CN115508903A - 气顶高含co2油气藏相态拟合方法及其应用 - Google Patents

气顶高含co2油气藏相态拟合方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，包括如下步骤：读取待拟合气顶高含CO2的油气藏的相态拟合所需数据；对待拟合气顶高含CO2油气藏进行组分劈分；根据其热力学参数进行相似性分析，制定重组方案并进行重组，以达到拟合的最佳精度；首先对待拟合气顶高含CO2油气藏的气区和油区饱和压力进行拟合，再对相态实验进行拟合，得到气顶高含CO2油气藏的油、气两相共用的PVT参数。本发明的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，是基于油气藏数值模拟方法、物理化学理论以及热力学理论分析方法，获得油气两相统一拟合共用一套临界参数，用以精细刻画油气藏中油气、油水界面，以及组分分布规律的特征，从而确定合理的开发模式。

Description

气顶高含CO2油气藏相态拟合方法及其应用
技术领域
本发明属于石油开发技术以及油气藏数值模拟方法领域，特别涉及一种气顶高含CO2油气藏相态拟合方法及其应用。
背景技术
近年来，随着海上油气资源勘探力度的不断加大，在世界海域范围内发现了大批气顶高含CO2碳酸盐岩油气藏。由于CO2对油层轻烃组分的抽提作用使得该类油气藏在组分分布上呈现出“上轻下重”的特征，并且在气、油两相相界面形成“断层”分布，造成该类油气藏气顶轻组分含量高，油层重组分含量高的特点，组分分布规律十分复杂。
相态拟合本质上为组分模型提供流体PVT(Pilot-run Verification Test，即小批量过程验证测试)参数。拟合的精度越高越能精确表征油气藏实际流体的性质。目前相态拟合技术有凝析气藏相态拟合技术以及气驱油相态拟合技术。这两种方法都是用来研究单相流体的相态特征，但具有不同的特点和适应性：凝析气藏相态拟合方法是以气相为拟合主体，由于重馏分含量较少，对相态拟合精度影响较小，一般不涉及到的重组分劈分技术，拟组分重组划分一般只到达C7+即可。气驱油拟合方法主要是针对致密油等重质油进行，在拟合过程中虽然涉及到了重馏分的劈分细化但没有考虑概率分布的影响，在重组过程中一般只依据组分的含量制定拟组分的划分方案：
(1)凝析气藏通常存在于高温低压的环境条件下，在气中含有大量的轻烃组分以及较多的中间烃类。在相态拟合过程中，通常不需要拟重馏分再进行进一步劈分细化(刘长林,张茂林,梅海燕,等凝析气藏油气体系相态测试与拟合[J].石油地质与工程,2008(01):65-68)。
(2)针对于气驱原油相态拟合方法通常是以注气后致密油的相态特征参数为基础进行的。致密油重组分含量较高，有时需要对重馏分进行劈分细化。为了提高相态拟合的灵活性和精度,减少相态拟合过程反复调整参数花费的时间，研究重质组分劈分的优化问题，辅助相态拟合的完成。国外学者在研究重质组分延伸的单碳组分组合为多碳拟组分方法之后认为，重质组分C7+或C11+劈分为2～3个拟组分就能很好地表征流体性质,他们对各拟组分含量的分配及各拟组分应包括的组分进行了探索(Whitson C.H.CharacterizingHydrocarbon Plus Fractions[J].SPE Journal,1983,23(4):683-694)。
气顶高含CO2油气藏气、油两相同时存在，处于同一个水动力系统当中。气、油、水三者紧密接触不断进行相间传质，达到动态平衡。气顶与油层组分数虽然相同但组分含量差异十分巨大。在气顶区轻组分含量较多，在底油中C7+组分显著偏高，只用2～3个拟组分来表示达不到预期精度要求。因此在相态拟合过程中，气、油两相必须共同一套临界参数，要兼顾气顶与油层两种相态特征，针对单相流体的相态拟合方法很难将这两种特征同时表现出来。
综上所述，针对于气顶高含CO2油气藏多相流体同时存在且相互作用，组分分布规律十分复杂的特点，利用常规的凝析气相态拟合以及气驱原油相态拟合方法不适用，因此有必要针对气顶高含CO2油气藏开发出一套更合适的相态拟合方法。
发明内容
本发明的目的是解决气顶高含CO2的复杂油气藏相态认识规律不清晰，拟合难度大的问题，从已有的针对凝析气藏以及气驱原油(重油)相态拟合方法出发，基于油气藏数值模拟方法、物理化学理论以及热力学理论分析方法，获得油气两相统一拟合共用一套PVT参数，用以精细刻画油气藏中油气、油水界面，以及组分分布规律的特征，从而构建精确的组分模型。
第一方面，本发明提出了一种气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，包括如下步骤：
S101：读取待拟合气顶高含CO2的油气藏的相态拟合所需数据；
S102：根据所述步骤S101读取的数据对所述待拟合气顶高含CO2的油气藏进行组分劈分；
S103：将所述步骤S102中的劈分后的组分根据其热力学参数进行相似性分析，制定重组方案并进行重组，以达到拟合的最佳精度；
S104：首先对所述待拟合气顶高含CO2的油气藏的气区饱和压力和油区饱和压力进行拟合，设置回归变量以提高拟合精度，再对相态实验进行拟合，得到气顶高含CO2油气藏的油、气两相共用的PVT参数。
在化工热力学之中，流体PVT关系即指流体的P(压力)、V(体积)、T(温度)间的函数关系，其函数式为：
f(P，V，T)＝0(1)
本发明的核心是需要确定将气顶和油层两相流体统一拟合的原则，建立最优的劈分重组方法，选择拟合精度最高的回归变量设置方法。
根据渗流力学理论，分子动力学分析方法，确定该类油气藏气、油、水三相同时独立存在并紧密接触，处于同一个水动力系统，不断进行相间传质达到动态平衡，且由于CO2强烈的抽提作用，使得气顶汇集了大量的轻质烃类原油，油层重烃类组分偏高。气顶流体处于超临界范畴，流体分子不断进行无规则热分子运动；油层流体与CO2充分混相，表现为粘度低的重质油特征，只有用组分模型才能准确表征这些复杂相变，因此须在拟合过程中将油、气两相统一拟合共用一套PVT参数。此外，油气藏各组分的粘度、密度等重要参数都与PVT参数密切相关，因此获得准确的临界参数就必须进行更加精确的相态拟合。
作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S101中，本发明需要的数据可以选自以下几种类型：
(1)饱和压力数据
确定气顶高含CO2油气藏气、油两区饱和压力与流体饱和度、密度、粘度、相对体积密切相关，是构建精确的相态PVT模型的基础。针对于气顶区流体，饱和压力即露点压力，在相态拟合过程中表示为在油气藏温度下随着压力的增大出现第一滴液滴时的压力；针对于油层流体，饱和压力即泡点压力，在相态拟合过程中表示为在油气藏温度下随着压力的减小出现第一个气泡对应的压力。
(2)气顶区与油层井流物的组分构成
由于气顶高含CO2油气藏气顶区与油环区组分含量差异较大，因此需要读取气顶与油环各组分的含量。重馏分的关键参数包括分子量以及密度对后期的劈分重组至关重要，尤其是重点油环区重馏分的分子量与相对密度方便后期采取适合的劈分方法进行劈分细化。
(3)相态实验数据
针对提取的井流物进行实验直接测量PVT物性参数。包括的相态实验主要有等组分膨胀实验(CCE实验)、定容衰竭实验(CVD实验)以及差异分离实验(DL实验)。主要围绕压力与流体饱和度的相关性、压力与相对体积的关系以及压力与粘度的关系进行。相态拟合的原理就是最终将相态实验观察值用归一化曲线连接拟合，用来判断拟合的精度。
气顶高含CO2的油气藏流体分布规律复杂，且由于CO2的抽提作用导致底油中重组分含量明显偏高，形成重油油气藏，相对密度较大，因此通过井流物分析及试验得到的各组分摩尔分数，不能够满足对重烃类组分的拟合精度要求，需要建立一套更加合适的劈分方法。
劈分的目的是弱化最后加组分的实验误差。
作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S102中，所述劈分方法至少选自Multi-feed，Whitson以及PNA Distribution中的一种。其中Multi-feed，PNA Distribution方法适用于轻质油以及凝析油等常规油气藏，对类似于气顶高含CO2的重质油气藏则存在局限性。而Whitson方法适用范围广，特别是对重质油气藏具有良好的适应性；并且该方法引入了伽马函数，考虑了伽马分布函数对组分分布的影响，Whitson劈分方法原理为：
(1)伽马分布函数：
Figure BDA0003127572910000041
(2)令x＝M，即x为单碳数组的相对分子质量，因此某一组分的累计出现频率为：
Figure BDA0003127572910000042
(3)则该组分的摩尔分数Zi正比于累计出现频率：
Zi＝fi·Zn+
由前面的求解方法可以得到采用Whitson劈分方法对气顶高含CO2的油气藏C20+以上重烃组分劈分结果。
作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S101中，所述待拟合气顶高含CO2油气藏至少包括：气顶高含CO2碳酸盐岩油气藏、气顶高含CO2砂岩油气藏和注CO2开发的油气藏中的一种。
以典型油气藏为例，某海上气顶底水油气藏，其气顶气CO2含量可达75％，底油中C7+以上重组分明显偏高，所得井流物试验分析加组分为C20+，为了减小拟合误差，提高拟合精度，就必须在C20+以后还要进行劈分。优选Whitson劈分方法将C20+再劈分至C35+。
根据步骤S102将重烃拟组分重新劈分为了众多组分，为了统一化和方便拟合，因此需要依据针对原各组分的热力学参数进行相似性分析，制定重组方案，并尽可能保证组数较多，以达到拟合的最佳精度。
作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S103中，所述热力学参数至少包括各组分的临界温度、临界压力、摩尔质量、沸点或偏心因子中的一种。
作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S103中，判断重组的可靠性的标准为：重组后的组分划分方案满足相图特征点变化幅度较小的原则，优选“四点合一原则”，其中，四个相图特征点包括：(1)临界点；(2)临界凝析温度点；(3)临界凝析压力点；(4)饱和压力点中的一种或多种。
综合考虑气顶高含CO2油气藏在开发过程中，为了经济效益及环境保护，可能会选择回注CO2进行生产，并且依据各组分的热力学性质制定重组方案如表1所示，组分的不同性质对分组的影响有很大的差别，主要体现在轻组分和重组分的划分上，而中间组分划分规律基本相同。再依据热力学参数的敏感性强弱选取最适合该油气藏的重组方案。
表1依据热力学方案重组方案
Figure BDA0003127572910000051
目前针对调参拟合方法没有统一定论，主观因素比较大，本发明针对气顶高含CO2油气藏组分分布规律复杂特征，通过对比优选采取了两大调参思路：一是筛选回归变量使得拟合精度大幅度提高；二是优化回归变量使得拟合精度进一步提高。
针对气顶高含CO2的油气藏在油气两相统一拟合过程中，由于气油两相组分含量差异较大，导致数据拟合困难，解决这一问题需要设置回归变量。这里引入Hessian矩阵优选回归参数，以及Correlation相关性矩阵对参数进行优化与微调。
(1)回归变量的优选——Hessian矩阵：
在相态拟合过程中，为了求取相态参数，会生成一个Hessian矩阵，Hessian矩阵的每个元素代表着各个组分之间一些临界参数和PVT参数之间的联系性。在Hessian矩阵中每一列找出比该列对角线数值绝对值大的作为回归参数，小于绝对值的则不作为回归变量，完成回归变量的选择。
(2)参数的优化——Correlation相关性矩阵：
优选回归变量完成之后，各回归参数之间如果存在相关性，则会加大计算量，造成求解收敛困难。在Correlation矩阵每一列数值把接近于1的(接近于1，说明这些参数之间相关性很好)，只保留一个即可，具体保留哪一个要考虑敏感性大小。
在经过了针对气顶高含CO2油气藏气、油两相同时拟合，并针对重馏分进行了劈分细化，依据热力学参数筛选了最佳的重组方案，接下来应对整个油气藏流体的饱和压力进行拟合。
作为本发明的具体实施方式，在所述步骤S104中，在对所述待拟合气顶高含CO2的油气藏的气区饱和压力和油区饱和压力进行拟合时，具体包括如下步骤：通过计算软件选择气区和油区两相饱和压力权重大的拟合相，设置回归变量以提高拟合精度。
完成饱和压力的拟合后，对相态实验(等组分膨胀实验、定容衰竭实验、闪蒸分离实验等)进行拟合、调参。采用本发明的相态拟合方法进行拟合后，得到了高精度的相态模型(拟合精度95％以上，显著优于传统拟合思路80％左右)。
采用本发明的方法对气顶高含CO2油气藏完成了高精度的相态模型后，导出油、气两相共用一套PVT参数。
本发明的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，是基于油气藏数值模拟方法、物理化学理论以及热力学理论分析方法，获得油气两相统一拟合共用一套临界参数，用以精细刻画油气藏中油气、油水界面，以及组分分布规律的特征，从而确定合理的开发模式。目前国内外研究比较多的是凝析气藏的流体特征，对高含CO2油气藏的流体特征研究很少，并且针对油气藏流体的PVT分析方法都是基于低含量CO2烃类流体建立的，对于相态拟合都是凭经验或者常规油气藏数值模拟方法，结果误差大，对实际开发意义不大。采用本发明的方法，不仅拟合精度较高，并且尊重了油气藏油气水三相处于同一个水动力系统的事实，对实际油气藏开发提供了理论及技术支撑，具有极其重要的意义。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。
图1为采取Whitson方法对C7+重馏分进行劈分后的结果与劈分之前的结果对比图；
图2为判断重组可靠性的标准示意图；
图3为对气、油两相饱和压力的拟合结果；
图4为相态实验拟合结果图，其中：(a)是气样CCE实验压力-相对体积相态实验拟合结果；(b)是油样DL实验压力-粘度拟合结果；(c)是油样DL实验压力-相对体积拟合结果；
图5为对气顶高含CO2油气藏相态拟合计算形成的相图；其中：(a)为气样相图，(b)为油样相图。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
【实施例1】
实施例1以典型油田为例，该油田位于巴西海上Santos盆地，水深1000m～1500m，埋深约为5100m～5450m。含油气储层可分为：盐下白垩统上下坳陷期碳酸盐岩，以及上裂谷期碳酸盐岩、下裂谷期碳酸盐岩。其中上下坳陷期和上裂谷期的碳酸盐岩是主要的储气层，下裂谷期碳酸盐岩有一部分是含油储层。油气界面深度为-5390m，气层厚度268m，CO2含量为76.61％；油水界面深度为-5435m，油层厚度45m，并具有较大的底水。油气藏中原油API为17.6°-19.7°(0.934g/cm3～0.949g/cm3)，属于重质原油；原油粘度相对较低，仅有5mPa·s-7mPa·s；油样中CO2含量达到57.2％，气油比为181m3/m3-158m3/m3。
步骤1：读取待拟合气顶高含CO2的油气藏的相态拟合所需数据。
(1)饱和压力数据
基于现场获取的气样和油样，气样饱和压力为55.0MPa，油样饱和压力为42.0MPa。
(2)气顶区与油层井流物的组分构成
获取气样和油样的井流物的组分构成如表2所示。
表2气样取样组分含量(摩尔百分数)
组分 气样,％ 油样,％
CO<sub>2</sub> 76.61 57.2
N<sub>2</sub> 0.42 0.27
C1 17.11 16.36
C2 1.34 1.58
C3 0.78 0.95
IC4 0.15 0.18
NC4 0.29 0.4
IC5 0.1 0.15
NC5 0.13 0.23
C6 0.16 0.37
C7 0.15 0.54
C8 0.21 0.68
C9 0.21 0.64
C10 0.2 0.58
C11 0.18 0.6
C12 0.18 0.72
C13 0.18 0.83
C14 0.16 0.88
C15 0.14 0.73
C16 0.1 0.53
C17 0.09 0.47
C18 0.1 0.49
C19 0.09 0.52
C20+ 0.92 14.13
(3)相态实验数据
进行等组分膨胀实验(CCE实验)以及差异分离实验(DL实验)，数据结果如表3-5所示：
表3气样CCE实验测试气体体积系数变化
序号 压力/MPa 体积系数/m<sup>3</sup>/m<sup>3</sup>
1 20.00 1.50
2 25.00 1.39
3 30.00 1.31
4 35.00 1.25
5 40.00 1.20
6 45.00 1.14
7 50.00 1.11
8 55.00 1.08
9 60.00 1.06
10 65.00 1.04
11 70.00 1.02
12 75.00 1.00
13 80.00 0.99
表4 DL实验测试原油粘度变化
序号 压力/MPa 原油粘度/mPa.s
1 0.10 34.78
2 25.00 9.93
3 30.00 8.32
4 35.00 6.53
5 40.00 4.74
6 45.00 4.91
7 50.00 5.61
8 55.00 6.12
9 60.00 6.64
表5油样DL实验测试体积系数变化
序号 压力/MPa 体积系数/m<sup>3</sup>/m<sup>3</sup>
1 0.10 1.00
2 25.00 1.18
3 30.00 1.21
4 35.00 1.24
5 40.00 1.26
6 45.00 1.26
7 50.00 1.25
8 55.00 1.26
9 60.00 1.26
步骤2：采用Whitson方法根据所述步骤S101读取的数据对所述待拟合的气顶高含CO2油气藏进行重组分劈分。
步骤3：将所述步骤2中的劈分后的组分根据其热力学参数进行相似性分析，制定重组方案并进行重组，以达到拟合的最佳精度。
首先依据各组分热力学参数相似性(热力学参数可通过状态方程计算或者查阅文献可知)，划分为挥发性组分、中间组分和重组分。组分的不同性质对分组的影响有很大的差别，主要体现在挥发性组分(轻组分)和重组分的划分上，而中间组分划分规律基本相同，划分为两个组分。
对于挥发性组分(轻组分)和重组分，根据各组分摩尔质量、沸点、临界温度、临界压力、偏心因子特征，进行了不同类型的组合，对比临界点、临界凝析温度点、临界凝析压力点、饱和压力点的拟合精度，最终筛选出拟合度最高的重组方案，如表6所示。
表6依据热力学方案重组方案
Figure BDA0003127572910000101
步骤4：首先对所述待拟合高含CO2的气顶油气藏的气区饱和压力和油区饱和压力进行拟合，设置回归变量以提高拟合精度，再对相态实验进行拟合，得到气顶高含CO2油气藏的油、气两相共用的PVT参数。
通过对比优选调参分为两个步骤：
步骤401：筛选回归变量使得拟合精度大幅度提高；
步骤402：优化回归变量使得拟合精度进一步提高。
采用实施例1的方法对气顶高含CO2油气藏完成了高精度的相态模型后，即可建立气样和油样相图。图5为对气顶高含CO2底水油气藏相态拟合计算形成的气样和油样相图。
由于在实施例1的实现过程中，区分考虑了气顶与油气藏两种不同的流体，并将两者统一拟合构建一套相态模型。通过创建了一套针对于气顶高含CO2底水油气藏的劈分重组方法，引入了伽马函数对组分分布规律的影响以及参照了热力学参数相似性，最后为了进一步提高拟合精度创建了一套回归变量的设置方法，引入了Hessian矩阵和Correlation相关性矩阵。采用本发明的方法，不仅拟合精度高，结果可靠，并且尊重了油气藏油气水三相处于同一个水动力系统的事实，精细刻画了油气藏中油气、油水界面，以及组分分布规律的特征，对实际油气藏开发提供了理论及技术支撑，具有极其重要的意义。采用本发明方法不仅可以将气、油两相统一拟合，而且相较于传统拟合方法拟合精度可提高至95％以上。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：读取待拟合气顶高含CO2油气藏的相态拟合所需数据；
S102：根据所述步骤S101读取的数据对所述待拟合气顶高含CO2油气藏进行组分劈分；
S103：将所述步骤S102中的劈分后的组分根据其热力学参数进行相似性分析，制定重组方案并进行重组，以达到拟合的最佳精度；
S104：首先对所述待拟合气顶高含CO2油气藏的气区饱和压力和油区饱和压力进行拟合，设置回归变量以提高拟合精度，再对相态实验进行拟合，得到气顶高含CO2油气藏的油、气两相共用的PVT参数。
2.根据权利要求1所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S101中，所述数据至少包括：待测气顶高含CO2油气藏中气区饱和压力和油区饱和压力、待测气顶高含CO2油气藏中气区和油区中各组分含量或根据相态实验测得的PVT物性参数中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S102中，所述劈分方法至少选自Multi-feed，Whitson和PNA Distribution中的一种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S103中，判断重组的可靠性的标准为：重组后的组分划分方案满足相图特征点变化幅度较小的原则；优选地，所述相图特征点至少包括临界点、临界凝析温度点、临界凝析压力点和饱和压力点。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S103中，所述热力学参数至少包括各组分的临界温度、临界压力、摩尔质量、沸点或偏心因子中的一种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S104中，所述回归变量至少包括Hessian矩阵和Correlation相关性矩阵中的一种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S104中，所述相态实验至少选自等组分膨胀实验、定容衰竭实验和差异分离实验中的一种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S104中，在对所述待拟合气顶高含CO2油气藏的气区饱和压力和油区饱和压力进行拟合时，具体包括如下步骤：通过计算软件选择气区和油区两相饱和压力权重大的拟合相，设置回归变量以提高拟合精度。
9.根据权利要求1-8任一项所述的气顶高含CO2油气藏相态拟合方法，其特征在于，在所述步骤S101中，所述待拟合气顶高含CO2油气藏至少包括：气顶高含CO2碳酸盐岩油气藏、气顶高含CO2砂岩油气藏和注CO2开发的油气藏中的一种。
10.权利要求1-9任一项所述方法在气顶高含CO2油气藏相态拟合中的应用。
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