页岩凝析气藏相态特征研究_李璐.pdf

专论与综述页岩凝析气藏相态特征研究李璐，王嘉文，李三山，刘朕之（西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065）摘要：随着传统油气资源逐渐枯竭，人们将眼光转向了非常规油气资源。页岩凝析气藏是一种非常宝贵的非常规油气资源，在页岩凝析气藏的开发过程中，由于储层存在大量纳米级孔隙，使得流体在页岩储层中表现出与常规储层中截然不同的相行为，从而导致开采一段时间后凝析液析出使得产量急剧下降。如果能够对凝析气藏的相态变化了解透彻，就可以在开发过程中及时转变开发方式。进而提高油气采收率，达到高效开发的目的。本文通过查阅大量文献，综述了页岩凝析气藏相态特征实验研究、理论研究及数值模拟研究，并且综合分析了相态特征的影响因素。为描述储层流体在页岩凝析气藏中的相行为提供了有益的指导，进一步经济有效地开发好页岩凝析气藏。关键词：凝析气藏；相态特征；影响因素中图分类号：TE372文献标识码：A文章编号：1673-5285（2023）03-0001-05DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.03.001*收稿日期：202207-26Study on the phase characteristics of shalecondensate gas reservoirsLI Lu，WANG Jiawen，LI Sanshan，LIU Zhenzhi（School of Petroleum Engineering，Xian Shiyou University，Xian Shaanxi 710065，China）Abstract:With the gradual exhaustion of traditional oil and gas resources,people turn theirattention to unconventional oil and gas resources.Shale condensate gas reservoir is a veryvaluable unconventional oil and gas resource.In the development process of shale condensate gas reservoir,due to the existence of a large number of nano-scale pores in the reservoir,the fluid in the shale reservoir will behave differently than conventional ones.Distinctphase behavior in the reservoir,resulting in a sharp drop in production due to condensateprecipitation after a period of production.If the phase change of the gas condensate reservoircan be thoroughly understood,the development mode can be changed in time during the development process.In order to improve oil and gas recovery,achieve the purpose of efficient石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.42 No.3Mar.2023常规油气资源已经无法满足社会发展对油气资源的需求，非常规油气规模化开发在保障国家能源安全及社会可持续发展等方面具有重要的战略意义1。页岩凝析气藏是一种非常宝贵的非常规油气资源，在世界油气田的开发中占据重要地位2。页岩凝析气藏具有以下特点：（1）储集方式多样化。凝析气藏组分主要以吸附态和游离态的方式储集在页岩储层中；（2）复杂的储层孔隙结构。纳米级粒内孔、粒间孔及微米级裂隙共同发育；（3）复杂多尺度相态。由于微纳米级孔隙大量发育导致页岩凝析气藏的相态行为与常规相态的变化特征存在较大差异，在开采初期，由于露点压力低于地层压力而高于井底压力，因此在近井附近地层中出现气液两相区，凝析液的析出导致产量急剧下降3。在开发后期，由于储层压力的持续降低，反凝析伤害愈来愈严重，给流体开采带来极大的难度4。如果能够对页岩凝析气藏开发过程的相态特征了如指掌，并且根据现场所出现的反凝析现象进行研究并改善，这对制定合理的开发方式，提高凝析气田开发水平及增加经济效益具有重要意义。本文主要综述了页岩凝析气藏相态特征的研究现状。介绍了页岩凝析气藏相态特征的实验及数值模拟方法，介绍了页岩凝析气藏的理论研究，同时讨论了页岩凝析气藏相态特征的影响因素。1页岩凝析气藏相态特征研究现状11页岩凝析气藏相态特征理论研究现状凝析气藏不同于干气藏。凝析气藏开发和油气加工的关键在于相态特征研究和气液相平衡计算。如果想对凝析油体系进行精确的工程计算，了解流体相态与流动性之间的关系十分关键。在储层初始温压下，凝析气藏呈现出单一气相的状态。但是伴随着持续开发，当地层压力低于露点压力时将开始产生反凝析油，出现混相的现象，该现象就是造成凝析气藏开发十分困难的根本原因。2010 年，KONTOGEORGIS 等5将范德瓦尔状态方程、吉布斯能量模型和活度系数相结合得出了立方型状态方程，通过得出的方程研究了混合烃类流体的相平衡问题。同年，汤勇等6将活度系数模型和 PR 状态方程结合起来建立了三相相平衡计算模型。流体相态计算理论的不断改进，实现了对不同复杂地层流体的相态模拟，极大的促进了对地层中烃类流体相态的研究。2016 年，ZHANG 等7提出了一种新的方法来计算毛管压力下的二元混合烃的相平衡，并研究了孔径对相平衡计算的影响。研究表明当孔径减小到纳米量级时，毛管压力效应不容忽视。该研究还得出毛管压力随储层压力的增加而降低。毛管压力的降低表明可以将气体即 CO2注入致密油中，从而减少孔隙中的油量，达到提高产油量的效果。同年，DONG 等8结合多空间吸附模型和 Peng-Robinson 状态方程研究和表征有机纳米孔中碳氢化合物的相行为。研究表明随着孔径减小，露点压力增加，P-T 相包络线收缩，对于只有几纳米的纳米孔相包络收缩的更加明显。2020 年，ZHANG 等9基于状态方程和相平衡理论，分析了凝析油在混有各种气体（CO2、N2、CH4、C2H6和回注气）的地层中的相行为。结果表明，注入 N2、CH4和回注气可以提高凝析油的泡点压力，有利于凝析油的再蒸发；而注入 C2H6或 CO2对其影响不大。12页岩凝析气藏相态特征实验研究现状凝析气藏不仅具有油藏特征还具有气藏特征，其地下凝析油气体系与常规油、气藏有较大的差别10。凝析油气有较高油气比和较高轻烃组分的特点，在生产和取样的过程中观察到明显的逆行性和凝析油析出，所以针对凝析气藏的有效建模必须对储层生产前及生产过程中所采集的样品开展细致的相态研究，从而制定合理的开采方案，达到高效开采的目的11。development.By consulting a large number of literatures,this paper summarizes the experimental research,theoretical research and numerical simulation research on the phase characteristics of shale condensate gas reservoirs,and comprehensively analyzes the influencingfactors of the phase characteristics.It provides useful guidance for describing the phase behavior of reservoir fluid in shale condensate gas reservoirs,and further develops shale condensate gas reservoirs economically and effectively.Keywords：condensate gas reservoir；phase characteristics；influencing factors石油化工应用2023 年第 42 卷22007 年，QI 等12考虑了高温、高压、低渗透条件下的储层形成和流体特征进而开发了两个模型：油气系统露点预测模型和定容衰竭开发过程中逆行液体饱和度预测模型。在丰富的气态地层水油气 PVT 实验的基础上，进一步研究了储层变形和界面现象。该模型应用于中国中原油田深层低渗透凝析气藏。结果表明，界面现象和储层变形不仅使露点升高，使反凝析过程提前，而且加剧了反凝析效果。2014 年，卢斐等13通过室内实验比较对多孔介质影响的衰竭开采相态特征作了评价。研究表明定容衰竭过程中在多孔介质的影响下，液相摩尔分数增加约 5%，最大反凝析液饱和度增加 5.5%，而当衰竭到 10 MPa时，凝析油采收率降低 3%。综上所述，在凝析气藏衰竭开采过程中必须考虑多孔介质的影响。2017 年，WANG 等4进行了恒定组成膨胀（CCE）和恒定体积消耗（CVD）测量，以水汽存在与否条件下的凝析气样品的相行为。研究表明：水汽的存在不仅增加了露点压力，而且还导致凝析气藏的其他与气体相关的性质发生变化（例如 P/V 关系、凝析液量及采收率）。其中一些特性，尤其是曲线的凝析液滴，完全向压力膨胀侧移动。这表明当忽略水的存在时存在显著偏差。2020 年，谢军等14利用室内 PVT 筒实验、长岩心驱替实验结合非平衡相态理论，对高含水率致密凝析气藏的相态变化特殊规律进行了系统的研究。研究表明：水相的存在导致凝析气藏露点压力降低，反凝析油饱和度增加；对于受地层水影响较小的气井可以通过增大生产压差的方式采出更多的凝析油。13页岩凝析气藏相态特征数值模拟研究现状页岩凝析气藏储层条件高压高温，由于实验室研究的局限性，油气藏数值模拟方法对于页岩凝析气藏相态研究更为方便，具有成本低的特点。油气藏数值模拟是认识、分析和研究油气藏的重要技术，可以促进油气田的开发和管理。该模型主要由油气藏地质模型、数值模型、渗流方程等组成，通过计算机求解综合模型。同时，计算机求解的综合模型具有复现油气田开发历史及预测油气田未来开发状况的重要功能。油气藏中流体的渗流规律主要通过模型中的空间位置、压力变化、流体分布和孔隙体积等参数来表征。与传统的油藏工程技术相比，油藏数值模拟技术具有成本低、综合考虑的因素多、可以反复进行模拟、结果直观、可视化能力强等优点15。2015 年，LABED 等16得出毛管压力对相态行为有影响，但对油井产量影响并不显著，通过渗流耦合表观渗透率模拟使得开发效果得到改善。2016 年，JIANG 等17开发了一个用于模拟具有复杂裂缝系统的凝析油页岩气藏的多组分成分模拟器。考虑了相关的存储和传输机制，如多组分表观渗透率（MAP），吸附和分子扩散的考虑。为了准确地捕捉多相流体的复杂相行为，在模拟器中加入了基于状态方程（EOS）的相包络。由于超致密页岩基质纳米孔中存在较大的毛管压力，相包络考虑了毛管压力对汽液平衡计算的影响，将牛顿法和连续替代迭代法（SSI）相结合，提出了一种改进的负 flash 算法，用于相稳定性分析。2018 年，HEKMATZADEH 等18提出了一种基于两相拟压力积分和物质平衡方程的快速分析方法，用于预测剖面的天然气和凝析油产量。不需要在每个储层压力步骤中进行迭代来计算恒定采气期内的相关流动井底压力，并且分析模型通过局部网格细化数值模拟对各种岩石和流体特性进行了验证。2020 年，LI19基于状态方程和相平衡理论，分析了不同气体混合在地层中凝析油的相行为，通过循环注气提高了凝析油的泡点压力，使得凝析油再汽化变得容易。2页岩凝析气藏相态特征影响因素研究页岩凝析气藏相态特征的影响因素有很多，主要包括限域效应、吸附、毛管压力、水汽等。21限域效应的影响随着孔径减小到纳米级，分子与孔壁之间存在相互作用，这就是所谓的限域效应，它会导致热物理性质与其体相值不同。对于限域效应对页岩凝析气藏相态特征的影响问题，学者们普遍认为，孔径越小，临界特性（即临界温度和临界压力）随着孔径的减小而减小，两相包络线收缩。在孔径大于 50 nm 时则限域效应对相态特征的影响较小。ORTIZ 等20得出在考虑限域效应时，临界压力和临界温度等临界特性会随着孔径的减小而减小，并且两相包络线也会收缩。FIRINCIOGLU 等21通过研究得出孔径在 250 nm 内可导致临界性质和液相行为的显著改变。SANAEI 等22通过数值模拟方法分析了限域效应对相行为的影响。通过减小孔径，露点压力会降低5%17%。因此，对于具有较小孔径的储层，单相流动时间更李璐等页岩凝析气藏相态特征研究第 3 期3长，凝析油流失的更少。22吸附的影响多孔介质中吸附气体对页岩凝析气藏相态特征有着很大的影响。张茂林等23利用定容衰竭模拟计算得到吸附作用将导致油气体系的露点压力减小，在定容衰竭过程中反凝析液量降低。DIDAR24研究了多孔介质中吸附对相态特征的影响。研究表明由于富含有机质的页岩地层中存在吸附现象，当压力在露点压力下耗尽时，凝析液将脱落，吸附气体将从有机基质中释放出来，气相中的重烃组分的相对含量升高而轻烃组分的相对含量降低。2.3毛管压力的影响当流体被限制在纳米尺寸的孔隙空间中时,显著的界面曲率可能会导致液相和气相之间的毛管压差较大。毛管压力作用下的凝析油含油饱和度远远高于无毛管压力的含油饱和度，这是因为流体系统中的露点压力升高会导致更多凝析液析出，从而提高含油饱和度。相比之下，由于凝析油堵塞更为严重，导致气体相对渗透率降低，因此在毛管压力的作用下，气体流速较低。在存在毛管压力的情况下，离临界点越远，泡点压力越小，泡点压力抑制越大；露点压力表现出不同的变化，上露点分支增加，下露点分支减少。较大的毛管压力对相行为有显著影响，这对于可靠的模拟凝析气页岩储层是不可忽视的。因此，在致密凝析气藏的相态模拟计算中考虑毛管压力对于准确评估凝析油饱和度是很有必要的。24水汽的影响水汽存在时相包络两相区面积增大，反凝析区域面积增大，露点压力增加；同温同压时，含水时的偏差系数都小于不含水时的偏差系数值；随着压力减小，含水时天然气采出率、凝析油累计采出率和闪蒸中重质含量都大于不含水时的采出量值。因此，水汽对于凝析气体系相态特征影响十分显著。3结语作为一种珍贵的非常规油气资源，页岩凝析气藏越来越受到人们的关注，但是如何针对其相态变化特征从而制定合理的开发方案是实现页岩凝析气藏高效经济开发的主要阻碍。本文从实际出发，对页岩凝析气藏相态特征进行了大量的国内外文献调研，综述了页岩凝析气藏的理论研究现状、页岩凝析气藏的实验及数值模拟研究现状；总结了影响页岩凝析气藏相态特征的因素，包括限域效应、吸附、毛管压力、水汽等。参考文献：1 SHI Guoyun，FAN Di，GONG Jing.A new transient simulation method of natural gas-condensate two-phase flow inpipeline network J.Chemical 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