原油體積系數(shù)理論方程推導(dǎo)及應(yīng)用

康志勇 陳 洋 劉曙光 韓明偉 閆鑫洋

中國(guó)石油 遼河油田公司勘探開發(fā)研究院, 遼寧 盤錦 124010

0 前言

原油體積系數(shù)是指地層條件下單位體積原油與地面條件(20 ℃、0.101 325 MPa)下脫氣原油體積的比值,原油體積系數(shù)是勘探開發(fā)過(guò)程中認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)油藏的重要參數(shù)。高壓物性(PVT)取樣分析是獲取原油體積系數(shù)最直接有效的方法[1-6]。由于原油高壓物性分析及配套的高壓物性取樣操作要求高、取樣及分析成本高,造成絕大多數(shù)評(píng)價(jià)單元缺乏原油高壓物性分析獲取的原油體積系數(shù)數(shù)據(jù)。目前獲取原油體積系數(shù)應(yīng)用的類比法和經(jīng)驗(yàn)公式法都是采用相應(yīng)構(gòu)造帶或油區(qū)、油田內(nèi)的資料建立的[7-16],跨構(gòu)造帶、跨油區(qū),甚至跨油田應(yīng)用時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生較大誤差,無(wú)法滿足油田開發(fā)研究和生產(chǎn)的要求。建立精度高、適應(yīng)范圍廣的原油體積系數(shù)評(píng)價(jià)新方法十分必要。

1 原油體積系數(shù)定義及特點(diǎn)

原油體積系數(shù)是指地層條件下單位體積原油與地面條件下脫氣原油體積的比值:

(1)

石油從油層流動(dòng)到井筒,再流動(dòng)到儲(chǔ)油罐,隨著壓力下降,溶解氣中的絕大部分甲烷和乙烷會(huì)釋放出來(lái),還有相當(dāng)大一部分丙烷、丁烷和戊烷也會(huì)從石油中釋放出來(lái)。流體組分的變化不是一個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)程,也不是一個(gè)確定過(guò)程,而是一系列閃蒸分離和差異分離的過(guò)程[17]。閃蒸分離過(guò)程和差異分離過(guò)程的區(qū)別:在閃蒸分離過(guò)程中,所有氣體與液體始終保持接觸,使體系的體積隨壓力下降而增大，閃蒸分離過(guò)程是一個(gè)組分不變,體積變化的過(guò)程。在差異分離過(guò)程中,一些氣體釋放出來(lái)后,與液相不再接觸，差異分離過(guò)程是一個(gè)體積不變,組分變化的過(guò)程[18]。

當(dāng)原油中溶解氣量較少時(shí),閃蒸分離和差異分離數(shù)據(jù)之間的差異很小。在這種情況下,差異分離后留下的殘余物質(zhì)與閃蒸分離的原油體積近乎相等,因此在原油地質(zhì)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)時(shí)可直接應(yīng)用差異分離獲取的原油體積系數(shù)。

當(dāng)原油具有高揮發(fā)性時(shí),應(yīng)充分考慮油藏內(nèi)、井筒內(nèi)及地面分離設(shè)施內(nèi)所發(fā)生的主要?dú)怏w分離機(jī)理,此時(shí),地層原油體積系數(shù)可能更接近閃蒸分離數(shù)據(jù)。對(duì)高揮發(fā)性原油而言差異分離和閃蒸分離獲得的原油體積系數(shù)還是有較大差別[19]。

通過(guò)上述分析不難看出,決定原油體積系數(shù)大小的主控因素是石油中的溶解氣含量。實(shí)際高壓物性分析資料也證實(shí),原油體積系數(shù)與溶解氣油比呈很高的正相關(guān)關(guān)系[20]。

(2)

當(dāng)然,原油體積系數(shù)還與原油密度等因素密切相關(guān)[20],但原油體積系數(shù)和與之相關(guān)的諸因素之間存在怎樣的函數(shù)關(guān)系,統(tǒng)計(jì)規(guī)律無(wú)法給出準(zhǔn)確答案。

針對(duì)原油體積系數(shù)定義中的“地層油體積”及相應(yīng)的“地面脫氣原油體積”只有通過(guò)高壓物性取樣分析才能獲取的實(shí)際情況,本研究以原油體積系數(shù)定義為基礎(chǔ),依據(jù)原油質(zhì)量、密度和體積等參數(shù)之間的關(guān)系,通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)將原油體積系數(shù)定義中難以直接獲取的“地層油體積”和“地面脫氣原油體積”轉(zhuǎn)換為井口極易取樣分析的“地面脫氣原油密度”“生產(chǎn)氣油比”“溶解氣密度”等參數(shù),從而提出本研究的理論公式法,并為無(wú)高壓物性分析資料的評(píng)價(jià)單元開展資源/儲(chǔ)量評(píng)價(jià)提供了一種合理高效的原油體積系數(shù)確定方法。

2 體積系數(shù)理論方程推導(dǎo)

在原油體積系數(shù)定義中,地層油體積和地面條件下脫氣原油體積可根據(jù)原油質(zhì)量、原油密度和原油體積之間的函數(shù)關(guān)系求取。

(3)

Vo

(4)

將式(3)、(4)代入式(1),則原油體積系數(shù)定義的公式形式可變?yōu)?

(5)

在式(5)中,脫氣前后的原油質(zhì)量差等于溶解氣質(zhì)量,而溶解氣質(zhì)量是溶解氣體積與溶解氣密度的乘積:

m-mo=Vgρg

(6)

將式(4)、(5)與式(6)聯(lián)立,得原油體積系數(shù)另一種形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

(7)

由于地面條件下的單位體積原油在地層條件下所溶解的天然氣體積稱為溶解氣油比,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(8)

將式(7)與式(8)聯(lián)立得:

(9)

式(9)即為計(jì)算原油體積系數(shù)之理論方程。當(dāng)評(píng)價(jià)單元沒(méi)有實(shí)際高壓物性分析樣品時(shí),可通過(guò)生產(chǎn)井較易取得的原油和溶解氣樣品,分析后得到地面脫氣原油密度、溶解氣組分及溶解氣密度;通過(guò)油氣產(chǎn)量可獲得評(píng)價(jià)單元生產(chǎn)氣油比(地層壓力高于飽和壓力時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)),再結(jié)合評(píng)價(jià)單元地層溫度或氣油比等參數(shù)獲取地層油密度[20],最后采用原油體積系數(shù)理論方程求取目標(biāo)油藏的原油體積系數(shù)。

對(duì)溶解氣含量極低或不含溶解氣的稠油油藏,計(jì)算原油體積系數(shù)的理論方程(9)可簡(jiǎn)化為:

(10)

計(jì)算稠油油藏原油體積系數(shù),特別是計(jì)算超稠油油藏原油體積系數(shù)時(shí)可采用簡(jiǎn)化的原油體積系數(shù)理論方程(10),并能滿足稠油油藏儲(chǔ)量評(píng)價(jià)時(shí)的精度要求。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 實(shí)例1

稀油樣品溶解氣組分分析數(shù)據(jù)見表1、稀油樣品體積系數(shù)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)見表2,依據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)[3-4]，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式(2)和新建理論方程(9)計(jì)算原油體積系數(shù)，對(duì)比分析兩個(gè)公式計(jì)算的誤差情況。

由經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算原油體積系數(shù)平均相對(duì)誤差為10.59%,由新建理論方程(9)計(jì)算原油體積系數(shù)平均相對(duì)誤差為3.49%,稀油樣品體積系數(shù)計(jì)算值及誤差分析見表3。

3.2 實(shí)例2

典型稠油樣品高壓物性分析數(shù)據(jù)見表4,依據(jù)表4數(shù)據(jù)[5-6]，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式(2)和新建原油體積系數(shù)理論方程的簡(jiǎn)化式(10)計(jì)算原油體積系數(shù)，對(duì)比分析兩個(gè)公式計(jì)算的誤差情況。

采用經(jīng)驗(yàn)公式(2)及新建原油體積系數(shù)理論方程的簡(jiǎn)化式(10)計(jì)算稠油區(qū)塊原油體積系數(shù)平均相對(duì)誤差分別為1.88%和0.84%,稠油樣品體積系數(shù)計(jì)算值及誤差分析見表5。

表1 稀油樣品溶解氣組分分析表

表2 稀油樣品體積系數(shù)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表

表3 稀油樣品體積系數(shù)計(jì)算值及誤差分析表

表4 稠油樣品體積系數(shù)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表

表5 稠油樣品體積系數(shù)計(jì)算值及誤差分析表

通過(guò)實(shí)例分析,無(wú)論是稀油還是稠油,分別采用新建原油體積系數(shù)理論方程(9)和理論方程的簡(jiǎn)化方程(10)計(jì)算原油體積系數(shù)平均相對(duì)誤差均小于3.5%,說(shuō)明該理論方程具有較高的計(jì)算精度;由于地面原油密度、溶解氣組分等易取樣品的分析成本遠(yuǎn)低于高壓物性取樣分析成本,因此采用新建理論方程(9)或(10)計(jì)算原油體積系數(shù)成本低、實(shí)用性強(qiáng),有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

1)根據(jù)原油體積系數(shù)定義建立的原油體積系數(shù)理論方程,經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,計(jì)算精度由經(jīng)驗(yàn)公式的89.4%提升到新建理論方程的96.5%,滿足了三級(jí)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)的精度要求,可在油藏勘探開發(fā)任何階段廣泛應(yīng)用。

2)在沒(méi)有高壓物性取樣的評(píng)價(jià)單元,可對(duì)生產(chǎn)井地面原油和溶解氣進(jìn)行取樣分析,用獲取的地面原油密度和溶解氣密度及生產(chǎn)氣油比等參數(shù)計(jì)算原油體積系數(shù),與PVT取樣分析對(duì)比,可大幅降低評(píng)價(jià)單元原油體積系數(shù)分析成本。