考虑水蒸发的高温凝析气藏数值模拟方法*

雷 霄 王雯娟 李跃林 鲁瑞彬 彭 杨 吴道铭

(1. 中海石油(中国)有限公司海南分公司 海南海口 570311； 2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057；3. 西南石油大学石油与天然气工程学院 四川成都 610500)

近年来，中国海上高温高压凝析气藏的发现逐渐增加，这些高温高压气田在生产后期水气比会快速升高，提高了海上气井的生产成本，如崖城13-1气田为典型代表的高温凝析气田，其后期生产时的水气比接近2.0 m3/104m3[1]；东方13-1高温高压气藏在压力降低到5 MPa时气体中水分的摩尔含量可达到10%以上[2]。目前，在讨论高温高压气藏地层水蒸发的实验研究中，主要考虑为两类：第1类是采用PVT平衡实验的方法，文献[1-6]采用了这种测试方法；另外一种就是测试岩心中地层水的蒸发过程，文献[7-10]采用了这种测试方法，但是文献[7-9]主要针对干气、短岩心，且其主要目的是测试地层水蒸发带来的储层伤害，而文献[10]采用的是难度更高的长岩心进行地层水蒸发实验。2001—2003年，E.Zuluaga等[7-9]研究多孔介质中地层水蒸发情况，实验温度为90～100 ℃、压力为1 000～2 000 psi，所有实验在岩心原始含水饱和度下开展，实验研究表明岩心中的水相蒸发速度随温度的升高而加快、随压力的升高而降低、与气体流速成正比。2008年加拿大Calgary大学的J.A.Rushing等[4]介绍了长达4年的实验成果，其实验压力在500～20 000 psi、实验温度在300～400 ℉，认为当温度从300 ℉升高到400 ℉时，烃类气体中的含水量将发生显著的增加，400 ℉时干气中的平衡气态水摩尔含量增加到300 ℉时的70%以上。邓传忠 等[1]、姜海琪 等[5]、王玲 等[10]对崖城13-1气田凝析水随压力和组分的变化规律进行了大量的实验，研究结果表明长岩心和PVT筒中凝析水随压力变化规律基本一致，即天然气中凝析水的含量随地层压力下降逐渐增大，在10 MPa附近急剧上升，地层条件下天然气中水组分摩尔含量可达12%以上，但同样条件下多孔介质中的天然气水组分含量远高于PVT筒中测试的水含量。这些研究均表明原生地层水的蒸发作用在高温下相对较大，甚至水气比可以达到2.695 m3/104m3[11]，显然其对生产管柱和地面处理及集输的影响并不能忽略。但是，当前的高温高压凝析气藏数值模拟却难以准确模拟凝析水的产量，导致对这种气藏中后期的动态预测和平台集输等生产管理较为盲目[6,12-15]。

本文从组分数值模拟的基本理论模型入手，形成了高温高压凝析气藏考虑水蒸发的组分数值模拟新方法；以崖城13-1气田为典型案例，明确了其实现方法，可较好地预测高温高压凝析气藏开发过程中凝析水产出的变化。

1 室内实验评价

1.1 实验评价的基本流程

为了研究地层水蒸发产出规律以及多孔介质对地层水蒸发的影响，本文进行了PVT水蒸发实验和长岩心水蒸发实验，并对实验结果进行了讨论。

在PVT平衡实验研究中，PVT筒中的凝析气与地层水的平衡、以及各级衰竭压力下也必须和地层水始终接触才和地层条件下是一致的，但常规实验中并没有完全保持一致。所以本文在实验中，首先将地层水恒压转入PVT筒中，再将凝析气转入PVT筒，待凝析气与地层水平衡后，再进行降压测试(图1)，其中的配样器须替换为PVT仪。设置实验初始温压条件为176 ℃、38 MPa，实验中共分为9个降压梯度，每个梯度为4 MPa。在降压过程中，每一个压力梯度之间，都会有1小时以上的平衡饱和时间，这样在整个实验过程中，凝析气始终与地层水保持接触且处于饱和水状态，符合地层条件，测试出的含水凝析气性质更接近地层状态。而长岩心的实验采用文献[10]的实验方法，其实验流程如图2。

图1 PVT测试分析天然气中水组分含量实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental device for PVT test and analysis of water content in natural gas

图2 多孔介质中天然气水组分含量实验流程图[10]Fig.2 Experimental flow chart of water component content of natural gas in porous media[10]

1.2 地层水蒸发的基本规律

测试了崖城13-1气田中4样次的对比实验(初始压力为38 MPa，实验温度为176 ℃)，图3给出了其中1样次的对比结果，从图中可以看到，压力下降到10 MPa附近时地层水的蒸发量快速上升[16-17]；且在相同条件下，压力在20 MPa以下时，多孔介质中地层水的蒸发量比PVT筒中测试的地层水蒸发量平均要高0.25 m3/104m3[5,10,13-14]，可能是毛管压力使高温地层水的蒸气压有一定程度的增加导致的[12]。目前，南海西部东方气田群中，一些高温高压区块不仅初期具有较高的CO2含量，在开发过程中还发现一些气井CO2含量升高的情况(图4)，故本文进行了不同CO2含量的长岩心水蒸发实验；实验中共设计了4个梯度的CO2含量。每个不同CO2含量采用相同的压力下降梯度进行对比实验，经过实验测试发现CO2含量的增加会导致相同压力下凝析气中水组分含量的增加(图5)，这会使凝析气藏的凝析水产量较大幅度的提高。

图3 PVT和长岩心测试的地层水蒸发实验对比[16-17]Fig.3 Comparison of formation water evaporation test between PVT and long core test[16-17]

图4 高温高压气井组分监测变化情况Fig.4 Composition monitoring changes of a high temperature and high pressure gas well

图5 气田水含量与CO2含量关系Fig.5 Relationship between water content and CO2 content in gas fields

2 考虑地层水蒸发的凝析气藏组分数值模拟方法

2.1 在PVT计算中考虑水组分影响时的凝析水产出控制机制

为了实现随着压力下降水加速向气相间的传质蒸发，需要在组分中考虑水组分的影响[19-23]。本文考虑地层水蒸发的基本控制方程由组分流动方程和总油-水-气相方程(式(1))构成，此时的油-气-水必须满足严格的三相热力学平衡条件(式(2))。储层中气-水的平衡关系不仅仅受组分梯度的控制，还受三维空间上油水-油气毛管力控制，但因为束缚水的存在，三维空间上的气水平衡更为复杂。因此，必须考虑组合形式的数值模拟方法，这需要首先进行考虑地层水蒸发的凝析气PVT测试来建立数值模型中的PVT数据段。建立考虑地层水蒸发的数值模拟PVT数据段时，S.Betté等[11]和Harshil Saradva等[18]的做法是通过不含水组分的凝析气PVT测试数据拟合后，再少量添加水组分来建立该数据段。与他们的做法不同，本文通过含水组分的PVT测试结果直接拟合实验数据得到，二者差别明显。

(1)

(2)

为了建立含水组分的PVT流体数据，本文对崖城13-1的原始凝析气样品进行了含水汽的PVT实验，实验流程图如图1所示。测试发现崖城13-1原始凝析气样品中饱和水组分的含量达到2%以上(表1)，部分井凝析气样品中水组分的含量达到2.97%，在PVT筒中实测表明凝析气中存在水组分的时候还会使体系的露点压力升高0.4～0.5 MPa，测试和对比偏差因子Z表明，含水组分的凝析气体系的Z因子比不考虑含水组分的凝析气体系的Z因子高(图6)。这显然与高温凝析气相中水组分在地面基本上为液相直接相关，导致地层温度压力下，在同样体积的不含水组分凝析气和含水组分凝析气闪蒸到地面后的气相体积前者比后者要小。同时测得的地层条件下的反凝析液量也具有明显的差别(图7)。

表1 含水汽与不含水汽凝析气组分Table 1 Water vapor and water vapor-free condensate components

图6 A8含水组分和不含水组分凝析气实测Z因子对比Fig.6 Comparison of measured Z-factor of condensate gas with and without water content in A8

图7 A8井含水汽与不含水汽体系反凝析液量变化Fig.7 Change of reverse condensate in water vapor and water vapor free system in well A8

2.2 考虑地层水蒸发的高温凝析气藏数值模拟

以较为常用的Eclipse软件为基础，使用本文所建立的含水组分的数值模型进行模拟，其在Eclipse中的使用方法如下。

第1步：采用含水组分凝析气PVT实验开展PVT拟合研究，给出合理的含水组分的凝析气的状态方程参数，修改PVT数据段，并在相渗曲线段给出油-气-水三相的相渗曲线毛管压力，用产层中部平均组分进行凝析气初始化，并选择凝析气组分模拟选项进行历史拟合和模拟计算。

第2步：要在数值模拟中实现地层水蒸发，则需建立一个完整的气水传质模型。在实际地层中，水组分的传质是随深度变化的。首先采用组分梯度的方法，利用垂向热值方法计算高温凝析气藏含水组分的凝析气组分梯度，并注意修改水组分和其他烃类组分的交互作用系数，调整组分梯度以其气水界面以上平均组成和PVT测试一致来判断气柱组分平衡，并获得纯气水界面附近的气体组成以及气水界面以下水相组成。这样就能体现从气水界面以上各储层中与水充分平衡的气相组成。因此考虑水组分影响的组分数值模拟模型就变成了凝析油-含水汽天然气-地层水平衡的多相平衡模型，水不再是独立相，和凝析气烃组分之间存在完整的相间传质了，符合式(1)的控制原理；此外，油、气、水三相的相对渗透率需要采用原地动态相渗测试结果，从而实现考虑水气之间存在传质的组分数值模拟方法。

3 实例应用效果评价

以崖城13-1高温凝析气藏为例，阐述水气相间传质的数值模型的模拟效果。崖城13-1气藏主力产层陵三段中深-3 810 m、温度176 ℃。优选处于气藏构造最高部位不产地层水的A1井进行模拟，生产曲线显示，在生产后期该井水气比持续升高(图8)。

图8 A1井的生产曲线Fig.8 Production curve of Well A1

在Eclipse中进行第1步模拟，所得凝析水模拟结果与文献[19]类似，即凝析水的产量逐渐减少(图9)。第2步则是使用考虑水气相间传质模型来模拟凝析水的产出，结果为凝析水产量逐渐增加，且与历史产水量拟合程度很好(图10)，符合生产实际。

对产出气相中的水组分含量进行了对比，结果表明，常规组分数值模拟气相中水组分含量基本没有变化，与初始化时输入的组分含量相同；而考虑地层水蒸发时的高温凝析气藏数值模拟产出井流物中，气态水组分含量明显随地层压力降低而升高，特别是低压阶段升高较快(图11)，这与实验结果和国内外的认识一致，说明本文模拟方法可以较好地模拟高温凝析气藏地层水蒸发。

图9 A1井水为独立相时考虑凝析气中含水组分的凝析水模拟结果Fig.9 Condensate simulation results considering water bearing components in condensate gas when Well A1 water is independent phase

图10 A1井水和凝析气相存在相间传质的地层水蒸发模拟结果Fig.10 Simulation results of formation water evaporation with interphase mass transfer between Well A1 water and condensate gas phase

图11 A1井两种模拟方法产出气相井流物中水组分含量随地层压力下降对比Fig.11 Comparison of water component content of gas phase well fluid produced by two simul ation methods of Well A1 with the decrease of formation pressure

4 结论

1) 在PVT实验中，始终与水接触的凝析气PVT性质测试可以得到更为准确的含水凝析气PVT数据，在考虑气水传质的数值模型中使用该数据建立流体模型更接近真实地层流体。

2) 本文考虑水蒸发的数值模拟模型中有完整的油-气-水传质，实现了随压力降低地层水的蒸发过程模拟，并获得了较好的凝析水产出预测结果，对海上高温气田生产具有指导作用。