状态方程在石油工程上的应用.pdf

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第20卷第21999年6月
身石沿科故什
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状态方程在石油工程上的应用
Maria A. Barrufe
翻译:郭秀文许宁李鲁兵(辽河石油勘探局物探天发研究院
aA)心A
校对;叶良(新疆石油局勘探开发研究院)
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由于计算被术的发展,使得组分模拟在石油工程中变得日益重要,状态方程模拟的主要作用在
于当气液两相共存时,对气液性质同时进行动力学特征的一致性评价,通过调整状态方程的参数可
使方程适用于气液两相真实流体、或将状态方程参数变成组分的函数,状态方程就扩展到了混合物,
最后分祈了组分对碳氩流体态行为的影响
主题词状恋方程機组分るいもエ王,
戒程
石油工业传统上是用简单的PVT关系来描述油藏流体的体积和相态特征。由于PVT
关系式比较简单、计算快且对许多油藏工程问题,尤其是黑油和于气体的问题比较精确
所以在油藏工程和采油工程上仍然被广泛使用。然而,对于注气油、挥发油或凝析
气藏的开发,则不仅需要能够描述相平衡而且也能够描述气液两相体积特征的更准确的
状态方程。
功能强大的讨算机和用户友好界面软件的广泛使用,使得组分模拟成为石油工程
的一个组成部分。现在,一个好的模型能够描述热动力特征,且在很大的温度、压力和
组分范围内能够精确、可靠、高效地应用。对一个模型设置使用范围是不合实用的
们总是在所推荐的使用范围外继续使用模型。好的模型应当在所有可能的条件下都给出
理的结果,而不是由现有的关系式所能得出的负密度、负压缩系数、负溶解气油比或
负热容等不合理值。由于在数值模拟中,计算具有续性,一点小误差就会导致最终的
错误结果,因此油藏物性的相关式还要求有非常髙的精度
単相和多相流体
用真实气体状态方程可以评价氧体的Z因子。Z因子衡量的是真实气体与理想气体
的偏离程度,这可以通过图表、相关式或实际气体状态方程得到。液相2因子的概念
不很普遍,并且作初始估计十分困难
有些条件下,常组分单相流体的气液相之间并不存在明显差别。如果一个单一混
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1999年6月
合物的温度高于临界温度且压力连续增加,其密度就会从类气相流体单调连续递增成类
液相流体。压力的增加不会引起相变,组分也保持不变。对于温度低于临界温度的单
流体或溫度低于临界凝析温度的混合物,单相与多相的变化界限是由相包络线确定的
泡点边界(BPB)和露点边界(DPB)在混合物临界点相交。图1表示了单组分流体和
多组分流体从气相到液相的连续和不连续变化轨迹
单组分流体
多组分体
速体
液体
临界压力
临界压
临界折温r
两相
汽体
汽体
温度
度
图1相变
注:箭头表示气相到液相无可识别变化的一种作用轨连
油藏流体是由许多碳氢组分和一些非碳氢组分(如CO2和N2)组成的复杂混合物
这些混合物会出现类似于图1B所示的温度、压力变化范围很大的相包络线。流体从油
歳到地层的生产过程会穿越这些边界,原来的单相流体会分解出成分、密度、粘度和流
度差别很大的气液两种流体。流体的流动特征由孔隙介质和流体物性和密度、粘度所决
定。因此,需要有一个在很大压力范围内都能确定流体PVT特征的计算式。
气液两相真实流体状态方程
状态方程模型的主要作用在于当气液两相共存时,对气液性质同时热动力学特征
的一致性评价。它由单组分发展起来而后通过合理定义参数扩腰到了混合物范围。
1873年提出的 van der Waals(vdW)状态方程是既可以表示汽相又可以表示液相
的第一个关系式。关系式的格架遵循现代扰动学理论。参数a表示引カ造成的压力变化
参数b表示斥力或分子大小,是摩尔体积V的简単3次方程式。现在的大多数修正式
都保留了完整的斥力项,而对引力项作了修正。
P
b)V
通常调整参數α就能精确描述整个汽液温度变化范围内的蒸汽压力。 Redlich- Kwong
(RK)修正式中的参数a能随温度而灵活变化。除了与温度有关的参数a, Soave
Redlich- Kwong(SRK)修正式通过无中心因子表示的经验式对原来的RK状态方程进
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第20卷第2期
郭秀文等:状态方程在石油工程上的应用
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行修正,得到了更好的汽-液平衡结果。另外,Peng- Robinson(PR)状态方程修改了参
数a的函数式,对液体密度的描述作了一点改进,得到石油界的广泛使用。
三次的状态方程一般要求尽量满足式(2a)和(2b)所示临界点的临界等温变化,
这些状态方程都提供了由临界参数确定α和b这两个特定赏数的方法,因此都能对蒸汽
压力变化曲线端点的临界温度和临界压力作出正确描述。任何状态方程都可以用式(3
所示的一般形式表达,其中的a由式(4)计算。表]表示4个常见状态方程(vdW,
RK,SRK和PR)的参数值。表1中最后一列z是由各状态方程得到的临界压缩因子
(2b
h(ーb
air, a )P
(4)
现在已经有其它更精确的非三次状态方程。然而,对于大型油藏模拟,限于模型
大小和能够模拟达到的精度,数学模型中只能采用三次的状态方程
報1三次状态方的一般形式
RI
a, e(r, a)P
b)('-bIーb
状态方程
b
a(r, ai
dw
0.125RT
0.42188RT
P
P
8
RK
0.08664R
0.42748R2T2
P
P
SRK
0.08664RT
0.42748R7
(,Z,)
P
P
0.08664R
b1+2)
0.45724R272
Fm(0.T)0307
P
P
mx(a)=1+(0.480+15740-01703)-y7
n(0,T7)=1+037464+1542260-0269902x1-v7
人们可能要提出的一个问题是"为什么不用更简単一些的状态方程,比如二次方
程的,它能给出两个体积值:一个液体的、一个气体的”。理由很简单,状态方程不仅
要给出正确的相密度,而且要给出压缩系数。二次方程的一个体积根会违反稳定条件,
出现负的压缩率
图2的压力体积(摩尔体积或绝对体积)相图表示了单组分流体的两相特征。温