储层多孔介质中流体吸附研究进展

李明军杨志兴杜建芬卞小强

(1.中海石油中国有限公司湛江分公司 2.西南石油大学)

储层多孔介质中流体吸附研究进展

李明军1杨志兴1杜建芬2卞小强2

(1.中海石油中国有限公司湛江分公司 2.西南石油大学)

油气在地层多孔介质中储集和渗流,与储层多孔介质形成一个相互作用的系统。由于储层岩石孔隙小、比表面大,部分流体将吸附于孔隙表面,形成吸附相,进而影响流体相态和渗流规律,尤其在低渗透多孔介质中,吸附现象更为严重。本文分析了有关多孔介质中油气吸附的研究,肯定了多孔介质对油气吸附的影响,阐述了多孔介质中流体吸附理论研究现状的局限性,提出了储层多孔介质中流体吸附研究的发展方向。参8

多孔介质 流体 吸附 渗流规律 研究进展

0 引言

在油气藏开发过程中,由于吸附现象的存在,将不同程度地影响油气藏自身的开发效果。据相关研究成果证实:对于气藏而言,常规气藏(渗透率大于0.01D)和低渗透气藏(渗透率在0.01D～0.001D),考虑吸附计算得到的天然气储量误差在0.6%以下,可以忽略不计;致密气藏(渗透率在0.1 mD～0.01mD),考虑吸附时计算得到的储量变化在1.3%～3.5%之间,应当考虑其影响;凝析气藏考虑吸附计算的凝析气储量略有下降。对于油藏而言,考虑吸附计算的储量将有不同程度的下降,下降程度随储层物性条件的不同而有差异,孔隙度越小,岩石越致密,渗透率越低,吸附现象越严重,储量降低越多。

在油气藏开发过程中,吸附的存在对油气藏的开发总体上起着负面作用;降低油气藏的采收率,影响开发效果,降低油气藏开发的经济效益。所以,研究多孔介质中流体的吸附现象,认识其对油气藏开发的影响程度,对我们正确的全面认识油气藏特征、开发动态,制定合理的开发方案,高效开发油气藏具有相当的经济价值和现实意义。

1 研究进展

目前,关于气体在储层多孔介质中吸附的实验和理论研究业已成熟,成果也较多,且主要出自国内。郭平[1]在其相关的气体在储层多孔介质表面的吸附研究表明,对于气藏而言,常规气藏和低渗透气藏,考虑吸附计算得到的天然气储量误差在0.6%以下,可以忽略不计;致密气藏,考虑吸附与不考虑吸附计算得到的储量变化在1.3%～3.5%之间,应当考虑其影响;凝析气藏考虑吸附计算的凝析气储量略有下降。对于油藏而言,考虑吸附计算的储量都将不同程度的下降,下降程度随储层物性条件的不同而不同,孔隙度越小,岩石越致密,渗透率越低,吸附现象越严重,储量降低越多;对同种气藏流体在相同的地层中,温度对吸附的影响较为显著,压力的影响不明显。杜建芬[2-4]在其相关的气体在储层多孔介质表面的吸附研究表明,烃类气体在储层孔隙介质中的吸附量随温度的升高而减小,随压力的升高而增大;同时在同一孔隙介质中,当温度压力相同时,重组分含量相对较高的烃类气体,其吸附量相应较大;对同一烃类气体体系,在相同的温度和压力下,渗透率越低、比表面积越大,吸附量也越大;烃类气体在储层多孔介质表面的吸附量数量级为1×10-2mol/kg。欧成华[5]在其博士论文和相关的研究中重点研究了高温高压下烃类气体在储层孔隙介质表面吸附的实验与理论:研制出了XF—1型高温高压气体吸附脱附测试仪,开发了一系列配套技术;并用该仪器分别测定了N2、CH4、C2H6、C3H8、nC4H10及其三元混合物(N2—CH4—C2H6)和五元混合物(N2—CH4—C2H6—C3H8—nC4H10)在3个不同岩芯中的吸附等温线;实验结果显示,如果不考虑储层介质的吸附,气藏的计算储量将减少5%以上;气体在储层多孔介质表面的吸附量数量级在1× 10-5mol/kg～1×10-3mol/kg之间;吸附能力除受压力影响外,更受储层介质,岩石成分、结构和物性性质的影响,还受多组分气体中重烃组分数目、摩尔组成等的影响;各组分之间进行竞争吸附,高碳数的烃类组分比低碳数的烃类组分更容易被岩心多孔介质吸附。张茂林[6]在其相关的多孔介质中吸附作用的研究表明,吸附现象作用将使油气体系露点压力降低,等容衰竭过程中反凝析液量减少;吸附现象作用与毛细管压力作用相比,通常情况下,它们对油气体系相平衡的影响相反(当凝析液润湿孔隙壁面时),且前者的影响程度明显大于后者。周守信[7]进行了多孔介质吸附对凝析气藏组成和露点的影响研究,研究结果表明,吸附使凝析气藏露点上升;考虑吸附时,恢复计算的真实组成与井流物的组成有很大的差别,其中,甲烷的组成百分数减少,其他组成的百分数均增大,组分越重,增加的百分比越大。

相较储层多孔介质中气体吸附研究,储层多孔介质中烃类液体吸附研究还处于初级阶段,未受到应有的重视,相关的理论和实验研究也很少,基本处于空白。

2 理论模型

目前,多孔介质对气体的吸附研究成果较多,尤其在化工领域。在气体吸附方面,建立了很多适合各种情况的吸附模型,有描述单组分的,也有描述多组分的,还有描述固体水平表面及多孔介质的。

(1)单组分气相吸附模型有:Henry定律吸附等温式、Langmuir吸附等温式、Freundlich吸附等温式、Langmuir-Freundlich吸附等温式、Toth模型、非均质表面的Langmuir吸附模型、空穴溶液气体吸附模型(W ilsonVS M)、BET吸附等温式、Gibbs吸附等温式等。

(2)混合气体吸附模型有:混合气体吸附的Langmuir方程、混合气体吸附的Langmuir-Freundlich方程、混合气体吸附的BET方程、混合气体吸附的Gibbs吸附等温式、基于Polanyi位势理论的混合气体吸附等温式、理想溶液气体吸附模型( IAS)、非均质表面的理想溶液气体吸附模型(H IAS)、真实溶液气体吸附模型(RAS M)、非均质表面的Langmuir混合气体吸附模型、非均质表面的双位Langmuir混合气体吸附模型(DSL-H IAS)、空穴溶液气体吸附模型(FHVS M)、Langmuir多空间气体吸附模型(MSAM)、Toth多空间等温吸附模型(T MSAM)。

液相吸附的理论研究工作远远落后于它的实际应用,这是因为液相吸附体系远比固气界面吸附复杂的多。最简单的液相也是二元的,在稀溶液中溶质与溶剂的杂质使其组分更复杂,吸附剂的杂质(特别是可溶性杂质)有时能显著改变待研究组分的吸附性质。目前,液相吸附的理论大多是沿袭气体吸附的理论模型,适当地做一些修改。液相吸附的基本模型主要有两类:二元液相吸附模型和多元液相吸附模型。其中,二元液相吸附模型较多,应用的比较广泛,但都是Gibbs模型的变形或推广。多元液相吸附模型较少。所有这些模型大都是基于Gibbs自由能理论和统计热力学建立的。比较有名的是1999年BERTI等提出的虚拟液相模型。

储层多孔介质中流体吸附的理论模型较少,没有公认的权威模型。现在应用的模型大都是化工领域的模型,根据自身的情况做一定的修改。虽然这些模型各不相同,各有优缺点;但它们有一个共有的特征:都作了不同程度的假设,忽略了一些因素。通过假设,简化模型,方便计算,但却与实际情况存在不同程度的偏差,进而降低模型的精度,不能真实的反映油气藏情况。相比之下,假设的条件越少,考虑得因素越多,模型的精度越高,模型越接近真实油气藏地层条件。

3 当前研究的局限性

储层多孔介质中流体的吸附研究,因为研究者认识角度的不同和其本身的难度,未受到应有的重视,相关的实验和理论研究都很少。

(1)在实验研究方面,现有的储层多孔介质中流体吸附实验通常是在非真实岩心中进行,有的只是少量研究者对类似于储层介质的充填砂和粘土混合物以及对粉碎后的储层岩芯所做的吸附实验,这些实验所用的吸附介质和原始储层中固结状态的介质,无论在岩石结构上,还是在岩石的吸附表面积上,都有很大的差别,因而所测出的实验数据难以反映实际储层介质的吸附特征。同时,大部分实验是在静态情况下进行的,不能真实模拟地下储层中流体的流动状态。

(2)由于实验条件、实验设备等多方面因素的影响,现有的实验都对影响吸附的因素进行了简化,忽略一些因素,比如吸附剂、压力、温度以及实验流体组成等。目前,关于高温高压下烃类液体在储层多孔介质中的吸附实验还未见到相关文献。

(3)储层多孔介质中烃类气体吸附研究成果虽多,但大都是实验方面的成果,理论方面的很少,且结果相差较大,未能形成统一的、公认的理论模型和实验体系。

(4)储层多孔介质中烃类液体吸附研究较少,还处于初级阶段,未受到应有的重视,相关的理论和实验研究也很少,基本处于空白。

(5)目前,储层多孔介质中烃类流体吸附研究的成果大都局限于实验方面,理论成果很少,没有权威的理论模型。现有的理论模型大都是从化工领域演变而来,根据各自的情况作了不同程度的修改,忽略了一些因素;而化工领域的模型大都沿用气相吸附模型,这显然与实际情况不相符合,具有很大的局限性和不确定性,不能真实的反映真实储层环境。同时,这些模型大都繁杂难以应用,或者过于简单令人难以置信。

4 研究发展方向

研究的目的是为了更好的应用于实际,目标则是无限的接近实际,使理论更真实的反映实际。关于多孔介质中流体吸附现象的研究方向就是尽可能的使研究条件接近于油气藏的地层条件,以便更好地为油气藏工程服务。储层多孔介质中烃类液体吸附研究应分别从实验和理论两方面入手,吸附实验的研究应注重所测实验体系的完备性和模拟实际环境的真实性,吸附理论的研究则应注意理论模型针对的实际情况的适用性和具体使用时的简洁性。

(1)吸附实验的研究应该注意所测实验体系的完备性和模拟实际环境的真实性。现有的实验大都是静态实验,是在流体不流动的情况下测定吸附量,与油气在多孔介质储层中的运移不尽相同;所以以后的实验要向动态方向发展,真实模拟实际油气运移情况。所以,综合考虑相关因素,真实的模拟储层烃类液体在多孔介质中的吸附实验应该是以后进行实验研究的一个方向。

(2)开展储层多孔介质中烃类液体吸附实验研究和理论研究。液相吸附研究由于其自身的特点和难点,远远落后于气相吸附;相关的实验研究和理论研究成果也很少。目前,石油的开采难度普遍大于天然气,且采收率也相对较低;只有全面认识石油在储层中的渗流吸附机理,才能更好地为开采石油提供有力的理论保证。

(3)建立权威理论模型并注意理论模型的适用性和简洁性。研究不同体系的吸附规律和影响因素。从现有的实验数据出发,总结出便于实际运用的吸附模型。随着凝析气藏的发现,新的考验又摆在我们面前。凝析气藏当压力低于露点压力时,将出现气液两相混合物;如何综合考虑气体吸附和液体吸附,建立相关的吸附模型,应用于实践将是我们面临的一大挑战。

(4)分形理论[8]在吸附研究中的应用。20世纪80年代,出现了用“分形”来定量表征吸附表面和孔结构的几何不规则性。已有一些分形分析的理论与方法,用于对常用吸附剂(氧化铝、活性炭、分子筛)的吸附与脱附平衡数据进行处理,获得分形维数和其对表征吸附性能的作用。分形分析可能成为表征表面和孔结构不规则性的一个重要手段,提高处理吸附平衡与吸附动力学数据的精度,扩充吸附平衡与吸附动力学理论与方法的适用范围,值得深入的研究;

(5)实验与理论方法和计算机模拟的紧密结合对吸附研究的进展起着关键的作用,将是以后研究的一个主要方法。进一步深入开展煤层气吸附机理研究势在必行。

1 郭平,孙良田,张茂林.气藏及凝析气藏吸附对储量影响的分析[J].天然气工业,2004,24(9):104-107.

2 DU Jianfen,L I Shilun,SUN Lei.Effect of Porous Medium Adsorption on Percolation Law of Condensate-gas Mixture.1998.11第六届中国国际石油工程会议,北京. SPE50926.《Ei》检索系统收录.

3 杜建芬,李士伦.多孔介质对凝析气藏露点的影响机理研究[J].西南石油大学学报,2006,28(4):26-28.

4 杜建芬,李士伦,尹永飞,等.烃类气体在多孔介质中的吸附研究[J].天然气工业,2004,24(9):111-112.

5 欧成华,易敏,郭平,等.N2、CO2和天然气在岩心孔隙内表面的吸附量的测定[J].石油学报,2000,21(5):68-71.

6 张茂林,梅海燕,李闽,等.多孔介质中油气体系相平衡规律研究[J].西南石油学院学报,2002,24(6):18-21.

7 周守信,徐严波,李士伦,等.考虑多孔介质界面吸附作用的凝析气藏真实组成计算模型[J].天然气工业, 2004,24(7):83-85.

8 刘晓丽,梁冰,薛强.多孔介质渗透率的分形描述[J].水科学进展,2003,14(6):769-773.

(修改回稿日期 2009-08-14 编辑 王晓清)

李明军,男,1979年出生,硕士,现就职于中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院,主要研究方向:油气田开发、油气藏工程。地址:(524057)广东省湛江市坡头区南调路22号信箱中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院。电话:13763033534。E-mail:cjacsono@163.com