念 气液平衡计算的基本步骤 实际气体状态方程的基本结构 重馏分特征化基本原理
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天然气工程烃类流体相态
一、烃类流体相态特性
（一）基本概念
体系 相 组分 组成 自由度 相平衡 化学位 逸度
（二）单组分和多组分烃类体系
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天然气工程烃类流体相态
1、体 系
体系是在一定范围内一种或几种定量的 物质
该方法为便于用矩阵形式采用牛顿迭代法计算，把物质平衡方程组中 的第n+1个方程用压力的形式表示出来：
露点计算：
泡点计算：
等温闪蒸：
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•三、实际气体状态方程和热力学性质
•重点和难点 •(1)*EOS的压力形式： •(2)*EOS的Z因子形式 •(3)*用状态方程进行逸度计算
由此可见，多组分体系不可能用三维空间来描述一个完 整的体系。
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天然气工程烃类流体相态
•多组分烃类体系P-T相图及特征
•
•两相共存的最高压力
•泡点线
•等液量线
两
相
共 存
3、多组分体系的反
的
最 高
转凝析现象
压
力
在纯组分体系中， 当等温压缩或等压 降温时，都会导致 有液体的凝析产生。
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component in system?
用途：判断气液两相是否达到平衡的可测工具或称参数。
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•(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程
•（1）假设条件
体系处于气液相平衡 等组成膨胀
•汽/yi
体系温度保持恒定
不考虑油气接触介质的影响
•（2）数学模型（物料平衡方程）
等温化学位
逸度系数 可由状态方程计算（对理想气体混合物其值位1.0
•盐
）
水
•相平衡时，某组分在各相中的逸度相等为相平衡的另一种热力学判定条件。平衡常数
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(二）单组分和多组分烃类体
单一烃类组分相态特征 多组分烃类体系相态特征 多组分体系的反转凝析现象 常见气藏的P-T相图
可以是单质也可以是化合物 各物质之间无化学反应
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•纯 水
•盐 水
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•4、 组成
体系中构成某种物质（组分）的含量或比例
天然气中一般用摩尔百分比表示 体系中各组分的组成摩尔百分比的加和等于1
•盐 水
5、 自由度
在不改变平衡体系中原有平衡相数的条件下可独立改变的量
在多组分体系中则
•露点线
常常出现和这相反 的逆变现象，即在
等温降压或等压升
温的情况下，反而
Ø 气藏类型-相图法：
会引起液体的凝析。
Ø 干气藏： TReseroir Tm
Ø 湿气藏： TReservoir Tm ，但地面分离条件落在两相区
Ø 凝析气藏： Tc＜TReservoir＜Tm，
天然气体系中凝析
无论体系多么复杂，多相共存、蒸气压、临界点、连续单相区等重要概念将会应用到 任一体系。
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2、多组分烃类体系相态特征
u 单一组分与多组分体系的基本区别在于：体系中每增加一 个组分就要增加一个自由度。我们必须规定附加的变量来 确定体系的状态。对于一个含有N个组分的体系，其描述
| fLi- fVi |＜ε
•输入P、T、zi •初值Ki
•物质平衡计算V •L、V、xi、yi
•计算ZL、ZV
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•计算fLi、fVi
•N
•计算Ki
•| fLi- fVi |＜ε?
•Y
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•4、地面工程中的平衡冷凝计算
定义：平衡冷凝是气体冷却到一定P、T下达到的平衡。
压力-温度投影图（ 简称P—T图） 压力-体积投影图（ 简称P—V图）
临界点：气液相内涵性质相同的点，这时气 液两相共存。 临界参数：Pc，Tc，ρc，Zc，Vc 正常相变：
P衡定，T升高，液相全变为气相。 T衡定，P下降，液相也会全变为气相。 特点：无两相区，是一个急变过程。
单一组分烃类体系的相态研究已经揭示了相平衡的许多重要特性。
V的初值：进料为液相，可使初值小于0.5；进料为气相，可使初值大于0.5 收敛判据：
要求得平衡气液相的摩尔分量和组成，关键的参数是气液两相的平衡常数Ki，只要能准确 知道气液平衡状态下各组成的平衡常数，就能进行气液平衡计算。
那么气液两相平衡时其热力学条件和平衡常数有什么关系呢？
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•7、相平衡
•盐
体系中各组分在相与相之间的迁移传递速度相等时的状态。
水
迁移速度受化学位控制
相平衡时，某组分在各相中的化学位相等（相平衡热力学条件）
•8、逸度
●校正了的压力，它是人们在实现由热力学变量（化学位）向物理测量变量转换的一种概念工具。
它直接将数学上的抽象量与实际的可以测量的普通强度量相联系起来。
1、相平衡
体系中各组分在相与相之间的迁移传递速度相等时的状态 对任一组分，气相分子进入液相的速度和液相分子进入气相的速度相等。 特点：P、T一定，平衡时各相组成不变,是一个动态平衡。
2、相平衡常数(平衡分配比)
•汽/yi
定义：平衡时，组分i在气相和液相中的摩尔分数之比。
•液
公式：
/xi
计算方法：
收敛压力法
状态方程法
3、相平衡计算模型的原理
等温化学位
相平衡
逸度系数 可由状态方程计算
相平衡时，某组分在各相中的化学位相等
组分i的气相逸度应与液相逸度相等
•Question：How to calculate
fvi = fLo,
i=1,2,…n
composition of every
逸度单位：与压力单位相同
•④平衡气、液相中任一组分的分配比例用平衡常数描述：
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•(二)油气体系气液平衡计算物料平衡方程
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•如何利用物料平衡方程求解相平衡问题？
•目标：求在给定压力和温度条件下得气、液两相的摩尔分量及组成 •解法：物料平衡方程是高度非线性方程，一般采用迭代法求解（如：牛顿迭代法） •。物料平衡方程的牛顿迭代法
•液 /xi
• 设对于一混合烃类体系，取1mol的物质作为分析单元，那么当其处于任一气液两
相平衡状态对应有以下特性（数学描述）：
• ①平衡气液相的摩尔分量V和L分别在0和1之间变化，且满足归一化条件：
•
V+L=1.0
•②平衡气、液相的组成应分别满足归一化条件 ：
•或表示为：
•③平衡气、液相中的各组分的量之和应分别等于各自总的量的大小：
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其最大的成功之处在于:
(1)第一次导出了满足临界点条件，且对V是简单的三次方型状态方程状态方程有明确的物理意义 (2)通过与（Andrews）实测CO2体系临界等温线对比，首次用状态方程阐明气液两相相态转变的连
续性 (3)提出了两参数对比态原理 (4)建立和发展能同时精确描述平衡气液两相相态行为的状态方程是可能的
体系和环境是相对的 范围是研究时划定的 环境和体系密切相关
研究的范围确定了体系中的物质及物质量， 也确定了环境和体系的关系
体系分类
孤立体系
与环境无能量和物质交换
封闭体系
与环境仅有能量交换、无物质交换
敞开体系
与环境既有能量交换、又有物质交换
•气
•水
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•井 口
装 置
•井口保护器
天然气工程-烃类流体相 态
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2020/11/18
天然气工程烃类流体相态
主要内容
一、 烃类流体相态特性 二、油气体系气液平衡计算 三、实际气体状态方程和热力学
性质 四、重馏分特征化 五、相态法气藏类型判别简介
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天然气工程烃类流体相态
•本章掌握重点
相态的几个基本概念 多组分烃类流体相态变化和原理 气液平衡的物料和热力学平衡的基本概
存在的问题：
(1)仅对理想气体做了简单的修正，引入a和b时忽略了实际分子几何形态和分子不对称性及温度对压力的影响；
(2)其理论临界压缩因子为0.375，远大于实测值0.292至0.264，仅适用于简单的球形对称的非吸性分子体系。
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（1）平衡冷凝方程
①总物料平衡方程
F = V+L
（Kmol/h）
液化率：e = L/F
汽化率：1-e = V/F
②组分i的物料平衡方程
• 其基本计算步骤和气液 平衡计算是一样的，因为液化 率相当于液相摩尔分数
•③平衡冷凝方程
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•（四）常用的第二类相平衡计算数学模型
² Tm——临界凝析温度 ² Pm——临界凝析压力
气体系特有的现象
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4、常见气藏的P-T相图
•干气气藏P-T相图示意图
•P •地层条
•湿气藏P-T相图示意图 件
•C
•C
•se
p
•T
•典型特点： 干气在任何环节不产生液烃 湿气在分离器有液烃产生 凝析气在地下、井筒和分离器均有液烃产生
•阀 座 •锥形阀
•弹 簧
•孔板压座
•外 壳
•芯 子
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•孔板