《油气集输》2油气性质和基础理论

油气集输19/17/2021储运工程系中国石油大学储建学院储运工程系《油气集输》课程组李琦瑰教学内容29/17/2021储运工程系绪论及油气集输流程油气性质和基础理论『上机：相平衡计算』矿场集输管路『实验：混输管路的流型和压降』气液分离原油处理原油稳定油田开发和开采油气性质和基础理论39/17/2021储运工程系一、油气性质二、气液相平衡油气性质和基础理论49/17/2021储运工程系标准状态国内外计量气体体积采用的状态标准常不相同，常见的有三种:①我国天然气计量的法定状态为压力101.325kPa、温度20℃②英美法等西方国家，以1atm、60℉（15℃）为标准状态③书刊中也常用101.325kPa、温度0℃为标准状态三种状态之间的转换关系：1m3(20℃)=0.985m3(15℃)=0.932m3(0℃)油气性质和基础理论59/17/2021储运工程系原油原油是一种极其复杂的烃类和非烃类的液态混合物，其中碳和氢的质量分数分别为85%、12%左右，其余为硫、氮、氧和金属化合物。原油中所含的烃类主要有：正构及异构烷烃（CnH2n+2）；环烷烃（CnH2n）；芳香烃（CnHn）。原油内C16以上的正构烷烃称为石蜡。原油是一种胶体溶液，常含有胶质、沥青质，还有砂、各种盐类及金属腐蚀产物等。油气性质和基础理论69/17/2021储运工程系原油分类常用的原油分类方法：按组成分类按气油比分类按收缩性分类按相对密度和粘度分类按硫含量分类油气性质和基础理论79/17/2021储运工程系按组成分类根据几种烃类在原油中的比例划分原油种类，其中得到工业界认可的Sachanen分类法:石蜡基原油，烷烃大于75%环烷基原油，环烷烃大于75%芳香基原油，芳香烃大于50%沥青基原油，沥青质大于50%油气性质和基础理论89/17/2021储运工程系按气油比分类按气油比将油气井井流产物分成:死油，气油比为零黑油（普通原油），气油比小于356m3/m3挥发性原油，气油比356～588m3/m3凝析气，气油比588～8905m3/m3湿气，气油比大于8905m3/m3干气，不含液体的天然气油气性质和基础理论99/17/2021储运工程系按收缩性分类“收缩”指油藏原油在地面脱气后体积的缩小。用收缩系数来描述原油收缩性的大小。收缩系数是指单位体积油藏原油在地面脱气后的体积数。根据收缩系数的大小划分原油种类:低收缩原油，收缩系数大于0.5高收缩原油，收缩系数小于0.5油气性质和基础理论109/17/2021储运工程系按相对密度和粘度分类Dowd等人根据原油相对密度和粘度划分原油种类:普通原油，相对密度小于0.934，粘度小于10Pa·s重质原油，相对密度0.934～1.000，粘度小于10Pa·s特重原油，相对密度大于1.000天然沥青，粘度大于10Pa·s油气性质和基础理论119/17/2021储运工程系按硫含量分类把硫含量高的原油称为酸性原油，无统一标准。一种说法，H2S体积浓度超过3700mg/L西方管道界，硫含量超过0.5%（质量）油气性质和基础理论我国原油分类我国原油的分类是以常压沸点250～275℃和395～425℃两个关键馏分油的密度划分原油类别。首先对关键组分分为三类，见表：129/17/2021储运工程系油气性质和基础理论根据关键组分的类别把原油分为七类：139/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶气原油物性主要介绍适用于压力、温度较高的油藏及油气两相流动条件下的溶气原油物性的经验计算方法，称为黑油模型。oAPI相对密度天然气溶解度原油体积系数溶气原油密度溶气原油粘度未溶解天然气密度溶气原油表面张力149/17/2021储运工程系油气性质和基础理论美国石油协会相对密度在描述石油及石油产品时，西方国家常用°API相对密度，数值在0～100，与我国惯用的相对密度的关系：Δo—15℃下原油对同温度水的相对密度油品愈轻，°API愈大。159/17/2021储运工程系油气性质和基础理论169/17/2021储运工程系天然气溶解度常压储罐中的原油称为脱气原油；高于大气压，溶有天然气的原油称为溶气原油。单位体积脱气原油在某一压力、温度下能溶解的天然气体积数（折算成标准状态下的体积）称天然气溶解度，或称溶解气油比Rs，m3/m3。可以通过查图或利用相关式算获得。油气性质和基础理论天然气溶解度诺谟图（

Laster

）原油泡点压力

气体相对密度

温度

关联曲线

脱气原油相对密度

天然气溶解度179/17/2021储运工程系油气性质和基础理论Laster相关式Δo——脱气原油相对密度Mo——脱气原油相对分子质量，由图可查yg——天然气摩尔分数，由公式计算或查图189/17/2021储运工程系油气性质和基础理论0API—MO关系图可见，°API愈大，脱气原油相对分子质量MO愈小。199/17/2021储运工程系油气性质和基础理论气体摩尔分数计算式P

——绝对压力，MPaT

——温度，KΔg——天然气相对密度209/17/2021储运工程系油气性质和基础理论泡点压力系数与气体摩尔分数的关系图可见，泡点压力系数愈大，气体摩尔分数愈大。219/17/2021储运工程系油气性质和基础理论229/17/2021储运工程系可见，天然气在原油中的溶解度与压力、温度和油气组成有关：压力愈高，溶解气油比愈大；温度愈低，溶解气油比愈大；油、气相对密度愈接近，原油溶解天然气的能力愈强，溶解气油比愈大。油气性质和基础理论Standing相关式t——温度，℃Chierici等人建议：原油相对密度大于0.966时用Laster相关式原油相对密度小于0.966时用Standing相关式239/17/2021储运工程系油气性质和基础理论原油体积系数单位体积脱气原油溶入天然气后具有的体积数称为原油体积系数。天然气溶入原油使得原油的体积增大，所以溶气原油体积系数总是大于1。原油体积系数可以通过查图或利用相关式计算获得。249/17/2021储运工程系油气性质和基础理论原油体积系数诺谟图溶解度

天然气相对密度

脱气原油相对密度

温度

原油体积系数259/17/2021储运工程系油气性质和基础理论原油体积系数诺谟图相关式可见，原油体积系数与温度、油气组成以及天然气在原油中的溶解度有关：温度愈高，原油体积系数愈大；油、气相对密度愈接近，原油体积系数愈大；溶解气油比愈大，原油体积系数愈大。269/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶气原油密度溶气原油的密度称为视密度，或表观密度。脱气原油中溶入天然气后，其密度和相对密度都减小。其中，溶解天然气相对密度可以通过查图或利用相关式计算获得。279/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶解天然气相对密度诺谟图（Katz）289/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶解天然气相对密度诺谟图相关式可见，溶解天然气的相对密度与溶解度和脱气原油的相对密度有关：溶解度愈小，溶解天然气的相对密度愈大脱气原油的相对密度愈大，溶解天然气的相对密度愈小299/17/2021储运工程系油气性质和基础理论如果已知溶气原油的组成，可近似按理想溶液计算溶气原油的视密度：如果含有C1、C2等在常态下不能液化的化合物，则不能直接用这个公式计算，因为无法测定其常态下的液体密度可利用溶气原油视密度图来查得。309/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶气原油视密度图①用公式计算常态下C3+的密度②计算C2在C2+中的质量百分数③计算C1在液相中的质量百分数④查图确定溶气原油的视密度319/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶气原油粘度原油溶入天然气后粘度减小。可以通过查图或利用公式计算获得：329/17/2021储运工程系油气性质和基础理论未溶解天然气密度天然气中溶于原油的都是较重组分，因此未溶解天然气密度减小。349/17/2021储运工程系油气性质和基础理论溶气原油表面张力表面张力可以用仪器测定，也有很多经验相关式可以用来估算，常用的是修正系数法。上式是脱气原油表面张力与原油相对密度关系曲线的表达式。359/17/2021储运工程系油气性质和基础理论脱气原油表面张力与原油相对密度的关系曲线可见，脱气原油表面张力与脱气原油相对密度和温度的关系曲线。脱气原油相对密度愈大，脱气原油表面张力愈大；温度愈高，脱气原油表面张力愈小。369/17/2021储运工程系油气性质和基础理论修正系数可以通过查图得到，也可以用关系式计算。可见，修正系数是压力的单值函数，而且压力愈高，修正系数愈小。379/17/2021储运工程系油气性质和基础理论脱气原油物性倾点和凝点密度粘度

比热容蒸气压389/17/2021储运工程系油气性质和基础理论399/17/2021储运工程系脱气原油的倾点和凝点倾点和凝点是衡量油品流动性的指标，是在规定的试验仪器和试验条件下测定的。倾点是油品在试管中5秒内能流动的最低温度。凝点是油品在倾斜45°角试管内停留1分钟不流动的最高温度。同一原油的倾点比凝固点约高2.5～3℃。西方国家广泛使用倾点，中、俄等国常使用凝点。油气性质和基础理论脱气原油的密度在0～50℃范围内kg/m3kg/(m3·℃)在20～120℃范围内409/17/2021储运工程系油气性质和基础理论脱气原油的粘度可根据原油相对密度和温度估算原油的动力粘度：mPa·sΔo——15℃原油的相对密度注：温度的单位为，℃419/17/2021储运工程系油气性质和基础理论脱气原油的比热容在原油析蜡温度以上时在原油析蜡温度以下时不同原油可根据比热容与温度的实测关系曲线回归得到A、B、m和n，以及确定t1和t2。t2为最大比热容对应的温度。429/17/2021储运工程系油气性质和基础理论四种原油的c—t曲线四种原油的c—t曲线极其相似。温度高于析蜡温度t1时，石蜡全部溶于原油内，比热容随温度的升高而缓慢上升；在t1～t2范围内随油温下降比热容急剧上升。在t2～0℃范围内，比热容随原油温度下降而减小。439/17/2021储运工程系油气性质和基础理论449/17/2021储运工程系原油蒸气压目前，还没有用于测定原油蒸气压的专用测定器，原油蒸气压的获得仍要利用雷特蒸气压。雷特蒸气压测定器有两个上下连通的室：蒸气室（容积为500毫升）和燃料室（容积为125亳升），容积比为4:1。将油品装入燃料室，在38℃恒温水浴中所测得的油品蒸气的最大压力，即为雷特蒸气压。油气性质和基础理论蒸气室内的气体：油蒸气、干空气和水蒸汽。459/17/2021储运工程系油气性质和基础理论雷特蒸气压与真实蒸气压的换算可见，已知雷特蒸气压就可以查得某一温度下原油的真实蒸气压。469/17/2021储运工程系油气性质和基础理论479/17/2021储运工程系气液相平衡在一定温度、压力条件下，组成一定的物系，当气液两相接触时，相间将发生物质交换，直至各相的性质不再变化为止。达到这种状态时，称该物系处于气液相平衡状态。油气分离即为相平衡分离，油气混合物在分离器内停留一段时间，实施轻、重组分的分离，使轻、重组分分别呈气态和液态流出分离器。油气性质和基础理论一元体系的相特性只有一种纯化合物的物系称一元体系。一元体系的相特性可用p-t、p-v图表示，如图所示。分成5个区域，即：固相区、液相区、蒸气区、气相区和密相流体区。我们涉及的物态范围主要为液相区和蒸气区。三相点2至临界点C之间为纯烃的蒸气压曲线，在曲线左上方的p、t条件下物系内为液相，右下方为气相，只有压力和温度条件处于蒸气压曲线上的任一1-2—升华曲线；2-c—蒸气压曲线；2-3—熔解曲线。点时，物系内才存在气液两相。489/17/2021储运工程系纯烃气体的等温压缩过程纯烃气体，在恒温t1下的压缩过程：①压力升高，气体比体积减小；②A点，开始有液体析出；③继续压缩，液体不断增多，物系压力不变，比体积减小；④B点，全部为液体；⑤进一步压缩，压力急剧增加。若在较高温度下重复上述压缩过程，水平线变短。温度提高至临界温度tc作上述压缩过程，水平线段消失成为一点。499/17/2021储运工程系油气性质和基础理论一元体系的相特性主要有以下特点：

纯烃的饱和蒸气压仅仅是温度的单值函数，压力愈高，其饱和蒸气压愈大。纯烃气体温度愈高，愈难以液化。

临界压力和临界温度是气液两相共存的最高压力和最高温度。509/17/2021储运工程系油气性质和基础理论C2、C7混合物的相特性B一泡点线；c一临界点；D一露点线

a—C2，90.22％；b—C2，50.22％；c—C2，9.78％519/17/2021储运工程系二元体系的相特性由两种纯化合物构成的物系称为二元体系。如图为不同质量浓度的C2

和C7构成的二元物系的p-t相

特性图。最左边和最右边的曲线为纯C2和纯C7的蒸气压曲线。不同组成的体系临界点的连线称为临界曲线。油气性质和基础理论二元体系的相特性主要有以下特点：相特性与组成有关，组成改变则相特性曲线和临界点亦随之而变；饱和蒸气压不再是温度的单值函数，在某一温度下，饱和蒸气压的大小和汽化率有关，汽化率愈小，饱和蒸气压愈大；二元体系的临界温度在构成二元体系的组分临界温度之间，临界压力多数情况下高于纯组分的临界压力；临界冷凝温度、临界冷凝压力是气液两相共存的最高温度和最高压力；温度高于轻组分临界温度时，仍能使轻组分部分或全部液化；临界点附近存在反常区，有反常冷凝和反常汽化现象。529/17/2021储运工程系油气性质和基础理论反常区反常冷凝又包括等温反常冷凝（2反常冷凝（83）和等压9）；反常汽化又包括等温反常汽化（3

2）和等压反常汽化（9

8）。油气性质和基础理论539/17/2021储运工程系多元体系的相特性两种以上纯化合物构成的物系称为多元体系，它具备二元体系相特性的全部特征，但多组分混合物的临界压力更高、包络线所围面积更大。549/17/2021储运工程系油气性质和基础理论相平衡计算集输系统的压力、温度条件总是在石油的p—t相态图的包线范围内，因此，在集输系统的压力、温度条件下，石油总是分成气、液两相。相平衡计算往往是已知石油的组成和质量，以及分离的压力、温度条件，求原油和天然气的组成和质量。559/17/2021储运工程系油气性质和基础理论相平衡计算的假设石油中的非烷烃类，看作是相应的烷烃；挥发性强、易于进入气相的碳原子数少于6~7的烃作为独立组分，重于C6或C7的烃的总和作为一独立假组分，以

C6＋或C7＋表示；石油中的非烃类杂质气体N2、CO2、H2S等看作是独立组分。569/17/2021储运工程系油气性质和基础理论理想溶液和理想气体☆

理想溶液服从拉乌尔定律：在溶液上方的蒸气中，任

意组分的分压Pi与该组分在溶液中的分子分数xi成正比，

其比例系数就是该组分在体系温度下纯态时的饱和蒸气压，即：☆理想气体服从道尔顿定律：若干种理想气体组成的混合气体中，某种气体的分压Pi为该气体在混合气体中的分子分数yi与混合气体总压力P的乘积，即：579/17/2021储运工程系油气性质和基础理论相平衡常数理想溶液和理想气体构成的体系称为理想体系。同时遵循拉乌尔定律和道尔顿定律，则：定义平衡常数：平衡常数是体系压力和温度的函数。压力愈高平衡常数愈小；温度愈高平衡常数愈大。589/17/2021储运工程系油气性质和基础理论组成对平衡常数的影响溶液组成对C4平衡常数的影响l一C4一C2；2一C4一C1

；3一C4一天然气吸收油油气性质和基础理论599/17/2021储运工程系非理想体系，平衡常数是压力、温度和组成的函数，特别是高压下，组成对平衡常数的影响更为显著。相平衡常数的求法理论方法——解析法（根据实际气体状态方程编程）经验方法——

会聚压法查图法（工程上常用的方法）609/17/2021储运工程系油气性质和基础理论相平衡计算★在进行油气平衡分离计算时，通常已知：石油的组成zi和各组分的分子量Mi分离的温度和压力条件P、t石油中每种组分在分离条件下的平衡常数ki★通过计算要确定的参数：若进入体系的物料为1mol，求在分离条件下气液平衡时，气液相各有多少，V

和L求气液的组成，即各种组分在气、液相中的分子分数yi和xi619/17/2021储运工程系油气性质和基础理论相平衡计