儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中流體吸附研究進(jìn)展

李明軍楊志興杜建芬卞小強(qiáng)

(1.中海石油中國(guó)有限公司湛江分公司 2.西南石油大學(xué))

儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中流體吸附研究進(jìn)展

李明軍1楊志興1杜建芬2卞小強(qiáng)2

(1.中海石油中國(guó)有限公司湛江分公司 2.西南石油大學(xué))

油氣在地層多孔介質(zhì)中儲(chǔ)集和滲流,與儲(chǔ)層多孔介質(zhì)形成一個(gè)相互作用的系統(tǒng)。由于儲(chǔ)層巖石孔隙小、比表面大,部分流體將吸附于孔隙表面,形成吸附相,進(jìn)而影響流體相態(tài)和滲流規(guī)律,尤其在低滲透多孔介質(zhì)中,吸附現(xiàn)象更為嚴(yán)重。本文分析了有關(guān)多孔介質(zhì)中油氣吸附的研究,肯定了多孔介質(zhì)對(duì)油氣吸附的影響,闡述了多孔介質(zhì)中流體吸附理論研究現(xiàn)狀的局限性,提出了儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中流體吸附研究的發(fā)展方向。參8

多孔介質(zhì) 流體 吸附 滲流規(guī)律 研究進(jìn)展

0 引言

在油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于吸附現(xiàn)象的存在,將不同程度地影響油氣藏自身的開(kāi)發(fā)效果。據(jù)相關(guān)研究成果證實(shí):對(duì)于氣藏而言,常規(guī)氣藏(滲透率大于0.01D)和低滲透氣藏(滲透率在0.01D～0.001D),考慮吸附計(jì)算得到的天然氣儲(chǔ)量誤差在0.6%以下,可以忽略不計(jì);致密氣藏(滲透率在0.1 mD～0.01mD),考慮吸附時(shí)計(jì)算得到的儲(chǔ)量變化在1.3%～3.5%之間,應(yīng)當(dāng)考慮其影響;凝析氣藏考慮吸附計(jì)算的凝析氣儲(chǔ)量略有下降。對(duì)于油藏而言,考慮吸附計(jì)算的儲(chǔ)量將有不同程度的下降,下降程度隨儲(chǔ)層物性條件的不同而有差異,孔隙度越小,巖石越致密,滲透率越低,吸附現(xiàn)象越嚴(yán)重,儲(chǔ)量降低越多。

在油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中,吸附的存在對(duì)油氣藏的開(kāi)發(fā)總體上起著負(fù)面作用;降低油氣藏的采收率,影響開(kāi)發(fā)效果,降低油氣藏開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。所以,研究多孔介質(zhì)中流體的吸附現(xiàn)象,認(rèn)識(shí)其對(duì)油氣藏開(kāi)發(fā)的影響程度,對(duì)我們正確的全面認(rèn)識(shí)油氣藏特征、開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài),制定合理的開(kāi)發(fā)方案,高效開(kāi)發(fā)油氣藏具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究進(jìn)展

目前,關(guān)于氣體在儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中吸附的實(shí)驗(yàn)和理論研究業(yè)已成熟,成果也較多,且主要出自國(guó)內(nèi)。郭平[1]在其相關(guān)的氣體在儲(chǔ)層多孔介質(zhì)表面的吸附研究表明,對(duì)于氣藏而言,常規(guī)氣藏和低滲透氣藏,考慮吸附計(jì)算得到的天然氣儲(chǔ)量誤差在0.6%以下,可以忽略不計(jì);致密氣藏,考慮吸附與不考慮吸附計(jì)算得到的儲(chǔ)量變化在1.3%～3.5%之間,應(yīng)當(dāng)考慮其影響;凝析氣藏考慮吸附計(jì)算的凝析氣儲(chǔ)量略有下降。對(duì)于油藏而言,考慮吸附計(jì)算的儲(chǔ)量都將不同程度的下降,下降程度隨儲(chǔ)層物性條件的不同而不同,孔隙度越小,巖石越致密,滲透率越低,吸附現(xiàn)象越嚴(yán)重,儲(chǔ)量降低越多;對(duì)同種氣藏流體在相同的地層中,溫度對(duì)吸附的影響較為顯著,壓力的影響不明顯。杜建芬[2-4]在其相關(guān)的氣體在儲(chǔ)層多孔介質(zhì)表面的吸附研究表明,烴類氣體在儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)中的吸附量隨溫度的升高而減小,隨壓力的升高而增大;同時(shí)在同一孔隙介質(zhì)中,當(dāng)溫度壓力相同時(shí),重組分含量相對(duì)較高的烴類氣體,其吸附量相應(yīng)較大;對(duì)同一烴類氣體體系,在相同的溫度和壓力下,滲透率越低、比表面積越大,吸附量也越大;烴類氣體在儲(chǔ)層多孔介質(zhì)表面的吸附量數(shù)量級(jí)為1×10-2mol/kg。歐成華[5]在其博士論文和相關(guān)的研究中重點(diǎn)研究了高溫高壓下烴類氣體在儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)表面吸附的實(shí)驗(yàn)與理論:研制出了XF—1型高溫高壓氣體吸附脫附測(cè)試儀,開(kāi)發(fā)了一系列配套技術(shù);并用該儀器分別測(cè)定了N2、CH4、C2H6、C3H8、nC4H10及其三元混合物(N2—CH4—C2H6)和五元混合物(N2—CH4—C2H6—C3H8—nC4H10)在3個(gè)不同巖芯中的吸附等溫線;實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,如果不考慮儲(chǔ)層介質(zhì)的吸附,氣藏的計(jì)算儲(chǔ)量將減少5%以上;氣體在儲(chǔ)層多孔介質(zhì)表面的吸附量數(shù)量級(jí)在1× 10-5mol/kg～1×10-3mol/kg之間;吸附能力除受壓力影響外,更受儲(chǔ)層介質(zhì),巖石成分、結(jié)構(gòu)和物性性質(zhì)的影響,還受多組分氣體中重?zé)N組分?jǐn)?shù)目、摩爾組成等的影響;各組分之間進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)吸附,高碳數(shù)的烴類組分比低碳數(shù)的烴類組分更容易被巖心多孔介質(zhì)吸附。張茂林[6]在其相關(guān)的多孔介質(zhì)中吸附作用的研究表明,吸附現(xiàn)象作用將使油氣體系露點(diǎn)壓力降低,等容衰竭過(guò)程中反凝析液量減少;吸附現(xiàn)象作用與毛細(xì)管壓力作用相比,通常情況下,它們對(duì)油氣體系相平衡的影響相反(當(dāng)凝析液潤(rùn)濕孔隙壁面時(shí)),且前者的影響程度明顯大于后者。周守信[7]進(jìn)行了多孔介質(zhì)吸附對(duì)凝析氣藏組成和露點(diǎn)的影響研究,研究結(jié)果表明,吸附使凝析氣藏露點(diǎn)上升;考慮吸附時(shí),恢復(fù)計(jì)算的真實(shí)組成與井流物的組成有很大的差別,其中,甲烷的組成百分?jǐn)?shù)減少,其他組成的百分?jǐn)?shù)均增大,組分越重,增加的百分比越大。

相較儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中氣體吸附研究,儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中烴類液體吸附研究還處于初級(jí)階段,未受到應(yīng)有的重視,相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究也很少,基本處于空白。

2 理論模型

目前,多孔介質(zhì)對(duì)氣體的吸附研究成果較多,尤其在化工領(lǐng)域。在氣體吸附方面,建立了很多適合各種情況的吸附模型,有描述單組分的,也有描述多組分的,還有描述固體水平表面及多孔介質(zhì)的。

(1)單組分氣相吸附模型有:Henry定律吸附等溫式、Langmuir吸附等溫式、Freundlich吸附等溫式、Langmuir-Freundlich吸附等溫式、Toth模型、非均質(zhì)表面的Langmuir吸附模型、空穴溶液氣體吸附模型(W ilsonVS M)、BET吸附等溫式、Gibbs吸附等溫式等。

(2)混合氣體吸附模型有:混合氣體吸附的Langmuir方程、混合氣體吸附的Langmuir-Freundlich方程、混合氣體吸附的BET方程、混合氣體吸附的Gibbs吸附等溫式、基于Polanyi位勢(shì)理論的混合氣體吸附等溫式、理想溶液氣體吸附模型( IAS)、非均質(zhì)表面的理想溶液氣體吸附模型(H IAS)、真實(shí)溶液氣體吸附模型(RAS M)、非均質(zhì)表面的Langmuir混合氣體吸附模型、非均質(zhì)表面的雙位Langmuir混合氣體吸附模型(DSL-H IAS)、空穴溶液氣體吸附模型(FHVS M)、Langmuir多空間氣體吸附模型(MSAM)、Toth多空間等溫吸附模型(T MSAM)。

液相吸附的理論研究工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于它的實(shí)際應(yīng)用,這是因?yàn)橐合辔襟w系遠(yuǎn)比固氣界面吸附復(fù)雜的多。最簡(jiǎn)單的液相也是二元的,在稀溶液中溶質(zhì)與溶劑的雜質(zhì)使其組分更復(fù)雜,吸附劑的雜質(zhì)(特別是可溶性雜質(zhì))有時(shí)能顯著改變待研究組分的吸附性質(zhì)。目前,液相吸附的理論大多是沿襲氣體吸附的理論模型,適當(dāng)?shù)刈鲆恍┬薷?。液相吸附的基本模型主要有兩?二元液相吸附模型和多元液相吸附模型。其中,二元液相吸附模型較多,應(yīng)用的比較廣泛,但都是Gibbs模型的變形或推廣。多元液相吸附模型較少。所有這些模型大都是基于Gibbs自由能理論和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)建立的。比較有名的是1999年BERTI等提出的虛擬液相模型。

儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中流體吸附的理論模型較少,沒(méi)有公認(rèn)的權(quán)威模型?，F(xiàn)在應(yīng)用的模型大都是化工領(lǐng)域的模型,根據(jù)自身的情況做一定的修改。雖然這些模型各不相同,各有優(yōu)缺點(diǎn);但它們有一個(gè)共有的特征:都作了不同程度的假設(shè),忽略了一些因素。通過(guò)假設(shè),簡(jiǎn)化模型,方便計(jì)算,但卻與實(shí)際情況存在不同程度的偏差,進(jìn)而降低模型的精度,不能真實(shí)的反映油氣藏情況。相比之下,假設(shè)的條件越少,考慮得因素越多,模型的精度越高,模型越接近真實(shí)油氣藏地層條件。

3 當(dāng)前研究的局限性

儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中流體的吸附研究,因?yàn)檠芯空哒J(rèn)識(shí)角度的不同和其本身的難度,未受到應(yīng)有的重視,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究都很少。

(1)在實(shí)驗(yàn)研究方面,現(xiàn)有的儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中流體吸附實(shí)驗(yàn)通常是在非真實(shí)巖心中進(jìn)行,有的只是少量研究者對(duì)類似于儲(chǔ)層介質(zhì)的充填砂和粘土混合物以及對(duì)粉碎后的儲(chǔ)層巖芯所做的吸附實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)所用的吸附介質(zhì)和原始儲(chǔ)層中固結(jié)狀態(tài)的介質(zhì),無(wú)論在巖石結(jié)構(gòu)上,還是在巖石的吸附表面積上,都有很大的差別,因而所測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以反映實(shí)際儲(chǔ)層介質(zhì)的吸附特征。同時(shí),大部分實(shí)驗(yàn)是在靜態(tài)情況下進(jìn)行的,不能真實(shí)模擬地下儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)狀態(tài)。

(2)由于實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等多方面因素的影響,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)都對(duì)影響吸附的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略一些因素,比如吸附劑、壓力、溫度以及實(shí)驗(yàn)流體組成等。目前,關(guān)于高溫高壓下烴類液體在儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中的吸附實(shí)驗(yàn)還未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)。

(3)儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中烴類氣體吸附研究成果雖多,但大都是實(shí)驗(yàn)方面的成果,理論方面的很少,且結(jié)果相差較大,未能形成統(tǒng)一的、公認(rèn)的理論模型和實(shí)驗(yàn)體系。

(4)儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中烴類液體吸附研究較少,還處于初級(jí)階段,未受到應(yīng)有的重視,相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究也很少,基本處于空白。

(5)目前,儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中烴類流體吸附研究的成果大都局限于實(shí)驗(yàn)方面,理論成果很少,沒(méi)有權(quán)威的理論模型。現(xiàn)有的理論模型大都是從化工領(lǐng)域演變而來(lái),根據(jù)各自的情況作了不同程度的修改,忽略了一些因素;而化工領(lǐng)域的模型大都沿用氣相吸附模型,這顯然與實(shí)際情況不相符合,具有很大的局限性和不確定性,不能真實(shí)的反映真實(shí)儲(chǔ)層環(huán)境。同時(shí),這些模型大都繁雜難以應(yīng)用,或者過(guò)于簡(jiǎn)單令人難以置信。

4 研究發(fā)展方向

研究的目的是為了更好的應(yīng)用于實(shí)際,目標(biāo)則是無(wú)限的接近實(shí)際,使理論更真實(shí)的反映實(shí)際。關(guān)于多孔介質(zhì)中流體吸附現(xiàn)象的研究方向就是盡可能的使研究條件接近于油氣藏的地層條件,以便更好地為油氣藏工程服務(wù)。儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中烴類液體吸附研究應(yīng)分別從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面入手,吸附實(shí)驗(yàn)的研究應(yīng)注重所測(cè)實(shí)驗(yàn)體系的完備性和模擬實(shí)際環(huán)境的真實(shí)性,吸附理論的研究則應(yīng)注意理論模型針對(duì)的實(shí)際情況的適用性和具體使用時(shí)的簡(jiǎn)潔性。

(1)吸附實(shí)驗(yàn)的研究應(yīng)該注意所測(cè)實(shí)驗(yàn)體系的完備性和模擬實(shí)際環(huán)境的真實(shí)性?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)大都是靜態(tài)實(shí)驗(yàn),是在流體不流動(dòng)的情況下測(cè)定吸附量,與油氣在多孔介質(zhì)儲(chǔ)層中的運(yùn)移不盡相同;所以以后的實(shí)驗(yàn)要向動(dòng)態(tài)方向發(fā)展,真實(shí)模擬實(shí)際油氣運(yùn)移情況。所以,綜合考慮相關(guān)因素,真實(shí)的模擬儲(chǔ)層烴類液體在多孔介質(zhì)中的吸附實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是以后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)方向。

(2)開(kāi)展儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中烴類液體吸附實(shí)驗(yàn)研究和理論研究。液相吸附研究由于其自身的特點(diǎn)和難點(diǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氣相吸附;相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究成果也很少。目前,石油的開(kāi)采難度普遍大于天然氣,且采收率也相對(duì)較低;只有全面認(rèn)識(shí)石油在儲(chǔ)層中的滲流吸附機(jī)理,才能更好地為開(kāi)采石油提供有力的理論保證。

(3)建立權(quán)威理論模型并注意理論模型的適用性和簡(jiǎn)潔性。研究不同體系的吸附規(guī)律和影響因素。從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā),總結(jié)出便于實(shí)際運(yùn)用的吸附模型。隨著凝析氣藏的發(fā)現(xiàn),新的考驗(yàn)又?jǐn)[在我們面前。凝析氣藏當(dāng)壓力低于露點(diǎn)壓力時(shí),將出現(xiàn)氣液兩相混合物;如何綜合考慮氣體吸附和液體吸附,建立相關(guān)的吸附模型,應(yīng)用于實(shí)踐將是我們面臨的一大挑戰(zhàn)。

(4)分形理論[8]在吸附研究中的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了用“分形”來(lái)定量表征吸附表面和孔結(jié)構(gòu)的幾何不規(guī)則性。已有一些分形分析的理論與方法,用于對(duì)常用吸附劑(氧化鋁、活性炭、分子篩)的吸附與脫附平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得分形維數(shù)和其對(duì)表征吸附性能的作用。分形分析可能成為表征表面和孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的一個(gè)重要手段,提高處理吸附平衡與吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的精度,擴(kuò)充吸附平衡與吸附動(dòng)力學(xué)理論與方法的適用范圍,值得深入的研究;

(5)實(shí)驗(yàn)與理論方法和計(jì)算機(jī)模擬的緊密結(jié)合對(duì)吸附研究的進(jìn)展起著關(guān)鍵的作用,將是以后研究的一個(gè)主要方法。進(jìn)一步深入開(kāi)展煤層氣吸附機(jī)理研究勢(shì)在必行。

1 郭平,孫良田,張茂林.氣藏及凝析氣藏吸附對(duì)儲(chǔ)量影響的分析[J].天然氣工業(yè),2004,24(9):104-107.

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7 周守信,徐嚴(yán)波,李士倫,等.考慮多孔介質(zhì)界面吸附作用的凝析氣藏真實(shí)組成計(jì)算模型[J].天然氣工業(yè), 2004,24(7):83-85.

8 劉曉麗,梁冰,薛強(qiáng).多孔介質(zhì)滲透率的分形描述[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(6):769-773.

(修改回稿日期 2009-08-14 編輯 王曉清)

李明軍,男,1979年出生,碩士,現(xiàn)就職于中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司研究院,主要研究方向:油氣田開(kāi)發(fā)、油氣藏工程。地址:(524057)廣東省湛江市坡頭區(qū)南調(diào)路22號(hào)信箱中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司研究院。電話:13763033534。E-mail:cjacsono@163.com