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        近臨界態(tài)凝析氣藏地層流體特殊相態(tài)行為

        2013-10-22 02:11:56侯大力高黎惠劉浩成張梅珠崔飛飛
        天然氣工業(yè) 2013年11期
        關(guān)鍵詞:凝析氣相態(tài)凝析油

        侯大力 高黎惠 劉浩成 張梅珠 崔飛飛

        1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國石油南方石油勘探開發(fā)公司

        近年來,在國內(nèi)外深部地層勘探中發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的臨界—近臨界的油氣藏[1]。近臨界流體的相態(tài)變化非常復(fù)雜,例如氣液性質(zhì)差異消失,流體密度的漲落產(chǎn)生特殊的“臨界乳光”現(xiàn)象[2]。據(jù)已勘探開發(fā)的油氣藏?cái)?shù)據(jù),近年來在我國新疆、吉林以及海南等地區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了揮發(fā)油藏和近臨界凝析氣藏[3-5]。

        前人已對(duì)二元混合物在近臨界區(qū)的相態(tài)特征及氣液相平衡理論做了大量的研究,但對(duì)于具有多組分復(fù)雜類型烴類體系組成的油氣藏流體在近臨界區(qū)的相態(tài)特征系統(tǒng)全面的研究尚不多見。Gil等人[6]測定了CO2和C2H6的二元混合物在臨界區(qū)和超臨界區(qū)的密度,并將實(shí)測數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比;Bazaev等人[7]回顧了一些二元混合物在近臨界區(qū)的PVT參數(shù),而且還實(shí)測了四組二元混合物在近臨界區(qū)得PVT參數(shù);Rasulov等人[8]實(shí)測了303~684K、0.1~63 MPa下不同摩爾含量(0.027%~0.889 8%)的戊烷和水的二元混合物在近臨界區(qū)和超臨界區(qū)的PVT參數(shù)。Rabezkii等人[9]實(shí)測了623~673K、11~46MPa下不同摩爾含量(0.000 8%~0.008 5%)的甲苯和水的二元混合物在近臨界區(qū)和超臨界區(qū)的PVT參數(shù),并討論了甲苯和水在近臨界區(qū)和超臨界區(qū)的異常相態(tài)現(xiàn)象;Martin等人[10]通過實(shí)驗(yàn)觀測了二元混合物的臨界乳光現(xiàn)象,研究表明,流體在臨界點(diǎn)區(qū)域呈乳白色且不透光,在遠(yuǎn)離臨界區(qū)域變得透明;Kordikowski等人[11]利用聲波法測量了聲波在二元混合物的近臨界區(qū)的傳播速度;Llovell等人[12]以及Sun等人[13]分別利用Soft-SAFT和SAFT-VRX狀態(tài)方程計(jì)算了一些純組分和二元混合物在近臨界區(qū)的PVT參數(shù),并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性;沈平平、羅凱[14]等人對(duì)一個(gè)6組分烴類混合物和兩個(gè)實(shí)際凝析氣流體的臨界點(diǎn)、近臨界泡點(diǎn)/露點(diǎn)線以及近臨界光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明真實(shí)流體與明確組分流體相比,真實(shí)流體在很寬的溫度范圍內(nèi)均可觀察到臨界乳光現(xiàn)象。綜上所述,有關(guān)近臨界區(qū)多組分混合物和真實(shí)儲(chǔ)層流體(近臨界高揮發(fā)油和近臨界富凝析氣藏)的近臨界和超臨界區(qū)的氣液兩相相態(tài)特征實(shí)驗(yàn)觀測和相平衡理論模擬計(jì)算研究尚較少[1,15-20]。

        筆者以HC近臨界凝析氣藏儲(chǔ)層流體為研究對(duì)象,利用DBR公司研制的耐高溫高壓的可視化無汞PVT儀,對(duì)其進(jìn)行了近臨界區(qū)的超臨界態(tài)奇異臨界乳光現(xiàn)象觀測實(shí)驗(yàn)、等組成膨脹實(shí)驗(yàn)以及注CO2增溶膨脹相態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)其在近臨界區(qū)和超臨界區(qū)所產(chǎn)生的特殊乳光現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)時(shí)錄像,以期能為進(jìn)一步研究近臨界復(fù)雜流體的相態(tài)特征及熱力學(xué)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 近臨界區(qū)超臨界流體實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)用近臨界凝析油氣流體配制

        本次研究選擇了HC近臨界態(tài)凝析氣藏流體樣品進(jìn)行分析。流體樣品采用地面分離器氣和分離器油復(fù)配而成。分離器氣和分離器油的組分分別通過HP-6 890和Agilent-7 890A氣相色譜分析儀而獲得,組分的測試精度均為±0.01(摩爾百分?jǐn)?shù))。然后,根據(jù)生產(chǎn)氣油比(本次測試樣品的氣油比為774m3/m3)計(jì)算出復(fù)配流體樣品的井流物組分。其中,井流物中輕質(zhì)揮發(fā)組分(CH4)摩爾含量為60.752%,中間組分(C2H6~C6H14)摩爾含量為23.588%,重質(zhì)組分(C7+)摩爾含量為10.276%,屬于典型的富含中間烴高含重質(zhì)烴的近臨界凝析油氣體系的組成范圍,可用于近臨界區(qū)超臨界流體的特殊相態(tài)研究。

        1.2 實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)性能

        實(shí)驗(yàn)測定工作選擇在DBR公司研制的可視化無汞PVT儀中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。該裝置主要由可以實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的視頻攝像頭、恒溫系統(tǒng)、壓力傳感器、溫度傳感器、視頻錄制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、自動(dòng)泵、PVT測試單元(150mL)、氣色譜、閃蒸分離器、電子天平、密度儀以及氣量計(jì)組成。恒溫采用空氣浴,設(shè)有加熱和制冷裝置,其溫度的設(shè)置和調(diào)節(jié)由主控計(jì)算機(jī)控制。PVT測試單元由藍(lán)寶石玻璃制成,內(nèi)含有一個(gè)圓臺(tái)形狀的活塞,可以準(zhǔn)確的計(jì)量氣體和液體的體積。PVT測試單元中流體的相態(tài)變化可以通過電腦采集視頻攝像頭錄制的圖像以及PVT測試單元的前后觀測窗觀測獲得。

        1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

        1)清洗可視PVT筒,抽空PVT筒并記錄活塞的高度。

        2)通過計(jì)算機(jī)控制并保持PVT筒周圍的空氣浴溫度為儲(chǔ)層溫度。

        3)在儲(chǔ)層溫度壓力下將一定量(約30mL)的流體樣品裝入PVT筒中并攪拌8~12h,記錄轉(zhuǎn)樣后PVT筒中活塞的高度。

        4)保持儲(chǔ)層溫度壓力條件下,將一定量的流體樣品排放到閃蒸分離器內(nèi),利用氣量計(jì)、電子天平以及密度儀分別測量標(biāo)準(zhǔn)狀況(0.1MPa、20℃)下氣體的體積、凝析油的質(zhì)量和密度,并記錄排氣后PVT筒中活塞的移動(dòng)高度。

        圖1 JEFRI全觀測無汞高溫高壓地層流體分析儀圖

        5)在近臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)通過改變PVT筒內(nèi)的壓力觀測流體樣品超臨界相態(tài)變化并進(jìn)行錄像。

        6)測試8個(gè)不同溫度點(diǎn)的等組成膨脹實(shí)驗(yàn),觀察并記錄流體的泡、露點(diǎn)變化。

        7)對(duì)PVT筒內(nèi)流體樣品在儲(chǔ)層溫度條件下做定容衰竭實(shí)驗(yàn),衰竭的最后一級(jí)為目前地層壓力14.12MPa,并將最后一級(jí)的氣體全部排出,然后,對(duì)剩余的凝析油注入不同比例的CO2,觀察CO2溶解過程凝析油臨界乳光現(xiàn)象以及飽和壓力點(diǎn)的變化。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 近臨界區(qū)光學(xué)現(xiàn)象

        圖2是近臨界區(qū)超臨界態(tài)地層流體降壓過程相變示意圖,虛線區(qū)域代表近臨界區(qū)。地層溫度下,當(dāng)壓力從圖2(1)中所對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn)逐漸降低變化到圖2(6)中所對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn)時(shí),PVT測試單元中地層流體從透明金黃色漸變?yōu)闇\棕色、紅棕色,最后擴(kuò)展為完全不透光的灰黑色;然后,隨著壓力繼續(xù)降低,從圖2(6)中所對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn)逐漸變化到圖2(8)中所對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn),PVT測試單元中地層流體從完全不透光的灰黑色逐漸變?yōu)榈撞考t棕色上部灰黑色、底部淺棕色上部灰黑色變淺,且沒有明顯的氣液界面;隨著壓力的進(jìn)一步降低,從圖2(8)中所對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn)逐漸變化到圖2(11)中所對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn),PVT測試單元中地層流體從底部淺棕色上部灰黑色變淺且沒有明顯的氣液界面變?yōu)榈撞拷瘘S色且有明顯的氣液界面,液量體積也急劇增加到最大值后緩慢的減少。

        圖2 近臨界區(qū)地層流體增壓過程超臨界態(tài)相變示意圖

        上述地層流體從透明金黃色漸變?yōu)闇\棕色、紅棕色,最后擴(kuò)展為完全不透光的灰黑色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就是“臨界乳光”現(xiàn)象。這是由于氣—液相變過程中,氣、液分子運(yùn)動(dòng)引起的分子密度統(tǒng)計(jì)漲落而引起的,而密度的漲落是由于液體分子的蒸發(fā)、氣體分子的冷凝,這種分子運(yùn)動(dòng)的漲落在溫度接近臨界點(diǎn)時(shí)特別劇烈,從而導(dǎo)致在相變界面處的密度分別不再呈現(xiàn)一個(gè)層狀的密度分布,而是呈現(xiàn)凹凸不齊、隨機(jī)分布的空間曲面,在光線行程的方向上,形成許多液—?dú)饨缑婊驓狻航缑?。光通過這些界面時(shí)將產(chǎn)生一系列的反射或折射,使其透射光的能量逐漸減少,從而導(dǎo)致流體呈現(xiàn)出乳光現(xiàn)象。

        2.2 等組成膨脹

        HC近臨界凝析氣藏的儲(chǔ)層溫度和壓力分別為130℃、35.2MPa。因此,為了研究該儲(chǔ)層流體樣品的相態(tài)變化特征,筆者選取了在溫度100~150℃、壓力8~35.2MPa的范圍內(nèi)進(jìn)行等組成膨脹實(shí)驗(yàn)研究,以研究該近臨界流體樣品在超臨界區(qū)和近臨界區(qū)的泡點(diǎn)或露點(diǎn)壓力、偏差因子、反凝析液量以及p—T相圖的變化規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)觀測到,溫度在120~125℃之間,近臨界溫度附近,很難觀測到第一個(gè)液滴或第一個(gè)氣泡,筆者把出現(xiàn)霧的壓力點(diǎn)暫且看作飽和壓力,并結(jié)合常規(guī)油氣藏相態(tài)實(shí)驗(yàn)中得出的液相體積在泡點(diǎn)壓力以下減少,在露點(diǎn)壓力以下增加結(jié)論,綜合判斷該點(diǎn)是泡點(diǎn)壓力還是露點(diǎn)壓力。從圖3可以看出:在120~125℃之間液相體積也從泡點(diǎn)壓力以下迅速減少的趨勢(shì),變?yōu)槁饵c(diǎn)壓力以下迅速增加的趨勢(shì)。所以,得出儲(chǔ)層的臨界溫度點(diǎn)在120~125℃之間,然后,利用CMG相態(tài)模擬軟件中1978年改進(jìn)的PR狀態(tài)方程擬合實(shí)測的泡點(diǎn)或露點(diǎn)壓力,并得到完整的p—T相圖(圖4),并得到臨界點(diǎn)為121.66℃、21.87MPa。不同溫度、壓力條件下地層流體的偏差因子如圖5所示。圖5虛線區(qū)域(100~150℃、大于21MPa)表明,此區(qū)域內(nèi)地層流體的偏差因子變化較小;溫度在100~150℃之間、壓力小于21MPa的條件下,偏差因子值發(fā)生了突變;臨界點(diǎn)處偏差因子值相等。而且,該地層流體所處的地層溫度、壓力點(diǎn)(130℃、35.2MPa)位于臨界點(diǎn)的右側(cè),且C7+的摩爾含量為10.276%,可以判斷該流體樣品屬于近臨界超臨界態(tài)凝析氣藏。

        圖3 不同溫度下等組成膨脹實(shí)驗(yàn)過程中液相體積分?jǐn)?shù)圖

        圖4 原始井流物p—T相圖

        圖5 不同溫度、壓力條件下地層流體的偏差因子數(shù)據(jù)圖

        2.3 注氣膨脹實(shí)驗(yàn)

        將做完等組成膨脹實(shí)驗(yàn)后的流體樣品加壓充分?jǐn)嚢韬?,靜止2~3h。然后將地層流體在地層溫度(130℃)定容衰竭到目前地層壓力14.12MPa,并將最后一級(jí)的氣體全部排出,對(duì)剩余的凝析油做注CO2膨脹實(shí)驗(yàn)。這是針對(duì)注入CO2氣體與凝析油之間增溶過程相態(tài)配伍性的研究。圖6為衰竭開發(fā)到14.12 MPa下反凝析油飽和壓力隨CO2注氣量變化的p—T相圖,隨CO2注氣量增加凝析油飽和壓力逐漸增加,但增加的幅度不大,在CO2注入物質(zhì)的摩爾量濃度為50%時(shí),凝析油的飽和壓力為20.03MPa,且CO2與地層反凝析油達(dá)到一次接觸混相壓力需達(dá)23.54 MPa。反凝析油隨CO2注氣量變化的p—T相圖和注入不同比例CO2反凝析液量隨壓力變化曲線見圖7、8。圖7表明,在地層溫度下,隨著CO2注氣量增加,反凝析油體系的飽和壓力增加,臨界點(diǎn)從右向左偏移,臨界溫度降低,臨界壓力增加,注CO2后混合物體系相圖向輕質(zhì)化特征轉(zhuǎn)變(向左收縮變窄)。

        圖6 剩余地層凝析油注CO2的p—T相圖

        圖7 地層反凝析油隨CO2注氣量增加反凝析油p—T相圖

        圖8表明:注入CO2后混合物體系液相體積減小,注入CO2所占摩爾含量越高,液相體積減小越多。當(dāng)CO2注入氣摩爾含量達(dá)到80%時(shí),在14.12MPa壓力下反凝析油液量體積收縮了約71%。而且,當(dāng)CO2注入氣摩爾含量在70%~80%時(shí),反凝析液量曲線出現(xiàn)了突變,反凝析液量變化趨勢(shì)由隨著壓力下降逐漸減小變化為隨著壓力下降先增加后減小的趨勢(shì),表明當(dāng)CO2注入氣摩爾含量達(dá)到80%時(shí),反凝析油逐漸從輕質(zhì)凝析油體系轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗄鰵怏w系,這與圖6得出的結(jié)論一致,即當(dāng)CO2注入氣摩爾含量達(dá)到78.6%時(shí),CO2與地層反凝析油達(dá)到一次接觸混相,混相壓力為23.54MPa。綜合考慮該近臨界凝析氣藏地露壓差較大,目前該凝析氣藏的地層壓力下降較快,地層反凝析現(xiàn)象嚴(yán)重,有必要采取注氣的增產(chǎn)措施,降低凝析油的飽和度,有利于該凝析氣藏的高效開發(fā)。

        3 結(jié)論

        1)結(jié)合井流物組分和p—T相圖綜合判斷出某油氣田S井的井流物為近臨界超臨界態(tài)凝析氣藏。

        2)近臨界區(qū)光學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:PVT測試單元中地層流體從透明金黃色漸變?yōu)闇\棕色、紅棕色,最后擴(kuò)展為完全不透光的灰黑色,出現(xiàn)了明顯的“臨界乳光”現(xiàn)象,而“臨界乳光”現(xiàn)象是由于氣—液相變過程中,氣、液分子運(yùn)動(dòng)引起的密度統(tǒng)計(jì)漲落而引起的。

        3)恒溫等組成膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該近臨界流體在120~125℃之間飽和壓力從泡點(diǎn)壓力變成了露點(diǎn)壓力,液相體積也從泡點(diǎn)壓力以下迅速減少的趨勢(shì)變?yōu)槁饵c(diǎn)壓力以下迅速增加的趨勢(shì),這也表明該近臨界流體的臨界點(diǎn)在120~125℃之間;偏差因子、黏度和密度值在臨界點(diǎn)附近變化較小,遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)附近發(fā)生急劇的變化。

        4)注氣膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著CO2注氣量增加,凝析油飽和壓力升高。注氣膨脹模擬結(jié)果表明:隨著CO2注氣量增加,臨界點(diǎn)從右向左偏移,臨界溫度降低,臨界壓力增加,注CO2后混合物體系相圖向輕質(zhì)化特征轉(zhuǎn)變(向左收縮變窄)。而且,注入CO2后混合物體系液相體積減小,注入CO2所占摩爾含量越高,液相體積減小越多。

        5)當(dāng)CO2注入氣摩爾含量在70%~80%時(shí),反凝析液量曲線出現(xiàn)突變;隨著壓力下降,反凝析液量變化趨勢(shì)由逐漸減小轉(zhuǎn)為先增加后減小的趨勢(shì),表明反凝析油逐漸從輕質(zhì)凝析油體系轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗄鰵怏w系。

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