油层物理最新 第一章第三节 油气体系分离与溶解

1、第三节第三节 油气油气体系分离体系分离与溶解与溶解 当温度、压力变化时，油藏烃类会出现相态的变化。油气田开发是一个近似的等温降压过程，当油藏压力低于油藏原始饱和压力时，原油中的轻烃组分就会分离出来，原来的单一液相就变成了气、液两相； 若在开发过程中向油藏注水，提高油藏压力，则气、液两相可以转变为单一液相。这种相态变化的本质是气体在油中的分离和溶解。1.1.天然气天然气在原油中的溶解度在原油中的溶解度( (solubility) )（1）亨利定律适用于性质差别大、不易互溶的气液体系；（2）氮气、甲烷在石油中的溶解均服从亨利定律；但天然气不服从亨利定律，原因在于天然气与石油是化学结构相近的烃类物质

2、，且天然气是多组分烃类的混合物；（3）重烃组分气体在石油中的溶解度大，不符合亨利定律。1.2 1.2 天然气在石油中的溶解及其影响因素天然气在石油中的溶解及其影响因素 1.2.1 1.2.1 天然气天然气在石油中的在石油中的溶解溶解 图1.2.1是一定量的天然气在石油中的溶解图，温度一定时，（）在低压下主要是溶解系数较大的重烃组分和易溶的非烃组分，因此曲线陡峭；（）随着压力的增加重烃组分基本溶解完毕，只有溶解系数小的轻烃组分如甲烷继续溶解于石油，因而曲线变直；（）当压力达到Pb时，天然气全部溶解于石油中，溶解度曲线变为水平线。温度一定温度一定, ,低压下溶入石油中的低压下溶入石油中的主要是溶解

3、系数较大的重烃组主要是溶解系数较大的重烃组分和易溶的非烃组分分和易溶的非烃组分, ,故曲线陡故曲线陡峭峭, ,随着压力的增加重烃气体基随着压力的增加重烃气体基本溶解本溶解完毕。完毕。甲烷气体继续溶甲烷气体继续溶解解, ,溶解曲线变直溶解曲线变直气体溶解完毕，气体溶解完毕，对应饱和压力对应饱和压力压力继续升高，无气体可溶1.2.2 影响天然气在石油中溶解的因素影响天然气在石油中溶解的因素主要因素：主要因素：压力、温度、天然气压力、温度、天然气的的性质、石油性质、石油的的性质。性质。（1 1）压力压力：当温度一定时，天然气溶解度随压力的增加而增加，且天然气在石油中的溶解能力是无限的，但受压力和天然

4、气量的限制（图.2.1）；（2 2）温度温度：随温度的升高，烃类组分的饱和蒸汽压升高，所以天然气的溶解度下降；（3 3）天然气天然气的性质的性质：单组分烃的相对分子质量越大，在石油中的溶解度越大，天然气中重烃分子越多、相对密度越大，在石油中的溶解度越大；（4 4）石油石油的性质的性质：(图1.2.5)在相同的温度和压力下，同一种天然气在轻质油中的溶解度大于在重质油中的溶解度，因为天然气的性质与轻质油的性质相近造成的,因此在给定的温度和压力范围内，油气组成越接近，烃类气体在石油中的溶解度就越大。 此外，天然气中非烃气体的含量也影响溶解度。例如，40摄氏度时，在相对密度为0.873的石油中二氧化碳

5、的溶解系数几乎是甲烷的3.5倍，而氮气仅为甲烷的1/4。图1.2.5 天然气溶解度与石油相对密度的关系2.1 相态方程的建立 设：油气体系中液相和气相混合物的总量为1mol，在压力为P，温度为T时两相达到热力学动平衡； 液相中的物质摩尔分数为NL； 气相中的物质摩尔分数为Ng； 则： (2)( 1molNNgl2.2.相态方程相态方程如果油气体系中有m个组分，任一组分i在气相中的摩尔浓度为yi，在液相中的摩尔浓度为xi，在体系中的摩尔浓度为ni，则： (3)联立式(2)和式(3)有： (4) 令yi/xi=ki，并代入式(4)得：giliiNyNxnliiiliiNxxyNxn1 式中ki为任

6、一压力、温度下组分i在气液相中的分配比例，常称为平衡常数或分配常数；式(5)为任一组分i在液相中的浓度表达式。liiiiNkknx1(5)(5)同理，将式(2)写成Ng=1-NL，代入式(3)中可得到任一组分i在气相中的浓度表达式： ( (6) 6) 在平衡条件下，烃类体系在气液两相中摩尔浓度之和必然等于1，则有：liiiiiNkkkny1 式(7) 为气液体系的相态方程。利用上述方程，已知体系的总组成为ni，就可以计算出在不同压力、温度下，不同气液分离方式下所能分离出的气液数量及各个组分分别在气、液两相中的浓度yi和xi 。miliiiiimiliiiiNkkknyNkknx111111(7

7、)(7)2.2 露点压力和泡点压力的确定 露点方程和泡点方程是特定压力点上的相态方程。 （1）露点压力：一个烃类系统在一定的温度下，以无限小量的液相和大量气相平衡共存时的压力。 在该压力和温度下，体系组成为：iiglnyNN10(8) 体系中只有无限小量液体，但该液体中各组分的摩尔分数之和为1。由式(7)可以写出露点方程(9) ：11111mimimiiiliiiiknNkknx（2 2）泡点压力：）泡点压力：烃类系统在一定温度下，有无限小量的气相和大量的液相平衡共存时的压力。泡点压力亦称饱和压力。在此压力和温度下，体系的组成为： iiglnxNN01(10) 体系中只有无限小量的气体，但气泡

8、各组分的摩尔分数之和为1。由式7可以写出泡点方程(11) ：(11)mimiiiikny111到此为止建立了一组计算油气分离的方程式(7)和用于计算露点压力和泡点压力下的方程式(10)和(11)。 注意：在进行油气分离计算时，由于地下烃类体系所含组分很多，应用式(7)、式(10)和式(11)所得方程的个数会很多，用联立方程式求解时会相当麻烦。所以一般采用试算法进行计算。原则是：原则是：先估选一个NL(或Ng)值代入式中，可计算出各组分的xi值(或yi)值，如果满足xi=1(或yi=1)。则所选NL(或Ng)值即为所求值。 如果xi1(或yi1)，则重新选取NL(Ng)代入式中进行计算，直到满足

9、时为止。2.3 平衡常数平衡常数（equilibrium constant) ) 平衡常数平衡常数：是指在一定压力和温度条件下，气液两相处于平衡时，体系中某组分在气相和液相中的分配比例。在数值上为该组分在气相和液相中的摩尔分数的比值，即ki=yi/xi。一些文献中称为平衡比或分配平衡比或分配系数系数。TiiiTiiiippppppxyk002.3.1 理想溶液的平衡常数理想溶液的平衡常数曲线的共同特点是曲线的共同特点是：a a、在低压范围内，每、在低压范围内，每条曲线的斜率都几乎条曲线的斜率都几乎等于等于- -；b b、除甲烷、除甲烷外，每条曲线的变化外，每条曲线的变化趋势均为：从低压开趋势均

10、为：从低压开始，随压力增加，平始，随压力增加，平衡常数不断减小，当衡常数不断减小，当压力增大到某一数值压力增大到某一数值时，平衡常数达到最时，平衡常数达到最小值；压力继续增加，小值；压力继续增加，平衡常数又增大，每平衡常数又增大，每一条曲线都有逼近于一条曲线都有逼近于1 1（x xi i=y=yi i) )的趋势的趋势。2.3.2 通过实验及图版确定平衡常数通过实验及图版确定平衡常数实验证明实验证明：在低压(p2 MPa)下，混合物体系的组成对平衡常数的精度有较大的影响。因此认为，高压下平衡常数不仅是压力、温度的函数而且是体系组成的函数，即ki=f(P,T, 组成)。对应状态原理对应状态原理

11、在两个体系中，只要这两个体系的组成为同族物，且收敛压力相同，那么在这个体系中某组分的平衡比和该组分在另一个体系中同温、同压下的平衡比相同。例如甲烷、乙烷、丙烷和甲烷、乙烷、丁烷。即ki=(P，T，Pcv)。 收敛压力收敛压力( (convergence pressure) )定义定义：在lgk-lgp关系曲线上，当压力较高时，随着压力的增加每一条曲线都有收敛为平衡常数等于的趋势，平衡常数收敛为时的压力就是收敛压力（pcv)。 当给定温度是体系的临界温度时，收敛压力即为该体系的临界压力。但通常，一个体系所处的温度不是它的临界温度，这时若压力增加，体系可能出现泡点或露点，就不能由实验测出收敛压力，

12、只能由这些曲线的变化趋势外推出平衡常数为1的点。 1 1) ) 右图右图是是两个体系两个体系的收敛压力的收敛压力曲线；曲线；2 2) ) 体系体系1 1的收敛压的收敛压力为力为7.03 7.03 MpaMpa；3 3) ) 体系体系2 2的收敛压的收敛压力为力为35.2 35.2 MpaMpa；4) 4) 计算计算这两个体系这两个体系的相态参数时的相态参数时, ,体系体系1 1选用收敛压力选用收敛压力7.03 7.03 MPaMPa的图版确定平衡的图版确定平衡常数常数, ,则选用则选用收敛压力为收敛压力为35.2 35.2 MPaMPa的图版。的图版。 低压条件下各组分的简化平衡常数图版3.3

13、.油气分离油气分离 在油气开采过程中，常遇到油气分离的问题。油气分离不仅会在地面发生，也会在地下发生。 油气分离是伴随着压力降低而出现的原油脱气。 当油藏压力降低到饱和压力时,烃类体系就出现气液两相。现场上通常将气相称之为溶解气。 影响因素影响因素：压力、温度、体系组成影响天然气在原油中的溶解，也影响从油中的分离。一般越容易溶解于石油中的气体组分，越不容易从石油中分离心来；相反，越难溶解于石油中的气体，也就越容易从石油中分离出来。这种现象称为相近相容。 相近相容是油气溶解与分离的基本特征。 分离分离方式方式：接触分离、多级分离、微分分离。从石油中分离出天然气的多少除与温度、压力（相图）有关外，

14、还与分离方式有关。3.1 3.1 接触分离接触分离( (flash vaporization) ) 接触分离接触分离又称闪蒸分离或一次脱气。又称闪蒸分离或一次脱气。 接触分离接触分离：油藏烃类体系从油藏状态：油藏烃类体系从油藏状态瞬瞬时时变到某一特定状态变到某一特定状态, ,引起油气分离并迅速达引起油气分离并迅速达到相平衡的过程。到相平衡的过程。 接触分离接触分离的特点：的特点：油气分离过程中油气分离过程中, ,分离分离出的气体与油始终保持接触出的气体与油始终保持接触, ,体系组成不变。体系组成不变。油气始终保油气始终保持接触持接触系统组成不变系统组成不变曲线的拐点曲线的拐点( (单相转化为两

15、相单相转化为两相) )可可求出系统的泡点压力求出系统的泡点压力(P(Pb b=P=P3 3) )。说明：说明： 严格意义上的接触分离是不存在的，因为降压和变温总要有一个过程，气液平衡也需要时间。在实验室内进行油气接触分离应保证两个条件：一是分离出的油气始终保持接触，二是油气分离过程体系的组成不变。实验室单次脱气流程实验室单次脱气流程 脱气油溶解气地层油3.2 3.2 多级分离多级分离( (又称多级脱气又称多级脱气) ) 在脱气过程中分几次降低压力，最后达到指定的压力(如大气压力）的脱气方法。 多级分离的每一级分离特征与接触分离是相同的，因此多级分离是由若干个不同的接触分离(或一次分离)组合而成

16、的。 多级脱气在脱气过程中将每一级脱出的气相排走后,液相再进行下一级脱气,也就是说脱气是在系统组成变化的条件下进行的。 多级分离分出的气量少，获得的地面原油较多，且其中轻质油含量较高，故测得的气油比小。分离条件的研究具有重要意义，分离级数增加，投资及管理费用也将增加。图1.2.13为矿场多级脱气流程示意图。通过油气分离计算，优化分离条件，用有限的分离的分离级数达到最佳的分离效果。 一次脱气和多级脱气比较一次脱气和多级脱气比较【例3-8】某油田油井产物的组成见表3-12，按照表3-11所述的两种脱气方式经行脱气，计算一次脱气和多级脱气两种脱气方式的气体数量和组成。 解：计算步骤如下：查出平衡比K

17、j的值；由于脱气压力均不高（3.5、0.46、0.1MPa），故选用收敛压力为35.0MPa的K值图版。见表：表表3 3- -1 12 2 油油井井 产产物物的的 组组成成、 各各组组 分分平平衡衡 常常数数表表组分油井产物的摩尔浓度zj49不同压力的平衡比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 0.0390.170.7一次脱气计算一次脱气计算111 3-201

18、1mmjjjjgjzxn K液相组成方程： 进行进行一次脱气计算。一次脱气计算。应用公式(3-20) 采用试算法，分别计算3次气相摩尔分数值。计算结果列于表3-13。 由表3-13可以看出，第三次试算得到：一次脱气时，每1mol油井产物可分离出0.3973的地面脱气原油。并有0.6027mol的气体；再按照yj=Kjxj， 可计算得到气体的组成yj，列于表的最后一列。多级脱气多级脱气计算计算第二级第二级 第二级分离第二级分离(条件：绝对压力0.46MPa，49)。第一级分离出的液体进入第二级进行分离，计算公式与上面完全相同，只是由于脱气条件(压力)不同，所查出的平衡比Kj不同。多级脱气多级脱气计算计算第二级第二级0.582 0.844 0.4190.582 0.156 0.091Lgnn剩下原油摩尔分数 脱出气体摩尔分数 每摩尔的油井产物，经第二级分离器后，得到原油和气体的摩尔分数分别为：多级脱气多级脱气计算计算第三级第三级 第三级分离第三级分离(在油罐中脱气：绝对压力为0.1MPa，温度为49)，计算结果见下表：多级脱气多级脱气计算计算第三级第三级0.