第二章多相流热物性模型及相关物性参数

1、第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,物性参数是多相流分析的基础。通常来讲，所用的分析模型越精确，所要求的物性参数就越多。目前常用的物性模型有黑油模型、组分模型和组合模型。 第一节 黑油模型 黑油模型是指在不清楚流体组成情况的下，由经验关系式确定指定压力、温度下的各种物性参数的模型。它的特点是直观、简单，常常只有一个显式公式，计算量很小。多相流工艺计算中常用的黑油模型有： 一、密度 （一）原油密度 1、脱气原油密度,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,2、溶气原油密度 3、天然气相对密度 同一温度、压力下，气体的密度与干空气密度之比为气体相

2、对密度。,式中：t，20 温度为t和20时的原油密度，kg/m3。 温度系数，kg/m3.。,式中：o脱气原油密度，kg/m3； a工程标准状态下空气的密度，kg/m3； gs溶入的天然气相对于工程标准状态下空气的相对密度。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,4、未溶解天然气相对密度,式中：* 气体相对密度； 气体密度； a 空气密度。,式中： Rn 每立方米脱气原油中有Rn立方米天然气； g 天然气密度； Rs 溶于原油中的天然气体积； gs 溶解的天然气密度。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（二）天然气压缩因子 1、雷德里希邝

3、法（RedlichKwong） 2、霍尔亚鲍勒夫法（HallYarborough）,式中： Z 天然气压缩因子； Pc、Tc临界压力和温度，Pa、K； P、T压力和温度，Pa、K。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,式中的y值可由下式迭代求解。 3、罗宾逊法（Dranchuk，Purvis，Robinson）,式中：A1=0.31506237；A2= -1.04670990；A3= -0.57832729 A4=0.53530771；A5= -0.61232032；A6= -0.10488813 A7=0.68157001；A8=0.68446549,第二章多相流

4、热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,4、高帕尔法（Gopal） 该法以不同的直线方程拟和压缩因子图的不同部分。方程的通式为： Pr 和Tr 的数值不同时，系数A，B，C，D取不同的值。 5、精度要求不高时的简便方法 天然气压缩因子也可以用下述简便方法计算： 上式的使用范围：0Pr12和1.25Tr1.6。 二、粘度 （一）一般原油粘度 1、缺乏实验数据的情况下所用的计算方法,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,2、已知某一温度下的粘度，求指定温度下的粘度 已知t0 温度下的粘度，求温度t 下的粘度 3、已知任意两个温度下的粘度，求其他温度下的粘度,式

5、中：t、0 温度为t（）和t0（）时，原油的粘度，mPa.s； a、c系数。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,4、已知20和50的粘度，求其他温度下的粘度 （二）地面脱气原油的粘度 1、鲁宾逊(Robinson)公式 其中：,式中：on地面脱气原油的粘度，mPa.s； t温度，； o原油的相对密度，无因次； x、y、z中间变量。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（三）溶气原油的粘度 1、贝格斯法 其中： 2、瓦兹奎兹法,式中：o饱和原油的粘度，mPa.s； o溶解油气比，m3/m3； A、B中间变量。,第二章多相流热物性模型及相关

6、物性参数,第二章 多相流热物性模型,3、丘康纳利法 其中：,式中：o不饱和原油的粘度，mPa.s； ob饱和压力Pb下的原油粘度，mPa.s； m中间变量。 C1，C2，C3，C4常数，C1=2.6，C2=1.187，C3=-11.513，C4=-8.9810-5。,式中：o溶气原油的粘度，mPa.s； o脱气原油的粘度，mPa.s。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（四）天然气的粘度 1、由密度和相对密度求标准状态下的粘度 2、用卡厄图求常压下天然气的粘度,式中：T天然气温度，开。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,3、高压下的天

7、然气粘度求法 首先求出常温常压下的粘度，再求粘度比： 式中：Pr天然气视对比压力； Tr天然气视对比温度。 而系数ai可由下表查得。,式中： T气体温度，K； 气体的相对密度，无因次。,此式适用范围：1Pr20和1.2Tr3.0。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（五）水的粘度 1、纯水的粘度 可用贝格斯和布里尔公式可求出给定温度下水的粘度：,mPa.s,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,压力对水的粘度影响不大。 2、油田水的粘度 阿诺尼穆斯给出了油田水的粘温计算公式。 当含盐量为S=50000250000ppm时，计算式为： 含盐

8、量小于该式，可用纯水公式计算。 三、油气溶解性参数 （一）天然气在原油中的溶解度 1m3脱气原油在某一压力和温度下能溶解的天然气量（折算成工程标准状态下的体积）称为天然气在原油中的溶解度，或称溶解油气比，常以Rs表示，米3（气）/米3（油）为单位。 1、雷萨特给出了求溶解度的相关关系式：,式中：w油田水的粘度，mPa.s； S含盐量，ppm。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,2、斯坦丁给出了另外一种求溶解度的相关关系式： 通常认为雷萨特相关式优于斯坦丁关系式。,式中：yg天然气分子分数； Mo脱气原油分子量； P绝对压力，MPa； T温度，K。,式中：t温度，。

9、,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（二）原油的体积系数 由于天然气的溶解，部分天然气以液态存在于原油中，使原油体积增大。1m3脱气原油中溶入天然气后所具有的体积称为原油的体积系数 1、由诺模图拟和的关系式： 2、由泡点压力Pb计算原油体积系数（当PPb时，Pb为泡点压力，kPa）,式中：Bo原油体积系数，m3/m3。t温度，。,式中： Ss溶解油气比；C1、C2、C3系数。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,泡点压力计算所用系数,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,3、由泡点压力Pb计算原油体积系数（当P

10、Pb时） 其中：,式中：Bob泡点压力Pb下的原油体积系数； a1= -1433.0，a2=5.0，a3=17.2，a4=-1180.0，a5=12.61，a6=105。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,四、比热 （一）原油比热 1、常温下的比热 原油的比热可以按下式计算： 2、原油给定温度下的比热,式中：c原油比热，千焦/千克.； 1515时原油密度，吨/米3。,式中：c原油比热，千焦/千克.； t原油温度，；,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（二）天然气定压摩尔热容 五、天然气焦耳汤姆逊系数 在求解有关管路输送中的温降时，常用

11、到焦耳汤姆逊系数。它的计算式为：,A、B比热常数； m、n比热指数。,式中：Cp天然气定压摩尔热容，J/(mol.K)； T天然气温度，K； M天然气平均分子量； P压力，Pa。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,此式适用范围：0.8Pr3.5和1.6Tr2.1。 六、表面张力 （一）常压下油气原油的表面张力计算公式 在缺乏实验条件下，可用下式估算溶气原油表面张力：,式中：Di焦耳汤姆逊系数，/MPa； Cp天然气定压摩尔热容，J/（mol.）； Pc假临界压力，Pa； Tc假临界温度，K。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（二）给

12、定压力下的溶气原油表面张力系数 （三）原油天然气的表面张力,式中：表面张力系数，N/m； t温度，。,式中：常压下的表面张力系数，N/m； 指定压力下的表面张力系数，N/m； P压力，MPa。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（四）水天然气的表面张力 卡茨等人提出了预测水天然气表面张力的公式：,式中：o原油天然气的表面张力，mN/m； P压力，MPa； t温度，； o天然气相对密度，无因次。,式中：w水天然气的表面张力，mN/m； P压力，MPa； t温度，。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,第二节 组分模型 为了区分不同流体，黑

13、油模型通常用相对密度来区别。但这种方法显然不能真正区分不同流体。而组分模型是按流体的组分含量来区分流体，更能反映问题本质，其计算结果的适用范围大为增加。组分模型在多相流工艺计算特别是多相流仿真中，得到了广泛的应用。 一、流体状态方程 目前在多相流物性计算中，主要用到以下几种状态方程： （一）RK状态方程,式中：摩尔体积； Z压缩因子； a，b特性常数。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（二）SRK状态方程 （三）PR状态方程 （四）BWRS状态方程 BWRS状态方程是目前最精确的状态方程之一。其表达式为：,式中：摩尔体积； Z压缩因子。,式中：摩尔体积； Z压缩

14、因子。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,式中A0、B0、C0、D0、E0、F0、G0、a、b、c、d、为方程式的十一个参数。 一、各物性参数的计算 （一）由状态方程可确定的参数 以BWRST方程为例，各参数的计算方法为： 1、气体压缩系数计算 式中各参数的意义同BWRST方程中参数的意义。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,2、密度计算 3、流体焓的计算 4、流体熵的计算,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,5、流体定容比热计算 6、流体定压比热计算 7、气体比热比,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,

15、第二章 多相流热物性模型,8、焦耳汤姆逊系数 9、气液混合流体的气化率计算 汽化率e定义为：,式中：Di 气体的节流系数，/Pa； 气体的密度，kg/m3； T气体绝对温度，K； Cp气体的定压比热。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,10、各相逸度计算,式中：fi第i组分气相或液相逸度。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,（二）按组分混合方式求解参数 1、流体分子量、标准密度及临界参数计算 2、动力粘度计算 气体混合物高压下的粘度为： 3、流体运动粘度计算,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,第二章 多相流热物性模型,4、气相导热系数计算 5、气体形成水化物临界温度计算 第三节 组合模型 在计算各相的参数中，组分模型的计算结果优于黑油模型。但对于多相流计算，组分模型在计算有关液相的参数时，其结果往往不令人满意。因此，在实际使用中，往往是以状态方程为基础，用组分和黑油模型混合使用，来达到精确计算的目的。,第二章多相流热物性模型及相关物性参数,