高溫高壓富含水氣凝析氣體系非平衡效應(yīng)研究

魏棟超 李永杰 姚霖

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500;2.川慶鉆探工程有限公司，成都 610000)

高溫高壓富含水氣凝析氣藏在實際開發(fā)過程中伴隨著極為復(fù)雜的相態(tài)變化。研究表明［1-3］，常規(guī)凝析油氣相平衡理論已經(jīng)不能滿足含水凝析油氣體系相態(tài)描述的需要;與此同時，在相變過程中，由于氣相的高速流動，氣液相來不及達到充分平衡，液相析出后一部分因吸附導(dǎo)致運動滯后而逐漸沉降，一部分也會因高速氣流夾帶呈氣相運動一段距離后才形成液相，存在“析出滯后”現(xiàn)象［4-6］，即非平衡效應(yīng)。因此，對于高溫高壓富含水氣凝析氣藏，考慮含氣態(tài)水相態(tài)變化理論下的非平衡效應(yīng)對實際生產(chǎn)有著非常重要的工程指導(dǎo)意義。

1 相態(tài)理論分析

1.1含水凝析油氣體系相態(tài)理論

含水體系狀態(tài)方程為1978年改進的PREOS［7］。方程形式為:

式中:am、bm的計算采用無極性混合規(guī)則中最常見的古典范德華混合規(guī)則:

對于含一種或多種極性成分的非理想狀態(tài)混合物體系，需要建立含極性物質(zhì)的混合規(guī)則及能描述非理想狀態(tài)的模型，Huron和Vidal將已有的混合規(guī)則與活度系數(shù)相結(jié)合，對引力系數(shù)進行如下改進:

αij是非隨機性參數(shù)，τij表示分子間的作用力:

其中g(shù)ji是j-i組分相互間的能量特征參數(shù)g是隨溫度變化的，表達式如下:

其中(gji-gii)'和(gji-gii)″與溫度無關(guān)。

當αij=0，則有

此時Huron-Vidal混合規(guī)則可化簡為古典混合規(guī)則。

該模型可用于含極性物質(zhì)體系如高溫高壓含水氣凝析油氣體系的相態(tài)計算。

1.2 非平衡壓降理論

AX米爾扎贊扎杰［5］對凝析氣系統(tǒng)的非平衡特征做了大量研究，得到非平衡狀態(tài)下凝析氣體系中凝析油含量與壓力變化速度量化關(guān)系:

式中:A=qmax/(pb-pmax)，pb、pmax— 分別表示體系露點壓力和最大反凝析壓力;qmax— 最大反凝析壓力析出的凝析液量;K(t)—系統(tǒng)弛豫時間函數(shù)，可表示為K(t)=K0e-t/T，它遵守 K(t)＞0，dK(t)/dt＜0，K(∞)=0，K0— 重量系數(shù);T— 弛豫時間。

根據(jù)非平衡壓降過程中凝析氣體系凝析油含量方程，可得到瞬時非平衡相變液量摩爾分數(shù)表達式:

式中:L'—瞬時非平衡相變凝析液摩爾分數(shù);L—平衡相變凝析液量摩爾分數(shù)。

2 相態(tài)變化特征分析

2.1 實驗裝置

實驗所用設(shè)備為JEFRI全觀測無汞高溫高壓多功能地層流體分析儀。該裝置帶有一個容積為150 mL整體可視的PVT室，設(shè)備主要參數(shù):溫度為-30～200℃，精度0.1℃;壓力為0.1～70 MPa，精度0.01 MPa，滿足凝析油氣體系相態(tài)研究要求。

2.2 實驗方法及內(nèi)容

實驗溫度為136.5℃，露點壓力為57.0 MPa，樣品組成見表1。

(1)平衡壓降實驗。保持露點壓力下體積恒定，降壓待體系平衡后排氣。測定各級壓力下油氣采出量、體系PVT筒中反凝析液量。

(2)非平衡壓降實驗。保持露點壓力下體積恒定，使體系以一定的壓力降速度(dp/dt=0.028 MPa/s)連續(xù)降壓排氣，記錄該過程中的凝析油采出程度及產(chǎn)出水變化規(guī)律。

表1 樣品組分、組成分析數(shù)據(jù)(摩爾百分比)

2.3 凝析油采出程度實驗分析

定容衰竭過程中凝析油累積采出程度對比關(guān)系見圖1。

圖1 定容衰竭過程中凝析油累積采出程度

在衰竭過程中，非平衡壓降各級凝析油累積采出程度高于平衡壓降凝析油采出程度。非平衡壓降的凝析油最終采出程度為42.55%，比平衡壓降凝析油最終采出程度高6.4%。非平衡壓降過程中，由于體系穩(wěn)定時間沒有達到油氣平衡分離時間，使部分凝析液體以霧氣形態(tài)存在于氣體中，隨著天然氣一起采出地面，因此在開采過程中適當?shù)姆瞧胶庑?yīng)可以提高凝析液采出程度。

定容衰竭過程中各級壓力下凝析油采出程度見圖2。

圖2 定容衰竭過程中各級壓力下凝析油采出程度

圖2表明，非平衡壓降過程中各級壓力下凝析油采出程度均不同程度的高于平衡壓降過程中的凝析油采出程度。同時，在衰竭壓力高于最大反凝析壓力(35 MPa)時，凝析油采出程度增長幅度較大;壓力低于最大反凝析壓力后，非平衡壓降過程凝析油采出程度增長幅度與平衡過程增長幅度相近。產(chǎn)生這種差異的主要原因是:在最大反凝析壓力之前，體系中凝析油含量較高，隨著體系壓力的降低，體系主要以反凝析為主，非平衡過程中天然氣帶出的凝析油較多;當體系壓力低于最大反凝析壓力時，凝析氣中凝析油含量較少，體系以反蒸發(fā)為主，此時采出氣中凝析油以天然氣抽提蒸發(fā)已經(jīng)反凝析的凝析油為主，因此，在定容衰竭后期，凝析油增長幅度相差不大，非平衡壓降與平衡壓降各級的采出程度相差較小。這也表明，在凝析氣田開發(fā)后期，非平衡效應(yīng)較弱。

2.4 采出凝析水量實驗特征分析

在定容衰竭過程中，體系衰竭到10 MPa時，平衡壓降過程產(chǎn)水量20.72 g/m3，而非平衡壓降產(chǎn)水量可達36.67 g/m3;到大氣壓時，平衡壓降產(chǎn)水量250.95 g/m3，而非平衡壓降過程產(chǎn)水量約達到311.90 g/m3。不同壓力下，非平衡壓降產(chǎn)水量均比平衡壓降產(chǎn)水量高。產(chǎn)水量也與穩(wěn)定時間有關(guān)，非平衡壓降過程中，當體系水析出時，由于穩(wěn)定時間沒有達到平衡時間，液態(tài)水以小液滴的形式存在于氣體中，隨著天然氣一起采出，因此，非平衡壓降產(chǎn)水量比平衡壓降過程產(chǎn)水量高。同時，不同壓力階段，產(chǎn)水量差異較大，低壓階段產(chǎn)水量遠遠高于高壓階段，在低壓階段，防止近井地帶凝析水反滲吸水鎖至關(guān)重要。

2.5 改進PR方程計算適應(yīng)性分析

用常規(guī)PR方程及考慮氣態(tài)水改進的PR方程計算反凝析液飽和度隨壓力變化曲線見圖3。

圖3 反凝析液飽和度對比曲線圖

定義相對誤差為:

式中:ε— 相對誤差，%;Socal— 模擬計算得到反凝析液量飽和度，小數(shù);Soexp— 實驗測定反凝析液量飽和度，小數(shù);n—實驗點數(shù)。

根據(jù)相對誤差計算公式，改進PR方程及PR方程計算得到的反凝析液飽和度的相對誤差分別為4.49%、12.83%。這表明，改進PR狀態(tài)方程更適合表征高溫高壓富含水氣凝析油氣體系相態(tài)變化特征。

根據(jù)改進PR方程計算的平衡壓降反凝析液飽和度數(shù)據(jù)，結(jié)合式(12)計算壓降速度dp/dt分別為0.007 MPa/s、0.028 MPa/s下定容衰竭過程中反凝析液飽和度與壓力關(guān)系曲線(K0=0.21，T=8 800 s)，如圖4所示。

圖4 反凝析液飽和度計算對比曲線

壓降速度越大，非平衡效應(yīng)越嚴重，反凝析油飽和度偏離平衡壓降下反凝析油飽和度的程度越大;壓降程度越大，非平衡累積采出的凝析液越多，地層反凝析油飽和度越低，因此，從靜態(tài)相態(tài)實驗分析可知，非平衡效應(yīng)能降低近井地帶反凝析油飽和度，對減緩近井地帶反凝析污染有一定的作用。

3 結(jié)論與認識

(1)非平衡效應(yīng)使得凝析液析出滯后，滯后的部分凝析液隨著氣體一起產(chǎn)出地面，因此，富含水氣凝析氣藏在開采過程中適當?shù)姆瞧胶庑?yīng)可以提高凝析油、凝析水的階段采出程度。

(2)體系壓力高于最大反凝析壓力，體系中凝析油含量較高，非平衡效應(yīng)程度強;體系壓力低于最大反凝析壓力，體系中凝析油含量低，非平衡效應(yīng)較弱，因此，在凝析氣田的實際開發(fā)過程中，不同的開發(fā)階段，非平衡效應(yīng)的程度不同。選擇合適的開發(fā)時機、適當?shù)脑黾臃瞧胶庑?yīng)有利于凝析氣藏的高效開發(fā)。

(3)改進PR方程計算得到的反凝析液飽和度的相對誤差為4.49%，該方程更適合表征高溫高壓富含水氣凝析油氣體系相態(tài)變化特征。

(4)高溫高壓富含水氣凝析藏在開發(fā)過程中，不同階段，非平衡效應(yīng)對凝析油、凝析水的影響程度不同。高壓階段，非平衡效應(yīng)對凝析油的影響程度較大，而低壓階段，對凝析水的影響程度較強。因此，選擇適當?shù)碾A段，適當?shù)脑黾臃瞧胶庑?yīng)在一定程度上有助于減緩近井地帶反凝析污染和反滲吸水鎖傷害程度，提高富含水氣凝析氣藏開發(fā)效率。

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