凝析气藏注烟道气储层流体相态及组分优化

张晨朔，韩 征，张道勇，马宁宁，林博磊，张昊泽

(1.自然资源部油气资源战略研究中心，北京 100034；2.山东省地质测绘院，山东 济南 250013；3.自然资源部信息中心，北京 100036)

凝析气相态对压力较为敏感，当气藏压力降低至露点压力以下时将发生反凝析现象，导致大量凝析油残留地层无法采出[1-2]。为保持地层压力，凝析气藏多采用循环注气开采，即将一部分凝析气在分离凝析油后回注地层，该方法可以较好地减缓气藏压力衰竭速度，提高凝析油采收率[3-4]。随着“碳达峰、碳中和”目标被写入政府工作报告[5]，如何加快降低碳排放量将是各行业领域亟待研究的课题。在能源、冶金、化工等产业，CO2主要以烟道气(主要成分为N2和CO2)的形式被排放到大气中。 烟道气作为凝析气藏保压开采的一种注气来源[6-7]，不仅可以改善开发效果，而且可以有效地减少CO2排放。

目前，关于烟道气提高油气采收率的研究和应用基本集中在注气驱油方面[8-9]，主要利用了烟道气对原油的增溶、降黏、混相以及重力分异等机理；在凝析气藏开发，特别是注气后流体相态方面的研究主要集中在注CO2情形，对于注烟道气情形的研究较为少见。 HOU等[10]通过实验手段研究了CO2对凝析气相图、露点压力、两相区等相态特征影响。SETEYEOBOT等[11]和WANG等[12]利用实验以及数值模拟方法研究了CO2对凝析油的作用机理，优化了注入气的注入速度、注入体积和压力等参数。AZHAR等[13]、NEELE等[14]、JIA等[15]和BURACHOK等[16]通过数值模拟等方法证实注入CO2对提高凝析气和凝析油采收率具有较好的效果，并根据实际气藏条件对注气速度、注气压力和注气时机等参数进行优化。焦玉卫等[17]以SRK方程为理论基础，研究了凝析气藏循环注气过程中混入干气后凝析气流体相态、等容衰竭相态以及混入凝析油相态的变化情况。余华杰等[18]对于不同摩尔分数CO2的凝析气，通过单次闪蒸实验、露点压力测试、等组分膨胀实验和等容衰竭实验，分析了CO2对凝析气相态特征和物性参数的影响。杨广荣等[19]通过对大张坨凝析气藏衰竭试采和循环注气两个阶段的多次流体取样，研究了井流物的相态及组分的变化规律。此外，郭平等[20]以真实凝析气藏为例，利用等容衰竭实验研究对比了注N2、CO2和干气对凝析气相态的影响。LOPEZ[21]利用数值模拟方法对比分析了凝析气藏注CO2、N2、烟道气和干气的生产动态特征，指出注烟道气的开发效果好于N2，差于CO2。

本文针对凝析气藏注烟道气开发方式，基于PR状态方程及相平衡理论，在实例凝析气藏条件下，设定多种组分烟道气及与凝析气的多种混合比例，利用P-T相图分析了注入气对两相区分布和露点压力的影响规律；利用模拟等容衰竭实验研究了反凝析过程中注入气对含油饱和度及凝析油采出程度的影响；运用混合单元格方法[14]计算最小混相压力，对比了烟道气各组分与凝析油的混相能力；根据注烟道气的相态特征，结合气源情况，以最大程度采出凝析油为目标，确定了注烟道气开发对策和组分优化方案。

1 注烟道气驱替特征

烟道气在注入地层后，自注气井至采气井方向依次形成注气区、混合区、凝析气区；当采气井附近地层压力降至露点压力以下时，凝析油析出形成油气两相区，驱替特征如图1所示。在注气驱替过程中流体相态行为比较复杂，对开发效果影响显著的大体包括三方面：①在混合区中，由于注入气与凝析气在对流及扩散的作用下以不同比例混合，流体组分发生变化，进而使露点压力改变，存在相态变化的可能；②如果注气量较少，不足以保持地层压力，则在凝析气区和混合区随压力降低会有凝析油析出，地面凝析油产出量受多种因素影响；③滞留地层的凝析油大部分以残余油形式存在，如果能与注入气形成混相，则将大幅度提高凝析油的采收率。以上三方面的相态行为对凝析气藏的开发效果影响显著，需结合具体赋存条件深入分析，并为烟道气组分优化和制定开发政策提供依据。

2 相平衡计算模型

相平衡计算模型是相态分析、模拟等容衰竭实验以及运用理论法计算最小混相压力的基础。模型采用被广泛应用于烃类相平衡和物性参数计算的PR状态方程，其基本形式为式(1)。

(1)

式中：p为压力，Pa；T为热力学温度，K；R为通用气体常数，8.314 471 J/(mol·K)；v为比容，m3/mol；a为PR状态方程作用参数，Pa·m6/mol2；b为PR状态方程作用参数，m3/mol。

根据气液两相相平衡理论，当nc个组分构成的油气体系处于气液平衡时，应满足的物料平衡条件见式(2)～式(4)。

L+V=1

(2)

式中：L为相平衡液相所占摩尔分数；V为相平衡气相所占摩尔分数。

Lxi+Vyi=zi(i=1，2，…，nc)

(3)

式中：xi为i组分在油相的摩尔分数；yi为i组分在气相的摩尔分数；zi为i组分总的摩尔分数；nc为流体组分个数。

(4)

相态平衡条件见式(5)。

(5)

对于相平衡计算模型，式(5)与式(1)相关，因此联立式(1)～式(5)，采用逐次替换方法与Newton-Raphson方法结合求解，以保证计算的收敛。

3 实例分析

选取实例凝析气藏，以相平衡计算模型为基础，开展P-T相图、模拟等容衰竭实验研究以及最小混相压力分析，优化烟道气组分，并提出开发对策。为提高理论计算的可靠性，基于凝析气样品的高压物性实验的实测数据，运用PVT相态分析软件，通过对实验数据拟合得到了用于理论计算的各项临界参数，凝析气组分见表1。C11+组分的摩尔质量为225.69 g/mol，相对密度为0.847；凝析气藏原始地层压力55 MPa，地层温度100 ℃(373.15 K)。烟道气的CO2含量一般在20%左右。

表1 凝析气组分及其摩尔分数Table 1 Components of condensate gas and their mole fractions

3.1 P-T相图

为研究烟道气对凝析气露点压力及相态的影响，分别绘制原始凝析气、注烟道气(CO2比例为10%、20%、30%)，注N2和注CO2的P-T相图(图2)，注入气与原始凝析气混合比例为1∶1。由图2可知，地层温度位于原始凝析气临界点与临界凝析温度之间，并且靠近临界点，属于凝析油含量较高的体系，露点压力为31.89 MPa；当注入CO2后，相图包络线内面积显著缩小，临界凝析温度向左侧移动，同时露点压力降低至22.06 MPa；当注入烟道气后，相图包络线内面积增大，露点压力升高至40 MPa以上，随着N2含量的增加，相图包络线内面积依次增大，露点压力依次增高，CO2比例为30%、20%、10%的烟道气对应的露点压力分别为42.67 MPa、47.11 MPa、52.13 MPa；当注入N2后，包络线内面积最大，露点压力最高，为57.86 MPa。

图2 注不同组分气体后的流体相态Fig.2 Fluid phases after injecting different gas

为研究烟道气与原始凝析气混合比例对露点压力及相态的影响，设置烟道气(CO2比例为20%)与原始凝析气按1∶4、1∶2、1∶1、2∶1和4∶1的比例混合，绘制P-T相图(图3)。由图3可以看出，随着烟道气混合比例的提高，临界凝析温度逐渐降低，临界温度逐渐升高；在地层条件下，露点压力先增高后降低，当混合比例大于1∶1后，在一定范围内露点压力变化不大，最高值在50.34 MPa左右。

图3 不同注气混合比的流体相态Fig.3 Fluid phases after injecting gases withdifferent mixing ratio

P-T相图变化规律说明，烟道气中的N2会增大注气混合区中的露点压力，而CO2则起到降低露点压力的作用；注烟道气总体上会增大混合区的露点压力，但在本案例中，当注气比例大于1∶1后，随着注气量增加露点压力表现出先增大后缓慢减小的情况；注烟道气，包括N2和CO2可以降低混合区的临界凝析温度，并且临界凝析温度随注气比例的增大而减小，这对于地层温度接近临界凝析温度的凝析气藏来说，能够有效避免混合区的反凝析现象。

3.2 模拟等容衰竭实验

当注气不充足时，地层压力将持续衰竭。为研究当地层压力降至露点压力以下时，烟道气对凝析气相态及凝析油采出情况的影响，针对原始凝析气、注烟道气(CO2比例为10%、20%、30%)，注N2、注CO2以及注烟道气时的不同混合比例，模拟多组等容衰竭实验。实验温度采用实例凝析气藏地层温度，衰竭压力从露点压力开始，至5 MPa结束，分别观测实验装置中的含油饱和度以及凝析油采出程度，实验结果如图4～图7所示。

图4 注不同组分气体后的含油饱和度Fig.4 Oil saturations after injecting different gas

图5 注不同组分气体后的凝析油采出程度Fig.5 Condensate recoveries after injecting different gas

图6 不同注气混合比的含油饱和度Fig.6 Oil saturations after injecting gases with different mixing ratio

图7 不同注气混合比的凝析油采出程度Fig.7 Condensate recoveries after injecting gases with different mixing ratio

由图4和图5可以看出，含油饱和度随压力的降低均呈现出先增大后减小的趋势，采出程度随压力的降低而增大，但趋势逐渐变缓；注气后地层含油饱和度明显降低，凝析油采收率明显提高，其中注烟道气和注N2的结果接近，最大含油饱和度与不注气相比降低约12%，采出程度提高约4%，注CO2时效果最为显著，与不注气相比最大含油饱和度降低约9%，采出程度提高约4.6%。

由图6和图7可以看出，注烟道气与凝析气的混合比例对地层含油饱和度以及凝析油的采出程度影响显著，烟道气的混合比例越大，含油饱和度越低，凝析油采出程度越高，其中含油饱和度降幅约为12.5%，凝析油采出程度升幅约为4.8%。

模拟等容衰竭实验说明，在露点压力以下时，注入烟道气对凝析气的重组分有一定的蒸发作用，有利于降低地层中的含油饱和度，提高凝析油的采出程度，并且注入的烟道气比例越高，蒸发作用越显著，其中在烟道气组分中CO2的蒸发效果最好。然而注入烟道气导致混合气体的露点压力升高，当地层压力低于露点压力时，多孔介质条件下的凝析气难以采出，采收率与实验相比实际偏低。 因此，模拟等容衰竭实验的注气效果仅作为参考，对于烟道气组分的优化还应结合对露点压力的影响来综合分析。

3.3 最小混相压力

为研究烟道气及其组分对地层中残余凝析油的混相能力，利用混合单元格方法[22]计算在地层条件下烟道气与凝析油的最小混相压力。凝析油样品取自原始凝析气的模拟等容衰竭实验。经计算得到注烟道气(CO2比例为20%)、N2和CO2的最小混相压力分别为44.59 MPa、44.78 MPa和16.73 MPa。另外，计算了不同CO2含量的烟道气对体系最小混相压力的影响规律(图8)。从计算结果可以看出，在烟道气的组分中，CO2混相能力较强，而N2混相能力较差，提高CO2在烟道气中的含量可以降低体系的最小混相压力。

图8 不同CO2含量下的最小混相压力Fig.8 Minimum miscibility pressures after injecting flue gases with different CO2 content

3.4 烟道气组分优化与下步研究建议

通过上文研究可知，烟道气的组分构成对凝析气的露点压力、凝析油的蒸发作用及混相能力具有较大的影响[23]。为进一步优化烟道气组分，分别计算了不同CO2含量的烟道气对体系露点压力的影响规律(图9)。 由图9可以看出，体系露点压力随烟道气中CO2的增大而降低，其中，当CO2在40%～60%之间时，各混合比例的露点压力值较为接近；而由图8可以看出，体系的最小混相压力随烟道气中CO2的增大而降低，其中当CO2在40%～70%之间时，降幅较大。根据以上相态特征，结合气源情况，以最大程度采出凝析油为目标，提出注烟道气组分优化。当气源充足时，利用CO2含量为20%的常规烟道气保持地层压力在50 MPa以上，同时控制采气井的井底流压，由于该组分构成的烟道气与凝析气混合后的体系露点压力小于50 MPa，地层将不会发生反凝析现象。当气源不充足时，可以利用除氮技术降低烟道气中的N2含量，将CO2含量保持在50%以上，减小压力衰竭速率的同时可以维持或降低原始凝析气体系的露点压力，增强对凝析油组分的蒸发作用，降低与凝析油的最小混相压力，进而依靠多种相态机理提高凝析油的采收率。以上烟道气组分优化基于状态方程所描述的流体相态特征，为项目的理论及试验设计提供支撑。由于实际气藏为复杂的立体空间，存在着储层的非均质性、流体组分的传质与分异、注采井网的配合等多种因素，可能导致注采效果的差异，因此，建议在下一步研究中结合流体渗流与分子传质机理，以构建二维数值模型、三维数值模型及物理模型为手段，重点研究储层流体与开发政策对注烟道气生产效果的影响，为凝析气藏注气、增产、减排迈向实际应用奠定基础。

图9 不同CO2含量下的烟道气露点压力Fig.9 Dew point pressures after injecting flue gases with different CO2 content

4 结 论

基于PR状态方程及相平衡理论，通过P-T相图分析了烟道气对两相区分布和露点压力的影响规律，利用模拟等容衰竭实验研究了反凝析过程中注入气对含油饱和度及凝析油采出程度的影响，运用混合单元格方法计算最小混相压力，分析了烟道气各组分与凝析油的混相能力，综合各因素提出了注烟道气开发对策和组分优化方案。研究结论如下所述。

1) 烟道气中的N2会增大注气混合区中的露点压力，而CO2则起到减小露点压力的作用；由于注烟道气的N2含量高于CO2，注常规烟道气总体上会增大混合区的露点压力。

2) 注入烟道气对凝析气的凝析组分有一定的蒸发作用，有利于降低地层中的含油饱和度，并提高凝析油的采出程度。此外注入的烟道气比例越高，蒸发作用越显著，其中在烟道气组分中CO2的蒸发效果最好。

3) 在烟道气的组分中，CO2混相能力较强，而N2混相能力较差，提高CO2在烟道气中的含量可以降低体系的最小混相压力。

4) 结合实例分析，建议当气源充足时保持地层压力高于露点压力开发；当气源不充足时，利用除氮技术将CO2含量保持在50%以上，依靠多种相态机理提高凝析油的采收率。