西南石油大天然氣工程講義第7章 氣藏物質(zhì)平衡、儲(chǔ)量計(jì)算及采收率

第七章

氣藏物質(zhì)平衡、儲(chǔ)量計(jì)算及采收率提示

質(zhì)量、能量守恒定律是自然界普遍的、永恒的規(guī)律。物質(zhì)平衡方程普遍被用于各類氣藏的儲(chǔ)量計(jì)算、驅(qū)動(dòng)方式確定和氣藏動(dòng)態(tài)分析等方面。該方程為簡(jiǎn)單的代數(shù)方程，形式雖簡(jiǎn)單，但實(shí)際卻很不簡(jiǎn)單，每個(gè)參數(shù)的確定都得依靠先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和高精度測(cè)試儀表，而且還不能就事論是，還要與氣藏地質(zhì)和開發(fā)特征的深入、正確認(rèn)識(shí)相結(jié)合。本章介紹各類氣藏，甚至包括凝析氣頂油藏的物質(zhì)平衡方程式，在迄今為止見到的文獻(xiàn)中搜集得比較全的。此外還介紹了現(xiàn)行各種計(jì)算儲(chǔ)量的方法，有靜態(tài)的，也有動(dòng)態(tài)的，有全氣藏的，也有單井的，并介紹了與儲(chǔ)量相關(guān)的天然氣可采儲(chǔ)量和采收率。最后，還希望能對(duì)水驅(qū)氣藏、凝析氣藏和低滲透氣藏的提高采收率問題給予更大的關(guān)注。第一節(jié)

氣藏物質(zhì)平衡方法物質(zhì)平衡是用來對(duì)儲(chǔ)層以往和未來動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析的一種油氣藏工程基本方法，它以儲(chǔ)層流體質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的。一般情況下，可以把儲(chǔ)層看做是一個(gè)處于均一壓力下的大儲(chǔ)氣罐。應(yīng)用此方法可分析氣藏開發(fā)動(dòng)態(tài)、開采機(jī)理、原始地質(zhì)儲(chǔ)量和可采儲(chǔ)量。最簡(jiǎn)單的物質(zhì)平衡方程是

(7-1)、、——分別為目前天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量、原始地質(zhì)儲(chǔ)量和目前累積采出氣量，108m3。

由于地下氣藏流體性質(zhì)、儲(chǔ)層物性變化的差別而造成了儲(chǔ)烴孔隙空間和描述方法的差別，下面按不同類型的氣藏進(jìn)行分析。

一、定容氣藏物質(zhì)平衡

假定氣藏沒有連通的邊水、底水或邊、底水很不活躍，即為定容氣藏，將（7-1）式可以改寫為

（7-2）

可將上式改寫為

（7-3）

（7-4）

式中

、——分別指原始?jí)毫湍壳皦毫?，MPa；

、——分別指原始條件下的偏差系數(shù)和目前壓力下的偏差系數(shù)，f；

、——分別指原始條件下和目前壓力下氣體的體積系數(shù),f。從上式可看出，對(duì)于定容氣藏，地層壓力系數(shù)P/Z與累積產(chǎn)氣量成直線關(guān)系，如圖7-1,如將直線外推到，則可得，這就是常用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量計(jì)算的方法。

二、水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡

對(duì)于一個(gè)具有天然氣水驅(qū)作用的不封閉氣藏，隨著氣藏的開發(fā)，將會(huì)引起邊水或底水對(duì)氣藏的入侵。此時(shí)被水侵所占據(jù)的氣藏孔隙體積量加上剩余天然氣所占有的氣藏的孔隙體積量等于氣藏的原始含氣的孔隙體積量，如圖7-2。即有

圖7-1

定容氣藏的壓降和累計(jì)采出量關(guān)系圖

（7-5

）式中

、——分別為累積天然水侵量和累積采出水量，108m3；

w——

地層水的體積系數(shù)。將上式變形有（7-6）另有

（7-7）

（7-8）

、——分別代表地面標(biāo)準(zhǔn)溫度（293.15K）和標(biāo)準(zhǔn)壓力(0.1013MPa)將（7-7）、（7-8）代入式（7-6）有

（7-9）將上式進(jìn)一步變換形式有

（7-10）

圖7-2

水驅(qū)氣藏的物質(zhì)平衡圖

由式（7-10）可知，水驅(qū)氣藏的和之間并不象定容氣藏那樣是直線關(guān)系，如圖7-3，當(dāng)然也不能用外推方法確定氣藏的地質(zhì)儲(chǔ)量，而必須應(yīng)用水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡方程式來求解地質(zhì)儲(chǔ)量。根據(jù)式（7-9）可得天然水驅(qū)對(duì)氣藏的累積水侵量為

（7-11）

氣田開發(fā)怕水，一般有水影響的氣藏采收率會(huì)降低，有時(shí)只能達(dá)到50%左右，若開發(fā)得不好還要低。

三、凝析氣藏的物質(zhì)平衡由于凝析氣藏在壓力降到上露點(diǎn)壓力以下后，會(huì)在地層中析出凝析油，因此，其物質(zhì)平衡方程中必須考慮在壓力低于露點(diǎn)以下形成兩相的情況。我們分常規(guī)凝析氣藏、有水蒸汽的凝析氣藏和高于露點(diǎn)和低于露點(diǎn)的凝析氣藏來分析。

1、常規(guī)凝析氣藏假定初始?jí)毫Ω哂诼饵c(diǎn)壓力，忽略巖石壓縮性、沒有水蒸汽，則有如下的物質(zhì)平衡方程

（7-12）

圖7-3

水驅(qū)氣藏的壓降圖此式中：、——分別為包含折算凝析油的原始地質(zhì)儲(chǔ)量和目前累積采出量，108m3。為凝析油飽和度,還可以將（7-12）式改寫成

（7-13）

從此式中，可以看出，和為一條直線，利用此直線，同樣可以得到GT。如果地層壓力低于露點(diǎn)壓力，或帶油環(huán)的凝析氣藏，則在原始條件下已是氣、液兩相，對(duì)應(yīng)的物質(zhì)平衡方程可寫成（7-14）

式中

、——分別為基于目前氣藏的兩相偏差系數(shù)和原始條件下的兩相偏差系數(shù)對(duì)應(yīng)的體積系數(shù)。將體積系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換則

（7-15）

式中

、——分別為目前氣藏的兩相偏差系數(shù)和原始條件下的兩相偏差系數(shù)。可以看出，和為一條直線，利用此直線同樣可以得到。

2、帶有水蒸汽的凝析氣藏?zé)N類氣相體積烴類液相體積水體積水蒸汽體積巖石變形

烴類體積水體積水蒸汽體積巖石變形

在本節(jié)中我們討論凝析氣中帶有水蒸汽，同時(shí)考慮到凝析氣藏埋藏深度大，有多孔介質(zhì)形變和束縛水的壓縮性問題，開采過程的物質(zhì)平衡關(guān)系見圖7-4。采出物分＞（露點(diǎn)）和＜兩種情況。

原始條件P>Pd

目前條件P>Pd

目前條件P<Pd圖7-4

高壓凝析氣藏開采物質(zhì)平衡圖

假定原始條件下，地層壓力大于露點(diǎn)壓力，則有原始地下儲(chǔ)集空間為（7-16）

式中

、——分別表示在原始條件下水的飽和度和束縛水在氣中的體積分?jǐn)?shù)。1）地層壓力大于露點(diǎn)壓力目前的部分孔隙空間為氣和水所占，因此有烴類體積（7-17）式中

——為目前的孔隙空間體積；

烴類孔隙空間體積（7-18）因此有

（7-19）

由于壓力下降，氣層巖石的形變體積：（7-20）組合（7-16）、（7-19）、（7-20）有（7-21）重組此式有（7-22）

此式還可以寫成（7-23）從上式可看出，和是直線關(guān)系，在處，可確定地質(zhì)儲(chǔ)量。當(dāng)不含水和不考慮巖石的變形時(shí)，則就變成為干氣氣藏的物質(zhì)平衡方程。2）地層壓力小于露點(diǎn)壓力（）同樣，我們可以導(dǎo)出當(dāng)?shù)貙訅毫π∮跁r(shí)的物質(zhì)平衡方程式如下

（7-24）式中

——是目前壓力下凝析油的飽和度。對(duì)應(yīng)的物質(zhì)平衡方程式可寫如下

（7-25）從上式可看出，和GP是直線關(guān)系，在處，可確定地質(zhì)儲(chǔ)量。當(dāng)不含水和不考慮巖石變形時(shí)，則就變成干氣氣藏的物質(zhì)平衡方程。

在應(yīng)用凝析氣藏的物質(zhì)平衡方程時(shí)，需要知道兩相偏差系數(shù)和凝析油的飽和度，這些均需進(jìn)行凝析氣井取樣和實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室分析值還可能與實(shí)際有差別。

3、凝析氣頂油藏（或油環(huán)凝析氣藏）

目前發(fā)現(xiàn)的凝析氣藏中,不少為帶油環(huán)的凝析氣藏,油環(huán)可大可小。此外，還有凝析氣頂油藏，現(xiàn)以它來說明，假定用來表示原始地下自由氣體積與原始地下油的體積之比,開采前后物質(zhì)平衡關(guān)系如圖7-5所示，隨壓力下降,天然氣和水以及油環(huán)等都會(huì)相應(yīng)地膨脹。

1)壓力下降后原油的體積變化

當(dāng)油環(huán)開采一段時(shí)間后體積變化為原始地下油儲(chǔ)量=油環(huán)油采出的體積=

（7-26）剩余油的體積=式中

、——分別為原始油地質(zhì)儲(chǔ)量及采出量,m3、——分別為油的原始體積系數(shù)和時(shí)體積系數(shù)

2)氣頂自由氣的體積變化原始?xì)忭斉c油環(huán)油體積比則原始?xì)忭敋獾叵麦w積

圖7-5凝析氣頂油藏綜合驅(qū)動(dòng)流體分布

在標(biāo)準(zhǔn)條件下時(shí)氣頂剩余體積=原始自由氣及溶解氣-采出的氣-剩余溶解氣

將此式換算為地下體積

開采到時(shí),自由氣產(chǎn)出的地下體積如下:(7-27)式中

、、——分別為自由氣的原始、采出的和剩余的氣體積,(Sm3)；

、、——分別為原始油環(huán)溶解油氣比、采出油生產(chǎn)油氣比和剩余油溶解油氣比，（m3/m3）)；

、——分別為自由氣原始的和開采到時(shí)的氣體積體積系數(shù)。

3）水體體積變化水的地下體積為（地面標(biāo)準(zhǔn)立方米，Sm3）時(shí)累積采水量（地面標(biāo)準(zhǔn)立方米，Sm3）累積產(chǎn)水量=（地下m3）到時(shí)的水侵量=(地下m3)增加的水量

(7-28)根據(jù)物質(zhì)平衡關(guān)系，采出的油量和氣頂氣體積量之和應(yīng)等于增加的水量，因此有

（7-29）

進(jìn)一步整理得

(7-30)假定及，、為總的、或目前的兩相的原油體積系數(shù)。則上式可整理為

（7-31）

因?yàn)椴沙鲇土恐邪◤挠铜h(huán)中采出的油和壓力下降后反凝析出的凝析油。所以，采出的油量須加以修正。（7-32）式中

（7-33）

（7-34）、、——分別為油環(huán)油、凝析油和兩種油的總?cè)债a(chǎn)量，m3/d、——分別為地面綜合氣油比和原油中溶解氣油比，m3/m3——純凝析氣井的日產(chǎn)氣量，m3/d、、——分別為階段總產(chǎn)油量、凝析油產(chǎn)量和原油產(chǎn)量，m3

四、異常高壓氣藏物質(zhì)平衡我們以干氣為例來說明異常高壓氣藏的物質(zhì)平衡方程式，并考慮地層水的壓縮性和巖石的形變，這樣的物質(zhì)平衡式可表示為（7-35）式中左邊為原始儲(chǔ)氣空間，右邊第一項(xiàng)為采出后地層剩余烴類體積，右邊第二項(xiàng)為束縛水體積的膨脹，第三項(xiàng)是巖石骨架體積的膨脹。水的壓縮系數(shù)定義為（7-36）可將此式改寫成；

（7-37）原始的水體積還可寫成

（7-38）根據(jù)（7-36）和（7-37）式有（7-39）類似地巖石形變可表示為（7-40）

平均地層壓縮系數(shù)表示為

（7-41）

同樣可以推出考慮巖石的變形而帶來的孔隙空間的變小量為（7-42）

將式（7-41）、式（7-38）代入式（7-37）即有（7-43）

將（7-42）式進(jìn)行簡(jiǎn)化有（7-44）可將上式轉(zhuǎn)化成

（7-45）或（7-46）

從式中可知，和是一條直線，在處可查得原始儲(chǔ)量。但就來講已不再是一條為直線，圖7-6是一個(gè)異常高壓氣藏實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)曲線，從圖中可看出，有兩個(gè)直線段，第一個(gè)為巖石和流體壓縮性同時(shí)作用，而第二個(gè)直線段則為只有流體壓縮性的情況。圖7-6

典型的異常高壓氣藏雙斜率P/Z-GP線

五、氣藏物質(zhì)平衡方法應(yīng)用中的注意事項(xiàng)氣藏物質(zhì)平衡方法應(yīng)用很廣,應(yīng)用最多的是氣藏靜態(tài)和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量的計(jì)算、氣藏動(dòng)態(tài)分析、氣藏水侵量計(jì)算等方面。但在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意如下問題：

（1）氣藏類型判斷是應(yīng)用此方法的基礎(chǔ)，如果氣藏是水驅(qū)氣藏、異常高壓氣藏還是凝析氣藏等都未弄清楚的話，那是不可能使最后的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

（2）在氣藏物質(zhì)平衡中假定是處于平衡的，但在開采的過程中的每一個(gè)階段，由于地層的非均質(zhì)性和各井處于氣藏構(gòu)造的部位的差異，使得各井壓力測(cè)試的值有一定差異，如何選擇有代表性的井底壓力或根據(jù)已有的各井地層壓力來確定目前全氣藏壓力還有一定難度，平均地層壓力確定方法見文[16]。（3）氣藏應(yīng)用的一些關(guān)鍵參數(shù)是PVT實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，因此在氣藏的開發(fā)初期，取全取準(zhǔn)資料和進(jìn)行PVT參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量是應(yīng)用物質(zhì)平衡法的基礎(chǔ)（×2.8×107m3）圖7-7

壓裂處理前后的儲(chǔ)量變化

（4）盡管水中溶解氣量較小，但在物質(zhì)平衡計(jì)算中都未考慮溶解氣影響，它仍會(huì)給水驅(qū)氣藏的計(jì)算結(jié)果帶來一定的誤差。（5）當(dāng)氣