深層凝析氣結(jié)蠟規(guī)律的軟件模擬與實驗研究

鐘 誠，汪 杰，劉己全，黃怡瀟，周福建，楊向同，譚艷新

（1.塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣研究院，北京102249）

自20世紀(jì)30年代美國發(fā)現(xiàn)并開發(fā)凝析氣藏以來，人們對凝析氣相態(tài)已進行了深入且細(xì)致的研究[1]。我國目前共發(fā)現(xiàn)凝析氣藏44個，其中大中型凝析氣藏（田）13個，主要分布在渤海灣、塔里木、吐哈等盆地及東、南沿海陸架地區(qū)[2]。凝析氣藏開發(fā)最突出特征是在溫度、壓力下降過程中儲集層凝析氣會反凝析而析出液態(tài)凝析油，同時含蠟?zāi)鰵獠貢M一步析出固相蠟，形成氣-固-液三相共存的狀態(tài)[3-4]。相對于析液而言，嚴(yán)重的結(jié)蠟問題會造成氣井產(chǎn)量急劇降低，甚至停產(chǎn)。因此，研究凝析氣結(jié)蠟規(guī)律是預(yù)防氣井結(jié)蠟的重要前提。

當(dāng)前，高溫高壓凝析氣“氣-固-液”三相變化過程研究方法主要包括軟件模擬、理論計算和物理模擬實驗為主。高溫高壓環(huán)境凝析氣析蠟現(xiàn)象的物理模擬實驗主要包括激光法、顯微法等。朱維耀等[5-7]通過高溫高壓可視化微觀模型研究了凝析氣在微觀可視化仿真模型中的滲流規(guī)律，對凝析油的形成、分布規(guī)律及流動方式進行比較詳細(xì)的解釋和闡述。劉健儀等[8-10]使用加拿大DBR公司的無汞高壓固相沉積探測系統(tǒng)（SDS）對高溫高壓凝析氣相變行為進行研究，其主要原理是通過記錄和觀察均一單相的油氣藏相變過程中對激光的透射率出現(xiàn)的拐點確定固相析出點。本文以博孜區(qū)塊104凝析氣井井流物樣品為例，通過KBC Multiflash結(jié)蠟?zāi)K對凝析氣析蠟規(guī)律進行數(shù)值模擬，并結(jié)合自主研發(fā)可視化高倍顯微耐高溫高壓固相沉積測定儀測量的析蠟點進行擬合校正，為凝析氣井防蠟工藝提供指導(dǎo)意義。

1 凝析氣析蠟規(guī)律實驗研究

1.1 實驗材料

實驗用凝析氣由斯倫貝謝公司在井深6 821.77 m處取得，流體樣品體積700 mL，取樣點壓力115.7 MPa，取樣點溫度123.66℃，井號為博孜104井。氣油比為21 095 m3/m3，井流物的摩爾分?jǐn)?shù)C1+N2為87.328%，（C2～C6+）+CO2為 11.928%，C7+為0.746%。

1.2 主要實驗設(shè)備

自主研發(fā)的耐高溫高壓顯微可視化固相沉積測定儀可直觀觀察到凝析氣在相變過程中蠟晶形成過程、形態(tài)，其最小可觀察蠟型尺寸為1～14 μm，設(shè)備主要包括恒溫系統(tǒng)（-30～200℃）、耐高壓可視化藍寶石窗口、耐高壓平衡釜（0～150 MPa）、攪拌系統(tǒng)、溫度傳感器、恒速恒壓泵、電腦控制系統(tǒng)等。

其他實驗設(shè)備：PVT240/1500FV型超高壓PVT儀（法國ST公司），其工作壓力為0～150 MPa，溫度為20～200℃。精度：壓力±0.01 MPa，溫度±0.1 K，體積±0.01 mL；Agilent 7890A型色譜分析儀（安捷倫科技（上海）有限公司）等。

1.3 實驗流程

整個實驗過程均在高溫高壓可視化系統(tǒng)中完成，其實驗流程主要由注入系統(tǒng)、PVT相態(tài)儀、閃蒸分離器、油/氣相色譜儀、固相沉積測定儀等組成（見圖1）。實驗包括三部分：地層凝析氣相態(tài)實驗，地面凝析油石蠟沉積實驗和地層凝析氣析蠟點測試實驗。

圖1 凝析氣相態(tài)與析蠟實驗流程Fig.1 Experimental flow chart of condensate gas phase behavior and wax precipitation

1.4 實驗結(jié)果與分析

1.4.1 凝析氣PVT露點線實驗 又稱相態(tài)包絡(luò)線測試，它是氣相區(qū)和兩相區(qū)的分界線，該線代表氣相摩爾分?jǐn)?shù)為100%，當(dāng)壓力降低到露點壓力時，體系會出現(xiàn)第一批液滴。凝析氣藏凝析氣露點線的測試，可用于預(yù)測模擬凝析氣藏在降溫、降壓開采過程中凝析氣何時產(chǎn)生液滴。博孜104井凝析氣在氣藏溫度123.7℃時露點壓力為42.78 MPa（見圖

2）。根據(jù)實驗結(jié)果可知，一定溫度范圍內(nèi)，凝析氣露點壓力隨溫度升高而降低，這主要是由于溫度升高，氣相重?zé)N分子溶解度降低，重?zé)N分子更易析出形成液滴。

1.4.2 凝析氣析蠟點測試實驗 凝析氣在不同壓力下，析蠟溫度點存在一定差異，這與單一油相析蠟點只受溫度影響明顯存在不同。高于露點壓力時，C20+重?zé)N組分可以在氣相中形成蠟沉積且析蠟溫度受壓力影響較小。壓力降至露點壓力以下，重?zé)N在液相中溶解度增加，析蠟溫度降低[11-18]。圖3為博孜104井凝析氣相態(tài)包絡(luò)線與析蠟曲線。從圖3可以看出，在露點壓力以上，凝析氣平均析蠟溫度為29.8℃，受壓力影響較??；露點壓力附近，凝析氣析蠟點出現(xiàn)明顯拐點，呈現(xiàn)增大趨勢，后隨著壓力降低而逐漸減小。拐點產(chǎn)生主要是由于露點壓力附近優(yōu)先析出重?zé)N組分形成的蠟晶造成的。凝析氣相態(tài)包絡(luò)線在設(shè)備測試范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)臨界點，但存在氣相、氣-液兩相、氣-固兩相、氣-固-液三相共四個相態(tài)區(qū)域。由圖3還可知，地層、井筒與地面管線中是否產(chǎn)生凝析現(xiàn)象與其P-T關(guān)系位于相圖中不同的位置有關(guān)：氣相區(qū)域內(nèi)均不會產(chǎn)生凝析物堵塞問題；氣-液兩相區(qū)域會產(chǎn)生凝析油，降低儲層滲透率，降低氣井生產(chǎn)與地面管線輸送效率；氣-液-固三相區(qū)域會同時產(chǎn)生凝析油和蠟堵問題，氣-固兩相區(qū)域會產(chǎn)生蠟堵問題。

圖2 博孜104井露點壓力隨溫度變化Fig.2 Curve of dew point pressure with temperature change,Bozi 104

圖3 博孜104井凝析氣相態(tài)包絡(luò)線Fig.3 Condensation gas phase envelope of Bozi 104 well

2 凝析氣析蠟規(guī)律軟件模擬與校正

凝析氣析蠟規(guī)律的模擬預(yù)測采用KBC Multiflash 6.1軟件Wax模塊，根據(jù)組分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果，井流物樣品中的蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)和重餾分的分子質(zhì)量（在這種情況下是C30+）兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失。因而進行模型預(yù)測需要定義儲層流體中的蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)。Multiflash模型預(yù)測得到的露點和析蠟溫度（WAT）與實驗室測量值進行比較，若模型匹配性較差，則使用實驗室分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型。建模預(yù)測具體步驟如下：

（1）定義儲層流體的蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)。起初假定儲層流體中蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)為C20+的總量。

（2）定義蠟預(yù)測模型，設(shè)置蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)為零時繪制露點壓力線及析蠟包絡(luò)線。

（3）預(yù)測得到的露點與實驗室測量的露點相比較，如果差異較大（如＞5 MPa），則通過室內(nèi)測定的露點壓力擬合露點壓力線。

（4）在蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)為零時繪制析蠟包絡(luò)線。若預(yù)測的析蠟溫度高于測量析蠟溫度，則改變蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)直到預(yù)測的析蠟溫度與測量析蠟溫度匹配。

（5）如果預(yù)測得到的析蠟溫度低于或高于測量析蠟溫度，回到步驟（1），增加蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)使其包括較小的組分（例如C19+、C18+或C21+、C22+），然后重復(fù)步驟（1）—（3）直到預(yù)測析蠟溫度值與測量的析蠟溫度值相匹配。

2.1 凝析氣露點線預(yù)測與校正

定義凝析氣樣品蠟?zāi)Ｐ停俣ㄋ蠧20+組分都是蠟，預(yù)測得出露點壓力線，預(yù)測露點壓力與實測露點壓力之間的差值約為10 MPa，擬合實測的露點壓力，再次預(yù)測得到擬合后的露點壓力線。圖4為預(yù)測露點壓力線及擬合后的露點壓力線。

圖4 預(yù)測露點壓力線及擬合后露點壓力線Fig.4 Predicting dew point line and the matched dew point line

2.2 凝析氣析蠟線預(yù)測與校正

通過增加蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)使其包括較小的組分（例如C19+、C18+或C21+、C22+），并重復(fù)步驟（1）—（3），預(yù)測得到擬合露點壓力前的析蠟溫度、擬合露點壓力后的析蠟溫度及擬合實驗室實測析蠟溫度后的析蠟線，預(yù)測結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，擬合露點壓力后只影響到露點壓力線周圍的析蠟溫度。擬合實驗室實測析蠟溫度后，模型預(yù)測常壓下析蠟溫度為17.6℃，實驗室實測溫度為14.7℃，模型預(yù)測得到的析蠟溫度線略高于實驗室析蠟溫度測量值。因此，當(dāng)模型定義總蠟?zāi)柗謹(jǐn)?shù)為C20+時，模型預(yù)測給出了較好的擬合，得到符合要求的析蠟溫度值，誤差小。

圖5 擬合露點壓力前后的析蠟線及擬合實測析蠟溫度后析蠟線Fig.5 The waxing line before and after matching the dew point pressure and the wax temperature after matching the measured wax temperature

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 凝析氣井筒P-T關(guān)系與相態(tài)曲線

博孜104井井筒深度6 821.77 m時對應(yīng)的氣藏溫度123.7℃，氣藏壓力115.7 MPa，2017年平均井口溫度45.13℃，平均油壓80.79 MPa。將井口溫度-壓力關(guān)系與相圖繪制于同一曲線中（見圖6）。由圖6可知，博孜104井從井筒6 821.77 m處到井口的P-T關(guān)系曲線位于相態(tài)圖中的單相氣相中，因此，凝析氣從井筒到井口不會產(chǎn)生凝析油和結(jié)蠟問題。

圖6 博孜104井凝析氣井筒P-T關(guān)系與相態(tài)包絡(luò)線Fig.6 P-T relationship and phase envelope of condensate gas,Bozi 104

3.2 凝析氣油壓、回壓、套壓與相態(tài)曲線

博孜104井2017年“油壓、套壓、回壓-時間關(guān)系曲線”（見圖7）可知，博孜104井平均油壓80.79 MPa，平均套壓 39.02 MPa，平均回壓 12.67 MPa。將油壓、回壓、套壓繪制于相態(tài)圖內(nèi)，井口平均油壓80.79 MPa，位于相圖單相氣體區(qū)域，凝析氣從地層到井筒、井筒到地面井口都處于單相氣體狀態(tài)，不會產(chǎn)生凝析油和結(jié)蠟問題。凝析氣到達井口后通過油氣分離器和地面管線輸送，平均生產(chǎn)回壓12.67 MPa，處于相圖的“氣-液-固”三相中，并結(jié)合博孜104井所在地的全年氣溫曲線（最高42℃，最低-10℃）（見圖8）可知，凝析氣在地面分離器和管線中均會產(chǎn)生凝析油和析蠟問題。綜上所述，博孜104井凝析氣生產(chǎn)過程中，凝析氣在井筒中不會產(chǎn)生凝析油和析蠟問題；由于地面輸送過程中，生產(chǎn)回壓和地面溫度變化位于相圖的“氣-液-固”相態(tài)內(nèi)，因此博孜104井凝析氣主要在地面管線中產(chǎn)生凝析油和結(jié)蠟問題。

圖7 博孜104井凝析氣油壓、回壓、套壓與相態(tài)曲線Fig.7 Condensate gas pressure,back pressure,casing pressure and phase curve,Bozi 104

圖8 新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣全年氣溫Fig.8 Annual temperature in Baicheng County,Aksu area,Xinjiang

4 結(jié) 論

（1）與常規(guī)天然氣相比，含蠟?zāi)鰵獾南鄳B(tài)變化特征及其復(fù)雜，包括氣相區(qū)、氣-液兩相區(qū)、氣-固兩相區(qū)、氣-液-固三相區(qū)等不同相態(tài)區(qū)域，且露點壓力以上凝析氣析蠟溫度受壓力影響較小，露點壓力以下由于凝析油的溶解作用，體系析蠟溫度逐漸降低。

（2）根據(jù)實驗結(jié)果，對軟件模擬露點線與析蠟線進行擬合校正，獲取不同溫度、壓力區(qū)域的相態(tài)包絡(luò)線，用于預(yù)判生產(chǎn)井處于不同生產(chǎn)階段時析液與析蠟情況，為氣井預(yù)先防蠟，延長氣井生產(chǎn)周期提供理論依據(jù)。

（3）博孜104井凝析氣生產(chǎn)過程中，凝析氣在井筒中不會產(chǎn)生凝析油和析蠟問題；由于地面輸送過程中，生產(chǎn)回壓和地面溫度變化位于相圖的“氣-液-固”三相區(qū)域內(nèi)，因此博孜104井凝析氣應(yīng)防范地面管線中產(chǎn)生凝析油和結(jié)蠟問題。