油氣系統(tǒng)的溶解與分離

1、第三節(jié) 油氣系統(tǒng)的溶解與分離教學(xué)目的：掌握天然氣從原油中的分離、天然氣向原 油中的溶解、氣-液平衡計(jì)算。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：天然氣從原油中的分離。教法說(shuō)明：課堂講授一 天然氣從原油中的分離1 閃蒸分離或一次脫氣 A 定義:在油氣分離過(guò)程中分離出的氣體與油始 終保持接觸且系統(tǒng)的組成保持不變的脫 氣方式. B 脫氣過(guò)程: C PV關(guān)系圖: PPb PPb PPb PPb PPb D 現(xiàn)場(chǎng)接觸脫氣示意圖: E 接觸脫氣的特點(diǎn): a分離出的氣量較多，溶解油氣比高。 b分離出的氣體較重，即氣中重質(zhì)組分含量 較多（含輕質(zhì)油較多）。 c脫氣過(guò)程中系統(tǒng)的組成保持不變。2 多級(jí)分離 A 定義:在油氣分離過(guò)程中將每一

2、級(jí)脫出的氣體 排除后,液體再進(jìn)入下一級(jí)進(jìn)行油氣分離 的脫氣方式. B 脫氣過(guò)程:C 多級(jí)脫氣的特點(diǎn):a系統(tǒng)的組成不斷變化b脫出的氣量較單級(jí)脫 氣少，所以測(cè)得的油 氣比也小。c分出的氣量較輕，即 氣體中重質(zhì)組分（輕 油）含量少。d脫氣原油比重小，量 較多，質(zhì)量亦好。礦場(chǎng)多級(jí)脫氣流程圖 3.微分分離（微分脫氣） A定義:在微分分離過(guò)程中，隨著氣體的分出，不斷地將氣體放掉，即脫氣是在系統(tǒng)組成不斷變化的條件下進(jìn)行的。但脫氣的級(jí)數(shù)遠(yuǎn)大于多級(jí)脫氣的級(jí)數(shù)。 B脫氣過(guò)程C 微分脫氣的特點(diǎn) 系統(tǒng)組成不斷改變，但脫氣的級(jí)數(shù)遠(yuǎn)大于多級(jí)脫氣的脫氣級(jí)數(shù)，每一級(jí)分出的氣量極小。3 油田開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的脫氣過(guò)程 A 地層

3、中:油層中的脫氣介于接觸脫氣和微分分 離之間,因?yàn)闅鈴挠椭忻摮龊蟠嬖诹魉?差異形成微分分離,而氣體在孔隙中又 始終與原油接觸形成接觸脫氣. B 井筒中:當(dāng)井筒中氣相與液相的流速相差不大時(shí) 油井中的脫氣過(guò)程與接觸脫氣近,而當(dāng) 當(dāng)氣體在井筒中的氣體超越原油出現(xiàn) 滑脫”現(xiàn)象時(shí),井筒中的脫氣方式又介 于接觸脫氣和微分分離之間. C 地面儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中:地面儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的脫氣過(guò)程 為較理想的分離過(guò)程. 二 天然氣向原油中的溶解1亨利定律 單組分氣體在液體中的溶解服從亨利定律，即溫度一定時(shí),溶解度和壓力成正比，或成直線(xiàn)關(guān)系，即：亨利定律是一個(gè)直線(xiàn)定律，是一個(gè)常數(shù)，這對(duì)于不易互溶的氣液系統(tǒng)是適用的。 Rs=P式中

4、:Rs -溶解度. -溶解系數(shù)溶解度：表示壓力為P時(shí),單位體積的地面原油所溶解的天然氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積)。 單位為(標(biāo))米3/米3. 溶解系數(shù):表示一定溫度下，每增加一個(gè)大氣壓時(shí)，單位體積液體中溶解的氣量。 單位:(標(biāo))米3/(米3MPa)2. 天然氣在原油中的溶解度對(duì)于多組分結(jié)構(gòu)相近的烴類(lèi)氣體，不是一個(gè)常數(shù)。也就是說(shuō)氣體溶解度并不符合亨利定律。 天然氣在原油中的溶解曲線(xiàn) 3 影響溶解度的因素 A 壓力 B 溫度: C 組成: D 密度 4 溶解與分離的關(guān)系 A 接觸脫氣時(shí)的溶解曲線(xiàn)和分離曲線(xiàn)相重合.而 多級(jí)脫氣時(shí)的溶解曲線(xiàn)和分離曲線(xiàn)不重合. B 輕組分的溶解曲線(xiàn)和分離曲線(xiàn)較接近.而重組

5、分的溶解曲線(xiàn)和分離曲線(xiàn)高壓時(shí)相差較小,低 壓時(shí)相差較大. 三 相態(tài)方程及其應(yīng)用1 相態(tài)方程 表征溫度、壓力、油氣組成與溶解度的關(guān)系表達(dá)式。 2 研究相態(tài)方程的目的 A 預(yù)測(cè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層壓力和溫度變化時(shí)油藏流 體的相態(tài)變化特征; B 預(yù)測(cè)地層流體流到地面后的氣、液數(shù)量,為油 氣處理、集輸工藝流程設(shè)計(jì)提供有效依據(jù); C 相圖計(jì)算.3 相態(tài)方程的推導(dǎo)B拉烏爾定律:氣液兩相平衡時(shí)，各組分在氣相中的分壓等于同溫度下該組分單獨(dú)存在時(shí)的蒸氣壓 力乘以在液相中的摩爾濃度 C道爾頓分壓定律:各組分的分壓等于其摩爾分?jǐn)?shù)與體系總壓力的乘積，即： 當(dāng)系統(tǒng)中氣相和液相在一定溫度下達(dá)到平衡時(shí) 所以 為平衡常數(shù)或平衡比。

6、 設(shè): Ng-氣相物質(zhì)的摩爾數(shù) NL-液相物質(zhì)的摩爾數(shù) yi-第i組分在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù) xi-第i組分在液相中的摩爾分?jǐn)?shù) ni系統(tǒng)中第i組分的摩爾分?jǐn)?shù)根據(jù)烴類(lèi)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡關(guān)系有： 當(dāng)氣液達(dá)到平衡時(shí),i組分在氣相中的分壓和在液相中的分壓應(yīng)該相等,于是有:理想溶液相態(tài)方程同理有:當(dāng)N=1時(shí)有:理想溶液相態(tài)方程E 理想溶液相態(tài)方程的求解步驟(試湊法) 設(shè)定一NL(01之間)根據(jù)給定溫度查各組分的飽和蒸汽壓由相態(tài)方程計(jì)算Yi(或Xi)計(jì)算Yi=1計(jì)算Xi計(jì)算液相數(shù)量N*NL計(jì)算氣相數(shù)量N*Ng設(shè)系統(tǒng)的總摩爾數(shù)為NYesNoF 理想溶液泡點(diǎn)壓力、露點(diǎn)壓力計(jì)算 在泡點(diǎn): Ng=0 NL=1（1mole

7、） P=Pb 由相態(tài)方程有: 泡點(diǎn)方程在露點(diǎn): Ng=1 NL=0（1mole） P=Pd由相態(tài)方程有:露點(diǎn)方程4 實(shí)際溶液相態(tài)方程A 理想溶液相態(tài)方程式的局限性:（1）道爾頓分壓定律的假設(shè)前提為氣體應(yīng)具有由理 想氣體組成的理想溶液的性質(zhì)。（2）拉烏爾定律是以液體具有理想溶液性質(zhì)的假設(shè) 前提的。但是，只有當(dāng)液體混合各組分的化學(xué) 物理性質(zhì)十分相似時(shí)，該混合物的性質(zhì)才接近 理想溶液，而油氣系統(tǒng)并非如此。（3）從實(shí)際觀點(diǎn)出發(fā)，在臨界溫度以下，純化合物 已不存在蒸汽壓。高于該溫度，蒸汽壓無(wú)法確 定，因此，這一方程式的應(yīng)用僅限于溫度不超 過(guò)混合物揮發(fā)性最強(qiáng)組分的臨界溫度這一范圍 之內(nèi)。例如，含有甲烷的混

8、合物，凡溫度高 于-82.5（甲烷的臨界溫度）的場(chǎng)合，就不 能用前面介紹的相態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。B 實(shí)際溶液相態(tài)方程式: 在理想溶液中,氣液平衡時(shí)有: 在實(shí)際溶液中,因飽和蒸汽壓無(wú)法確定,所以引入一個(gè)新的物理量-平衡常數(shù)K平衡常數(shù)-指系統(tǒng)中某一組分（如i組分）在 一定的壓力和溫度的條件下，氣 液兩相處于平衡時(shí)，該組分在氣 相中和液相中的分配比例。在數(shù) 值上，平衡常數(shù)等于該組分在氣 相和液相中摩爾分?jǐn)?shù)的比值。將Ki=Yi/Xi即Yi=Ki*Xi代入(取N=1mole)化簡(jiǎn)得:實(shí)際溶液相態(tài)方程式.問(wèn)題是Ki如何求取呢?要運(yùn)用該方程就必須首先確定Ki平衡常數(shù)Ki的求取-圖版法: 單組分:收斂點(diǎn)收斂壓力4

9、.2MPa5.6MPa7.0MPa21.0MPa28.5MPa35.0MPa70.0MPa平衡常數(shù)的特性:a在低壓情況下，每條曲線(xiàn)的斜率幾乎都等于-1。b每一條曲線(xiàn)與K=1.0相交處的壓力等于該曲線(xiàn)所代表的組 分在給定溫度下的蒸汽壓。c除了甲烷之外，每一曲線(xiàn)隨壓力增加平衡常數(shù)減小，壓力 增到某一值時(shí)，平衡常數(shù)有最小值，然后又隨壓力增大而 增大。d在較高壓力時(shí)，每一條曲線(xiàn)都有收斂于平衡常數(shù)等于1.0 的趨勢(shì)。平衡常數(shù)收斂于1時(shí)的壓力稱(chēng)之為收斂壓力。e如果給定溫度就是混合物的臨界溫度，每一條曲線(xiàn)確實(shí)可 以收斂為1.0，且收斂壓力即為該混合物的臨界壓力。f如果給定的溫度是不包括臨界溫度的任何一個(gè)溫度

10、，那 么，當(dāng)壓力變化到某壓力時(shí)（泡點(diǎn)壓力或露點(diǎn)壓力），系 統(tǒng)則會(huì)出線(xiàn)單相（氣相或液相），單相區(qū)其平衡常數(shù)的定 義不成立了，這時(shí)，如果人為地按這些曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)外 推到平衡常數(shù)為1.0的某一匯聚點(diǎn)，這時(shí)這個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 壓力值是虛擬的收斂壓力值，稱(chēng)之為視收斂壓力。組成對(duì)平衡常數(shù)的影響:當(dāng)P0.7MPa時(shí),兩組曲線(xiàn)幾乎重合 當(dāng)P7MPa時(shí)，兩組曲線(xiàn)Ki相差較大 組成不同表現(xiàn)為收斂壓力不同 5 相態(tài)方程的應(yīng)用A 泡點(diǎn)壓力和露點(diǎn)壓力的計(jì)算(試算法) 泡點(diǎn)方程:在泡點(diǎn) Ng0NL1 (N=1) 露點(diǎn)方程:在露點(diǎn) Ng1NL0 (N=1)泡點(diǎn)壓力和露點(diǎn)壓力計(jì)算步驟 設(shè)定一Pb根據(jù)溫度和壓力查Ki計(jì)算niki

11、=1輸出PbYesNo設(shè)定一Pd根據(jù)溫度和壓力查Ki計(jì)算ni/ki=1輸出PdNoYesB 級(jí)次脫氣計(jì)算(舉例說(shuō)明) 脫氣溫度49一次脫氣脫氣絕對(duì)壓力0.1多級(jí)脫氣第一級(jí)壓力3.5第二級(jí)壓力0.46第三級(jí)壓力0.1組 分ni平衡常數(shù)Ki3.5MPa0.46MPa0.1MPaC10.44048.160.0265C20.04321.6510.646.5C30.04050.593.414.3C40.02840.231.255.35C40.01740.0880.4151.72C60.02900.0390.170.70C7+0.40110.0030.0130.052級(jí)次脫氣條件平衡常數(shù)單級(jí)脫氣計(jì)算 組分

12、油井產(chǎn)物的摩爾濃度0.1MP(絕）49c下的平衡常數(shù)NL=0.398NL=0.397NL=0.3973C10.44042650.00280.00280.0028C20.043246.50.00150.00150.0015C30.040514.30.00450.00450.0045C40.02845.350.00790.00790.0079C50.01741.720.01220.01220.0122C60.0290.0700.03540.03540.0354C70.40110.0520.93500.93710.9357合計(jì)1.00000.99931.00141.0000多級(jí)脫氣計(jì)算 組分油井產(chǎn)物

13、摩爾濃度（ni)3.5MP（絕），49 c以下的平衡常數(shù)(Ki)NL=0.582Ng=0.418C10.44048.10.11100.8991C20.04321.650.03390.0566C30.04050.590.04890.0288C40.02840.230.04190.0096C50.01740.0880.02810.0025C60.02900.0390.04850.0019C70.40120.0030.68770.0021合計(jì)1.00001.00001.0000注意此欄數(shù)據(jù)變化第二級(jí)脫氣計(jì)算結(jié)果組分第一級(jí)分離器液體濃度(ni)0.46MP（絕），49c平衡常數(shù)(Ki)C10.1110

14、60.00.01090.6530C20.033910.60.01350.1430C30.04893.40.03550.1207C40.04191.250.04030.0504C50.02810.4150.03090.0128C60.04850.1700.05570.0095C70.68770.0130.81320.0106合計(jì)1.00001.00001.0000注意此欄數(shù)據(jù)變化組分第二級(jí)分離器的摩爾分?jǐn)?shù)（ni)0.1MP（絕），49c下的平衡常數(shù)（Ki)Ng=0.0514C10.01092650.00070.1965C20.013546.50.00380.1885C30.035514.50.0

15、2100.3022C40.04035.350.03300.1775C50.03091.720.02990.0513C60.05570.700.05660.0396C70.81320.0520.85500.0444總計(jì)1.00001.00001.0000第三級(jí)脫氣計(jì)算結(jié)果單級(jí)脫氣和多級(jí)脫氣比較 1mole1moleNg=0.6027Ng1=0.418NL1=0.582Ng2=0.156NL2=0.844Ng3=0.0514NL3=0.9486NL=0.466Ng=0.534液位控制三級(jí)分離液位控制壓力控制一級(jí)氣二級(jí)氣壓力控制井流一級(jí)分離器二級(jí)分離器分離器儲(chǔ)罐儲(chǔ)罐氣體井流二級(jí)分離儲(chǔ)罐氣體儲(chǔ)罐一級(jí)分

16、離壓力控制分離器氣體NL=0.3973C 相圖的計(jì)算一個(gè)相圖應(yīng)該包括四個(gè)部分： 泡點(diǎn)線(xiàn) 露點(diǎn)線(xiàn) 臨界點(diǎn) 兩相區(qū)內(nèi)等液量線(xiàn) 相圖的計(jì)算分為四種情況： T=TcC、D兩點(diǎn) TTcA、B兩點(diǎn) TTcE、F兩點(diǎn) 等液量線(xiàn)的確定 A、溫度等于臨界溫度時(shí)，相圖的計(jì)算：a根據(jù)系統(tǒng)的組成，計(jì)算混合物的臨界溫度，這樣便可以得到臨界等溫線(xiàn)，如圖CD線(xiàn)。b根據(jù)系統(tǒng)組成，計(jì)算臨界壓力，那么臨界狀態(tài)點(diǎn)C即可確定。c令計(jì)算的臨界壓力等于該系統(tǒng)的收斂壓力（因?yàn)門(mén)=Tc，所以收斂壓力不必反復(fù)試算），根據(jù)這個(gè)收斂壓力選出合適的圖版，假定不同壓力（PPc）試算 ，若 =1，則所假定壓力即為臨界溫度下的露點(diǎn)壓力，即圖中D點(diǎn)，試算方

17、法與前面介紹的如何用露點(diǎn)方程計(jì)算露點(diǎn)壓力相同。B、溫度高于臨界溫度時(shí)相圖的計(jì)算 當(dāng)溫度高于臨界溫度之后，泡點(diǎn)線(xiàn)不存在，但是，在一條等溫線(xiàn)上卻存在兩個(gè)露點(diǎn)，即有兩個(gè)壓力條件下所對(duì)應(yīng)的ni，Ki滿(mǎn)足露點(diǎn)方程.a任意假定一個(gè)溫度ThTc。b對(duì)要確定的兩個(gè)露點(diǎn)設(shè)一收斂壓力Pcw根據(jù)收斂壓力選出平衡常數(shù)圖版組d假設(shè)兩個(gè)壓力P，根據(jù)該壓力P和所設(shè)溫度Th確定出各組分的平衡常數(shù)Ki， （兩組）e對(duì)高壓和低壓兩種情況，分別試算露點(diǎn)方程，改變所設(shè)壓力P，（注意， Ki也相應(yīng)改變），直到兩上壓力（高壓、低壓）均滿(mǎn)足露點(diǎn)方程為止，那 么試算的能滿(mǎn)足露點(diǎn)方程的較高壓力即為上露點(diǎn)壓力Pdh上，較低壓力即為 下露點(diǎn)壓力P

18、dh下。f用我們前面所講過(guò)的方法來(lái)計(jì)算兩種情況下的收斂壓力Pcw.g比較前面假設(shè)的和由上步計(jì)算出來(lái)的Pcw，若Pcw=Pcw，那么，這兩個(gè)點(diǎn) 壓力就是正確的，否則應(yīng)假設(shè)新的收斂壓力Pcw=Pcw，重復(fù)上面的計(jì)算， 直到所假設(shè)的收斂壓力約等于的收斂壓力為止。h從上面的計(jì)算我們可以看出，當(dāng)假設(shè)不同的溫度重復(fù)上述步驟時(shí)，那么T Tc區(qū)就可以繪出了。 C、溫度低于臨界溫度時(shí)相圖的計(jì)算a任意假定一個(gè)溫度ThTc。b對(duì)要確定的兩個(gè)露點(diǎn)設(shè)一收斂壓力Pcw根據(jù)收斂壓力選出平衡常數(shù)圖版組d假設(shè)兩個(gè)壓力P，根據(jù)該壓力P和所設(shè)溫度Th確定出各組分的平衡常數(shù)Ki， （兩組）e對(duì)高壓和低壓兩種情況，分別試算泡點(diǎn)方程和露

19、點(diǎn)方程，改變所設(shè)壓力 P，（注意，Ki也相應(yīng)改變），直到兩壓力（高壓、低壓）分別滿(mǎn)足泡點(diǎn) 方程和露點(diǎn)方程為止，那么試算的能滿(mǎn)足方程的較高壓力即為泡點(diǎn)壓力， 較低壓力即為露點(diǎn)壓力。f用我們前面所講過(guò)的方法來(lái)計(jì)算兩種情況下的收斂壓力Pcw.g比較前面假設(shè)的和由上步計(jì)算出來(lái)的Pcw，若Pcw=Pcw，那么，這兩個(gè)點(diǎn) 壓力就是正確的，否則應(yīng)假設(shè)新收斂壓力Pcw=Pcw ，重復(fù)上面的計(jì)算， 直到所假設(shè)的收斂壓力約等于的收斂壓力為止。h從上面的計(jì)算我們可以看出，當(dāng)假設(shè)不同的溫度重復(fù)上述步驟時(shí)，那么T Tc區(qū)就可以繪出了。 D、等液量線(xiàn)的計(jì)算 a任意假定一個(gè)溫度T b再假定其收斂壓力Pcw再假定一個(gè)NL（5%， 10%，25%，50%，75%等） d再假設(shè)一個(gè)壓力P e根據(jù)所設(shè)的收斂壓力選出其平衡常數(shù)圖版 f根據(jù)所設(shè)的P、T在平衡常數(shù)圖版上找出各組分的 平衡常數(shù)Ki值 g將所得數(shù)據(jù)ni、NL、Ng、Ki代入相態(tài)方程中，判斷 是否為1，否則重新設(shè)P直到滿(mǎn)足相態(tài)方程為止， 那么，滿(mǎn)足相態(tài)方程的壓力即為所求。 h用所得的液相組成xi進(jìn)行收斂壓力計(jì)算，若計(jì)算 的Pcw =Pcw，則P為所求，否則重新假設(shè) Pcw=Pcw，重復(fù)計(jì)算，直至相等. 2）計(jì)算泡點(diǎn)壓力 泡點(diǎn)可以看作極少量的氣體與