近臨界態凝析氣藏地層流體特殊相態行為

侯大力 高黎惠 劉浩成 張梅珠 崔飛飛

1．“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2．中國石油南方石油勘探開發公司

近年來，在國內外深部地層勘探中發現了相當數量的臨界—近臨界的油氣藏［1］。近臨界流體的相態變化非常復雜，例如氣液性質差異消失，流體密度的漲落產生特殊的“臨界乳光”現象［2］。據已勘探開發的油氣藏數據，近年來在我國新疆、吉林以及海南等地區相繼發現了揮發油藏和近臨界凝析氣藏［3－5］。

前人已對二元混合物在近臨界區的相態特征及氣液相平衡理論做了大量的研究，但對于具有多組分復雜類型烴類體系組成的油氣藏流體在近臨界區的相態特征系統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和超臨界區的密度，并將實測數據與文獻上的數據進行了對比；Bazaev等人［7］回顧了一些二元混合物在近臨界區的PVT參數，而且還實測了四組二元混合物在近臨界區得PVT參數；Rasulov等人［8］實測了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和超臨界區的PVT參數。Rabezkii等人［9］實測了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和超臨界區的PVT參數，并討論了甲苯和水在近臨界區和超臨界區的異常相態現象；Martin等人［10］通過實驗觀測了二元混合物的臨界乳光現象，研究表明，流體在臨界點區域呈乳白色且不透光，在遠離臨界區域變得透明；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狀態方程計算了一些純組分和二元混合物在近臨界區的PVT參數，并將計算結果與實驗數據進行了對比，結果表明，計算結果與實驗數據有較好的一致性；沈平平、羅凱［14］等人對一個6組分烴類混合物和兩個實際凝析氣流體的臨界點、近臨界泡點／露點線以及近臨界光學現象進行了研究，研究結果表明真實流體與明確組分流體相比，真實流體在很寬的溫度范圍內均可觀察到臨界乳光現象。綜上所述，有關近臨界區多組分混合物和真實儲層流體（近臨界高揮發油和近臨界富凝析氣藏）的近臨界和超臨界區的氣液兩相相態特征實驗觀測和相平衡理論模擬計算研究尚較少［1，15－20］。

筆者以HC近臨界凝析氣藏儲層流體為研究對象，利用DBR公司研制的耐高溫高壓的可視化無汞PVT儀，對其進行了近臨界區的超臨界態奇異臨界乳光現象觀測實驗、等組成膨脹實驗以及注CO2增溶膨脹相態配伍性實驗研究，并對其在近臨界區和超臨界區所產生的特殊乳光現象進行了實時錄像，以期能為進一步研究近臨界復雜流體的相態特征及熱力學模型提供基礎數據。

1 近臨界區超臨界流體實驗

1．1 實驗用近臨界凝析油氣流體配制

本次研究選擇了HC近臨界態凝析氣藏流體樣品進行分析。流體樣品采用地面分離器氣和分離器油復配而成。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（摩爾百分數）。然后，根據生產氣油比（本次測試樣品的氣油比為774m3／m3）計算出復配流體樣品的井流物組分。其中，井流物中輕質揮發組分（CH4）摩爾含量為60．752%，中間組分（C2H6～C6H14）摩爾含量為23．588%，重質組分（C7＋）摩爾含量為10．276%，屬于典型的富含中間烴高含重質烴的近臨界凝析油氣體系的組成范圍，可用于近臨界區超臨界流體的特殊相態研究。

1．2 實驗裝置技術性能

實驗測定工作選擇在DBR公司研制的可視化無汞PVT儀中進行，實驗裝置流程圖如圖1所示。該裝置主要由可以實時監測實驗現象的視頻攝像頭、恒溫系統、壓力傳感器、溫度傳感器、視頻錄制系統、控制系統、自動泵、PVT測試單元（150mL）、氣色譜、閃蒸分離器、電子天平、密度儀以及氣量計組成。恒溫采用空氣浴，設有加熱和制冷裝置，其溫度的設置和調節由主控計算機控制。PVT測試單元由藍寶石玻璃制成，內含有一個圓臺形狀的活塞，可以準確的計量氣體和液體的體積。PVT測試單元中流體的相態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 實驗步驟

1）清洗可視PVT筒，抽空PVT筒并記錄活塞的高度。

2）通過計算機控制并保持PVT筒周圍的空氣浴溫度為儲層溫度。

3）在儲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，記錄轉樣后PVT筒中活塞的高度。

4）保持儲層溫度壓力條件下，將一定量的流體樣品排放到閃蒸分離器內，利用氣量計、電子天平以及密度儀分別測量標準狀況（0．1MPa、20℃）下氣體的體積、凝析油的質量和密度，并記錄排氣后PVT筒中活塞的移動高度。

圖1 JEFRI全觀測無汞高溫高壓地層流體分析儀圖

5）在近臨界區溫度范圍內通過改變PVT筒內的壓力觀測流體樣品超臨界相態變化并進行錄像。

6）測試8個不同溫度點的等組成膨脹實驗，觀察并記錄流體的泡、露點變化。

7）對PVT筒內流體樣品在儲層溫度條件下做定容衰竭實驗，衰竭的最后一級為目前地層壓力14．12MPa，并將最后一級的氣體全部排出，然后，對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象以及飽和壓力點的變化。

2 實驗結果與討論

2．1 近臨界區光學現象

圖2是近臨界區超臨界態地層流體降壓過程相變示意圖，虛線區域代表近臨界區。地層溫度下，當壓力從圖2（1）中所對應的壓力點逐漸降低變化到圖2（6）中所對應的壓力點時，PVT測試單元中地層流體從透明金黃色漸變為淺棕色、紅棕色，最后擴展為完全不透光的灰黑色；然后，隨著壓力繼續降低，從圖2（6）中所對應的壓力點逐漸變化到圖2（8）中所對應的壓力點，PVT測試單元中地層流體從完全不透光的灰黑色逐漸變為底部紅棕色上部灰黑色、底部淺棕色上部灰黑色變淺，且沒有明顯的氣液界面；隨著壓力的進一步降低，從圖2（8）中所對應的壓力點逐漸變化到圖2（11）中所對應的壓力點，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為底部金黃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 近臨界區地層流體增壓過程超臨界態相變示意圖

上述地層流體從透明金黃色漸變為淺棕色、紅棕色，最后擴展為完全不透光的灰黑色的實驗現象就是“臨界乳光”現象。這是由于氣—液相變過程中，氣、液分子運動引起的分子密度統計漲落而引起的，而密度的漲落是由于液體分子的蒸發、氣體分子的冷凝，這種分子運動的漲落在溫度接近臨界點時特別劇烈，從而導致在相變界面處的密度分別不再呈現一個層狀的密度分布，而是呈現凹凸不齊、隨機分布的空間曲面，在光線行程的方向上，形成許多液—氣界面或氣—液界面。光通過這些界面時將產生一系列的反射或折射，使其透射光的能量逐漸減少，從而導致流體呈現出乳光現象。

2．2 等組成膨脹

HC近臨界凝析氣藏的儲層溫度和壓力分別為130℃、35．2MPa。因此，為了研究該儲層流體樣品的相態變化特征，筆者選取了在溫度100～150℃、壓力8～35．2MPa的范圍內進行等組成膨脹實驗研究，以研究該近臨界流體樣品在超臨界區和近臨界區的泡點或露點壓力、偏差因子、反凝析液量以及p—T相圖的變化規律。通過實驗觀測到，溫度在120～125℃之間，近臨界溫度附近，很難觀測到第一個液滴或第一個氣泡，筆者把出現霧的壓力點暫且看作飽和壓力，并結合常規油氣藏相態實驗中得出的液相體積在泡點壓力以下減少，在露點壓力以下增加結論，綜合判斷該點是泡點壓力還是露點壓力。從圖3可以看出：在120～125℃之間液相體積也從泡點壓力以下迅速減少的趨勢，變為露點壓力以下迅速增加的趨勢。所以，得出儲層的臨界溫度點在120～125℃之間，然后，利用CMG相態模擬軟件中1978年改進的PR狀態方程擬合實測的泡點或露點壓力，并得到完整的p—T相圖（圖4），并得到臨界點為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虛線區域（100～150℃、大于21MPa）表明，此區域內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，偏差因子值發生了突變；臨界點處偏差因子值相等。而且，該地層流體所處的地層溫度、壓力點（130℃、35．2MPa）位于臨界點的右側，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凝析氣藏。

圖3 不同溫度下等組成膨脹實驗過程中液相體積分數圖

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據圖

2．3 注氣膨脹實驗

將做完等組成膨脹實驗后的流體樣品加壓充分攪拌后，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，并將最后一級的氣體全部排出，對剩余的凝析油做注CO2膨脹實驗。這是針對注入CO2氣體與凝析油之間增溶過程相態配伍性的研究。圖6為衰竭開發到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注入物質的摩爾量濃度為50%時，凝析油的飽和壓力為20．03MPa，且CO2與地層反凝析油達到一次接觸混相壓力需達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化特征轉變（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CO2注入氣摩爾含量達到80%時，在14．12MPa壓力下反凝析油液量體積收縮了約71%。而且，當CO2注入氣摩爾含量在70%～80%時，反凝析液量曲線出現了突變，反凝析液量變化趨勢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，表明當CO2注入氣摩爾含量達到80%時，反凝析油逐漸從輕質凝析油體系轉變為單相凝析氣體系，這與圖6得出的結論一致，即當CO2注入氣摩爾含量達到78．6%時，CO2與地層反凝析油達到一次接觸混相，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，地層反凝析現象嚴重，有必要采取注氣的增產措施，降低凝析油的飽和度，有利于該凝析氣藏的高效開發。

3 結論

1）結合井流物組分和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凝析氣藏。

2）近臨界區光學觀測實驗結果表明：PVT測試單元中地層流體從透明金黃色漸變為淺棕色、紅棕色，最后擴展為完全不透光的灰黑色，出現了明顯的“臨界乳光”現象，而“臨界乳光”現象是由于氣—液相變過程中，氣、液分子運動引起的密度統計漲落而引起的。

3）恒溫等組成膨脹實驗結果表明：該近臨界流體在120～125℃之間飽和壓力從泡點壓力變成了露點壓力，液相體積也從泡點壓力以下迅速減少的趨勢變為露點壓力以下迅速增加的趨勢，這也表明該近臨界流體的臨界點在120～125℃之間；偏差因子、黏度和密度值在臨界點附近變化較小，遠離臨界點附近發生急劇的變化。

4）注氣膨脹實驗結果表明：隨著CO2注氣量增加，凝析油飽和壓力升高。注氣膨脹模擬結果表明：隨著CO2注氣量增加，臨界點從右向左偏移，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化特征轉變（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CO2注入氣摩爾含量在70%～80%時，反凝析液量曲線出現突變；隨著壓力下降，反凝析液量變化趨勢由逐漸減小轉為先增加后減小的趨勢，表明反凝析油逐漸從輕質凝析油體系轉變為單相凝析氣體系。

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