凝析、低滲氣藏流體相態(tài)與滲流機(jī)理

前言

早在2000多年前的漢朝時(shí)期，我們的老祖先就在四川自流井（今自貢市）鉆鑿深達(dá)1000m的直井，開采地下天然氣和鹵水，用天然氣熬鹵水，精制出質(zhì)量很好的食鹽，18世紀(jì)中葉這種天然氣鹽化工業(yè)曾經(jīng)非常發(fā)達(dá)。我國(guó)是世界上開發(fā)利用天然氣最早的國(guó)家。新中國(guó)成立后，在中國(guó)共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)石油和天然氣工業(yè)獲得飛速發(fā)展，油氣勘探開發(fā)的理論和技術(shù)以及儲(chǔ)量和產(chǎn)量都達(dá)到了較高水平。2009年全國(guó)天然氣年產(chǎn)量已達(dá)870×10。m。，居世界第六位。天然氣是一種清潔的環(huán)保能源，國(guó)家對(duì)大力發(fā)展天然氣工業(yè)非常重視。近些年來，我國(guó)已在塔里木盆地、四川盆地、陜甘寧盆地及海上發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量豐富的大型、特大型氣田和凝析氣田，其中在塔里木盆地、渤海灣地區(qū)以及海上的深部地層發(fā)現(xiàn)了高壓一超高壓高溫凝析氣藏和低滲透氣藏。今后會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的天然氣藏和凝析氣藏，其儲(chǔ)量和產(chǎn)量必將快速增長(zhǎng)，我國(guó)的天然氣工業(yè)將步人相應(yīng)的快速發(fā)展時(shí)期。我國(guó)的高壓一超高壓高溫凝析氣藏流體的特點(diǎn)是凝析液組成中有高含量的高碳數(shù)烴（其中包括重凝析烴和蠟組分）。在氣藏開發(fā)過程中，儲(chǔ)層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的氣一液一固多相的相態(tài)變化、變相態(tài)滲流和固相沉積等特征。高壓低滲透和特低滲透氣藏儲(chǔ)集巖具有復(fù)雜的孔喉結(jié)構(gòu)，在開發(fā)過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的儲(chǔ)集巖變形及耦合滲流特征。這些因素對(duì)流體滲流過程和氣田開發(fā)效果影響較大。這類氣田開發(fā)面臨著相當(dāng)復(fù)雜的、國(guó)內(nèi)外尚未較好解決的理論問題及技術(shù)難題。為此，2001年以趙文智教授和劉文匯研究員為首席科學(xué)家的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目“高效天然氣藏形成分布與凝析、低效氣藏經(jīng)濟(jì)開發(fā)的基礎(chǔ)研究”中，設(shè)立了“氣一液一固復(fù)雜相變及滲流理論研究”課題。該課題聚集了中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院和有關(guān)院校的中青年科技專家，在課題長(zhǎng)胡永樂教授的組織、領(lǐng)導(dǎo)和親自參加下，進(jìn)行了深入研究，獲得了較大進(jìn)展。他們?cè)谖覈?guó)首先較系統(tǒng)地研究了深層高壓一超高壓高溫凝析氣藏流體在原始狀態(tài)、降壓開采及注氣保持地層壓力開采等條件下的氣一液一固三相相態(tài)變化規(guī)律、機(jī)理和數(shù)學(xué)模型；針對(duì)我國(guó)低滲一特低滲氣藏巖性特征，較系統(tǒng)地研究了非達(dá)西滲流、滑脫效應(yīng)、壓敏效應(yīng)、啟動(dòng)壓力梯度、高含水飽和度等因素對(duì)氣體滲流的影響規(guī)律、機(jī)理和數(shù)學(xué)模型；研究了上覆巖層壓力引起氣層變形和氣層參數(shù)變化的理論；還研究了氣體滲流過程中固體顆粒運(yùn)移的流固耦合理論模型及最佳流速等。他們的研究已取得可喜的進(jìn)展，其中凝析氣氣一液一固三相相態(tài)理論有很好的理論創(chuàng)新意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已應(yīng)用于氣田開發(fā)實(shí)際并取得了效果和效益。他們?cè)诳茖W(xué)研究中的努力進(jìn)取、奮發(fā)創(chuàng)新、相互學(xué)習(xí)、團(tuán)結(jié)合作，獲得了出成果、出人才的回報(bào)?，F(xiàn)在他們將成果的一部分編輯出版，我非常樂意推薦他們的這一著作。

內(nèi)容概要

本書內(nèi)容共分5章，主要介紹：流體相態(tài)基本概念、凝析氣藏開發(fā)過程中流體相態(tài)變化特征、高溫高壓高含蠟?zāi)鰵饨祲哼^程中氣一液一固三相實(shí)驗(yàn)及理論分析；凝析氣在長(zhǎng)巖心實(shí)驗(yàn)裝置和微觀多孔介質(zhì)物理模型中相態(tài)變化、液相聚集機(jī)理實(shí)驗(yàn)及其基本數(shù)學(xué)模型；凝析氣在高溫高壓條件下通過多孔介質(zhì)的滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)及其數(shù)學(xué)模型分析；低滲透氣藏開采過程中動(dòng)態(tài)特征，啟動(dòng)壓力梯度、滑脫效應(yīng)、壓敏效應(yīng)、高含水飽和度、大壓差開采等對(duì)氣體滲流影響分析；氣層受上覆巖層壓力作用產(chǎn)生變形特性的理論等?！　”緯晒└叩仍盒?、研究院及生產(chǎn)單位有關(guān)專業(yè)人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

序前言第一章 凝析氣藏流體相態(tài)特征　第一節(jié) 凝析氣藏流體相態(tài)特征概述　第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外凝析氣研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)　　一、凝析氣藏流體相態(tài)實(shí)驗(yàn)　　二、多組分氣液平衡理論研究　　三、多孔介質(zhì)中流體相態(tài)　第三節(jié) 關(guān)于物質(zhì)相態(tài)的基本概念　　一、物質(zhì)相態(tài)的基本概念　　二、單組分相態(tài)　　三、二組分相態(tài)　　四、三組分相態(tài)　　五、四組分相態(tài)　　六、多組分油氣藏流體相態(tài)　第四節(jié) 凝析氣相態(tài)特征和“反凝析”、“反蒸發(fā)”概念　第五節(jié) 臨界態(tài)一近臨界態(tài)流體相態(tài)特征　　一、臨界態(tài)一近臨界態(tài)流體研究概況　　二、油氣藏流體臨界態(tài)一近臨界態(tài)異常相態(tài)特性　　三、近臨界態(tài)流體相態(tài)急劇變化特征　　四、臨界態(tài)一近臨界態(tài)凝析氣藏流體異常的相態(tài)變化特征　　五、近臨界態(tài)凝析氣藏流體組成梯度和反常露點(diǎn)變化特征　　六、近臨界態(tài)凝析氣藏取樣　第六節(jié) 高壓高溫凝析氣藏流體相態(tài)特性研究　　一、目前高壓高溫凝析氣相態(tài)研究概況　　二、凝析氣一水相態(tài)特征　　三、高壓高溫條件下流體“反Joule Thomson效應(yīng)”特性　　四、高壓高溫高含蠟?zāi)鰵獠亓黧w相態(tài)實(shí)驗(yàn)研究　　五、高壓高溫高含蠟?zāi)鰵夂銣氐热菟ソ呦鄳B(tài)特征研究　　六、高含蠟?zāi)鰵獠刈膺^程中混合流體露點(diǎn)壓力變化　第七節(jié) 高壓高溫高含蠟?zāi)鰵獾臍庖灰阂还倘嘞鄳B(tài)研究　　一、固相析出微觀原理試驗(yàn)　　二、氣一固相態(tài)變化特征　　三、氣一液一固相態(tài)變化的壓力一溫度相圖　　四、固相沉積的理論解釋及固相蠟結(jié)構(gòu)研究　　五、開采過程中固相沉積對(duì)井生產(chǎn)的影響問題　第八節(jié) 高壓高溫高含固相組分的儲(chǔ)層流體取樣、實(shí)驗(yàn)及科研問題　參考文獻(xiàn)第二章 多孔介質(zhì)中凝析氣相態(tài)變化影響因素及滲流機(jī)理　第一節(jié) 國(guó)內(nèi)外多孔介質(zhì)中凝析氣相態(tài)變化研究現(xiàn)狀　　一、國(guó)外研究現(xiàn)狀　　二、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀　　三、發(fā)展趨勢(shì)　第二節(jié) 長(zhǎng)巖心和PVT筒聯(lián)合裝置中模擬凝析氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)　　一、實(shí)驗(yàn)原理和流程　　二、相態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)施準(zhǔn)備　　三、建立壓力系統(tǒng)并飽和巖心　　四、模擬凝析氣同步衰竭相態(tài)實(shí)驗(yàn)　第三節(jié) 微觀多孔介質(zhì)模型中模擬凝析氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)　　一、微觀多孔介質(zhì)模型中模擬凝析氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)　　二、微觀孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的凝析氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)圖像分析　　三、微觀可視夾珠模型凝析氣相態(tài)實(shí)驗(yàn)圖像分析　第四節(jié) 孔隙結(jié)構(gòu)中凝析氣相態(tài)計(jì)算　　一、孔隙結(jié)構(gòu)中凝析氣相態(tài)計(jì)算數(shù)學(xué)模型　　二、計(jì)算實(shí)例和分析　參考文獻(xiàn)第三章 伴隨相態(tài)變化的氣液滲流規(guī)律　第一節(jié) 凝析氣藏變相態(tài)滲流力學(xué)研究進(jìn)展　　一、凝析氣液流動(dòng)機(jī)理　　二、凝析氣藏中凝析氣液相對(duì)滲透率的影響因素　　三、凝析氣井產(chǎn)能計(jì)算　　四、現(xiàn)有理論認(rèn)識(shí)的局限性　　五、研究方向　第二節(jié) 高溫高壓下多孔介質(zhì)中凝析氣、液變相態(tài)滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)　第三節(jié) 多孔介質(zhì)中伴隨氣液相態(tài)變化的滲流規(guī)律　　一、伴有相態(tài)變化過程的氣液兩相滲流機(jī)理　　二、伴隨氣液相態(tài)變化的滲流方程的建立　第四節(jié) 凝析氣井開采時(shí)產(chǎn)層中凝析液聚集、分布及滲流規(guī)律　　一、凝析氣井開采時(shí)產(chǎn)層中凝析液聚集與分布規(guī)律　　二、多孔介質(zhì)中伴有相變過程的多相流一固一熱耦合滲流數(shù)學(xué)模型　第五節(jié) 揮發(fā)性油藏流體滲流機(jī)理　　一、揮發(fā)性油藏流體氣液兩相隨壓力變化的滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)　　二、含水揮發(fā)性油藏降壓開采及水驅(qū)滲流微觀模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析　參考文獻(xiàn)第四章 低滲透氣藏滲流特征　第一節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀　　一、研究歷史　　二、近期理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展　第二節(jié) 低滲透氣藏主要特征　　一、低滲透氣藏儲(chǔ)層性質(zhì)及其動(dòng)態(tài)主要特征　　二、低滲透氣藏的滲流特征　第三節(jié) 壓敏效應(yīng)實(shí)驗(yàn)資料分析　　一、孔隙體積和孔隙度隨凈圍壓的變化　　二、空氣滲透率和克氏滲透率隨凈圍壓的變化特征　　三、巖石壓縮系數(shù)隨凈圍壓的變化　第四節(jié) 含水飽和度對(duì)氣體滲流影響的實(shí)驗(yàn)研究　　一、低滲透巖心氣體滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果　　二、井底積液對(duì)氣體滲流的影響　第五節(jié) 低滲透巖心低速氣流啟動(dòng)壓差實(shí)驗(yàn)　　一、氣體通過低滲透巖心確定啟動(dòng)壓差實(shí)驗(yàn)　　二、實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)壓力梯度的計(jì)算　　三、啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系　　四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適用性　第六節(jié) 低滲透氣藏考慮滑脫效應(yīng)氣體滲流數(shù)學(xué)模型　　一、滑脫效應(yīng)機(jī)理數(shù)學(xué)模型　　二、考慮低滲氣藏滑脫效應(yīng)非達(dá)西滲流機(jī)理數(shù)學(xué)模型　參考文獻(xiàn)第五章 巖石變形特性及其滲流規(guī)律　第一節(jié) 概述　第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀　　一、國(guó)外變形介質(zhì)儲(chǔ)層滲流力學(xué)理論研究的發(fā)展　　二、國(guó)內(nèi)變形介質(zhì)儲(chǔ)層滲流力學(xué)理論研究的發(fā)展i　　三、變形介質(zhì)氣藏滲流理論研究的現(xiàn)狀　　四、現(xiàn)有研究的局限性　第三節(jié) 變形介質(zhì)氣藏的變形實(shí)驗(yàn)　　一、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法　　二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果　第四節(jié) 多孔介質(zhì)變形特性的理論　　一、多孔介質(zhì)的孔隙性及孔隙結(jié)構(gòu)特征　　二、變形介質(zhì)儲(chǔ)層巖石的變形特性理論研究　　三、多孔介質(zhì)孔隙的彈性理論及力學(xué)模型　第五節(jié) 變形介質(zhì)對(duì)巖石特性參數(shù)的影響　　一、壓力變化對(duì)孔隙含水飽和度影響的理論分析　　二、應(yīng)力與毛管壓力之間的關(guān)系研究　第六節(jié) 含固相顆粒的氣層顆粒運(yùn)移模型建立與求解　　一、孔隙中顆粒的懸浮速度研究　　二、不規(guī)則顆粒及顆粒群懸浮速度　　三、固體、氣體速度比的理論分析與運(yùn)用　　四、升力系數(shù)的研究　　五、混合比的研究　　六、地層氣流臨界速度模型的建立與求解　　七、開發(fā)過程中地層流體最佳流速研究　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：前面進(jìn)行了長(zhǎng)巖心和PVT筒內(nèi)同時(shí)模擬凝析氣排氣降壓衰竭實(shí)驗(yàn)，微觀可視孔隙網(wǎng)絡(luò)模型和微觀可視夾珠模型分別開展模擬凝析氣降溫降壓和反向升溫升壓實(shí)驗(yàn)。這些試驗(yàn)結(jié)果提供的結(jié)論性認(rèn)識(shí)為：（1）對(duì)比孔隙介質(zhì)中實(shí)測(cè)的模擬凝析氣露點(diǎn)壓力比PVT筒內(nèi)高，滲透率越低或孔隙半徑越小的多孔介質(zhì)露點(diǎn)壓力越高。（2）當(dāng)體系壓力降至露點(diǎn)壓力以下延續(xù)降壓過程中，凝析液首先在孔隙表面形成液相薄膜，隨后在孔隙喉道和最小半徑孔隙中凝聚，并逐漸形成帶彎月面的液柱。（3）隨著降壓，凝析液量增多，這種動(dòng)態(tài)逐漸向較大孔隙擴(kuò)展，直至孔隙中被凝析液聚集、充填及毛管之間匯聚。（4）在大孔隙中凝析液聚集在孔壁周圍，形成液包氣。2）多孔介質(zhì)中模擬凝析氣相態(tài)隨溫度、壓力變化的理論分析儲(chǔ)集層多孔介質(zhì)具有顆粒細(xì)、孔隙小、比面積（單位多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙內(nèi)表面積）巨大，流體與儲(chǔ)層介質(zhì)問存在多種界面等特點(diǎn)。多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，儲(chǔ)存空間主要由各種不同大小孔隙和復(fù)雜彎曲度孔道及細(xì)小喉道組成。固體與流體物質(zhì)之間的分子引力作用，使物質(zhì)表面具有表面能。多孔介質(zhì)表面相對(duì)來說是一種低能表面。表面能越低，孔隙壁面的吸附力越大。吸附能力強(qiáng)弱與多孔介質(zhì)比表面、孔喉大小和形狀、壓力和溫度等有關(guān)。由于巖心孔隙比表面積巨大，因而吸附力也大?？紫侗砻娴奈搅?，首先對(duì)質(zhì)量大的重?zé)N引力較大，最容易被壁面吸附。在體系壓力高于露點(diǎn)壓力時(shí)，孔隙介質(zhì)壁面形成重?zé)N占優(yōu)的蒸汽吸附膜，并隨相對(duì)壓力（相對(duì)于飽和壓力）增加吸附膜增厚。由于孔隙壁面附近重?zé)N含量高，遠(yuǎn)離部分較低，因此平衡狀態(tài)下凝析氣組分處于非均勻分布，靠近孔隙壁面附近的重?zé)N容易在較高壓力下凝析為液相。而PVT筒中模擬凝析氣組分比較均勻分布，所以多孔介質(zhì)中模擬凝析氣露點(diǎn)壓力比PVT筒中露點(diǎn)壓力高。當(dāng)體系壓力低于露點(diǎn)壓力時(shí)，蒸汽吸附膜重?zé)N凝析為表面液膜。液體界面張力和毛管力隨之起作用。隨著壓力持續(xù)下降凝析液逐漸增多時(shí)，毛管力作用使更多重?zé)N轉(zhuǎn)移到液相中，導(dǎo)致液柱升高和形成彎液面，以及氣、液相組成和各組分的逸度產(chǎn)生差異。由于多孔介質(zhì)孔隙半徑越小和滲透率越低，孔隙比面積越大，吸附力和毛管力也越大，所以小孔隙、低滲透巖心內(nèi)模擬凝析氣露點(diǎn)壓力比大孔隙、較高滲透率巖心及PVT筒中凝析氣露點(diǎn)壓力更高。同時(shí)說明降壓過程中小孔隙、低滲透巖心內(nèi)模擬凝析氣最早到達(dá)露點(diǎn)壓力和形成凝析液，也最早凝析液增多、聚集、充填。顯然，凝析液形成、聚集、填充的順序是從小孔隙、低滲透到中孔隙、中滲透再到大孔隙、高滲透逐漸擴(kuò)展及匯聚。最后，在大孔隙內(nèi)氣、液兩相形成液包氣平衡狀態(tài)。

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