多孔介质对凝析气藏露点的影响机理研究

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同时 ,原始地层压力与露点压力的差值越大 ,即 地露压差越大 ,在从原始地层压力点到露点的衰竭 过程中 ,脱附的气体量就越多 ,吸附作用的影响也就
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多孔介质对凝析气藏露点的影响机理研究3
杜建芬 1 ,李士伦 1 ,尹永飞 2 ,崔丽春 3 ,熊 波 4 ,杨晓敏 4
(1. 西南石油大学石油工程学院 ,四川 成都 610500; 2. 川中油气矿 ; 3. 长庆油田分公司第一采气厂 ; 4. 川东北气矿 )
摘要 : 分析了多孔介质中的各种界面现象以及它们之间的相互关系 ,并分析了多孔介质影响凝析气藏露点的机理 。 认为 ,多孔介质对凝析气藏露点的影响体现在毛细凝聚和气体吸附的共同作用 ,由气藏流体的组成 、状态及储集层的 孔隙结构特征决定 :多孔介质中的毛细凝聚和气体吸附均使得露点压力升高 ;富含凝析油的凝析气藏受吸附作用的 影响较强 ,露点值升高的幅度相对较大 ;储层孔隙半径 r越小 ,毛细凝聚作用的影响越强 ,露点值升高的幅度越大 ,当 孔隙半径 r < 5 ×10 - 6 cm时 ,毛细凝聚现象对露点的影响已不能忽略 ;对于低渗气藏 ,吸附态气体在总气量中所占的比 重相对较大 ,吸附产生的影响相应也会增强 ;地露压差越大 ,吸附作用的影响越强 ;相同体系储层温度越高 ,由吸附和 毛细凝聚引起的露点变化越小 。 关键词 : 多孔介质 ;凝析气藏 ;气体吸附 ;毛细凝聚 ;露点 ;界面现象 中图分类号 : TE37 文献标识码 : A
3 多孔介质影响露点的机理
凝析气藏 中 从 原 始 地 层 压 力 到 露 点 衰 竭 过 程 中 ,地层中流体是单一的气体 ,主要表现为气 Ο固界 面现象 ,因此多孔介质的影响仅表现于气体吸附和 毛细凝聚的影响 。 3. 1 气体吸附
凝析气藏流体处于地下多孔介质中 ,多孔介质 由于巨大的比面而具有较强的吸附能力 ,不可避免 地会发生吸附现象 。在原始地层条件下 ,凝析气藏 流体处于单一的气相状态 ,由于多孔介质表面对凝 析气混合物的吸附具有选择性 ,某些组分会优先吸 附 ,因而吸附态气体组成不同于自由态气体 [ 3 ] 。同 时 ,在凝析气藏开发过程中 ,随地层压力下降 ,原先 吸附在储层多孔介质表面的流体会发生解吸 ,同样 由于存在竞争吸附 ,即重组分优先吸附 ,解吸出来的 流体中重烃组分相对较多 ,因此开发过程中吸附态 气体组成和自由态气体组成均随地层压力的下降而 不断发生变化 。其中多孔介质中气体的吸附和解吸 过程均可用 FΟHV SM 模型进行定量描述 [ 3 ] 。
由于对一般的储层岩石而言 ,液相比气相更能 润湿岩石 ,因此对凝析油气体系来说 ,凝析油为润湿 相 ,气则为非润湿相 。 1. 3 界面吸附
界面相中由于分子力场不饱和 ,体相中的物质 会自发聚集到两相界面层上 ,降低界面层的界面自 由能 ,这种现象即为吸附作用 。随着界面面积的增
3 收稿日期 : 2005 - 06 - 07 基金项目 : “油气藏地质及开发工程 ”国家重点实验室开放基金项目 ( PLN 0116) 。 作者简介 : 杜建芬 (1970 - ) ,女 (汉族 ) ,四川汉源人 ,副教授 ,博士 ,从事油气流体相态 、气田及凝析气田开发等方面的研究 。
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西南石油学院学报 2006年
越强 ,露点压力升高的幅度越大 。相反 ,若地露压差
为零 ,则吸附作用不影响露点 。
由于吸附量随温度增加而减小 ,故对相同凝析
气流体而言 ,原始储层温度越高 ,由吸附引起的露点
变化越小 。同时对于低渗气藏 ,吸附态气体在总气
量中所占的比重相对较大 ,吸附产生的影响相应也
对毛细孔来说 ,由于界面张力的作用 ,在弯曲的 两相界面的两侧会形成压力差 ,因此气体发生凝聚时 的压力比正常地在大平界面发生凝聚所需的压力要 小 ,孔隙半径愈小 ,其发生凝聚所需的压力就愈低。 1. 5 毛管压力
储层介质中流体流动的空间是一些弯弯曲曲 、 大小不等 、彼此曲折相通的复杂小孔道 ,这些孔道可 单独看成变断面 ,且表面粗糙的毛细管 。而储层岩 石则可看成为一个多维的相互连通的毛细管网络 。 当多孔介质中存在气液两相时 ,由于储层中液相与 固相间润湿作用 ,液体沿固体表面延展 ,于是毛管中 出现了气液相间弯液面 。由于界面张力作用 ,弯曲 界面上的界面张力不水平 ,而是沿界面处与界面相 切 ,从而在弯曲界面两侧形成一附加压力即毛管压 力 。毛管压力的方向由岩石润湿性所确定 ,与液面 凹向一致 ,其大小则由润湿性 、界面张力 、流体界面 曲率决定 ,具体可由 Lap lace方程确定 。
加 ,吸附作用也增强 ,因而对于高度分散 、比面很大 的储层岩石而言 ,储层中发生的吸附作用不可忽视 。 吸附作用与储层岩石表面及流体的性质 、孔隙结构 、 表面粗糙度 、温度 、压力等多种因素有关 。
吸附过程既可发生在静态条件下 ,也可发生在 动态条件下 。根据吸附质分子与吸时剂分子间相互 作用的性质 ,可分为物理吸附和化学吸附 。物理吸 附中 ,吸附质分子与吸附剂分子间是范德华力 ,这种 吸附容易脱附 ,是可逆的 ;化学吸附中 ,吸附质与吸 附剂间力与化合物中原子间形成的化学键力相似 , 这种力比范德华力大得多 ,因而吸附很难脱附 ,是不 可逆的 [ 5 ] 。储层多孔介质表面与油气烃类物质间难 以形成稳定的化学键 ,因此吸附主要是物理吸附 [ 3 ] 。 1. 4 毛细凝聚
由于多孔介质孔隙壁面的影响 ,可能导致其中 气相凝析成为另外一相 ,这第二相覆盖在孔隙的壁 面上成为一层厚度不定的液膜 ,倘若液膜并拢成一 些弯液面 ,就形成所谓的毛细凝聚作用 。
毛细凝聚现象往往伴随着多孔介质表面气体吸 附而发生 ,它是由于化学势的减小产生的 ,通常有两 个因素可使吸附质化学势减小 ,一是固体表面的临 近效应 ,即吸附效应 ;一是液体弯月面的曲率效应 , 即 Kelvin效应 [ 6 ] 。
第 28卷 第 4期 西 南 石 油 学 院 学 报 Vol. 28 No. 4
2006年 8月 Journal of Southwest Petroleum Institute Aug 2006
文章编号 : 1000 - 2634 (2006) 04 - 0026 - 03
越接近 180°,露点降低的程度越大 。对一般的储层岩 石而言 ,由于液相比气相更能润湿岩石 , 因而 θ通常
小于 90°,表现为偏亲油 , 因此多孔介质毛细凝聚使
得露点压力呈升高的趋势 。
1 多孔介质中的界面现象
1. 1 界面张力 界面张力是影响流体界面形状的关键因素 ,它
控制流体的形变特性 ,若孔隙中存在液滴或气泡 ,当 施加压力梯度时 ,界面张力确定液滴或气泡是否能 变形到足以通过弯曲的孔隙 。
界面张力是由于物质两相界面上分子力的不平
衡 、不对称性而存在的一种过剩的界面自由能 。根 据热力学第二定律 ,物质总是有力图减少其任何自 由能的趋势 ,这种趋势表现在许多方面 ,可表现为减 少界面面积 ,也可通过吸附与其相邻的物质分子以 减少其本身的界面自由能 ,还可通过润湿作用来降 低体系的自由能 。 1. 2 润湿性
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第 4期 杜建芬等 : 多孔介质对凝析气藏露点的影响机理研究
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ln ( p / p3 ) = 2σVm co sθ
(1)
R T rk
式中 ,θ—润湿接触角 ; rk —开尔文半径 , 它与孔隙
半径 r及吸附层厚度 t有关 , rk = r - t, t—吸附层厚
度 ,对于较大的孔 ,其厚度值可忽略 ; Vm —反凝析液 的摩尔体积 ; σ—气液界面张力 ; R —通用气体常
数 ; T—温度 ; p—毛细孔中的饱和压力 ; p3 —孔隙
空间曲率半径无穷大时的饱和压力 。
分析式 ( 1) 可以看出 ,凝析气藏储层温度 、孔隙
半径 、气藏流体的性质以及储层岩石的润湿性均会
影响多孔介质毛细凝聚现象的强弱 。
由于多孔介质微毛细管的毛细凝聚作用使得凝
析油气体系会提前发生反凝析现象 , 从而使得多孔
引 言
凝析气藏流体储存于地下的多孔介质中 ,储集 层流体与多孔介质作为一个整体系统 ,在开采过程 中必然会相互影响 。由于岩石颗粒细 ,孔道小 ,使得 岩石具有巨大的表面 。同时流体本身又是多组分的 不稳定体系 ,在孔道中又有可能出现油 、气 、水三相 , 这种流体分散储集在岩石中会造成流体各相之间 、 流体与岩石颗粒固相间存在着极大的多种界面 (气 Ο 固 、气 Ο液 、液 Ο液 、液 Ο固界面 ) 。因此 ,界面现象极为 突出 ,表现出与界面现象有关的界面张力 、吸附作 用 、毛细凝聚 、润湿作用及毛管现象 、各种附加阻力 效应等 ,对流体在岩石中的分布和流动产生重大影 响 [ 1 - 4 ] ,使得凝析气藏的真实露点与常规测定的露 点可能有所不同 。
2 多孔介质中界面现象间的相互关系
界面张力 、润湿性 、界面吸附 、毛细凝聚以及毛
管压力之间具有不可分割的联系 。界面分子力场不 饱和导致界面层分子具有比体相分子多余的分子界 面能而产生界面张力 ;而物质总有力图减小任何自 由能的趋势 ,从而当流体与储层岩石固相接触时会 产生界面吸附作用 ,而界面吸附往往又伴随着毛细 凝聚的发生 ;由于润湿效应发生在储层岩石的细小 毛管中出现弯液面而产生毛管压力 。因此 ,影响凝 析油气体系的多孔介质的界面性质可由界面吸附 、 毛细凝聚和毛管压力综合来表示 ,同时它们又都与 储层岩石本身的性质如比面 、粒度 、孔隙大小等有 关 ,因此我们可选择界面吸附 、毛细凝聚和毛管压力 作为与多孔介质中凝析油气体系相平衡研究相关的 主要界面现象来分析多孔介质的影响程度 。
介质中露点可能比无多孔介质作用时高 [2 ] , 特别是
对于低渗透凝析气藏 。
对相同的油气体系 ,储层温度越高 , 露点受毛细
凝聚影响的程度越小 。
对亲油岩石 (θ < 90°) , co sθ > 0 为正值 , p >
p3 ,即毛细凝聚的作用使露点上升 ,且在相同毛管半 径下 ,θ越接近 0°, 露点所受影响越明显 。相反对憎 油岩石 (θ > 90°) , co sθ < 0为负值 , p < p3 ,即毛细 凝聚的作用使露点下降 , 同样在相同毛管半径下 ,θ
会增强 。
3. 2 毛细凝聚
就凝析气藏而言 ,由于凝析气藏流体处于地下
的多孔介质中 ,毛细凝聚不可避免地会对其反凝析
过程产生影响 ,从而影响其露点 ,凝析ห้องสมุดไป่ตู้首先在最细
的毛孔中产生 ,然后较粗的毛孔中也相继出现凝析
液 。由于凝析液就地析出是反常凝析过程 ,因而其
毛细管凝聚的 Kelvin方程为 [ 2 ] :
润湿性是储层岩石与流体的综合特性 ,是岩石 与流体间相互作用的重要特性 。它是界面现象中重 要的基本性质之一 ,强烈地影响多相体系各相的排 列 。当在多孔介质中存在两个流体相时 ,润湿效应 确定了两种流体的位置 ,即哪种流体占据哪个孔道 , 由润湿性决定 ,岩石固体表面为润湿相所覆盖 ,非润 湿相处于孔道中心 。
由于凝析气藏开发过程中 ,解吸出来的流体中 重烃组分相对较多 ,使得参与相平衡的重组分含量 增多 ,影响凝析气藏露点 ,使得凝析气藏的露点可能 高于未考虑吸附作用的露点 [ 4 ] 。而且体系中原始重 烃含量越高 ,吸附作用的影响就越强 ,露点值升高的 幅度也就越大 ,也就是说 ,富含凝析油的凝析气藏受 吸附作用的影响更强 ,露点值升高的幅度更大 。
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