為止，最后計算出總的脫氣量。在這一過程中，由于分離氣體立即被排出，油氣還來不及建立熱力平衡，油氣系統(tǒng)總的組成處于不斷變化中，因此叫差異脫氣或微分脫氣。在實驗室中要嚴格地進行這種方式的脫氣是困難的，因而常用級次脫氣來代替。差異脫氣第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日就是在脫氣過程中，分幾次降低壓力，直降至最后指定壓力（如一個大氣壓）為止。而每次降低壓力所分離出來的氣體都及時排出，最后將各次氣量相加就得到級次脫氣的總氣量。通常一次脫氣比級次脫氣所分離的氣量要多一次脫氣和級次脫氣比較表（據卡佳霍夫，1956）級次脫氣第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

在采油過程中，當油層壓力降至飽和壓力以下時，從原油分離出的氣體，一部分進入井中（差異脫氣），另一部分則積存在油層中，直到壓力完成降落時為止（接觸脫氣）。而石油在井筒和油氣分離器中則僅發(fā)生接觸脫氣，因此石油從油層到井筒、到油氣分離器整個過程，實際上是混合脫氣。既有接觸脫氣，也有差異脫氣。

第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日天然氣溶解-分離相態(tài)方程的建立已知油氣混合物的組成、油氣混合物的總量為1mol。在壓力為p、溫度為T時，兩相達到熱力學平衡，若液相的量為Nl摩爾，氣相的量為Ng摩爾，則如果油氣體系中有m個組分，體系中組分i的摩爾分數(shù)為ni，任一組分i在氣相中的摩爾分數(shù)為yi，在液相中的摩爾分數(shù)為xi，則采油過程是一個油氣分離過程，通常可以應用相態(tài)方程確定給定溫度、壓力條件下分離出的油氣的數(shù)量、泡點壓力和露點壓力等，并判斷油氣藏的類型。第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日聯(lián)立（1）與（2）式，有式（4）為任一壓力、溫度下組分i在液相中的摩爾分數(shù)表達式第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日在平衡條件下，各組分在氣、液兩相中摩爾分數(shù)之和分別等于1，有：（4）和（5）式稱為相態(tài)方程，在已知體系參數(shù)ni后利用上述方程就可以計算出不同壓力和溫度時，不同氣液分離方式下所能分離出的氣液數(shù)量以及各組分在氣液兩相中的摩爾分數(shù)xi和yi。（6）第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日應用（4）和（5）相態(tài)方程式進行油氣分離計算時，由于油氣混合物的組分比較多，方程的個數(shù)很多，一般采用試算法求解，具體步驟如下：第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日露點壓力和泡點壓力的確定露點方程與泡點方程是特定壓力點上的相態(tài)方程露點定義為一定溫度下，烴類體系中無限小量的液相與大量氣相平衡共存的壓力，則有雖然體系中只有無限小量的液體，但液體中各組分的摩爾分數(shù)之和為1，由式可寫出露點方程第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日泡點定義為一定溫度下，烴類體系中無限小量的氣相與大量液相平衡共存的壓力，則有雖然體系中只有無限小量的氣相，但氣泡中各組分的摩爾分數(shù)之和為1，由式可寫出泡點方程第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日平衡常數(shù)平衡常數(shù)ki是指在一定壓力和溫度條件下，氣液二相處于平衡狀態(tài)時體系中某組份在氣相和液相中的分配比例。在數(shù)值上平衡常數(shù)ki等于該組分在氣相和液相中的摩爾分數(shù)值之比值：ki=yi/xi在低壓、低溫狀態(tài)下，理想溶液（是指構成溶液的各組分分子之間無特殊的作用力，混合后無熱效應，混合前后的容積不變）的平衡常數(shù)可用道爾頓和拉烏爾定律表示：第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日道爾頓定律是指氣體混合物的總壓力等于其各組分作用的壓力之和，或各組分的分壓等于其摩爾分數(shù)與體系總壓力的乘積。道爾頓定律適用于理想溶液體系中氣相組分分壓的計算拉烏爾定律指理想溶液體系二相平衡共存時，各組分在氣相中的分壓等于該溫度下的飽和蒸汽分壓與該組分在液相中的摩爾分數(shù)的乘積第七十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日理想溶液的汽液平衡計算將拉烏爾定律和道爾頓定律聯(lián)