凝析气藏流体相态特征及影响因素

肖胜东¹

（1.大陆动力学国家重点实验室（西北大学），西安  710069；

2.西北大学   地质学系，西安 710069）

摘要：随着深层油气勘探的不断深入，国内外深部地层中发现了相当数量的凝析气藏，而凝析气藏研究的难点在于：油气藏中的烃类流体相态呈现出复杂多样的特征。这种复杂多变的油气相态，对凝析气藏的勘探与开发、资源预测等都带来了诸多困难，故查明油气相态的成因机制与分布规律，预测油气相态，已成为油气地质理论研究亟待解决的重要问题。近年来，国内学者针对塔里木盆地和渤海湾盆地凝析气藏，初步探索了油气相态的多样性和成因的复杂性，提出了多套烃源岩的发育、多期油气的充注以及成藏后圈闭的多次调整、改造甚至破坏是导致油气相态复杂多样的观点。国外研究认为烃类的化学组分、温度和压力系统是形成油气藏相态多样性的关键因素。许多学者通过大量实验研究了凝析油的临界点、临界饱和度、偏差因子和近临界条件下烃类流体的相态变化，以及多孔介质对流体相态特征的影响，为流体相态研究奠定理论基础。

关键词：凝析气藏、相态特征、P-T相图、流体组成

Phase behavior characteristics and influencing factors

 of condensate gas reservoirs

Xiao Sheng dong¹

(1. State Key Laboratory for Continental Dynamics (Northwest University), Xi' an,

Shaanxi 710069, China; 2.Department of Geology, Northwest University, Xi' an, Shaanxi 710069, China)

Abstract: With the deepening of deep oil and gas exploration, a considerable number of condensate gas reservoirs have been discovered in deep strata at home and abroad. The difficulty in the study of condensate gas reservoirs is that the hydrocarbon fluid phase in oil and gas reservoirs presents complex and diverse feature. This complex and variable oil gas phase brings many difficulties to the exploration and development of condensate gas reservoirs and resource prediction. Therefore, it is found that the formation mechanism and distribution law of oil gas phase state and the prediction of oil gas phase have become important issues to be solved in the study of oil and gas geology. In recent years, domestic scholars have explored the diversity and genetic complexity of oil gas phase in the Tarim Basin and the Bohai Bay Basin condensate gas reservoirs, and proposed the development of multiple sets of source rocks, multi-phase oil and gas filling and formation. The multiple adjustments, transformations and even destruction of traps in the post-Tibet traps are the result of the complexity and diversity of the gas phase. Foreign studies have suggested that the chemical composition, temperature and pressure system of hydrocarbons are the key factors for the formation of reservoirs. Many scholars have studied the critical point of critical condensate, critical saturation, bias factor and phase change of hydrocarbon fluid under near-critical conditions, and the influence of porous media on fluid phase behavior, which lays a foundation for fluid phase study.

Key words: condensate gas reservoir; phase characteristics; P-T phase diagram; fluid composition

凝析气藏是一种介于油藏和气藏之间的特殊烃类流体矿藏，它的特殊之处在于：气藏烃类流体在地层温度、压力条件下以气态存在；当压力降到某一界限以下时，气态混合物中会析出液态油。这种现象和一般情况相反，一般气态物质( 如水蒸气) 只有在压力升高或温度降低时才能凝聚成液体，因此，把这种现象称为“反凝析现象”，其凝析物称为凝析油，这种气藏称为凝析气藏^[1-3]（杨海军2013；周兴熙，1996；李小地，1998）。

随着油气勘探工作的日益深入，勘探向深层领域延伸已成为必然趋势（张水昌，2009）。而近年来，在塔里木、四川和渤海湾等盆地的深层勘探领域发现了一批凝析气藏^[4-5]。凝析气田在世界气田开发中占有重要的地位，据不完全统计，地质储量超过1×10¹²m³的巨型气田中凝析气田占68%，在储量超过1000×10⁸m³的大型气田中则占56%。因此，凝析气藏具有美好的勘探前景和重要的经济价值^[6-7]。但是在开发过程中，随着压力的降低，烃类流体会发生复杂的相态变化，呈现出油、气两相。数十年来，人们积累了大量凝析气相态特征知识，促进了凝析气藏开发方式的优化，在油气藏类型的判别、储量计算、衰竭式开发凝析气田时估算凝析油的损失量等方面都有应用。因此，凝析气藏流体相态的研究，不仅能认清凝析油的形成、分布及流动规律，还可以为凝析气藏的开发方式和正确预测资源量提供可靠的理论基础。

1凝析气藏流体相态特征

1.1凝析气藏流体组分特征

以TZ凝析气田为例^[8]，将地层流体组成按C₁+N₂、C₂～C₆+CO₂、C₇₊划分为三个拟组分，绘制地层流体三元组成三角图（图1），其烃类组成分布特征表现为：①、轻组分摩尔含量高，一般为60%~90%，中间组分摩尔含量一般为20%~30%，重组分C₇₊含量低，一般小于10%。②、流体性质呈现出凝析油密度和粘度低，气油比、体积系数和饱和压力高的“两低三高”特点。

图1 TZ油田凝析气三元组成示意图

1.2凝析气藏流体相图特征

综合前人的研究，认为形成凝析气藏必须具备两个条件^[9-11]：（1）地层温度介于烃类流体的临界温度和临界凝析温度（C_T）之间，地层压力大于该温度时的露点压力；（2）烃类中的气相含量超过液相，为液相反凝析于气相创造条件，这是次生凝析气藏形成的主要方式。

如凝析气藏P-T相图（图2）所示，凝析气藏原始状态（A）的温度介于临界温度与临界凝析温度之间，压力位于相包络线之外，原始状态下烃类体系以单相气体存在。随着凝析气藏的开采，气藏压力由A降低到露点压力B时，无相态变化；从B到D，压力降低体系中液相量逐渐增加；从D到E点，压力继续降低，由于蒸发作用体系中液相量又逐渐降低。随着压力继续下降，低于E点时，凝析液将全部蒸发为气相。

图2 凝析气藏P—T相图

2凝析气藏流体相态影响因素

2.1温、压系统对凝析气藏流体相态的影响

由上述凝析气藏相态特征不难看出，温度和压力是控制流体相态的重要因素。临界温度和临界凝析温度之间的区间，称为凝析温度区间。在该温度区间内，若地层压力大于露点压力，则呈凝析气单相；地层压力小于露点压力，则呈凝析气和凝析油两相（图2）。温、压系统的变化，会使烃类体系在一定区间内相态的平衡发生改变，使其既可能变为油藏又可变为纯气藏^[12]。侯大力通过凝析气藏烃类流体的PVT实验，结合气体状态方程和气液相平衡理论模拟，研究认为随着体系压力的降低，相包络线逐渐向右下移，临界温度和临界凝析温度逐渐升高，当临界温度大于地层温度后，凝析气藏系统转变为挥发油藏系统^[13-14]（图3）。

图3 不同压力条件下地层流体P-T相图

杨德彬等^[7]，根据凝析气藏不同的成因机理，提出了原生凝析气藏和次生凝析气藏形成的概念模式。原生凝析气藏是指有机质热演化直接生成的凝析油气，并且以凝析气相运移进入圈闭中聚集成藏。此时，圈闭地层温度介于临界凝析温度区间，地层压力大于烃类体系在该温度下的露点压力（图4a）。随着凝析气向上部圈闭运移，地层的温度和压力逐渐降低，当压力低于烃类体系的露点压力时，开始析出凝析油，此时形成带油环的凝析气藏（a2）；凝析气继续向上运移，进入两相区，地层压力小于该烃体系的露点压力，凝析气分离为气、液两相进入上部圈闭，聚集成为带凝析气顶的油藏（a3）；随着凝析气向更浅的圈闭运移，当地层压力、温度小于露点压力和临界温度时，则形成带气顶的正常油藏（a4）。这样由于烃类向浅部圈闭运移或者圈闭构造抬升，就形成了一个从深部至浅部，在一个连续圈闭中由凝析气藏     油藏的相态分布模式。

 次生凝析气藏是指油藏经过后期改造而形成的凝析气藏。早期形成的油藏，随着埋深的不断增加，地层温度、压力也相应增大，烃源岩达到高成熟阶段，进入生气门限，开始大量生成天然气。天然气进入油藏会在该圈闭中形成气顶（图4b），随着埋深的增大，当地层温度大于临界温度时，压力继续增大，原油中的一些轻质组分会反溶于天然气中，形成带凝析气顶的油藏（b2）；埋深继续增加，地温升高使原油发生裂解生成原油裂解气，与烃源岩生成的天然气共同供给油藏。随着供给量的增大和地层压力大于该烃类体系的露点压力，更多的原油会反溶于天然气中，形成底部带有油环的凝析气藏（b3）；随着地层温度、压力的继续增大，当天然气供给量继续增大至足以溶解所有原油，或圈闭幅度不具备保留油环的条件，则形成纯凝析气藏（b4）。

2.2烃类组分对凝析气藏流体相态的影响

诸多研究表明，烃类组分从根本上控制着凝析气藏的相态特征，烃类组分的变化会使该流体的临界温度和临界压力发生改变^[15-17]。凝析气藏烃类组成主要包括气态烃、液态烃和非烃，由于液态烃的组分十分复杂，难以完全鉴别分离，因此为了简化相态模拟计算往往将这一部分视作一个整体拟组分（C₇₊）。气态烃的组分包含有甲烷和重烃气（C₂—C₆）两部分；非烃组分较为复杂，主要包括水、CO₂、N₂、H₂S等，但是普遍认为对流体相态影响最为重要的是CO₂。

实验模拟表明，随着流体组分中甲烷含量的上升，凝析气包络线逐渐上移，饱和压力稍有增大，但临界温度和临界压力都大幅降低。随着流体组分中湿气含量的增多，凝析气流体饱和压力随之降低，同时最大凝析温度也在逐渐降低，临界点位置变化不大，总体也表现为随湿气含量增多临界温度升高而临界压力降低的趋势。随着流体组成中液态烃（C₇₊）含量的逐渐增多，饱和压力逐渐降低，而最大凝析温度增大。临界点受C₇₊组分变化的影响特别明显，随着液态烃含量的增多，临界温度和临界压力都会明显上升，与甲烷含量上升时造成的影响相反。随着组分中CO₂含量的上升，凝析气饱和压力轻微降低，最大凝析温度基本不变，而临界温度和压力都有下降，且临界压力下降显著而临界温度降低不明显^{[18-19 ]}。

2.3多孔介质对凝析气藏流体相态的影响

多孔介质中凝析气藏流体的渗流特性，与一般的气-液两相渗流有所不同。国内外学者在多孔介质对烃类体系相平衡规律的影响方面，做了大量的探索，得出多孔介质将使流体露点压力升高等结论^[20]。与此同时，也研究了多孔介质中润湿性、毛管力等对相平衡的影响。Lee建立了描述多孔介质中毛管力、重力对储层流体PVT特性和相平衡特性影响的理论通用公式(1991)，经分析得出结论：对常规实验室填砂模型，毛管力对烃类PVT特性和气-液相平衡的影响可不予考虑，但对储层多孔介质而言，由于界面曲率较大，毛管力的影响则不能忽略，它使得露点升高、气-液平衡组成发生变化等。

国内，郭平在常规相态分析的基础上,提出了考虑多孔介质毛管力对相态影响的理论模型^[21]。通过分析得出：亲油岩石使烃类上露点上升，下露点下降，泡点也下降。而憎油岩石则刚好相反，且影响程度随靠近临界点和孔径增大而减小。

总之，在实验测试方面，国内需要发展能测试真实岩心中凝析油气混合物相态的精密仪器，用于确定多孔介质是否对烃类体系相平衡规律存在影响；需要研发测试凝析油和多孔介质界面吸附的液-固吸附仪，测定凝析油和多孔介质的吸附作用。在理论研究方面，多孔介质中烃类流体相平衡规律的研究，直接关系到凝析油气的渗流规律和相态测试理论与方法，故对它的研究具有重要意义。

3凝析气藏流体相态研究存在的问题

针对凝析油气流体相态的研究现状，作者认为存在以下几个方面的难点问题有待进一步的深入探讨。

2.1高温高压凝析油气流体相态研究

（1）高温高压下地层流体的偏差系数很大(Z>2.0)，超出工业界常用典型图版的范围(Z≤1.7)，而偏差系数是气藏储量评价和气藏工程计算中十分重要的基础参数。如何建立适合于区块特点的偏差系数计算模型还有待研究。

（2）凝析油气具有许多特殊的物理特性，如高温高压下表现出气液界面张力很低和近临界流体特性等。以前对于这些现象研究较少，需要用新的实验技术对流体性质进行详细研究，如在线测定平衡相组成、界面张力、黏度和密度等。

（3）高温高压下，水在烃类气相的溶解度增大，其含量将不容忽视。水蒸汽对凝析气相态有何影响需要深人开展烃—水体系相态特征研究。这需要在热力学模型上寻求突破，建立一套适应烃—水体系相态特征的热力学模型。

2.2高温高压凝析气藏综合开发技术

（1）凝析气藏开发方式的探索。近年来国外对凝析气藏开发方式进行了大量研究，如注水、水气交替、段塞驱、注烃或非烃气、注空气等，研究表明注水、水气交替均会明显提高气藏凝析油的采收率。因此，探索开发凝析气藏方式有重要的实际意义和经济效益。

（2）凝析气藏开发一体化数值模拟研究。一体化数值模拟研究和软件开发是目前国内外油气田开发研究中的热点和难点课题。

4研究发展趋势

（1）凝析气藏相态研究的进一步发展将主要包括：高温高压凝析气相态、近临界凝析气相态、气-液-固三相复杂相态、烃-水体系相态、不可逆过程热力学研究等。

（2）凝析气藏的形成机理、主控因素和分布规律的研究，对凝析气田的勘探具有重要的指导意义。

（3）由于各种原因在凝析气藏开发初期未能取得代表性PVT样品等问题，凝析气藏相态恢复理论的研究能较好的解决该问题。

（4）对于凝析气藏中有机固相沉积机理的研究，都没有考虑多孔介质的影响，且很少研究其动态条件下的沉积机理。同时，有机固相沉积对开发动态的影响，以及如何防止有机固相沉积都需要进一步研究。

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