考慮水蒸發(fā)的高溫凝析氣藏數(shù)值模擬方法*

雷 霄 王雯娟 李躍林 魯瑞彬 彭 楊 吳道銘

(1. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南?？?570311； 2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057；3. 西南石油大學石油與天然氣工程學院 四川成都 610500)

近年來，中國海上高溫高壓凝析氣藏的發(fā)現(xiàn)逐漸增加，這些高溫高壓氣田在生產(chǎn)后期水氣比會快速升高，提高了海上氣井的生產(chǎn)成本，如崖城13-1氣田為典型代表的高溫凝析氣田，其后期生產(chǎn)時的水氣比接近2.0 m3/104m3[1]；東方13-1高溫高壓氣藏在壓力降低到5 MPa時氣體中水分的摩爾含量可達到10%以上[2]。目前，在討論高溫高壓氣藏地層水蒸發(fā)的實驗研究中，主要考慮為兩類：第1類是采用PVT平衡實驗的方法，文獻[1-6]采用了這種測試方法；另外一種就是測試巖心中地層水的蒸發(fā)過程，文獻[7-10]采用了這種測試方法，但是文獻[7-9]主要針對干氣、短巖心，且其主要目的是測試地層水蒸發(fā)帶來的儲層傷害，而文獻[10]采用的是難度更高的長巖心進行地層水蒸發(fā)實驗。2001—2003年，E.Zuluaga等[7-9]研究多孔介質中地層水蒸發(fā)情況，實驗溫度為90～100 ℃、壓力為1 000～2 000 psi，所有實驗在巖心原始含水飽和度下開展，實驗研究表明巖心中的水相蒸發(fā)速度隨溫度的升高而加快、隨壓力的升高而降低、與氣體流速成正比。2008年加拿大Calgary大學的J.A.Rushing等[4]介紹了長達4年的實驗成果，其實驗壓力在500～20 000 psi、實驗溫度在300～400 ℉，認為當溫度從300 ℉升高到400 ℉時，烴類氣體中的含水量將發(fā)生顯著的增加，400 ℉時干氣中的平衡氣態(tài)水摩爾含量增加到300 ℉時的70%以上。鄧傳忠 等[1]、姜海琪 等[5]、王玲 等[10]對崖城13-1氣田凝析水隨壓力和組分的變化規(guī)律進行了大量的實驗，研究結果表明長巖心和PVT筒中凝析水隨壓力變化規(guī)律基本一致，即天然氣中凝析水的含量隨地層壓力下降逐漸增大，在10 MPa附近急劇上升，地層條件下天然氣中水組分摩爾含量可達12%以上，但同樣條件下多孔介質中的天然氣水組分含量遠高于PVT筒中測試的水含量。這些研究均表明原生地層水的蒸發(fā)作用在高溫下相對較大，甚至水氣比可以達到2.695 m3/104m3[11]，顯然其對生產(chǎn)管柱和地面處理及集輸?shù)挠绊懖⒉荒芎雎?。但是，當前的高溫高壓凝析氣藏?shù)值模擬卻難以準確模擬凝析水的產(chǎn)量，導致對這種氣藏中后期的動態(tài)預測和平臺集輸?shù)壬a(chǎn)管理較為盲目[6,12-15]。

本文從組分數(shù)值模擬的基本理論模型入手，形成了高溫高壓凝析氣藏考慮水蒸發(fā)的組分數(shù)值模擬新方法；以崖城13-1氣田為典型案例，明確了其實現(xiàn)方法，可較好地預測高溫高壓凝析氣藏開發(fā)過程中凝析水產(chǎn)出的變化。

1 室內實驗評價

1.1 實驗評價的基本流程

為了研究地層水蒸發(fā)產(chǎn)出規(guī)律以及多孔介質對地層水蒸發(fā)的影響，本文進行了PVT水蒸發(fā)實驗和長巖心水蒸發(fā)實驗，并對實驗結果進行了討論。

在PVT平衡實驗研究中，PVT筒中的凝析氣與地層水的平衡、以及各級衰竭壓力下也必須和地層水始終接觸才和地層條件下是一致的，但常規(guī)實驗中并沒有完全保持一致。所以本文在實驗中，首先將地層水恒壓轉入PVT筒中，再將凝析氣轉入PVT筒，待凝析氣與地層水平衡后，再進行降壓測試(圖1)，其中的配樣器須替換為PVT儀。設置實驗初始溫壓條件為176 ℃、38 MPa，實驗中共分為9個降壓梯度，每個梯度為4 MPa。在降壓過程中，每一個壓力梯度之間，都會有1小時以上的平衡飽和時間，這樣在整個實驗過程中，凝析氣始終與地層水保持接觸且處于飽和水狀態(tài)，符合地層條件，測試出的含水凝析氣性質更接近地層狀態(tài)。而長巖心的實驗采用文獻[10]的實驗方法，其實驗流程如圖2。

圖1 PVT測試分析天然氣中水組分含量實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device for PVT test and analysis of water content in natural gas

圖2 多孔介質中天然氣水組分含量實驗流程圖[10]Fig.2 Experimental flow chart of water component content of natural gas in porous media[10]

1.2 地層水蒸發(fā)的基本規(guī)律

測試了崖城13-1氣田中4樣次的對比實驗(初始壓力為38 MPa，實驗溫度為176 ℃)，圖3給出了其中1樣次的對比結果，從圖中可以看到，壓力下降到10 MPa附近時地層水的蒸發(fā)量快速上升[16-17]；且在相同條件下，壓力在20 MPa以下時，多孔介質中地層水的蒸發(fā)量比PVT筒中測試的地層水蒸發(fā)量平均要高0.25 m3/104m3[5,10,13-14]，可能是毛管壓力使高溫地層水的蒸氣壓有一定程度的增加導致的[12]。目前，南海西部東方氣田群中，一些高溫高壓區(qū)塊不僅初期具有較高的CO2含量，在開發(fā)過程中還發(fā)現(xiàn)一些氣井CO2含量升高的情況(圖4)，故本文進行了不同CO2含量的長巖心水蒸發(fā)實驗；實驗中共設計了4個梯度的CO2含量。每個不同CO2含量采用相同的壓力下降梯度進行對比實驗，經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)CO2含量的增加會導致相同壓力下凝析氣中水組分含量的增加(圖5)，這會使凝析氣藏的凝析水產(chǎn)量較大幅度的提高。

圖3 PVT和長巖心測試的地層水蒸發(fā)實驗對比[16-17]Fig.3 Comparison of formation water evaporation test between PVT and long core test[16-17]

圖4 高溫高壓氣井組分監(jiān)測變化情況Fig.4 Composition monitoring changes of a high temperature and high pressure gas well

圖5 氣田水含量與CO2含量關系Fig.5 Relationship between water content and CO2 content in gas fields

2 考慮地層水蒸發(fā)的凝析氣藏組分數(shù)值模擬方法

2.1 在PVT計算中考慮水組分影響時的凝析水產(chǎn)出控制機制

為了實現(xiàn)隨著壓力下降水加速向氣相間的傳質蒸發(fā)，需要在組分中考慮水組分的影響[19-23]。本文考慮地層水蒸發(fā)的基本控制方程由組分流動方程和總油-水-氣相方程(式(1))構成，此時的油-氣-水必須滿足嚴格的三相熱力學平衡條件(式(2))。儲層中氣-水的平衡關系不僅僅受組分梯度的控制，還受三維空間上油水-油氣毛管力控制，但因為束縛水的存在，三維空間上的氣水平衡更為復雜。因此，必須考慮組合形式的數(shù)值模擬方法，這需要首先進行考慮地層水蒸發(fā)的凝析氣PVT測試來建立數(shù)值模型中的PVT數(shù)據(jù)段。建立考慮地層水蒸發(fā)的數(shù)值模擬PVT數(shù)據(jù)段時，S.Betté等[11]和Harshil Saradva等[18]的做法是通過不含水組分的凝析氣PVT測試數(shù)據(jù)擬合后，再少量添加水組分來建立該數(shù)據(jù)段。與他們的做法不同，本文通過含水組分的PVT測試結果直接擬合實驗數(shù)據(jù)得到，二者差別明顯。

(1)

(2)

為了建立含水組分的PVT流體數(shù)據(jù)，本文對崖城13-1的原始凝析氣樣品進行了含水汽的PVT實驗，實驗流程圖如圖1所示。測試發(fā)現(xiàn)崖城13-1原始凝析氣樣品中飽和水組分的含量達到2%以上(表1)，部分井凝析氣樣品中水組分的含量達到2.97%，在PVT筒中實測表明凝析氣中存在水組分的時候還會使體系的露點壓力升高0.4～0.5 MPa，測試和對比偏差因子Z表明，含水組分的凝析氣體系的Z因子比不考慮含水組分的凝析氣體系的Z因子高(圖6)。這顯然與高溫凝析氣相中水組分在地面基本上為液相直接相關，導致地層溫度壓力下，在同樣體積的不含水組分凝析氣和含水組分凝析氣閃蒸到地面后的氣相體積前者比后者要小。同時測得的地層條件下的反凝析液量也具有明顯的差別(圖7)。

表1 含水汽與不含水汽凝析氣組分Table 1 Water vapor and water vapor-free condensate components

圖6 A8含水組分和不含水組分凝析氣實測Z因子對比Fig.6 Comparison of measured Z-factor of condensate gas with and without water content in A8

圖7 A8井含水汽與不含水汽體系反凝析液量變化Fig.7 Change of reverse condensate in water vapor and water vapor free system in well A8

2.2 考慮地層水蒸發(fā)的高溫凝析氣藏數(shù)值模擬

以較為常用的Eclipse軟件為基礎，使用本文所建立的含水組分的數(shù)值模型進行模擬，其在Eclipse中的使用方法如下。

第1步：采用含水組分凝析氣PVT實驗開展PVT擬合研究，給出合理的含水組分的凝析氣的狀態(tài)方程參數(shù)，修改PVT數(shù)據(jù)段，并在相滲曲線段給出油-氣-水三相的相滲曲線毛管壓力，用產(chǎn)層中部平均組分進行凝析氣初始化，并選擇凝析氣組分模擬選項進行歷史擬合和模擬計算。

第2步：要在數(shù)值模擬中實現(xiàn)地層水蒸發(fā)，則需建立一個完整的氣水傳質模型。在實際地層中，水組分的傳質是隨深度變化的。首先采用組分梯度的方法，利用垂向熱值方法計算高溫凝析氣藏含水組分的凝析氣組分梯度，并注意修改水組分和其他烴類組分的交互作用系數(shù)，調整組分梯度以其氣水界面以上平均組成和PVT測試一致來判斷氣柱組分平衡，并獲得純氣水界面附近的氣體組成以及氣水界面以下水相組成。這樣就能體現(xiàn)從氣水界面以上各儲層中與水充分平衡的氣相組成。因此考慮水組分影響的組分數(shù)值模擬模型就變成了凝析油-含水汽天然氣-地層水平衡的多相平衡模型，水不再是獨立相，和凝析氣烴組分之間存在完整的相間傳質了，符合式(1)的控制原理；此外，油、氣、水三相的相對滲透率需要采用原地動態(tài)相滲測試結果，從而實現(xiàn)考慮水氣之間存在傳質的組分數(shù)值模擬方法。

3 實例應用效果評價

以崖城13-1高溫凝析氣藏為例，闡述水氣相間傳質的數(shù)值模型的模擬效果。崖城13-1氣藏主力產(chǎn)層陵三段中深-3 810 m、溫度176 ℃。優(yōu)選處于氣藏構造最高部位不產(chǎn)地層水的A1井進行模擬，生產(chǎn)曲線顯示，在生產(chǎn)后期該井水氣比持續(xù)升高(圖8)。

圖8 A1井的生產(chǎn)曲線Fig.8 Production curve of Well A1

在Eclipse中進行第1步模擬，所得凝析水模擬結果與文獻[19]類似，即凝析水的產(chǎn)量逐漸減少(圖9)。第2步則是使用考慮水氣相間傳質模型來模擬凝析水的產(chǎn)出，結果為凝析水產(chǎn)量逐漸增加，且與歷史產(chǎn)水量擬合程度很好(圖10)，符合生產(chǎn)實際。

對產(chǎn)出氣相中的水組分含量進行了對比，結果表明，常規(guī)組分數(shù)值模擬氣相中水組分含量基本沒有變化，與初始化時輸入的組分含量相同；而考慮地層水蒸發(fā)時的高溫凝析氣藏數(shù)值模擬產(chǎn)出井流物中，氣態(tài)水組分含量明顯隨地層壓力降低而升高，特別是低壓階段升高較快(圖11)，這與實驗結果和國內外的認識一致，說明本文模擬方法可以較好地模擬高溫凝析氣藏地層水蒸發(fā)。

圖9 A1井水為獨立相時考慮凝析氣中含水組分的凝析水模擬結果Fig.9 Condensate simulation results considering water bearing components in condensate gas when Well A1 water is independent phase

圖10 A1井水和凝析氣相存在相間傳質的地層水蒸發(fā)模擬結果Fig.10 Simulation results of formation water evaporation with interphase mass transfer between Well A1 water and condensate gas phase

圖11 A1井兩種模擬方法產(chǎn)出氣相井流物中水組分含量隨地層壓力下降對比Fig.11 Comparison of water component content of gas phase well fluid produced by two simul ation methods of Well A1 with the decrease of formation pressure

4 結論

1) 在PVT實驗中，始終與水接觸的凝析氣PVT性質測試可以得到更為準確的含水凝析氣PVT數(shù)據(jù)，在考慮氣水傳質的數(shù)值模型中使用該數(shù)據(jù)建立流體模型更接近真實地層流體。

2) 本文考慮水蒸發(fā)的數(shù)值模擬模型中有完整的油-氣-水傳質，實現(xiàn)了隨壓力降低地層水的蒸發(fā)過程模擬，并獲得了較好的凝析水產(chǎn)出預測結果，對海上高溫氣田生產(chǎn)具有指導作用。