余華杰

（中海油研究總院 開(kāi)發(fā)研究院，北京 100027）

0 引言

隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展、天然氣勘探領(lǐng)域的擴(kuò)大和技術(shù)的提高，含CO2天然氣藏越來(lái)越多被人們發(fā)現(xiàn)，松遼、渤海灣和準(zhǔn)噶爾等盆地分別發(fā)現(xiàn)含CO2火山巖氣藏[1-4］，氣藏CO2摩爾分?jǐn)?shù)為20%～98%.其中，渤海灣海域發(fā)現(xiàn)的含CO2凝析氣藏不同于常規(guī)凝析氣藏或純CO2氣藏[5］，其凝析氣摩爾分?jǐn)?shù)為40%～90%，為高含或特高含CO2凝析氣藏，凝析油地質(zhì)儲(chǔ)量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)m3，CO2地質(zhì)儲(chǔ)量為數(shù)十億m3，開(kāi)發(fā)高含CO2凝析氣藏，提高凝析油和天然氣采收率是氣田開(kāi)發(fā)面臨的難題.在鄰近斷塊內(nèi)發(fā)現(xiàn)的凝析氣藏，凝析氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為8%～10%，為研究不同摩爾分?jǐn)?shù)CO2對(duì)凝析氣體系相態(tài)特征的影響提供對(duì)比樣品.在凝析氣田的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采過(guò)程中，凝析氣的相態(tài)變化研究具有重要意義[6-7］，由于CO2與常規(guī)天然氣在高壓物性方面存在較大差異，使高含CO2凝析氣藏在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)比常規(guī)純凝析氣藏更為復(fù)雜的凝析油—凝析氣體系相變，且CO2對(duì)提高凝析氣藏采收率具有重要作用.目前有關(guān)CO2驅(qū)油的研究和應(yīng)用主要集中于低滲透油田和小斷塊油田等復(fù)雜類(lèi)型油田[8-10］，對(duì)于CO2對(duì)凝析氣藏相態(tài)特征的影響研究及合理利用CO2提高凝析氣藏采收率方面的研究和礦場(chǎng)試驗(yàn)還比較少.

文中通過(guò)對(duì)渤海灣海域高含及低含CO2凝析氣體系進(jìn)行高溫高壓相態(tài)實(shí)驗(yàn)和不同開(kāi)發(fā)方式數(shù)值模擬，分析不同摩爾分?jǐn)?shù)CO2凝析氣體系在開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)地層流體PVT相態(tài)特征及開(kāi)發(fā)指標(biāo)的影響，為評(píng)價(jià)CO2對(duì)凝析氣藏開(kāi)發(fā)的影響、優(yōu)選合理開(kāi)發(fā)方式提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)儀器和樣品

實(shí)驗(yàn)儀器為JEFRI全觀測(cè)地層流體分析儀，由加拿大DBR公司研制生產(chǎn)，儀器具有1個(gè)150mL整體可視高溫高壓PVT室，測(cè)試溫度為-30.0～200.0℃，精度為0.1℃；測(cè)試壓力為0.10～70.00MPa，精度為0.01MPa.實(shí)驗(yàn)流程主要為：注入泵系統(tǒng)→PVT室→閃蒸分離器→油／氣相色譜→油氣計(jì)量系統(tǒng)[11］.實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SY／T 5542-2009《油氣藏流體物性分析方法》.

實(shí)驗(yàn)所用2個(gè)地層凝析氣樣品來(lái)自渤海灣盆地中部海域，其中，樣品2取自A油田東三段Ⅲ油組，原始地層溫度和壓力為120.1℃和31.58MPa，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為59.90%；樣品1為樣品2相鄰斷塊內(nèi)的凝析氣樣品，原始地層溫度和壓力為118.6℃和31.06MPa，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為8.17%.2個(gè)樣品的地層流體組分組成見(jiàn)表1.根據(jù)天然氣藏分類(lèi)方法[5］，樣品1屬于中含CO2范疇，樣品2屬于特高含CO2范疇，由于樣品1的CO2摩爾分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于樣品2的，因此樣品1代表低含CO2凝析氣體系樣品、樣品2代表高含CO2凝析氣體系樣品.由表1可見(jiàn)：樣品1的輕烴（C1）組分摩爾分?jǐn)?shù)（73.80%）高于樣品2的（29.05%）；樣品1的中間烴（C2-C6）組分摩爾分?jǐn)?shù)（13.27%）高于樣品2的（6.52%）；樣品1和樣品2的重?zé)N（C7＋）組分摩爾分?jǐn)?shù)近似，分別為4.09%和4.08%.

表1 凝析氣地層流體樣品Table1 Component composition of two samples %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單次閃蒸實(shí)驗(yàn)

單次閃蒸實(shí)驗(yàn)基于保持油氣分離過(guò)程中體系總組成恒定不變的原理，將處于地層條件下的單相地層流體瞬間閃蒸到大氣條件，測(cè)量體積和氣液量變化[14］.為了評(píng)價(jià)CO2對(duì)凝析氣體系物理性質(zhì)的影響，在恒壓35MPa下，分別將原始地層條件下的2個(gè)凝析氣樣品閃蒸到大氣條件（0.101MPa，20℃），測(cè)定閃蒸油和閃蒸氣的物性參數(shù)（見(jiàn)表2）.由表2可見(jiàn)：雖然單次閃蒸實(shí)驗(yàn)前樣品1的中間烴和重?zé)N摩爾分?jǐn)?shù)之和高于樣品2的（見(jiàn)表1），反映樣品1的可液化體積大，但實(shí)驗(yàn)后得到的樣品1的凝析油含量低于樣品2的.這是由于流體相變特征極為復(fù)雜，同一組分對(duì)于不同組成的凝析氣體系的影響不同[12］.

實(shí)驗(yàn)后樣品1和樣品2的凝析油質(zhì)量濃度大于250.0g／m3，屬于高含凝析油的凝析氣體系[5］，樣品2閃蒸氣的相對(duì)密度高于樣品1的、體積因數(shù)和偏差因數(shù)小于樣品1的，表明隨著凝析氣體系中CO2摩爾分?jǐn)?shù)的增加，實(shí)驗(yàn)后閃蒸氣相對(duì)密度增加、體積因數(shù)和偏差因數(shù)減小.這是由于閃蒸氣主要是由CO2、N2等非烴和少量的C1、C2等易揮發(fā)的輕烴組成，在大氣壓力條件下CO2與C1、C2等輕烴相比具有更大的密度和更小的偏差因數(shù).

表2 CO2凝析氣樣品單次閃蒸實(shí)驗(yàn)流體物性參數(shù)Table 2Fluid properties characteristic of low and high content CO2condensate gas

2.2 等組分膨脹實(shí)驗(yàn)

等組分膨脹實(shí)驗(yàn)又稱(chēng)p-V關(guān)系實(shí)驗(yàn)，是指在地層溫度下測(cè)定恒定質(zhì)量的地層流體的壓力與體積關(guān)系的實(shí)驗(yàn)[14］.為了評(píng)價(jià)CO2對(duì)凝析氣體系彈性膨脹能力的影響，在原始地層溫度下改變壓力，測(cè)定凝析氣體系樣品的露點(diǎn)壓力，分析氣體偏差因數(shù)、體積因數(shù)與壓力的關(guān)系（見(jiàn)圖1）.

在原始地層溫度下，樣品1的露點(diǎn)壓力為31.06 MPa，與樣品2的露點(diǎn)壓力（31.28MPa）基本相當(dāng)，2個(gè)樣品的露點(diǎn)壓差分別為0MPa和0.30MPa，表明凝析氣體系在原始地層條件下處于高度飽和狀態(tài).在壓力高于露點(diǎn)壓力時(shí)，凝析氣體系為單相氣體狀態(tài)，隨著壓力的下降凝析氣體系偏差因數(shù)呈直線(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，且在相同壓力條件下樣品2的偏差因數(shù)比樣品1的約小0.1.偏差因數(shù)越小凝析氣越易于壓縮，表明加大CO2摩爾分?jǐn)?shù)可減小凝析氣偏差因數(shù)、增加凝析氣體系彈性膨脹能力（見(jiàn)圖1）.

圖1 等組分膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of p-Vexperiment

當(dāng)壓力下降至露點(diǎn)壓力以下時(shí)，凝析氣體系不再是單一氣相，而由凝析油反凝析表現(xiàn)為油氣兩相狀態(tài)，兩相流體體系體積因數(shù)隨著壓力下降而迅速上升，當(dāng)壓力下降至8.00MPa時(shí)，不同流體體系體積是露點(diǎn)壓力下流體體積的3～4倍，且在相同壓力條件下，樣品2的體積因數(shù)略大于樣品1的，流體體系體積因數(shù)也較大.體積因數(shù)越大體系的彈性膨脹能力也越強(qiáng)，表明無(wú)論是在高于露點(diǎn)壓力的單相狀態(tài)還是在低于露點(diǎn)壓力的兩相狀態(tài)，加大CO2摩爾分?jǐn)?shù)可減小凝析氣偏差因數(shù)、增大兩相體積因數(shù)，以及增加流體體系的彈性膨脹能力.

2.3 定容衰竭實(shí)驗(yàn)

定容衰竭實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬凝析氣藏衰竭式開(kāi)采過(guò)程，認(rèn)識(shí)凝析氣藏開(kāi)采動(dòng)態(tài)，并分析開(kāi)采過(guò)程中氣藏流體體積和井流物組成變化，以及不同衰竭壓力下凝析氣藏的采出程度[14］.為了評(píng)價(jià)不同CO2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)凝析氣體系抑制凝析油反凝析及對(duì)凝析油和天然氣采出程度的影響，在原始地層條件下，模擬改變壓力測(cè)定地層反凝析油飽和度、采出井流物及井流物采出程度等動(dòng)態(tài)參數(shù).

定容衰竭實(shí)驗(yàn)反凝析油體積比與壓力關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.由圖2可見(jiàn)：樣品2的最大反凝析壓力（10.0 MPa）比樣品1的（15.0MPa）低5.0MPa，其露點(diǎn)壓力與樣品1的近似，表明高含CO2能夠降低凝析氣的最大反凝析壓力、延緩凝析氣體系的反凝析.樣品2的最大反凝析油體積比（5.69%）比樣品1的（7.50%）低約2%，其凝析油質(zhì)量濃度略高于樣品1的（見(jiàn)表2），表明高含CO2具有較強(qiáng)的氣化萃取能力，可抑制凝析油的反凝析，減少凝析油的反凝析損失.

定容衰竭實(shí)驗(yàn)地層反凝析油采出程度與壓力關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)：壓力為5.0MPa時(shí)，樣品2的凝析油質(zhì)量濃度略高于樣品1的（見(jiàn)表2），其凝析油采出程度（45.0%）相對(duì)于樣品1的（39.1%）高出5.9%，與凝析油質(zhì)量濃度與凝析油采收率呈反比的認(rèn)識(shí)[13］不同.實(shí)驗(yàn)表明高含CO2有利于提高凝析油的采出程度.樣品2的天然氣采出程度（84.4%）相對(duì)于樣品1的（77.7%）高出6.7%，表明高含CO2能夠增強(qiáng)凝析氣體系的彈性膨脹排驅(qū)能力，從而增加天然氣的采出程度.

圖2 地層反凝析油量與壓力關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Retrograde condensate oil vs.pressure curve

圖3 采出程度與壓力關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Recovery efficiencies vs.pressure curve in course of depletion

3 CO2對(duì)凝析氣藏開(kāi)發(fā)效果的影響

渤海A油田東三段Ⅲ油組為受巖性構(gòu)造控制的凝析氣藏，油氣層平均孔隙度為20.8%、平均滲透率為780.8×10-3μm2，儲(chǔ)層具有中孔、中滲的物性特征；氣藏氣柱高度約為200m，含氣面積為4.93km2，油組內(nèi)CO2地質(zhì)儲(chǔ)量高達(dá)14.0×109m3.油組內(nèi)邊水體積大約為凝析氣體積的2～3倍，屬于弱邊水能量的范疇，天然能量明顯不足[15］.該氣藏天然氣品質(zhì)較差、CO2含量高，無(wú)法作為燃料氣氣源使用；此外，CO2作為溫室氣體，根據(jù)環(huán)境保護(hù)要求不可以直接排放.因此，將烴類(lèi)氣體與CO2分離后，將CO2作為回注氣體的氣源進(jìn)行開(kāi)發(fā)，既保持地層壓力，又實(shí)現(xiàn)CO2的天然埋存，還可以得到純烴氣作為燃料氣.為分析CO2對(duì)凝析氣藏開(kāi)發(fā)效果的影響，進(jìn)行注CO2膨脹數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和循環(huán)回注CO2開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè).

3.1 注CO2膨脹數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

基于CO2對(duì)凝析氣相態(tài)變化影響的物理模擬實(shí)驗(yàn)，利用Eclipse數(shù)值模擬軟件中的PVTi模塊模擬注入CO2組分對(duì)高含CO2凝析氣體系物性參數(shù)的影響.首先對(duì)東三段Ⅲ油組凝析氣PVT測(cè)試結(jié)果進(jìn)行PVTi擬合，擬合大氣條件下凝析油的密度和生產(chǎn)氣油比，以及原始地層條件下的露點(diǎn)壓力；然后擬合地層溫度下變壓力的等組分膨脹實(shí)驗(yàn)、定容衰竭實(shí)驗(yàn)；最后基于擬合后的狀態(tài)方程，模擬注入CO2后該油組凝析氣露點(diǎn)壓力、體積膨脹因數(shù)及偏差因數(shù)等物性參數(shù)變化（見(jiàn)表3）.

表3 注入CO2氣后凝析氣體系物性參數(shù)Table3 Condensate gas properties after injecting CO2

由表3可見(jiàn)：隨著CO2注入量的增大，凝析氣露點(diǎn)壓力逐漸降低，且注入量越大，露點(diǎn)壓力越低.當(dāng)注入CO2的體積達(dá)到凝析氣體積的80%時(shí)，與未注前相比露點(diǎn)壓力下降7.55MPa，偏差因數(shù)減小16.7%，表明加大CO2摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)降低高含CO2凝析氣體系露點(diǎn)壓力作用顯著，露點(diǎn)壓力的降低可有效延緩凝析油的反凝析、提高凝析油的采收程度，以及減小高含CO2凝析氣體系的偏差因數(shù).與未注前相比，凝析氣的膨脹因數(shù)升高約4.5倍，表明注入CO2能較好地增加高含CO2凝析氣體系的膨脹能力.

3.2 循環(huán)回注CO2開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)

為了對(duì)比CO2對(duì)凝析氣藏開(kāi)發(fā)指標(biāo)的影響，設(shè)計(jì)衰竭開(kāi)發(fā)和循環(huán)回注CO2開(kāi)發(fā)下的油藏?cái)?shù)值模擬方案，運(yùn)用Eclipse數(shù)值模擬軟件對(duì)2種開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 循環(huán)回注CO2對(duì)凝析氣藏開(kāi)發(fā)指標(biāo)的影響Table4 Inpact on development indexes of condensate gas reservoir of CO2

由表4可見(jiàn)：循環(huán)回注CO2方式開(kāi)發(fā)方式效果好于衰竭開(kāi)發(fā)方式的，提高凝析油采出程度26.2%，提高烴類(lèi)氣采出程度5.3%，不僅大幅度提高凝析油采出程度，而且提高烴類(lèi)氣的采出程度.主要原因?yàn)椋海?）衰竭開(kāi)發(fā)方式，隨著凝析氣藏壓力降低，凝析油的反凝析損失使大量凝析油殘存在地層中，無(wú)法采出.（2）循環(huán)回注CO2開(kāi)發(fā)方式，一方面CO2可有效降低凝析氣的最大反凝析壓力，降低反凝析油量，起到保持地層壓力的作用，延緩和減少凝析油的反凝析；另一方面，反復(fù)多輪次循環(huán)回注CO2對(duì)反凝析油的氣化萃取及CO2彈性膨脹能力對(duì)凝析氣的不斷排驅(qū)置換作用，有利于提高凝析油和烴類(lèi)氣的采出程度.

4 結(jié)論

（1）對(duì)于凝析氣體系，加大CO2組分摩爾分?jǐn)?shù)能增加閃蒸氣的相對(duì)密度、減小體積因數(shù)和偏差因數(shù)、增強(qiáng)彈性膨脹能力、降低最大反凝析壓力、減少最大反凝析液量、提高凝析油和天然氣的采出程度.

（2）對(duì)于高含CO2的凝析氣體系，循環(huán)回注CO2是較為合理的開(kāi)發(fā)方式，其開(kāi)發(fā)效果好于衰竭開(kāi)發(fā)方式的，可大幅度提高凝析油和純烴類(lèi)氣采出程度.

（3）鑒于CO2對(duì)改變凝析氣相態(tài)和改善開(kāi)發(fā)效果的積極作用，對(duì)于高含CO2的凝析氣藏或CO2氣源充足的凝析氣藏，應(yīng)充分利用CO2循環(huán)回注提高采收率.

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