1、绪论,我国天然气现状 主要内容 学习要求 教材和参考书,天然气工程,一、我国天然气现状,我国气田类型复杂，出现的问题多，难度大。 四川气田：裂缝性碳酸岩气藏，含硫，水驱，水淹。 川东目前气产量高，仅大天池气藏储量大约200亿； 川西南气水同产严重，威远气田还有200多亿的储量。 川中磨溪气田。 川西北中坝气田。,长庆气田：低孔低渗气藏，井中生成水合物。 陕甘宁中部气田，至北京的输气管线。 新疆气田：凝析气藏多，怎样减少凝析油在地层中的损失。科克亚井深达6481m，地层压力130MPa。 南海气田：海上气田，开采难度大。 崖城131气田，年产34亿，通过海底管线向香港输气。 其它气田：如大庆汪家
2、屯气田、赤水气田、云南杨林盆地等。,二、天然气工程研究的主要内容,天然气工程研究的是整个气井生产系统的流动规律，各种工艺方法，主要包括： 气藏到井底的渗流 井底到井口的流动 井口到用户的流动 采用系统分析的原理将其联系起来，,三、学习要求,本课程的难度大，具有以下特点： 内容多， 概念多， 公式多， 单位多。 要求掌握内容: 基本概念 工艺方法 基本设计 计算步骤。 注意听讲，作笔记，多复习，多思考，,教材和参考书,教材 杨继盛：采气工艺基础 杨继盛、刘建仪：采气实用计算 参考书 C.U.伊克库：天然气开采工程 H.D.Beggs：Gas Production and Operation R.
3、V.Smith：Practical Natural Gas Engineering D.L.Katz：Handbook of Natural Gas Engineering,复习：天然气的主要物性参数,在油层物理基础上拓宽、提高。 一、天然气 1、天然气 烃类气体：CnH2n+n：C1、C2、C6、C7+， 非烃类气体：H2S、CO2、N2、 He、H2O等的混合气体。 空气：N2、O2、Ar,2、天然气组成 质量组成i=mi/mi 摩尔组成yi=ni/ni 体积组成yi=Vi/Vi 有小数和百分数两种表示。例如：C10.5， C150 三种组成的换算：mi=niMi Vi=22.4ni yi
4、(体)=yi(摩) yi=(i/Mi)/(i/Mi),例：将空气的yii,组分 yi Mi mi iN2 0.78 28.02 21.86 0.755O2 0.21 32.0 6.72 0.232Ar 0.01 39.95 0.40 0.013 1.00 28.97 1.00 空气分子量 M=yiMi=mi=28.97 思考题：将空气如yi换算成i后再换成yi. 证明：yi（摩）yi（体）,二、天然气的分子量和相对密度,、天然气视分子量 定义： 在标准状态下，摩尔体积天然气的质量。kg/kmol，g/mol 计算公式：M=yiMi 、天然气的相对密度 定义：在标准状态下，天然气密度和干燥空气密
5、度之比。 公式：gsc /air标态 = Mg/Mair = Mg/28.97,、分子量与相对密度的关系 Mg = 28.97rg = yiMi，三种不同表示方法的关系 表示：组成不同，g不同，g不同，反之亦然。 思考题：干气藏中的g处处是否相等？,三、偏差系数状态方程,、偏差系数 定义：一定数量的天然气，在相同压力温度下，实际体积和理想体积之比。 公式：Z=V / V理想 数值：z可等于1，大于1，小于1。 意义：反映实际气体偏离理想气体的程度。,、偏差系数状态方程 理想气体状态方程： 推导：由的定义将理想代入理想气体状态方程 方程： 几种表示形式： nKmol： PV = znRT， V
6、= m3 体积 1Kmol： PVm = zRT， Vm = m3/Kmol 千摩体积 1Kg： PV = zRT/M = m3/Kg 比容 = Vm/Mg = 1/g,、两个气体常数,(1)、通用气体常数定义式：,的数值： 公制标准状态英制标准状态注意：单位不同，数值不同；单位相同，数值一样 与气体种类无关，见表。,(2)、气体常数 定义式： 与气体种类有关。,、应用举例,(1)、标准态下空气密度： air = 1.205 kg/m3(2)、标准态下天然气密度：sc = 1.205g kg/m3,四、天然气的偏差系数,1、PVT实验测定，恒温恒质膨胀试验 2、Standing & Katz
7、系数图 概念： 对应状态原理：两种性质相近的气体，在对应状态时，内涵性质一样 对比压力：c 对比温度：c 对比密度：c,拟临界压力：pcici多组分的真临界参数 拟临界温度：pcici 拟对比压力：prpc 拟对比温度：prpc 非烃校正： 适用范围： T1.053.0, 015 三个区：低压区、中压区、高压区。,2、直接计算系数,方法,方法,五、天然气的等温压缩率,、定义：等温条件，单位压力改变引起的单位体积的相对变化率。 公式：“”- ？“T”- 气藏温度恒定 与的区别：；气藏渗流,、实用式 对理想气体，单位：，例20MPa，c？ 思考题：理想气体和实际气体谁大？,六、天然气体积系数,、定
8、义： 相同数量的天然气在地下条件下的体积与其在标准条件下的体积之比。 两个特定状态，与过程无关 g , 单位：m3sm3 、计算式 标准条件:Psc=0.101325MPa, Tsc=293.15K Bg=3.45810-4zT/P,、用途: 、gsc/Bg; 、qgqscBg 、储量=VHC/Bg 、uguscBg 4、膨胀系数gg,七、天然气的粘度,1、定义 牛顿内摩擦定律：du/dy 2 、影响粘度的参数 低压下粘度受热运动控制(分子间距大小):T； Pconst;M,高压下粘度受分子间引力控制(分子引力大小):P；T;M （，i），mPa.s 3、算法 Carr Kobayshi &
9、Burrows图版 Dempsey方法 Lee等人的方法,第一章 烃类流体相态,气藏类型： 干气藏 湿气藏 凝析气藏 重要性： 川西北、川中、新疆、青海、华北、中原、大港等地都存在凝析气田。,第一节 烃类流体相态基本概念,1、烃类流体相态 相：在某一体系中，相同物理化学组成的均匀部分，相间存在明显的界面。 相图：组成一定，由气液平衡数据绘制的几何图形。有多种相图，常用P-T相图。,（1）单组分纯烃相图,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，c，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
10、个急变过程。,（2）多组分烃相图,12：地层压力下降，井筒可能全为干气，也可能有凝析油，但油能被采出。 23：压力下降，气相逐渐向液相转变。在点2处，凝析液量最大，由于温度衡定，压力下降，使气相变为液相，这一现象与正常相变相反，称为反凝析过程。如果地层中析出的凝析油饱和度小于流动饱和度，这些油不能被采出，并损失在地层中，称为凝析油损失。,34：压力下降，液相逐渐又转变为气相，恢复为正常相变。 45：压力继续下降，全部变为干气。,气藏类型：,干气藏： Tcc TR 湿气藏： TR Tc 凝析气藏： TcTRTcc， Tcc临界凝析温度 Pcc临界凝析压力,2、分离方式,原因：P、T变化引起气液两
11、相分离 分离方式： 微分分离 闪蒸平衡分离。,（1）微分分离,三种称法：压力衰竭，CVD，等容衰竭。 定义：液相一旦析出，即将与之接触的一部分气体排走。 特点：温度不变，容积不变，压力下降，组成变化，相图变化。 实验：用级次分离代替微分分离。即：将PVT筒的气体放出V，压力将下降P，并生成凝析油L。 目的：模拟定容衰竭开发凝析气藏。,（2）闪蒸平衡分离,三种称法：恒质膨胀，CCE，等组成膨胀。 定义：液相析出后，并不排走任何一项。 特点：温度不变，组成不变，压力下降，容积变化。 目的：确定凝析气上、下露点，气相偏差系数，相图。,第二节 常系数气体状态方程,原因：中的要用其它方法求取，直接进行微
12、分、积分不便。 提出：常系数状态方程,1、重馏分特征化,纯组分：C1、C2、C6、H2S等 每一组分有M、Pc、Tc、，其值为常数 延伸组分：C7+C7C8 M7+、Pc7+、Tc7+、7+等 重馏分特征化：确定延伸组分参数的过程。,(1) 经验公式法,7+的r7+、M7+、Tb7+容易测得，可用经验公式计算其它参数。 例如： Lee-Kesler 方法1Winn-Sim-Daubert 方法2Watansive-Owens-StarlingCavette 方法对比： 方法1 方法2Tc(K) 545 544Pc(MPa) 3.246 3.306M 98.5 95.7 0.318 0.3236
13、,(2) 露点拟合法,采用露点拟合C7+的参数，需用最优化技术。 目标函数：Min（Pd-Pd*）2 计算露点：Pd=f(Pc7+,Tc7+,M7+,7+) 实测露点：Pd*,2、三次方型状态方程,(1)、三次方型状态方程 理想气体状态方程：偏差系数状态方程：1873 范德华方程：,1949 方程：1972 方程：1975 方程（Peng-Robinson） ：1980 方程（Schmidt-Wenze） ： 1982 方程（Patel-Teja） ：,(2) 、SRK方程,Z 的三次方型状态方程 将的代入方程:式中： A = f（P,T,yi），B = f（P,T,yi）,对混合物，混合规则
14、：,kij组分i和j的二元交互作用系数,(3)、三次方型状态方程求解,已知：、i 求：和体积特性(Vm、m、g) 对根的讨论： 在气相区存在一个实根 液相区存在一个实根 两相区存在三个实根。对气相组成yi取Vmmax计算zmax，对液相组成xi取Vmmin计算zmin，中间根无意义。,z3型方程的解法：牛顿迭代法 牛顿迭代初值怎样取？ 对气相yizg：z01; 对液相xizl：z00,3、状态方程,(1)、方程 （，）个常数 个常数（） 千摩密度表示：（，）个常数 (2)、解法 已知：，i, 求体积特性 思路：用牛顿迭代法求 （）（，）个常数 (1-39) 初值：对气相 ; 对液相,4、SRK
15、方程计算流体热力学性质,（1）组分i的逸度系数,（2）混合物的焓（3）混合物的熵,第三节 气液平衡计算,1、气液相平衡常数 （1）相平衡 定义：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,定义：平衡时，组分i在气相和液相中的摩尔分数之比。 公式：计算方法： 收敛压力法 状态方程法,（3）相平衡原理,相平衡时，组分i的气相逸度应与液相逸度相等fvi = fLo, i=1,2,n 逸度单位：与压力单位相同 用途：判断气液两相是否达到平衡。 计算平衡常数：,2、平衡冷凝计算,定义：平衡冷凝是气体冷却到一定
16、P、T下达到的平衡。 （1）平衡冷凝方程 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,组分i的物料平衡方程 则,平衡冷凝方程,对液相：即：对汽相：即：,用途：,部分冷凝计算 露点计算,（2）部分冷凝计算,已知：F，zi，P，T 求：V，yi，L，xi 解题思路： 采用液相平衡冷凝方程，利用牛顿迭代法，求解e。,部分冷凝计算步骤：,对每个Ki赋初值。如用Willson公式赋初值 用牛顿迭代法求解平衡冷凝方程，确定e 计算组成xi，yi 用状态方程计算逸度fLi，fVi 计算平衡常数Ki 对每个组分检查平衡条件是否收敛，即：| fLi- f
17、Vi |,输入P、T、zi 初值Ki,冷凝计算e L、V、xi、yi,计算Ki,计算ZL、ZV,计算fLi、fVi,| fLi- fVi |?,N,Y,第四节 相图计算,（1）露点计算 露点定义：第一颗液滴刚好析出时的状态。计算露点就是计算露点压力或露点温度。 露点方程： (e = 0，yi = zi), 即：已知：zi，T 求：Pd，xi,露点计算步骤：,对Pd赋初值 对Ki赋初值 计算组成xi 计算逸度fLi，fVi 计算平衡常数Ki 对每个组分检查平衡条件是否收敛，即：|fLi- fVi| 检查露点是否收敛,（2）泡点计算,泡点定义：第一个气泡刚好析出时的状态。计算泡点就是计算泡点压力或泡点温度。 泡点方程： (e = 1，xi = zi)，即：计算步骤：与露点相似,（3）等液量线计算,e 给定，计算P，或T,
