凝析氣藏注煙道氣儲層流體相態(tài)及組分優(yōu)化

張晨朔，韓 征，張道勇，馬寧寧，林博磊，張昊澤

(1.自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100034；2.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250013；3.自然資源部信息中心，北京 100036)

凝析氣相態(tài)對壓力較為敏感，當(dāng)氣藏壓力降低至露點壓力以下時將發(fā)生反凝析現(xiàn)象，導(dǎo)致大量凝析油殘留地層無法采出[1-2]。為保持地層壓力，凝析氣藏多采用循環(huán)注氣開采，即將一部分凝析氣在分離凝析油后回注地層，該方法可以較好地減緩氣藏壓力衰竭速度，提高凝析油采收率[3-4]。隨著“碳達峰、碳中和”目標(biāo)被寫入政府工作報告[5]，如何加快降低碳排放量將是各行業(yè)領(lǐng)域亟待研究的課題。在能源、冶金、化工等產(chǎn)業(yè)，CO2主要以煙道氣(主要成分為N2和CO2)的形式被排放到大氣中。 煙道氣作為凝析氣藏保壓開采的一種注氣來源[6-7]，不僅可以改善開發(fā)效果，而且可以有效地減少CO2排放。

目前，關(guān)于煙道氣提高油氣采收率的研究和應(yīng)用基本集中在注氣驅(qū)油方面[8-9]，主要利用了煙道氣對原油的增溶、降黏、混相以及重力分異等機理；在凝析氣藏開發(fā)，特別是注氣后流體相態(tài)方面的研究主要集中在注CO2情形，對于注煙道氣情形的研究較為少見。 HOU等[10]通過實驗手段研究了CO2對凝析氣相圖、露點壓力、兩相區(qū)等相態(tài)特征影響。SETEYEOBOT等[11]和WANG等[12]利用實驗以及數(shù)值模擬方法研究了CO2對凝析油的作用機理，優(yōu)化了注入氣的注入速度、注入體積和壓力等參數(shù)。AZHAR等[13]、NEELE等[14]、JIA等[15]和BURACHOK等[16]通過數(shù)值模擬等方法證實注入CO2對提高凝析氣和凝析油采收率具有較好的效果，并根據(jù)實際氣藏條件對注氣速度、注氣壓力和注氣時機等參數(shù)進行優(yōu)化。焦玉衛(wèi)等[17]以SRK方程為理論基礎(chǔ)，研究了凝析氣藏循環(huán)注氣過程中混入干氣后凝析氣流體相態(tài)、等容衰竭相態(tài)以及混入凝析油相態(tài)的變化情況。余華杰等[18]對于不同摩爾分數(shù)CO2的凝析氣，通過單次閃蒸實驗、露點壓力測試、等組分膨脹實驗和等容衰竭實驗，分析了CO2對凝析氣相態(tài)特征和物性參數(shù)的影響。楊廣榮等[19]通過對大張坨凝析氣藏衰竭試采和循環(huán)注氣兩個階段的多次流體取樣，研究了井流物的相態(tài)及組分的變化規(guī)律。此外，郭平等[20]以真實凝析氣藏為例，利用等容衰竭實驗研究對比了注N2、CO2和干氣對凝析氣相態(tài)的影響。LOPEZ[21]利用數(shù)值模擬方法對比分析了凝析氣藏注CO2、N2、煙道氣和干氣的生產(chǎn)動態(tài)特征，指出注煙道氣的開發(fā)效果好于N2，差于CO2。

本文針對凝析氣藏注煙道氣開發(fā)方式，基于PR狀態(tài)方程及相平衡理論，在實例凝析氣藏條件下，設(shè)定多種組分煙道氣及與凝析氣的多種混合比例，利用P-T相圖分析了注入氣對兩相區(qū)分布和露點壓力的影響規(guī)律；利用模擬等容衰竭實驗研究了反凝析過程中注入氣對含油飽和度及凝析油采出程度的影響；運用混合單元格方法[14]計算最小混相壓力，對比了煙道氣各組分與凝析油的混相能力；根據(jù)注煙道氣的相態(tài)特征，結(jié)合氣源情況，以最大程度采出凝析油為目標(biāo)，確定了注煙道氣開發(fā)對策和組分優(yōu)化方案。

1 注煙道氣驅(qū)替特征

煙道氣在注入地層后，自注氣井至采氣井方向依次形成注氣區(qū)、混合區(qū)、凝析氣區(qū)；當(dāng)采氣井附近地層壓力降至露點壓力以下時，凝析油析出形成油氣兩相區(qū)，驅(qū)替特征如圖1所示。在注氣驅(qū)替過程中流體相態(tài)行為比較復(fù)雜，對開發(fā)效果影響顯著的大體包括三方面：①在混合區(qū)中，由于注入氣與凝析氣在對流及擴散的作用下以不同比例混合，流體組分發(fā)生變化，進而使露點壓力改變，存在相態(tài)變化的可能；②如果注氣量較少，不足以保持地層壓力，則在凝析氣區(qū)和混合區(qū)隨壓力降低會有凝析油析出，地面凝析油產(chǎn)出量受多種因素影響；③滯留地層的凝析油大部分以殘余油形式存在，如果能與注入氣形成混相，則將大幅度提高凝析油的采收率。以上三方面的相態(tài)行為對凝析氣藏的開發(fā)效果影響顯著，需結(jié)合具體賦存條件深入分析，并為煙道氣組分優(yōu)化和制定開發(fā)政策提供依據(jù)。

2 相平衡計算模型

相平衡計算模型是相態(tài)分析、模擬等容衰竭實驗以及運用理論法計算最小混相壓力的基礎(chǔ)。模型采用被廣泛應(yīng)用于烴類相平衡和物性參數(shù)計算的PR狀態(tài)方程，其基本形式為式(1)。

(1)

式中：p為壓力，Pa；T為熱力學(xué)溫度，K；R為通用氣體常數(shù)，8.314 471 J/(mol·K)；v為比容，m3/mol；a為PR狀態(tài)方程作用參數(shù)，Pa·m6/mol2；b為PR狀態(tài)方程作用參數(shù)，m3/mol。

根據(jù)氣液兩相相平衡理論，當(dāng)nc個組分構(gòu)成的油氣體系處于氣液平衡時，應(yīng)滿足的物料平衡條件見式(2)～式(4)。

L+V=1

(2)

式中：L為相平衡液相所占摩爾分數(shù)；V為相平衡氣相所占摩爾分數(shù)。

Lxi+Vyi=zi(i=1，2，…，nc)

(3)

式中：xi為i組分在油相的摩爾分數(shù)；yi為i組分在氣相的摩爾分數(shù)；zi為i組分總的摩爾分數(shù)；nc為流體組分個數(shù)。

(4)

相態(tài)平衡條件見式(5)。

(5)

對于相平衡計算模型，式(5)與式(1)相關(guān)，因此聯(lián)立式(1)～式(5)，采用逐次替換方法與Newton-Raphson方法結(jié)合求解，以保證計算的收斂。

3 實例分析

選取實例凝析氣藏，以相平衡計算模型為基礎(chǔ)，開展P-T相圖、模擬等容衰竭實驗研究以及最小混相壓力分析，優(yōu)化煙道氣組分，并提出開發(fā)對策。為提高理論計算的可靠性，基于凝析氣樣品的高壓物性實驗的實測數(shù)據(jù)，運用PVT相態(tài)分析軟件，通過對實驗數(shù)據(jù)擬合得到了用于理論計算的各項臨界參數(shù)，凝析氣組分見表1。C11+組分的摩爾質(zhì)量為225.69 g/mol，相對密度為0.847；凝析氣藏原始地層壓力55 MPa，地層溫度100 ℃(373.15 K)。煙道氣的CO2含量一般在20%左右。

表1 凝析氣組分及其摩爾分數(shù)Table 1 Components of condensate gas and their mole fractions

3.1 P-T相圖

為研究煙道氣對凝析氣露點壓力及相態(tài)的影響，分別繪制原始凝析氣、注煙道氣(CO2比例為10%、20%、30%)，注N2和注CO2的P-T相圖(圖2)，注入氣與原始凝析氣混合比例為1∶1。由圖2可知，地層溫度位于原始凝析氣臨界點與臨界凝析溫度之間，并且靠近臨界點，屬于凝析油含量較高的體系，露點壓力為31.89 MPa；當(dāng)注入CO2后，相圖包絡(luò)線內(nèi)面積顯著縮小，臨界凝析溫度向左側(cè)移動，同時露點壓力降低至22.06 MPa；當(dāng)注入煙道氣后，相圖包絡(luò)線內(nèi)面積增大，露點壓力升高至40 MPa以上，隨著N2含量的增加，相圖包絡(luò)線內(nèi)面積依次增大，露點壓力依次增高，CO2比例為30%、20%、10%的煙道氣對應(yīng)的露點壓力分別為42.67 MPa、47.11 MPa、52.13 MPa；當(dāng)注入N2后，包絡(luò)線內(nèi)面積最大，露點壓力最高，為57.86 MPa。

圖2 注不同組分氣體后的流體相態(tài)Fig.2 Fluid phases after injecting different gas

為研究煙道氣與原始凝析氣混合比例對露點壓力及相態(tài)的影響，設(shè)置煙道氣(CO2比例為20%)與原始凝析氣按1∶4、1∶2、1∶1、2∶1和4∶1的比例混合，繪制P-T相圖(圖3)。由圖3可以看出，隨著煙道氣混合比例的提高，臨界凝析溫度逐漸降低，臨界溫度逐漸升高；在地層條件下，露點壓力先增高后降低，當(dāng)混合比例大于1∶1后，在一定范圍內(nèi)露點壓力變化不大，最高值在50.34 MPa左右。

圖3 不同注氣混合比的流體相態(tài)Fig.3 Fluid phases after injecting gases withdifferent mixing ratio

P-T相圖變化規(guī)律說明，煙道氣中的N2會增大注氣混合區(qū)中的露點壓力，而CO2則起到降低露點壓力的作用；注煙道氣總體上會增大混合區(qū)的露點壓力，但在本案例中，當(dāng)注氣比例大于1∶1后，隨著注氣量增加露點壓力表現(xiàn)出先增大后緩慢減小的情況；注煙道氣，包括N2和CO2可以降低混合區(qū)的臨界凝析溫度，并且臨界凝析溫度隨注氣比例的增大而減小，這對于地層溫度接近臨界凝析溫度的凝析氣藏來說，能夠有效避免混合區(qū)的反凝析現(xiàn)象。

3.2 模擬等容衰竭實驗

當(dāng)注氣不充足時，地層壓力將持續(xù)衰竭。為研究當(dāng)?shù)貙訅毫抵谅饵c壓力以下時，煙道氣對凝析氣相態(tài)及凝析油采出情況的影響，針對原始凝析氣、注煙道氣(CO2比例為10%、20%、30%)，注N2、注CO2以及注煙道氣時的不同混合比例，模擬多組等容衰竭實驗。實驗溫度采用實例凝析氣藏地層溫度，衰竭壓力從露點壓力開始，至5 MPa結(jié)束，分別觀測實驗裝置中的含油飽和度以及凝析油采出程度，實驗結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 注不同組分氣體后的含油飽和度Fig.4 Oil saturations after injecting different gas

圖5 注不同組分氣體后的凝析油采出程度Fig.5 Condensate recoveries after injecting different gas

圖6 不同注氣混合比的含油飽和度Fig.6 Oil saturations after injecting gases with different mixing ratio

圖7 不同注氣混合比的凝析油采出程度Fig.7 Condensate recoveries after injecting gases with different mixing ratio

由圖4和圖5可以看出，含油飽和度隨壓力的降低均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，采出程度隨壓力的降低而增大，但趨勢逐漸變緩；注氣后地層含油飽和度明顯降低，凝析油采收率明顯提高，其中注煙道氣和注N2的結(jié)果接近，最大含油飽和度與不注氣相比降低約12%，采出程度提高約4%，注CO2時效果最為顯著，與不注氣相比最大含油飽和度降低約9%，采出程度提高約4.6%。

由圖6和圖7可以看出，注煙道氣與凝析氣的混合比例對地層含油飽和度以及凝析油的采出程度影響顯著，煙道氣的混合比例越大，含油飽和度越低，凝析油采出程度越高，其中含油飽和度降幅約為12.5%，凝析油采出程度升幅約為4.8%。

模擬等容衰竭實驗說明，在露點壓力以下時，注入煙道氣對凝析氣的重組分有一定的蒸發(fā)作用，有利于降低地層中的含油飽和度，提高凝析油的采出程度，并且注入的煙道氣比例越高，蒸發(fā)作用越顯著，其中在煙道氣組分中CO2的蒸發(fā)效果最好。然而注入煙道氣導(dǎo)致混合氣體的露點壓力升高，當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀诼饵c壓力時，多孔介質(zhì)條件下的凝析氣難以采出，采收率與實驗相比實際偏低。 因此，模擬等容衰竭實驗的注氣效果僅作為參考，對于煙道氣組分的優(yōu)化還應(yīng)結(jié)合對露點壓力的影響來綜合分析。

3.3 最小混相壓力

為研究煙道氣及其組分對地層中殘余凝析油的混相能力，利用混合單元格方法[22]計算在地層條件下煙道氣與凝析油的最小混相壓力。凝析油樣品取自原始凝析氣的模擬等容衰竭實驗。經(jīng)計算得到注煙道氣(CO2比例為20%)、N2和CO2的最小混相壓力分別為44.59 MPa、44.78 MPa和16.73 MPa。另外，計算了不同CO2含量的煙道氣對體系最小混相壓力的影響規(guī)律(圖8)。從計算結(jié)果可以看出，在煙道氣的組分中，CO2混相能力較強，而N2混相能力較差，提高CO2在煙道氣中的含量可以降低體系的最小混相壓力。

圖8 不同CO2含量下的最小混相壓力Fig.8 Minimum miscibility pressures after injecting flue gases with different CO2 content

3.4 煙道氣組分優(yōu)化與下步研究建議

通過上文研究可知，煙道氣的組分構(gòu)成對凝析氣的露點壓力、凝析油的蒸發(fā)作用及混相能力具有較大的影響[23]。為進一步優(yōu)化煙道氣組分，分別計算了不同CO2含量的煙道氣對體系露點壓力的影響規(guī)律(圖9)。 由圖9可以看出，體系露點壓力隨煙道氣中CO2的增大而降低，其中，當(dāng)CO2在40%～60%之間時，各混合比例的露點壓力值較為接近；而由圖8可以看出，體系的最小混相壓力隨煙道氣中CO2的增大而降低，其中當(dāng)CO2在40%～70%之間時，降幅較大。根據(jù)以上相態(tài)特征，結(jié)合氣源情況，以最大程度采出凝析油為目標(biāo)，提出注煙道氣組分優(yōu)化。當(dāng)氣源充足時，利用CO2含量為20%的常規(guī)煙道氣保持地層壓力在50 MPa以上，同時控制采氣井的井底流壓，由于該組分構(gòu)成的煙道氣與凝析氣混合后的體系露點壓力小于50 MPa，地層將不會發(fā)生反凝析現(xiàn)象。當(dāng)氣源不充足時，可以利用除氮技術(shù)降低煙道氣中的N2含量，將CO2含量保持在50%以上，減小壓力衰竭速率的同時可以維持或降低原始凝析氣體系的露點壓力，增強對凝析油組分的蒸發(fā)作用，降低與凝析油的最小混相壓力，進而依靠多種相態(tài)機理提高凝析油的采收率。以上煙道氣組分優(yōu)化基于狀態(tài)方程所描述的流體相態(tài)特征，為項目的理論及試驗設(shè)計提供支撐。由于實際氣藏為復(fù)雜的立體空間，存在著儲層的非均質(zhì)性、流體組分的傳質(zhì)與分異、注采井網(wǎng)的配合等多種因素，可能導(dǎo)致注采效果的差異，因此，建議在下一步研究中結(jié)合流體滲流與分子傳質(zhì)機理，以構(gòu)建二維數(shù)值模型、三維數(shù)值模型及物理模型為手段，重點研究儲層流體與開發(fā)政策對注煙道氣生產(chǎn)效果的影響，為凝析氣藏注氣、增產(chǎn)、減排邁向?qū)嶋H應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖9 不同CO2含量下的煙道氣露點壓力Fig.9 Dew point pressures after injecting flue gases with different CO2 content

4 結(jié) 論

基于PR狀態(tài)方程及相平衡理論，通過P-T相圖分析了煙道氣對兩相區(qū)分布和露點壓力的影響規(guī)律，利用模擬等容衰竭實驗研究了反凝析過程中注入氣對含油飽和度及凝析油采出程度的影響，運用混合單元格方法計算最小混相壓力，分析了煙道氣各組分與凝析油的混相能力，綜合各因素提出了注煙道氣開發(fā)對策和組分優(yōu)化方案。研究結(jié)論如下所述。

1) 煙道氣中的N2會增大注氣混合區(qū)中的露點壓力，而CO2則起到減小露點壓力的作用；由于注煙道氣的N2含量高于CO2，注常規(guī)煙道氣總體上會增大混合區(qū)的露點壓力。

2) 注入煙道氣對凝析氣的凝析組分有一定的蒸發(fā)作用，有利于降低地層中的含油飽和度，并提高凝析油的采出程度。此外注入的煙道氣比例越高，蒸發(fā)作用越顯著，其中在煙道氣組分中CO2的蒸發(fā)效果最好。

3) 在煙道氣的組分中，CO2混相能力較強，而N2混相能力較差，提高CO2在煙道氣中的含量可以降低體系的最小混相壓力。

4) 結(jié)合實例分析，建議當(dāng)氣源充足時保持地層壓力高于露點壓力開發(fā)；當(dāng)氣源不充足時，利用除氮技術(shù)將CO2含量保持在50%以上，依靠多種相態(tài)機理提高凝析油的采收率。