第七章 气藏物质平衡

第七章气藏物质平衡、储量计算及采收率提示质量、能量守恒定律是自然界普遍的、永恒的规律。

物质平衡方程普遍被用于各类气藏的储量计算、驱动方式确定和气藏动态分析等方面。

该方程为简单的代数方程，形式虽简单，但实际却很不简单，每个参数的确定都得依靠先进的科学技术和高精度测试仪表，而且还不能就事论是，还要与气藏地质和开发特征的深入、正确认识相结合。

本章介绍各类气藏，甚至包括凝析气顶油藏的物质平衡方程式，在迄今为止见到的文献中搜集得比较全的。

此外还介绍了现行各种计算储量的方法，有静态的，也有动态的，有全气藏的，也有单井的，并介绍了与储量相关的天然气可采储量和采收率。

最后，还希望能对水驱气藏、凝析气藏和低渗透气藏的提高采收率问题给予更大的关注。

第一节气藏物质平衡方法物质平衡是用来对储层以往和未来动态进行分析的一种油气藏工程基本方法，它以储层流体质量守恒定律为基础的。

一般情况下，可以把储层看做是一个处于均一压力下的大储气罐。

应用此方法可分析气藏开发动态、开采机理、原始地质储量和可采储量。

最简单的物质平衡方程是(7-1)、、——分别为目前天然气地质储量、原始地质储量和目前累积采出气量，108m3。

由于地下气藏流体性质、储层物性变化的差别而造成了储烃孔隙空间和描述方法的差别，下面按不同类型的气藏进行分析。

一、定容气藏物质平衡假定气藏没有连通的边水、底水或边、底水很不活跃，即为定容气藏，将（7-1）式可以改写为（7-2）可将上式改写为（7-3）（7-4）式中、——分别指原始压力和目前压力，MPa；、——分别指原始条件下的偏差系数和目前压力下的偏差系数，f；、——分别指原始条件下和目前压力下气体的体积系数,f。

从上式可看出，对于定容气藏，地层压力系数P/Z与累积产气量成直线关系，如图7-1,如将直线外推到，则可得，这就是常用来进行动态储量计算的方法。

二、水驱气藏物质平衡对于一个具有天然气水驱作用的不封闭气藏，随着气藏的开发，将会引起边水或底水对气藏的入侵。

此时被水侵所占据的气藏孔隙体积量加上剩余天然气所占有的气藏的孔隙体积量等于气藏的原始含气的孔隙体积量，如图7-2。

即有图7-1定容气藏的压降和累计采出量关系图式中、——分别为累积天然水侵量和累积采出水量，108m 3；w ——地层水的体积系数。

将上式变形有另有（7-7）（7-8）、——分别代表地面标准温度（293.15K）和标准压力(0.1013MPa)将（7-7）、（7-8）代入式（7-6）有（7-5）（7-6）（7-9）将上式进一步变换形式有（7-10）图7-2水驱气藏的物质平衡图由式（7-10）可知，水驱气藏的和之间并不象定容气藏那样是直线关系，如图7-3，当然也不能用外推方法确定气藏的地质储量，而必须应用水驱气藏物质平衡方程式来求解地质储量。

根据式（7-9）可得天然水驱对气藏的累积水侵量为（7-11）气田开发怕水，一般有水影响的气藏采收率会降低，有时只能达到50%左右，若开发得不好还要低。

三、凝析气藏的物质平衡由于凝析气藏在压力降到上露点压力以下后，会在地层中析出凝析油，因此，其物质平衡方程中必须考虑在压力低于露点以下形成两相的情况。

我们分常规凝析气藏、有水蒸汽的凝析气藏和高于露点和低于露点的凝析气藏来分析。

1、常规凝析气藏假定初始压力高于露点压力，忽略岩石压缩性、没有水蒸汽，则有如下的物质平衡方程（7-12）图7-3水驱气藏的压降图此式中：、——分别为包含折算凝析油的原始地质储量和目前累积采出量，108m3。

为凝析油饱和度,还可以将（7-12）式改写成（7-13）从此式中，可以看出，和为一条直线，利用此直线，同样可以得到G T。

如果地层压力低于露点压力，或带油环的凝析气藏，则在原始条件下已是气、液两相，对应的物质平衡方程可写成（7-14）式中、——分别为基于目前气藏的两相偏差系数和原始条件下的两相偏差系数对应的体积系数。

将体积系数进行转换则（7-15）式中、——分别为目前气藏的两相偏差系数和原始条件下的两相偏差系数。

可以看出，和为一条直线，利用此直线同样可以得到。

2、带有水蒸汽的凝析气藏烃类气相体积烃类液相体积水体积水蒸汽体积岩石变形烃类体积水体积水蒸汽体积岩石变形在本节中我们讨论凝析气中带有水蒸汽，同时考虑到凝析气藏埋藏深度大，有多孔介质形变和束缚水的压缩性问题，开采过程的物质平衡关系见图7-4。

采出物分＞（露点）和＜两种情况。

采出物烃类体积水体积水蒸汽体积采出物原始条件P>Pd目前条件P>Pd目前条件P<Pd图7-4高压凝析气藏开采物质平衡图假定原始条件下，地层压力大于露点压力，则有原始地下储集空间为（7-16）式中、——分别表示在原始条件下水的饱和度和束缚水在气中的体积分数。

1）地层压力大于露点压力目前的部分孔隙空间为气和水所占，因此有烃类体积（7-17）式中——为目前的孔隙空间体积；烃类孔隙空间体积（7-18）因此有（7-19）由于压力下降，气层岩石的形变体积：（7-20）组合（7-16）、（7-19）、（7-20）有（7-21）重组此式有（7-22）此式还可以写成（7-23）从上式可看出，和是直线关系，在处，可确定地质储量。

当不含水和不考虑岩石的变形时，则就变成为干气气藏的物质平衡方程。

2）地层压力小于露点压力（）同样，我们可以导出当地层压力小于时的物质平衡方程式如下（7-24）式中——是目前压力下凝析油的饱和度。

对应的物质平衡方程式可写如下（7-25）从上式可看出，和G P是直线关系，在处，可确定地质储量。

当不含水和不考虑岩石变形时，则就变成干气气藏的物质平衡方程。

在应用凝析气藏的物质平衡方程时，需要知道两相偏差系数和凝析油的饱和度，这些均需进行凝析气井取样和实验室分析测定。

实验室分析值还可能与实际有差别。

3、凝析气顶油藏（或油环凝析气藏）目前发现的凝析气藏中,不少为带油环的凝析气藏,油环可大可小。

此外，还有凝析气顶油藏，现以它来说明，假定用来表示原始地下自由气体积与原始地下油的体积之比,开采前后物质平衡关系如图7-5所示，随压力下降,天然气和水以及油环等都会相应地膨胀。

1)压力下降后原油的体积变化当油环开采一段时间后体积变化为原始地下油储量=油环油采出的体积=（7-26）剩余油的体积=式中、——分别为原始油地质储量及采出量,m3、——分别为油的原始体积系数和时体积系数2)气顶自由气的体积变化原始气顶与油环油体积比则原始气顶气地下体积图7-5凝析气顶油藏综合驱动流体分布在标准条件下时气顶剩余体积=原始自由气及溶解气-采出的气-剩余溶解气将此式换算为地下体积开采到时,自由气产出的地下体积如下:(7-27)式中、、——分别为自由气的原始、采出的和剩余的气体积,(Sm3)；、、——分别为原始油环溶解油气比、采出油生产油气比和剩余油溶解油气比，（m3/m3）)；、——分别为自由气原始的和开采到时的气体积体积系数。

3）水体体积变化水的地下体积为（地面标准立方米，Sm3）时累积采水量（地面标准立方米，Sm3）累积产水量=（地下m3）到时的水侵量=(地下m3)增加的水量(7-28)根据物质平衡关系，采出的油量和气顶气体积量之和应等于增加的水量，因此有（7-29）进一步整理得(7-30)假定及，、为总的、或目前的两相的原油体积系数。

则上式可整理为因为采出油量中包括从油环中采出的油和压力下降后反凝析出的凝析油。

所以，采出的油量须加以修正。

（7-32）式中（7-33）（7-34）、、——分别为油环油、凝析油和两种油的总日产量，m3/d、——分别为地面综合气油比和原油中溶解气油比，m3/m3——纯凝析气井的日产气量，m3/d、、——分别为阶段总产油量、凝析油产量和原油产量，m3四、异常高压气藏物质平衡我们以干气为例来说明异常高压气藏的物质平衡方程式，并考虑地层水的压缩性和岩石的形变，这样的物质平衡式可表示为（7-35）式中左边为原始储气空间，右边第一项为采出后地层剩余烃类体积，右边第二项为束缚水体积的膨胀，第三项是岩石骨架体积的膨胀。

水的压缩系数定义为可将此式改写成；（7-37）原始的水体积还可写成（7-38）根据（7-36）和（7-37）式有（7-39）类似地岩石形变可表示为（7-40）平均地层压缩系数表示为（7-41）同样可以推出考虑岩石的变形而带来的孔隙空间的变小量为（7-42）将式（7-41）、式（7-38）代入式（7-37）即有（7-43）将（7-42）式进行简化有（7-44）可将上式转化成（7-45）或从式中可知，和是一条直线，在处可查得原始储量。

但就来讲已不再是一条为直线，图7-6是一个异常高压气藏实测的数据曲线，从图中可看出，有两个直线段，第一个为岩石和流体压缩性同时作用，而第二个直线段则为只有流体压缩性的情况。

图7-6典型的异常高压气藏双斜率P/Z-G P线五、气藏物质平衡方法应用中的注意事项气藏物质平衡方法应用很广,应用最多的是气藏静态和动态储量的计算、气藏动态分析、气藏水侵量计算等方面。

但在应用时应注意如下问题：（1）气藏类型判断是应用此方法的基础，如果气藏是水驱气藏、异常高压气藏还是凝析气藏等都未弄清楚的话，那是不可能使最后的计算结果准确。

（2）在气藏物质平衡中假定是处于平衡的，但在开采的过程中的每一个阶段，由于地层的非均质性和各井处于气藏构造的部位的差异，使得各井压力测试的值有一定差异，如何选择有代表性的井底压力或根据已有的各井地层压力来确定目前全气藏压力还有一定难度，平均地层压力确定方法见文[16]。

（3）气藏应用的一些关键参数是PVT实验测试数据，因此在气藏的开发初期，取全取准资料和进行PVT参数的准确测量是应用物质平衡法的基础×2.8×107m3）图7-7压裂处理前后的储量变化（4）尽管水中溶解气量较小，但在物质平衡计算中都未考虑溶解气影响，它仍会给水驱气藏的计算结果带来一定的误差。

（5）当气井进行压裂后，可能会导致控制储量的增加，图7-7是一个由于压裂处理后使地质储量增加的实例。

见文[17]。

第二节气藏储量计算气藏储量是确定开发规模和开发设计所必需的参数，本节以容积法（又称静态法）和动态法为主，介绍针对各类气藏的计算方法。

一、容积法储量计算1天然气（7-47）式中——天然气原始地质储量，108m3——含气面积，km2；——平均孔隙度，f（小数）；——平均有效厚度，m；——平均原始含气饱和度，f；、——分别为平均地层压力和标准压力（0.1013），MPa；——原始气体偏差系数，f。

、——分别为平均地层温度和标准温度（293.15），K。

在储量计算中，气体偏差系数数据直接关系到储量计算的精度，是储量计算的关键。

由于地层压力是通过各井的原始地层压力来求取的，在气藏平均压力确定时要考虑气藏构造上井的位置等影响，此外，还要有充分的压力恢复时间。