渤海B 油田膠質(zhì)瀝青沉積規(guī)律研究

石端勝，袁偉杰，王宏申，劉躍忠，王錦林，張志軍，叢越男

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452；2.中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6 作業(yè)公司，天津300450）

渤海B油田主要開發(fā)沙河街組， 膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較高，為5.33%～32.4%，原始地層壓力47 MPa，平均地層壓力30 MPa，油藏溫度120 ℃。隨著油田不斷的生產(chǎn)開發(fā)，地層壓力逐漸下降，在近井地帶及井筒附近膠質(zhì)瀝青質(zhì)容易析出，對油井產(chǎn)能造成嚴(yán)重影響［1-4］。本文利用氣-液-固三相平衡熱力學(xué)方程判別油田膠質(zhì)瀝青沉積析出，由此建立單井徑向流模型，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對膠質(zhì)瀝青沉積規(guī)律進(jìn)行模擬分析和預(yù)測，旨在為油田開展相關(guān)解堵工藝措施提供重要依據(jù)。

1 膠質(zhì)瀝青質(zhì)沉積模擬計(jì)算判別

1.1 模擬計(jì)算目的

通過建立井下油管內(nèi)膠質(zhì)瀝青沉積過程氣-液-固三相平衡熱力學(xué)模型，可以描述溫度、壓力和組成等熱力學(xué)條件對氣-液-固三相相態(tài)的影響，以及在氣-液-固三相相態(tài)轉(zhuǎn)換過程中和在氣-液-固三相平衡時(shí)各組分的變化規(guī)律，以確定膠質(zhì)瀝青沉積物的形成原因及關(guān)鍵因素臨界點(diǎn)［5-7］。

1.2 模擬計(jì)算方法

（1）在求解氣-液-固三相平衡問題時(shí)，采用PR狀態(tài)方程計(jì)算氣-液平衡。

（2）對液-固平衡，將固相視為非理想的固態(tài)溶液，應(yīng)用正規(guī)溶液理論來處理。

（3）用有限的高壓模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸熱力學(xué)模型中的參數(shù)。

（4）原油組分特征化方法采用前面原油族組成分析結(jié)果。

1.3 熱力學(xué)計(jì)算模型

根據(jù)熱力學(xué)相平衡原理，氣、液、固三相的逸度分別表示為：

氣相和液相逸度計(jì)算（PR狀態(tài)方程）：

式中am=a（T）ac

液相逸度計(jì)算（PR狀態(tài)方程）：將上式按壓縮因子Z的形式表示，則有

狀態(tài)方程參數(shù)am和bm可由純組分的相應(yīng)參數(shù)ai和bi按混合規(guī)則求定：

混合物中i組分的逸度系數(shù)的表達(dá)式為：

膠質(zhì)瀝青液相逸度：

固相膠質(zhì)瀝青逸度計(jì)算：

膠質(zhì)瀝青是否發(fā)生沉積的判斷條件是：ln fa≥lnfa*即膠質(zhì)瀝青液相逸度大于瀝青固相逸度， 則膠質(zhì)瀝青發(fā)生沉積；lnfa＜lnfa*即膠質(zhì)瀝青液相逸度小于瀝青固相逸度， 則膠質(zhì)瀝青不發(fā)生沉積；lnfa=lnfa*對應(yīng)于膠質(zhì)瀝青的沉積初始壓力。

1.4 熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

熱力學(xué)模型計(jì)算選取B油田原油組分組成實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行原油組分?jǐn)M特征化，利用熱力學(xué)模型進(jìn)行求解，見表1～3。

表1 B油田原油組分組成實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)

在目前渤海B油田平均地層壓力30 MPa， 油藏溫度120 ℃左右條件下，計(jì)算得出ln fa≤lnfa*，即膠質(zhì)瀝青液相逸度大于膠質(zhì)瀝青固相逸度，則膠質(zhì)瀝青發(fā)生沉積。

表2 原油組分?jǐn)M特征化結(jié)果

表3 膠質(zhì)瀝青沉積條件計(jì)算結(jié)果

2 單井徑向流模型的建立

由熱力學(xué)計(jì)算模型得知B油田膠質(zhì)瀝青液相逸度大于膠質(zhì)瀝青固相逸度，易發(fā)生膠質(zhì)瀝青沉積。開展膠質(zhì)瀝青沉積數(shù)模研究分析［8-10］，結(jié)合近井地帶壓力梯度分布， 得出油井膠質(zhì)瀝青沉積規(guī)律，以及膠質(zhì)瀝青在產(chǎn)層流體流動(dòng)中對產(chǎn)能的影響。

2.1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

運(yùn)用三相平衡原理，當(dāng)油藏條件改變打破平衡時(shí)，便發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生膠質(zhì)瀝青沉積。

式中：Ci為反應(yīng)i的濃度因子；?為孔隙度，%；ρj為j相密度，g/cm3；Sj為j相飽和度，%。 膠質(zhì)瀝青質(zhì)析出反應(yīng)方程式平衡常數(shù)見表4。

式中：Xji為組分i在j相中的摩爾分?jǐn)?shù)；Xji平衡為相平衡常數(shù)K-value計(jì)算的平衡摩爾分?jǐn)?shù)。

表4 膠質(zhì)瀝青質(zhì)析出反應(yīng)方程式平衡常數(shù)

膠質(zhì)瀝青沉積造成滲透率降低的理論：生產(chǎn)過程中，隨著流體的注入/采出，儲(chǔ)層內(nèi)外壓差發(fā)生變化，孔隙受到壓縮/膨脹影響而體積改變，特別是有瀝青沉積的油藏，孔隙度變化更大。 而滲透率與孔隙度有一定的函數(shù)關(guān)系，孔隙度的變化也會(huì)使?jié)B透率隨之變化。

式中：k為變化后的滲透率，10-3μm2；k0為初始滲透率，10-3μm2；φ為變化后的孔隙度，%；φ0為初始孔隙度，%；kmul為倍乘系數(shù)。

2.2 數(shù)值模型建立

采用單井徑向流模型模擬近井地帶隨著生產(chǎn)開發(fā)進(jìn)行膠質(zhì)瀝青的沉積規(guī)律。

單井徑向流模型：

R×J×K：50×1×10

半徑：300 m

近井帶網(wǎng)格半徑：0.2 m

滲透率：13×10-3μm2

孔隙度：25%

深度：3 500 m

溫度：120 ℃

原始平均地層壓力：47 MPa

3 模型結(jié)果

3.1 壓力對膠質(zhì)瀝青沉積量的影響

隨著油田開發(fā)生產(chǎn)時(shí)間的延長， 近井帶壓力逐步下降，膠質(zhì)瀝青在近井帶析出并開始沉積，之后沉積量逐漸增大，同時(shí)滲透率大幅減小，見圖1。

圖1 生產(chǎn)中近井帶壓力、滲透率、膠質(zhì)瀝青沉積量變化關(guān)系

當(dāng)壓力下降到36～40 MPa時(shí)瀝青開始析出，同時(shí)近井帶滲透率大幅下降；壓力繼續(xù)下降膠質(zhì)瀝青析出速度增加，滲透率下降幅度也增大；當(dāng)壓力下降到28～33 MPa時(shí)， 膠質(zhì)瀝青大量沉積造成地層堵塞，壓力下降變慢，滲透率下降幅度變小，見圖2。

圖2 不同地層壓力條件下滲透率、膠質(zhì)瀝青沉積量變化關(guān)系

3.2 膠質(zhì)瀝青沉積對產(chǎn)量的影響

分別對15，50，75 m3/d不同產(chǎn)量條件下進(jìn)行膠質(zhì)瀝青沉積預(yù)測，可知產(chǎn)量越低，膠質(zhì)瀝青沉積量越大，說明產(chǎn)量降低導(dǎo)致地下滲流降低，增大了沉積時(shí)間，使得膠質(zhì)瀝青沉積量增大，見圖3。

圖3 不同產(chǎn)量條件下膠質(zhì)瀝青沉積情況

此外，當(dāng)有膠質(zhì)瀝青析出時(shí)，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間變短，產(chǎn)油量大幅下降，下降幅度高達(dá)84.64%，見圖4。

圖4 膠質(zhì)瀝青沉積對產(chǎn)量影響規(guī)律

3.3 膠質(zhì)瀝青質(zhì)沉積對儲(chǔ)層傷害模擬

對比油井生產(chǎn)200 d和生產(chǎn)400 d近井地帶地層壓力、沉積量分布和滲透率變化情況，不難發(fā)現(xiàn)隨著油井生產(chǎn)時(shí)間的增加，近井帶壓力下降，膠質(zhì)瀝青在近井帶開始沉積，同時(shí)近井帶滲透率也開始降低，對儲(chǔ)層滲透率傷害增大，見圖5。

圖5 近井地帶滲透率分布

4 結(jié)論

（1）通過熱力學(xué)模型計(jì)算，B油田膠質(zhì)瀝青液相逸度大于膠質(zhì)瀝青固相逸度，容易發(fā)生膠質(zhì)瀝青質(zhì)沉積。

（2）構(gòu)建單井徑向流模型模擬膠質(zhì)瀝青質(zhì)沉積規(guī)律，研究結(jié)果表明： 膠質(zhì)瀝青質(zhì)的析出和沉積受地層壓力影響明顯。 膠質(zhì)瀝青質(zhì)開始析出的地層壓力范圍為36～40 MPa，膠質(zhì)瀝青沉積速度加快的地層壓力范圍為28～33 MPa。

（3）隨著油井生產(chǎn)時(shí)間增加，近井帶壓力下降，膠質(zhì)瀝青在近井帶開始沉積，同時(shí)近井帶滲透率也開始降低，對儲(chǔ)層滲透率傷害增大，對油井產(chǎn)能影響明顯，油井產(chǎn)能下降幅度可達(dá)80%以上。