油層物理 第五章(相態(tài))

1、第二篇第二篇 儲(chǔ)油（氣）層中流體物理的性質(zhì)儲(chǔ)油（氣）層中流體物理的性質(zhì) 儲(chǔ)油（氣）層是指儲(chǔ)油（氣）巖石和其中的流體二者而言。而儲(chǔ)油（氣）巖中的流體則是指儲(chǔ)油（氣）巖孔隙中的石油、天然氣和地層水。由于地下壓力和溫度各油（氣）層十分不同，因此在儲(chǔ)油（氣）層中的流體處于不同的相態(tài)，可能為單一的液相（石油），如油藏；可能為單一的氣相（天然氣），如氣藏；也可能處于兩相（石油和天然氣），如帶氣頂?shù)挠筒?；?dāng)然也可能在地下為單一的氣相（天然氣），而采到地表后又出現(xiàn)兩相（石油和天然氣），而且液態(tài)的石油含量相當(dāng)多，這就是一種特殊類型的氣藏叫凝析氣藏。 研究?jī)?chǔ)油（氣）層中流體相態(tài)、流體物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)闡明

2、油氣運(yùn)移、聚集和分布規(guī)律、對(duì)油氣田的勘探評(píng)價(jià)和儲(chǔ)量計(jì)算以及對(duì)油氣田的合理開發(fā)和提高石油采收率都有著極其重要的意義。油（氣）層中流體在什么壓力、溫度條件下出現(xiàn)什么相態(tài)，各相態(tài)的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)如何？這就是本篇所要研究的問題。 石油和天然氣的化學(xué)組成主要是一些復(fù)雜的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，即烴類的合物，這些混合物在常溫常壓下:1-4個(gè)碳原子的烴類為氣體，即天然氣；5-16個(gè)碳原子的烴類為液體，即各種餾分的石油；16個(gè)以上碳原子的烴類為固體，即固態(tài)的石蠟。此外還有一些含氮、氧、硫的烴類化合物，為液態(tài)或固態(tài)的瀝青膠質(zhì)物質(zhì)。相的概念 油層內(nèi)烴類體系的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成可以是均勻的，也可以是不

3、均勻的。 一個(gè)體系中，物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成完全均勻部一個(gè)體系中，物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成完全均勻部分我們叫做分我們叫做“相相”。 相與相之間具有分界面，通過這個(gè)界面，宏觀的物理相化學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變。 不同的相其物理性質(zhì)不同，有些化學(xué)性質(zhì)和組成也不一樣。同一相的物理、化學(xué)性質(zhì)和組成都是均勻的，但組成有時(shí)相同，有時(shí)則連續(xù)可變。 一個(gè)相中可以含多種物質(zhì)，如氣體混合物為一相，溶液為一相。 一種物質(zhì)可以有多個(gè)相，如乙烷可以為氣相，也可以為液相。又如更高的烷烴（十六烷以上）除以液相出現(xiàn)外，還可以固相出現(xiàn)。 同一相的物質(zhì)可以成片出現(xiàn)，也可以成孤立的分隔狀態(tài)出現(xiàn)，如體系中氣泡、液滴。 相態(tài)研究中不考

4、慮體系的絕對(duì)數(shù)量，如體系中出現(xiàn)一噸液態(tài)物質(zhì)可以定義出現(xiàn)液相，若僅出現(xiàn)一克液相物質(zhì)，同樣也可以定義出現(xiàn)液相。相的特征相的表示方法 一個(gè)體系中的相不僅與物質(zhì)組成有關(guān)，而且還決定于壓力和溫度。當(dāng)一個(gè)體系的物質(zhì)組成固定時(shí)，則壓力（p）、溫度（T）和體積（V）都是特定體系組成中相的狀態(tài)函數(shù)，因此在特定體系中其狀態(tài)方程式可寫成：0VTpF、表示狀態(tài)方程的圖件就是相圖。常用相圖為：壓力（p）-體積（V）圖，或壓力（p）-溫度（T）圖。1 單組分體系單組分體系單組分的臨界點(diǎn)可定義為兩相能共存的最高溫度點(diǎn)和壓力點(diǎn)。A點(diǎn)-泡點(diǎn)B點(diǎn)-露點(diǎn)C點(diǎn)-臨界點(diǎn)AC-泡點(diǎn)線BC-露點(diǎn)線單組分體系單組分體系P-VP-V圖圖相應(yīng)的

5、溫度Tc臨界溫度，相應(yīng)的壓力pc臨界壓力，相應(yīng)的體積Vc臨界體積。臨界常數(shù)密度組分分子式分子量1ata 的沸點(diǎn)壓力kg/cm2溫度體積dm3/kg對(duì)空氣相對(duì)密度01atm201atm甲烷CH416.04-161.647.3-82.56.160.5540.71650.6678乙烷C2H630.04-88.649.832.24.931.0381.3561.2634丙烷C3H844.09-42.143.496.84.421.5282.0191.8811異丁烷i-C4H1058.12-11.738.2134.04.272.0072.6682.4858正丁烷n-C4H1058.12-0.1538.715

6、2.04.442.0072.7032.5222異戊烷i-C5H1272.1527.833.9187.84.272.493.2213.0173正戊烷n-C5H1272.1536.134.1197.24.312.493.2213.0173正己烷C6H1486.1738.730.5234.84.272.9953.8603.3798氮N228.02-195.834.6-147.2/0.9681.2501.2320二氧化碳CO244.01-78.575.531.1/1.521.9771.9300硫化氫H2S34.08-60.291.8101.5/1.1781.5391.5000空氣28.966-194.

7、334.8-140.7/11.2931.205水H2O18.02100.0224.6374.1/0.6221.8040.795輕石蠟族碳?xì)浠衔锛捌渌衔锏奈锢硇再|(zhì) （據(jù)Amyx.1960）C點(diǎn)-臨界點(diǎn)曲線-既是泡點(diǎn)線 又是露點(diǎn)線單組分體系相圖的另一種形式：P-T圖由P-V圖可看出，在一定溫度下泡點(diǎn)壓力與露點(diǎn)壓力相同，因此，在壓力溫度相圖上是一條曲線。這條曲線實(shí)際上是飽和蒸汽壓曲線。在曲線上的每一點(diǎn)都代表了氣液二相共存。C點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，高于此溫度無論施加多大壓力都不會(huì)有二相出現(xiàn)，如D點(diǎn)，若一定要判斷相態(tài)的話，則可通過P-V圖，D點(diǎn)體積大于臨界體積Vc為氣態(tài)，若小于臨界體積Vc為液態(tài)。單組分體

8、系的特征：1、臨界點(diǎn)即為二相共存的最高溫度和最高壓力點(diǎn)2、P-V圖上二相區(qū)的等溫線是水平線3、P-T相圖是一條飽和蒸汽壓曲線單組分體系相圖一般采用：P-V圖2 雙組分體系雙組分體系C點(diǎn)-臨界點(diǎn)線1-泡點(diǎn)線線2-露點(diǎn)線c（1）與單組分P-V圖相比不同的是：等溫線在兩相區(qū)不是水平線，而是斜線，說明物質(zhì)泡點(diǎn)和露點(diǎn)壓力不相同，這是由于物質(zhì)不是由一種成分組成；（2）臨界點(diǎn)不再是兩相共存的最高溫度點(diǎn)和最高壓力點(diǎn)?；咎卣麟p組分體系P-V圖 體系臨界點(diǎn)的含義是泡點(diǎn)線與露點(diǎn)線的交點(diǎn)，在該點(diǎn)上液、氣界限消失，液相氣相的內(nèi)涵性質(zhì)相同。 所謂內(nèi)涵性質(zhì)是指那些與物質(zhì)數(shù)量無關(guān)的性質(zhì)，如密度、粘度、化學(xué)電位和表面張力等。

9、 這定義同樣適用于單組分體系。cC點(diǎn)-臨界點(diǎn)P-臨界凝析壓力點(diǎn)，兩相能共存的最高壓力點(diǎn)T-臨界凝析溫度點(diǎn)。兩相能共存的最高溫度點(diǎn)C點(diǎn)-臨界點(diǎn)p-臨界凝析壓力點(diǎn)，兩相能共存的最高壓力點(diǎn)T-臨界凝析溫度點(diǎn)。兩相能共存的最高溫度點(diǎn)aC-泡點(diǎn)線bC-露點(diǎn)線雙組分體系相圖的另一種形式：P-T圖雙組分體系相圖一般采用：P-T圖（3）在P-T圖上二相區(qū)不再是一條飽和蒸汽壓曲線，而是一個(gè)區(qū)域?？煽闯觯海?）在雙組分以上的體系中，相的狀態(tài)函數(shù)除了與溫度、壓力有關(guān)外，還與各組分含量有關(guān)。組分含量變化，相圖是變化的形態(tài)上發(fā)生變化，但線的類型不發(fā)生變化。 乙烷-正庚烷的PTC（成分）關(guān)系圖組成對(duì)體系臨界壓力組成對(duì)體系

10、臨界壓力和臨界溫度的影響和臨界溫度的影響（5）由任意兩種成分組成的體系的臨界壓力，一般都高于純組分的臨界壓力。當(dāng)組成相差越大時(shí)，其臨界壓力越高，組成越鄰近時(shí)，則臨界壓力越低。（6）臨界溫度則比組成中較輕組分的臨界溫度高，而比組成中較重組分的臨界溫度低，因此體系中的臨界溫度是處于兩種純組分的臨界溫度之間。組成對(duì)泡點(diǎn)和露點(diǎn)軌跡構(gòu)成的包線形狀及位置的影響（7） 哪種組分百分含量高，則包線靠近哪一部分，而其臨界點(diǎn)C也靠近哪一組分。 如果兩種組分的百分含量相當(dāng)，那么具有最大面積的包線區(qū)，這時(shí)臨界壓力最高，而臨界溫度則處于兩個(gè)純組分之間。（8）臨界點(diǎn)的位置三種類型：（1）臨界點(diǎn)C位于臨界凝折壓力（p）和臨

11、界凝析溫度（T）之間；（2）臨界點(diǎn)C位于臨界凝析壓力（p）與臨界凝析溫度（T）下側(cè)；（3）臨界點(diǎn)C位于臨界凝析壓力（p）與臨界凝析溫度（T）上側(cè)。易揮發(fā)的組分含量高臨界點(diǎn)位于臨界凝析壓力點(diǎn)的左側(cè)難揮發(fā)的組分含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)臨界點(diǎn)位于臨界凝析壓力點(diǎn)的右側(cè)3 3 多組分體系多組分體系C點(diǎn)-臨界點(diǎn)p-臨界凝析壓力點(diǎn)T-臨界凝析溫度點(diǎn)aC-泡點(diǎn)線bC-露點(diǎn)線虛線-液體體積百分含量線， 也叫等容線CBTDC-等溫逆行區(qū)CGPHC-等壓逆行區(qū)多組分體系的相圖類似于雙組分體系的相圖。臨界點(diǎn)定義與雙組分體系的一樣，為液、氣界限消失，或液相氣相內(nèi)涵性質(zhì)相同。這一點(diǎn)相應(yīng)的溫度為臨界溫度，相應(yīng)的壓力為臨界壓力。多組分

12、體系P-T圖等壓逆行區(qū)等溫逆行區(qū)具逆行現(xiàn)象發(fā)生BD降壓為等溫逆凝結(jié)，DB升壓為等溫逆蒸發(fā)。逆行現(xiàn)象就是與正常現(xiàn)象相反的現(xiàn)象，反常現(xiàn)象與雙組分體系比較，多組分烴類體系的基本特征是：壓力下降液態(tài)組分增加等溫逆行區(qū)BC升溫液相增加為等壓逆凝結(jié)，CB降溫氣相增加為等壓逆蒸發(fā)。8060ABCD溫度壓力等壓逆行區(qū)液相百分含量逆行現(xiàn)象的分子運(yùn)動(dòng)學(xué)解釋壓力下降液態(tài)組分增加逆蒸發(fā)現(xiàn)象的解釋：DB F點(diǎn)開始為氣相，隨壓力增加到E點(diǎn)，開始有液滴凝結(jié)，較重液態(tài)烴分子凝結(jié)，這是因?yàn)榉肿恿看?，分子間引力大，因而首先從氣態(tài)分子凝結(jié)成液態(tài)分子，隨壓力增加到D點(diǎn)，幾乎所有較重?zé)N分子全部凝結(jié)，此時(shí)液態(tài)烴含量達(dá)到最大，由此點(diǎn)再增壓

13、，分子間距縮小，導(dǎo)致分子間引力增加，但未達(dá)到輕烴分子液化程度，這時(shí)可將部分液態(tài)烴分子吸引，隨壓力增加，引力增加，直至將所有液態(tài)烴分子全部吸引，體系中凝結(jié)的液相也就全部轉(zhuǎn)成氣相這種現(xiàn)象可視為液態(tài)重?zé)N分子分散在氣態(tài)的輕烴分子中形成氣溶膠體。壓力下降液態(tài)組分增加逆凝結(jié)現(xiàn)象的解釋：BD A點(diǎn)全部為氣相，當(dāng)壓力降到B點(diǎn)，分子間距加大，引力降低，被吸引的液態(tài)重?zé)N分子開始析離，產(chǎn)生第一批液滴，當(dāng)壓力進(jìn)一步降低到D點(diǎn)，氣態(tài)烴分子間距進(jìn)一步加大，分子間引力進(jìn)一步減小，液態(tài)烴分子全部析離出來，出現(xiàn)大量液態(tài)烴。逆行現(xiàn)象的分子運(yùn)動(dòng)學(xué)解釋J點(diǎn)：代表單相未飽和油藏；I點(diǎn)：代表單相飽和油藏；L點(diǎn)：代表兩相飽和油藏， 或叫帶

14、氣頂?shù)挠筒?；A點(diǎn)：代表單相凝析氣藏；D點(diǎn)：代表兩相帶油環(huán)氣藏；F點(diǎn)：代表單相干氣藏；根據(jù)相圖和地下的溫度、壓力，就可以判斷地下油氣藏類型4 典型油氣藏相態(tài)圖不同類型油氣田液態(tài)烴相對(duì)密度及油氣比不同類型油氣田液態(tài)烴相對(duì)密度及油氣比油氣田類型液態(tài)烴相對(duì)密度原始油氣比（S.C.m3/m3）油田 重質(zhì)油田0.802178 輕質(zhì)油田0.802-0.739178-1425氣田 干氣田/ 濕氣田0.73910686-17810 凝析氣田0.780-0.7391425-124674 典型油氣藏相態(tài)圖1. 重質(zhì)油田相圖特征：u地下P、T條件（A）-處在液相區(qū)，為油藏。u地面油氣分離器P、T條件（S）-處在兩相區(qū)

15、，采到地面液態(tài)石油含量較高。u臨界點(diǎn)（C）-向重組分（向右）大幅度偏移，遠(yuǎn)離臨界凝析壓力點(diǎn)（A），說明石油中重組分含量多。2. 輕質(zhì)油田相圖特征：u地下P、T條件（A）-處在液相區(qū)，為油藏。u地面油氣分離器P、T條件（S）-處在兩相區(qū)，但采到地面液態(tài)石油含量較低。u臨界點(diǎn)（C）-向重組分（向右）小幅度偏移，離臨界凝析壓力點(diǎn)（A）較近，說明石油中重組分含量較少。3. 凝析氣田相圖特征：u地下P、T條件（A）-處在氣相區(qū)且在逆行區(qū)上方，為凝析氣藏。u地面油氣分離器P、T條件（S）-處在兩相區(qū)，采到地面能獲得較多液態(tài)石油。u臨界點(diǎn)（C）-向輕組分（左）方向小幅度偏移，說明石油中輕組分含量較高。4. 濕氣