渗流力学论文

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1、凝析油气渗流理论研究进展提要 本文综述了凝析油气渗流研究的现状，简要介绍了凝析油气藏特征、 开采方案及其试井分析方法，着重讨论了凝析油气渗流的基本方程、解析解法和 数值模拟。在此基础上， 提出了该理论研究的发展前景。关键词 凝析油气藏；渗流；试井分析；解析解；数值模拟1 引言所谓凝析油气藏即能采出天然气和凝析油的气藏。凝析油是汽油及密度太于汽油但小于0. 786g :的其他馏分的混台物。在地层条件下，天然气和凝析油通常呈单一的气相状态， 并符合反凝析规律。它既不同于油藏， 也不同于气 藏，是一种新型的工业性油气储集类型。凝析油气藏是30年代初首先在美国发现的。随钻井深度的增加，世界上许 多国家

2、，如苏联、 英国、加拿大、澳大利亚、挪威、阿联酋和我国等也相继发 现了凝析油气藏。依目前勘探情况，苏联的凝析油气藏数目最多，储量也最大。凝析油气藏和一般油藏、气藏相比具备一系列优点。世界上每年有越来越多 的凝析油气 藏投入工业性开发。 因此凝析油气渗流研究具有重大现实价值。凝析油气渗流比一般油气渗流更为复杂。对相当多的凝析油气渗流，如果地 层压力高出露点压力太多，循环注气开发以及井筒流动，管道输运等，不可避免 地出现凝析反凝析、蒸发反蒸发和溶解分离过程。此外，由于凝析油气渗流的高 温高压特性，理想气体状态方程不适用，需要应用形式上繁杂得多的状态方程。 所有这些都给凝析油气渗流的研究增加相当大难

3、度。这就是为什么发现凝析油气 藏 50 多年来其渗流理论研究尚不深入的根本原因。本文综述凝析油气渗流研究的现状。先介绍凝析油气藏的主要特征、开采方 案及试井分析方法。而后引出凝析油气渗流的控制方程。接着分析凝析油气渗流 的解析解法。最后讨论凝析油气渗流的数值模拟。在此基础上，进一步提出凝析 油气渗流理论研究的发展前景。2 凝析油气藏特征及开发2.1 凝析油气藏特征凝析油气藏赖以形成的地质物理条件，决定了它具有一系列不同于油藏、气 藏的特征。这些特征主要反映在以下几个方面： 凝析油气藏的埋藏深度较深，地层温上筻高，压力高。 油气藏温度、压力随深度变化，导致凝析油的含量、组分构成和露点压力 的变化

4、。在相同地质条件下，凝析油含量取决于温度和压力，因而也就取决于埋 藏深度：埋藏越深， 地层温度承受力都越高，凝析油古量也就越高。同时，露 点压力还受产率的影响。产率愈高， 露点压力愈低。 出现凝析和反凝析，溶解和分离过程。气中溶解有凝析油，含量随露点压 力改变；油中又溶解有气，含量随泡点压力变化。这种相间传质现象构成凝析油 气渗流的重要特征。 凝析油气藏开发过程巾，储集地层变形,进而改变介质的孔隙度和渗透牢。 有学者研究发现，这种介质孔隙度、渗透率的变化遵循一定的规律。在某些情况 下，储层变形还将影响天然气、凝析油采收牢，他的实验显示：在刚性水压驱动 条件下，强变形地层的气体采收率比弱变形地层

5、的要高出 14.8，而凝析油采 收率正相反， 弱变形地层的较高 湍流的影响不可忽视。凝析油气渗流中，气体渗流速度高，构成湍流流动。 这时达西定律不适用，代之应采用非线性的渗流规律。 含CO和HS等腐蚀性气体。2.2 凝析油气2 藏开2发所谓凝析油气藏的合理开发是指在遵守资源和环境保护前提下，力争取得最 大的国民经济效益，即达到最佳经济技术指标，获得最高天然气和凝析油采收率。 凝析油气藏开发方案很多，如衰竭式、注水注气保持地层压力等。此外，也应用 混合方案。2.2.1 衰竭式开发这是最为简单和直观的开采方案。它具有容易满足国民经济对天然气的需 求，基建投资少，可很快收回成本等一系列优点。其缺点是

6、天然气及凝析油采收 率低、凝析油损失大，从经济和长远角度考虑是不理想的。2.2.2 循环注气开发这是最常用的保持地层压力的方法。因通常注入采自同一层位而又经脱油的 气体，故称循环注气。它一方面能保证最充分地驱替含凝析油的湿气，防止凝析 油滞留地层，另一方面可储备天然气，用于将来出售。回注比是循环注气开发的一重要参数，回注比愈大，采收率就愈高。但提高 回注量需付出经济代价，如提高地面设施的能力和容量。如果因提高回注量投入 大量资金，而开发上收效甚微，经济上显然不足取。王瑞河由数值模拟得出结论： 回注比控制在 0.7 左右的循环注气，是苏 1 潜山凝析气藏的最佳开采方式。2.2.3 注水开发和循环

7、注气相比注水开发有明显优点：天然气可马上出售， 注入花费少， 组分构成不变以 及可较好保持地层压力。但迄今为止注水方案并未获得实际应用。原因在于注入 水俘获大量天然气，这部分天然气很难在随后采用降压方式予以开采。2.2.4注N开发将从空气中分离产生的氮气注入凝析油气藏有利于提高油气采收率。只要有 足够能源供应并采用适宜的技术，氮气可在任何地方产生，注入的氮气可以同天 然气一样在地层内循环维持压力，防止在井周围产生凝析液。 Daltanb an et al， Bruggeman et al 借助数值实验等手段详细比较了上述开发方案。2.3 凝析油气藏试井分析作为渗流理论的一个组成部分，试井分析必

8、不可少。对凝析油气系统，存在 1个临界饱和度，当反转凝析液超过临界值时，液态才开始流动。而对实际凝析 油气渗流，凝析液饱和度通常低于这个数值，即可认为地层中凝析液流速为零。 因此，有人提出凝析油气井试井资料的处理可沿用单相气井的试井分析方法。但 实践证明，这种方法不能确切地表征凝析油气渗流的真实情况。在井筒及地层流 动过程中， 随压力、温度降低，出现了反转凝析现象，这决定了凝析油气井试 井分析方法应与单相气井有所不同。张树宝等将井口得到的凝析液量折算成相应的凝析气量，再用二项式或指数 式来整理凝析油气藏的试井资料。国外的试井研究则侧重于应用虚拟压力、虚拟压力积分和定态理论的概念。这些做法都获得

9、较为理想的结果。3 控制方程3.1 物质平衡方程 假设地层均质各向同性，水中不溶解气体。忽略重力、浮力和毛管力影响。利用质量守恒原理， 可以推出(3-1)(3-1)水(3-1)式中，耳.；二分别为溶解油气比和凝析油气比，三：、：、：. (m二g、0、w) 分别为各相的体积系数、渗流速度、饱和度和流量，为介质孔隙度，下标g、0、 w分别表示气、油和水。3.2 运动方程咕=_三严(备_曲(3-4) 其中-分别代表渗透率和相对渗透率，:为粘性系数，入为压力，门为重 度。对凝析油气渗流， 气流速度较高，产生偏离上述达西定律现象。许多学者 将这归因为湍流因素的影响或惯性的影响，合理的解释是： 随渗流速度

10、的增加， 惯性引起最初的偏离，湍流则影响更高速度下的流动。显而易见， 应用(3-4)需要知道三相相对渗透率数据 这可通过油水或油 气两相的实验数据代替， 或由饱和度一毛管压力关系曲线预测。水、气相对渗透率可直接使用实验数据，它们只是自身饱和度的函数而 油相相对渗透率则为水、气饱和度的两元函数，其表示有多种，比较而言,Stonc- II公式和Aziz公式应用比较广泛。3.3 状态方程 如前所述，凝析油气渗流特征之一为高温高压特性。这决定了理想气体状态 方程的不适用性。为此，人们提出了一系列修正方程，主要包括K、ZJRK、SRK、 PR。Mart in指出，上述各状态方程可统一表示成压缩因予的3次

11、方程形式。Coais 用基本热力学平衡关系导出这一通用状态方程z3 +4-m2 1)B l)z2 +(4 + m1m2S2 + l)z对RK, ZTRK, SRK状态方程，：=- - 二= 1 -实际经验表明，尽管使用上述状态方程有时可得较好结果，但不能视为完全可靠 的方法。特别在衰竭式开发中，状态方程往往无法计算出和实验相符的反转凝析 液饱和度数值。幸运的是， 利用参数调整（通常由非线性阿归自动完成），状态 方程还是能够调整计算出令人满意的结果。3.4 约束关系其中，、二分别代表气、油、水相饱和度。4 解析方法4.1 精确解法假定：地层均质等厚，各向同性；忽略重力、浮力和毛管力影响； 理想气

12、体等温渗流；凝析液饱和度低于临界数值，即研究的是凝析液的积聚过 程。此时，地曝压力P和凝析液饱和度S满足(4-1) = &p(Ap)2 (4-2)其中a, b，c为常数，大小取决于介质以及地层条件。4.1.1 一维不稳定凝析油气渗流定解方程(4-3)(4-4)定解条件p(0, t)二:；.，pU, t)二J, p(x,0)二，S (x,0)=0根据-定理，可得方程(4-3), (4-4)的自模解(4-5)其中：=、丁，二=二厂 一，-I =二二乂，二：.；】=申二：汀丁。压力分布丸： 可容易求出。4.1.2 平面径向不稳定凝析油气渗流类似地有(4-6)4.2 近似解法4.2.1 稳态替换法所谓

13、稳态替换法，顾名思义,即将每一 j寸刻不稳定渗流视为稳定渗流并代 替之， 从而求出相应的不稳定渗流解。 平面径向不稳定凝析油气渗流众所周知，柑应的气体稳定渗流p(r,t) 为pfct) = Pijl- Ahi竽(4-7)式中R(t)为假想供给边缘半径。代入(4-2),积分并略去2阶以上小量，有(4-8)计算表明，精确解(4. 6)和近似解(4. 8)之间差别别小。 1维不稳定凝析油气渗流。同样将气体稳定渗流压力分布代入(4-4)，得S(x7t) = 2E2 ln(V3f1/2 + 1 + 1)/(7+ 1 -)(4-9) 其中Ei =城时p(-p. + 兀)/(p咏晡 + PtPw - 2时)

14、5 数值模报从上节可以看出,凝析油气渗流仅在一些特殊条件下才有相应解析解，而更 多的情况下解析解并不存在。因此，一般的凝析油气渗流问题唯有借助数值模拟 方法加以解决。根据烃类流体性质（PVT数据）计算的方法，可以将凝析油气渗流 数值模拟方法划分为4类模型：黑油模型，改进黑油模型，组分模型和中介模型。 对于具体凝析油气渗漉问题，其数值模型的选择取决于油气藏的特点及其开发方 案5.1黑油模型 油藏工程中最常用的数值模拟莫过于黑油模型其主要假设在于以两个“组 分”代表烃类物质系统：1个是非挥发性组分，即黑油或标准状态下的原油；另1 个是溶解在油相和水 相中的挥发性组分（标准条件下为气体）。这假设意味

15、着该系统至多只古3种组分 （油，气、水） 种3种相态（油 气、水） ，而且随压力的降低，分离出的气体组分构 成与压力无关。只要地层压力、温度不处于临界状态，也不出现反凝析，黑油模型就可以给 出令人满意的结果。但是，大多数凝析油气渗流中，这些条件往往并不满足，因 此， 黑油模型对凝析油 气渗流不适用。除非对它作必要的修正，否则给出的结果不可信。5.2 改进黑油模型 黑油模型不能用于模拟凝析油气渗流，其根本原因在于它无法反映凝析和反凝析机理。人们试图对黑油模型进行改进，使之能够克服这一困难oSpivak et al， B anks et al， Coats ，李允等借助于考虑两拟组分的方 法处理凝

16、析油气渗流问题，这两拟组分为凝析液和仅以气相形式出现的干气前 者在标准条件下为液态，但可以在油藏条件下蒸发变成气态。气相中的这一凝析 液成分和压力有关，其处理方式和黑油模型中油相气态成分相类似。Cookctal 在一维数值模拟中计入组分效应，即认为所有流体的性质（包括 气相中的液态成分）为注入气量的函数。正如Henry指出的那样，文62的处理隐 含平衡常数k仅为压力函数的条件。因此这种模型对于k值同为组分函数的情况不 成立。5.3 组分模型 组分模型在渗流理论研究中获得广泛应用。它不仅髓准确描述一般油气渗流问题的物理模型，而且可以反映凝析油气渗流的凝析、反凝析以及分离、溶解等 重要机理。组分模

17、型求解的方程包括流体运动方程、各组分的质量守恒方程。此外还包 括油气两相的相平街关系、相物质平衡方程以及摩尔分数和饱和度约束关系等。 利用这些方程，可以求出压力，总组分数、各相的组分数和饱和度。详细的计算 方法和步骤可参见Nghicm ct al和Aziz。凝析油气藏中，流体通常至少包含20种组分。因此取同样组分数的完全组 分模型显然是，下可取的，因为这将花费相当可观的计算时间。组分数越少，所 需计算时间越少。但是，组分太少的组分模型将不可避免地又面临黑油模型及改 进黑油模型的困难。一般情况下，取7个左右虚拟组分即可达到精度要求。6 研究构想基于以上回顾，我们认为凝析油气渗流理论的研究前景应侧

18、重予以下几个 方面。 从理论角度进行详细的凝析油气渗流机理研究。迄今为数不多的凝析油气 渗流研究几乎都将问题作较大的简化， 如一维、地层均质各向同性等。当然这 是问题的极端复杂性所决定的。对凝析油气渗流，完整的理论研究应该考虑各种 复杂因素的影响，如地层非均质性； 多维渗流，地层参数随压力的变化露点压力、组分构成、重度等随埋深变化 毛 管力、重力、浮力等影响；湍流影响；物化反应过程。这些因素有的可能对流动 影响不大，但有些因素可能构成严重影响。从理论上确定这些因素的影响程度， 对渗流理论将是极大的完善。 重视不同开发方案条件下凝析油气渗流的理论研究。 随着石油勘探开发 事业的发展，将来会有一大

19、批新的凝析油气藏被探明并投入开采。从有效保护和 充分利用资源角度出发，针对各种具体凝析油气藏，应该制定相应的合理开发方 案。 这除了进行最优化理论的方案设计外，不同开发方案对凝析油气渗流影响 的理论研究也是非常必要的。结合理论研究挖掘简单可行的凝析油气渗流近似 解。和其他基础学科比较， 渗流理论有更广泛的应用要求，凝析油气渗流也是 如此。完整精确的凝析油气渗流理论可能因为其复杂性而削弱它的实用性。实践 中更欢迎的是模型经过简化、计算简单快速的近似解。拓展凝析油气渗流研究的数学手段。由于凝析油气渗流理论研究尚很不深 入，所应用的数学手段仍有待丰富.正像它们成功地用于解决油、气渗流I可题 那样，各

20、种积分变换、变分原理、差分有限元在凝析油气渗流研究中也应有所作 为。数值模拟，作为凝析油气渗流研究的重要方法，无论其应用模型，还是其数 学解法，应加以完善.各相关学科在数值模拟方面的进展和成果， 电应及时地 反映和吸收到凝析油气渗流的研究当中. 探索正确有效的凝析油气藏试井分析方法。目前这方面的理论研究工作较 少，且大多是在单相气井试井分析基础上加以修正，未能正确反腆凝析油气渗流 试井的真实物理情况。 探索正确有效的凝析油气藏试井分析方法。目前这方面的理论研究工作 较少，且大多是在单相气井试井分析基础上加以修正，未能正确反腆凝析油气渗 流试井的真实物理情况。参考文献1】2】3】4】5】6】7】