考慮組分的變化提高凝析氣藏的采收率

編譯:侯大力 (西南石油大學研究生院)

審校:楊帆 (西南石油大學研究生院)

考慮組分的變化提高凝析氣藏的采收率

編譯:侯大力 (西南石油大學研究生院)

審校:楊帆 (西南石油大學研究生院)

目前,由于流體在接近井眼附近出現漏失等原因,導致凝析氣藏的產量大幅度下降。流體的漏失影響了流向井筒的氣量并在一定程度上降低了油藏的總體能量。凝析油的相態行為與巖石相對滲透率相互作用導致油藏流體的組分變化,因為重組分從漏失的液體中分離出來而使氣相組分變得更輕。本文將定量地闡述這個結果,對其進行科學的分析,并利用調查結果來控制漏失流體以達到提高產能的目的。通過優化生產壓力方案,促使輕質組分在氣藏中凝析,從而提高產量。研究利用了實驗手段來測量凝析氣的流量并對其組分進行數值模擬。通過不同方案的對比,并優化生產次序使凝析氣采收率達到最大。實驗結果表明,組分變化顯著是由于流體的相態變化和生產次序的作用;使用合理的生產方案可提高凝析氣藏的采收率,而且通過改變生產次序,也會降低生產損失。通過研究制定氣井開始生產時最優生產方案,以減少凝析堆積效應造成的生產損失。

凝析氣藏 組分變化 實驗研究 組分模擬

1 實驗設計、儀器和流程

1.1 實驗設計

為了對由于壓力變化以及凝析阻塞而產生的組分變化進行觀測,需要選擇合適的凝析氣藏來進行水驅實驗。研究中所選的二元凝析氣藏體系基于以下原則:

◇該體系應該在實驗室條件下容易實現,因此2～4個組分為優;

◇為了方便實驗在室溫下進行,模型的臨界溫度應略低于20℃,而且實驗壓力應該在安全的壓力范圍內;

◇實驗中為了獲得更多漏失的凝析油而希望有一個范圍廣的凝析區;

◇氣體和液體在密度和黏度方面有很大的差異以便于區分。

圖1展示了滿足上述原則的二元凝析氣藏體系的相包絡圖。該凝析氣藏體系由85%的甲烷和15%的丁烷混合組成。在溫度20℃,壓力、125～75 atm(1 atm=101.35 kPa)條件下,相圖包含反凝析區域。

圖1 甲烷、丁烷兩組分凝析氣藏的相圖 (PVTi,2003年)。該體系中臨界溫度為6.3℃,臨界壓力為128.5 atm。在室溫下該體系出現適度的反凝析區

1.2 實驗儀器

如圖2所示,凝析氣實驗由四個主要部分組成:供氣和排氣裝置、巖心流動系統、氣體取樣裝置和數據采集系統。

圖2 凝析氣流動示意圖

1.2.1 供氣與排氣裝置

上游混合氣體儲存在活塞缸里 (中國海安,容積4 000 mL,壓力范圍0～32 MPa),氣缸壓力由氮氣缸控制,其最大壓力為6 000 psi(1 psi=6.895 kPa)。下游氣體直接排放至煙櫥里,因為排放的廢氣量小,可環保地排放到大氣中。

1.2.2 巖心流動系統

流動系統由一個鈦材質巖心夾持器和一個Berea砂巖巖心栓組成,巖心夾持器的最大承受壓力為40 MPa。巖心栓長度為27.04 cm,直徑為5.06 cm。巖心是均質的,平均孔隙度為17%,平均滲透率為5 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)。

1.2.3 氣體取樣裝置

該實驗的特點是能測量地層流體組分,以及壓力和溫度。地層流體組分由 T edlar氣體采樣袋收集(SKCwest,模型232-02)。T edlar氣樣袋沿著巖心夾持器6個樣品出口點和上游末端1個出口點收集地層流體組分的樣本。為了保存氣體樣本不受其他氣體污染,氣體取樣袋與系統是相連的,而且實驗前把取樣袋抽成真空。取樣壓力通常控制在25 psi左右,并用減壓閥確保壓力低于取樣袋的最大承受壓力。氣體用A6890N系列氣相色譜儀進行組分分析。實驗的氣體由甲烷和丁烷組成,用高60 mm、內徑0.32 mm毛細管柱 (Agilent,模型113-4362)排布出一個熱導檢測器來檢測輕質組分。

1.2.4 數據采集系統

地層壓力用壓力范圍是2 000 psi的壓力傳感器來測量。巖心飽和度用CT掃描儀 (GE HiS-peed CT/i)測量。

1.3 實驗流程

兩相流實驗很好地證明了生產過程中組分的變化,測試了不同生產方案對組分排布的影響。在兩相流實驗前,壓力為1 956 psi時,巖心內的甲烷和乙烷混合氣體處于飽和狀態,此時進行第一組樣本取樣。巖心壓力由壓力調節器控制,以確保7組樣本在同一壓力下進行取樣。

在流體流動過程中進行第二次取樣。當流動達到穩定流動時,第一組實驗的上游壓力為1 954 psi,下游壓力為1 000 psi,第二組實驗的上游壓力為1 974 psi,下游壓力為500 psi。出口端出現液體時進行第二組樣本的取樣。

所有氣體收集到取樣袋里,并用氣相色譜儀對組分進行分析。

第二組實驗結束后,上游氣體供應閥和下游的氣體排出閥同時關閉。在孤立的孔隙中壓力是平衡的,1 h后將巖心夾持器從系統中取出并使用CT掃描儀對巖心的飽和度進行測試。Akin和Kovscek(2003年)指出,單相或兩相完全飽和時巖心的CT數據呈直線關系。因此,一次掃描可以計算出兩相的飽和度,如式 (1)所示:

式中,腳標glr是指巖心中包含氣液兩相;μr、μl和μg是巖心中分別飽和氣體和液體時巖石基質的衰減系數;Sl、Sg是巖心中氣體和液體的飽和度。CT數值定義為標準化的水的線性衰減系數,如式 (3)所示:

孔隙度φ定義為:

式中,腳標1、a代表液相和氣相的CT數;lr、ar是巖石的氣體和液體飽和度。

因此,每一個三元像素中氣體飽和度定義為:

2 模擬模型

2.1 二元組分模擬模型

模擬的目的是了解生產方案對凝析堆積和組分變化的影響,以及相對滲透率對組分變化的影響。假設一個圓柱型油藏,其半徑9 699 ft(1 ft=30.48 cm),近井附近的滲透率與產層厚度的乘積為162.5 mD·ft。在模型中,為了計算井眼附近的壓力降,把井眼附近劃分成若干小半徑網格塊。Eclipse300(2005年,Eclipse)模擬器用完全隱式的方式模擬不同生產方案的動態特征。

儲層是由兩種組分 (C1/C4=85%/15%)組成的凝析氣藏體系。這與實驗室配樣的組分相同。在溫度為60℉的情況下進行模擬實驗。在模擬過程中,生產井由產氣率和最小井底壓力控制。氣井開始在設計的氣體速率下生產,之后變為在控制井底流壓不低于最小井底流壓值情況下生產。

2.1.1 不同井底壓力的影響

對于給定的每一組相對滲透率,選取不同的井底壓力來研究不同生產方案對組分變化的影響。

2.1.2 相對滲透率的影響

將兩組曲線用于兩個不同的模擬過程并觀測不同的臨界氣體飽和度對凝析阻塞和組分變化的影響(圖 3)。

2.1.3 應用遺傳算子的產能方案

為了探索凝析氣藏的最優產能方案,研究中采用遺傳算子的方法。偽碼如下:

(1)選定最初的總體。

(2)評價總體中每個個體的適應性。

(3)重復:

◇選擇兩個個體進行繁殖;

◇通過受精和變異來繁衍后代;

◇評價后代的適應性;

◇用繁衍的后代替換總體中最差的個體。

圖3 兩組相對滲透率曲線

(4)直到終止。

研究中,產量由10種隨機的產量組成,其值從6 200 ft3/d到62 000 ft3/d(1 ft3/d=28.317 dm3/d)。根據氣體總產量和重組分含量評價出符合生產的產量。優選過程進行了15代。

2.2 多組分模擬模型

多組分流體特性如表1所示。用第一組相對滲透率進行模擬。不像前面的二元組分的研究,模擬中得出在不同的產氣量下卻有相同的最小井底流壓值。

表1 多組分凝析氣系統流體特征

3 結果與討論

3.1 實驗的結果

3.1.1 壓力分布圖

實驗過程中,上游壓力和下游壓力分別為19 541 psi和1 000 psi,流體在恒壓下流動并且為穩定流。巖心是均質的,由于凝析漏失造成從出口1到出口5的壓力梯度不斷增加,表明巖心中流體的流動性降低。當流體通過出口5,壓力梯度開始增大,反映了隨著壓力的降低一部分流體再次汽化。

實驗過程中,上游壓力為1 974 psi,下游壓力為500 psi。第二組實驗流壓比第一組實驗的流壓下降得更快,與第一組實驗相比,第二次實驗隨著流體從出口1到出口2壓力梯度增加,流量損失也相應地增加。

3.1.2 CT圖像

在實驗前,巖心首先用液相丁烷飽和,并沿著巖心通過CT掃描儀得到7張巖心橫斷面的圖像。巖心抽空后再用甲烷飽和,用上面的方法再次得到7張巖心橫斷面的圖像。巖心放回流動系統中并重新抽空,以便試驗用。第二組實驗結束后1 h,在恒壓下取出巖心夾持器并用CT掃描儀進行滲透率測試。表2給出三次掃描關于7個巖心橫斷面切片的平均CT值。氣體飽和度由公式 (5)計算,流體的飽和度由公式(2)計算。孔隙壓力達到1 871 psi時,通過原始的流體相圖可知流體不可能全部汽化,還有20%的流體殘留在巖心中。這是由兩個原因導致的:巖心中液體的堆積和組分的變化。由于液體的堆積,改變了巖心中流體的組分,因此流體相圖與初始值不同。即使巖心壓力接近或高于初始露點壓力,壓力好像仍低于新的露點壓力,因此流體仍殘留在巖心中。在許多情形下,在相同的油藏溫度下,巖心中流體相圖可能偏向臨界點的左面。因此,在地層溫度下,流體從凝析氣變為揮發油。

3.1.3 組分分布圖

圖4給出第一次實驗獲得的組分數據。藍色菱形點 (圖4a)表示樣品測試前組分數據。這個階段,巖心在壓力1 956 psi下飽和甲烷和丁烷的混合物。由于取樣期間壓力持續下降,藍色菱形點 (圖4b)表示真實取樣的壓力。從圖4b可知,出口1、出口2、出口3和出口4在相同壓力(1 865 psi)下收集樣品,這個壓力高于露點壓力(1 837 psi)。4個出口取得的樣品含有15%的丁烷。

表2 不同巖石的CT數據

出口5和出口6的取樣壓力低于露點壓力,由于流體漏失導致重組分丁烷低于15%。

當上游壓力規定為19 541 psi、下游壓力規定為1 000 psi時,流體測試在恒定的壓力降下進行。取樣期間壓力持續下降,粉色方塊 (圖4b)表示真實的取樣壓力。在取樣期間,由于取樣時間過長,出口1和出口5產生很大的壓降。圖4a給出了組分數據,隨著壓力的下降,重組分減少。這是由于隨著壓力下降,流體漏失到儲層中并聚集起來,直到流體的飽和度超過臨界氣體飽和度,流體才開始流動。由于液體主要由重組分組成,隨著壓力的下降液體不斷積累,相反,隨著壓力的下降流動相變得越來越少。在PVT單元中,由流體漏失曲線可知,當壓力低于1 500 psi時流體再蒸發。然而在空隙介質中由于相對滲透率和表面張力的限制,流體不斷地積累。積聚的流體改變了流體組分,因此在該壓力下原始流體不能蒸發。這由出口1、出口4、出口5和出口6中獲得的組分數據得到證實。在出口2和出口3中的丁烷組分高于初始組分。這可能由于出口2和出口3在取樣壓力下流體的漏失最大,以及積累的流體飽和度超過臨界氣體飽和度,因此一部分流體可以流動。這就使流動相中增加了更多的重組分。

圖4 不同組分的結果

4 模擬結果

4.1 雙組分模擬結果

4.1.1 不同井底壓力的影響

在三種情況下進行雙組分凝析氣藏模擬,即不同井底壓力、不同相對滲透率和控制不同的流量。

在PVT單元中,如果降低井底壓力或提高井底壓力,從凝析氣藏中漏失的液體可能會再次汽化。然而,在空隙介質中,聚積的流體達到相對滲透率曲線上臨界凝析飽和度之前流體是不會流動的。凝析油由重組分組成,因此造成了儲層中流體相態的變化。地層流體組分和相圖決定凝析油是否會再一次汽化。CT飽和度測量結果表明,提高壓力不是移除巖心中聚積液體的一個很好的方法。一個油藏規模的兩相凝析氣藏體系的模擬結果表明,隨著井底壓力的降低,總的產氣量有所增加。在這種情況下,通過降低井底壓力獲得更大生產壓差來暫時采出更多的氣體。然而,降低井底壓力將導致兩相區的擴大以及更多重組分在儲層中的積累。因此,對于總產氣量來說,降低井底壓力可能是一個好方法,但從長遠看,并不是提高采收率的好方法,因為重組分很難從油藏中采出。

4.1.2 相對滲透率的影響

當流體從凝析氣藏漏失時,在聚積液體飽和度超過臨界凝析飽和度之前,液體是不會流動的。不同的巖石有不同的臨界飽和度。不同相對滲透率的兩組模擬所得的結果表明,臨界飽和度越大,氣藏中累積流體越多。可以降低巖石界面張力,從而降低臨界飽和度來提高凝析氣藏的采收率。

4.1.3 應用遺傳算法的產能方案

為了找到一個優化產量的方案,在遺傳算子的方法中聯合應用隨機產量排列的方法。把得到的優化產量的方案替代預先規定的井底流壓和產量,最后得出三個最優產量。從后兩個最優產量可以得出,優化產量可以提高總產量,把更多較重組分C4留到儲層中。最終產量決定最后組分排布,產量越低,留在儲層中的重組分就越少。

4.2 多組分模擬結果

多組分凝析體系的模擬結果表明,通常在相同井底壓力下,多組分模擬方案和兩組分模擬方案會得到相同的結論。即井底壓差越大,總產氣量越大,但與此同時,降低井底流壓會導致地表收集較少的重質組分。因此,越來越多的重組分在儲層中沉積下來,造成相圖兩相區變大。

模擬結果沒有得到一個優選生產方案的標準。在較低井底流壓下暫時會獲得較高的產氣量,但是,為了減少凝析油堆積堵塞和提高最終采收率,增加井底流壓是一個好的選擇。最優的方法是綜合利用流體的原始組分和相圖,以及巖石相對滲透率曲線。

5 結論

(1)在凝析氣藏流體的流動中,由于相對滲透率和表面張力的影響導致了地層組分的變化。

(2)在PVT單元做定容衰竭實驗,結果表明由于地層流體組分的變化導致儲層流體不能再蒸發。

(3)加壓不是移除油藏中聚積液體的一種很好方法。

(4)隨著生產次序的改變,凝析油飽和度和組分發生很大改變。井底壓力越高,凝析油聚積得越少,重組分殘留在儲層中也越少。即產量越低,重組分殘留在儲層中越少。

(5)采用合理的生產方案可以使產氣量達到最大,降低井底壓力或優化產量可以增加總產氣量。

(6)通過優化生產次序降低生產損失。

(7)根據相對滲透率得出凝析漏失阻礙流體的流動能力。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.8.002

資料來源于美國《SPE 115786》

2009-04-23)