D0I:10.13374/i.issnl001153.2009.11.037 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2009 气液固变相态复杂渗流微观实验研究 朱维耀)孙玉凯) 燕良东3) 宋洪庆)胡永乐) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国科学院广州地球化学研究所，广州510640 3)中国石油勘探开发研究院，北京100083 摘要利用微观可视化渗流实验对凝析气藏衰竭开发过程的反凝析过程中气一液固复杂流动的渗流规律进行研究，通过 高温、高压条件仿真微观可视化模型模拟地层凝析气液一固流动，直接观测凝析气、液、固（蜡）相的渗流特征和运移机理。给 出蜡沉积吸附和运移规律，孔隙介质中气一液固（蜡）流动规律，气、液、固（蜡）相变化和分布特征·归纳凝析油流动方式为携 带、贴壁爬行、界面流、脉冲流、段塞流、溪状流，连续流、小液滴随大液滴和液流汇聚的运移规律·提出蜡沉积吸附在多孔介质 表面。一种从气相中析出，直接以片状吸附在多孔介质表面·另一种是蜡在液相中以絮状物析出并影响液相流动·固相蜡析 出使孔隙结构发生变化，孔隙半径变小，出现气、液、固多相流动，流动阻力增大· 关键词蜡沉积：凝析液：吸附：运移：流动方式；流动特征 分类号TE357.4 Microscopical experimental investigation on complex flow with gas-liquid-solid phase change through porous media ZHU Wei yoo,SUN Yukai,YAN Liang-dong.SONG Hong qing,HU Yong-le) 1)Sehool of Civil and Environmental Engineering.University of Science Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Guangghou Institute of Geochemistry Chinese Academy of Sciences.Guangzhou 510640.China 3)Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083.China ABSTRACI An microscopical experimental method was brought out to study the flow law and flow rules of gas-liquid-sold complex flow in condensate reservoirs with wax deposition.Real porous media were modeled by the phantom micro"model with similar pore structure.The experiments were carried out in porous media at high temperature and high pressure to observe the forming.distribu- tion and flow rules of gas-liquid-sold complex flow.The results show the adsorption and migration laws of wax deposition.three-phase flow pattern.phase change and distribution characteristics of porous media.It is difficult to accumulate for the condensate in big pores.The flow mode of the condensate includes mainly eight styles:schlepping by gas,pulse flow,crawling along pore wall,inter- face flow.plug flow,rivulet flow.continuous flow.and little liquid droplets assembling with bigger liquid droplets and liquid flow. The results also indicate that wax deposition adsorbs at pore surfaces.Some is from gas phase and adsorbs on the surfaces of porous media with sheet,the other is from liquid phase with flock and affects the flow.Pore structures are affected by solid wax precipita- tion.The smaller the pore structure,the more the wax adsorption,and the resistance of the gas-liquid-solid flow increases. KEY WORDS wax deposition:condensate liquid:absorption:transport:flow pattern:flow feature 含蜡凝析气藏作为一种特殊的凝析气藏，其流 特性山.在开采过程中，储集孔隙结构会影响凝析 体渗流具有复杂性，表现在凝析气在露点压力和析 油的形成、分布及流动规律2可].文献对此现象记 蜡温度线下发生反凝析和蜡析出，凝析气的相态也 载很少，偶有描述也未提供详尽解释3].1973年 会随之发生转变，凝析气藏的相变特性会导致储集 Sigmund对凝析油气微观分布进行了实验研究，在 层内油气饱和度变化，从而影响和改变气体渗流的 微细玻璃珠填充模型中研究凝析油反蒸发时，发现 收稿日期：2009-01-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.10772023):国家重点基础研究发展计划资助项目(Na.2007CB209506) 作者简介：朱维耀(1960一)，男，教授，博士生导师，E-mil:weiyaook@sina-com
气－液－固变相态复杂渗流微观实验研究 朱维耀1） 孙玉凯2） 燕良东3） 宋洪庆1） 胡永乐3） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 中国科学院广州地球化学研究所广州510640 3） 中国石油勘探开发研究院北京100083 摘 要 利用微观可视化渗流实验对凝析气藏衰竭开发过程的反凝析过程中气－液－固复杂流动的渗流规律进行研究通过 高温、高压条件仿真微观可视化模型模拟地层凝析气－液－固流动直接观测凝析气、液、固（蜡）相的渗流特征和运移机理．给 出蜡沉积吸附和运移规律孔隙介质中气－液－固（蜡）流动规律气、液、固（蜡）相变化和分布特征．归纳凝析油流动方式为携 带、贴壁爬行、界面流、脉冲流、段塞流、溪状流、连续流、小液滴随大液滴和液流汇聚的运移规律．提出蜡沉积吸附在多孔介质 表面．一种从气相中析出直接以片状吸附在多孔介质表面．另一种是蜡在液相中以絮状物析出并影响液相流动．固相蜡析 出使孔隙结构发生变化孔隙半径变小出现气、液、固多相流动流动阻力增大． 关键词 蜡沉积；凝析液；吸附；运移；流动方式；流动特征 分类号 T E357∙4 Microscopical experimental investigation on complex flow with gas-liquid-solid phase change through porous media ZHU We-i yao 1）SUN Y u-kai 2）Y A N Liang-dong 3）SONG Hong-qing 1）HU Yong-le 3） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science Technology BeijingBeijing100083China 2） Guangzhou Institute of GeochemistryChinese Academy of SciencesGuangzhou510640China 3） Research Institute of Petroleum Exploration and DevelopmentBeijing100083China ABSTRACT An microscopical experimental method was brought out to study the flow law and flow rules of gas-liquid-sold complex flow in condensate reservoirs with wax deposition．Real porous media were modeled by the phantom micro-model with similar pore structure．T he experiments were carried out in porous media at high temperature and high pressure to observe the formingdistribution and flow rules of gas-liquid-sold complex flow．T he results show the adsorption and migration laws of wax depositionthree-phase flow patternphase change and distribution characteristics of porous media．It is difficult to accumulate for the condensate in big pores．T he flow mode of the condensate includes mainly eight styles：schlepping by gaspulse flowcrawling along pore wallinterface flowplug flowrivulet flowcontinuous flowand little liquid droplets assembling with bigger liquid droplets and liquid flow． T he results also indicate that wax deposition adsorbs at pore surfaces．Some is from gas phase and adsorbs on the surfaces of porous media with sheetthe other is from liquid phase with flock and affects the flow．Pore structures are affected by solid wax precipitation．T he smaller the pore structurethe more the wax adsorptionand the resistance of the gas-liquid-solid flow increases． KEY WORDS wax deposition；condensate liquid；absorption；transport；flow pattern；flow feature 收稿日期：2009－01－07 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．10772023）；国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2007CB209506） 作者简介：朱维耀（1960－）男教授博士生导师E-mail：weiyaook＠sina．com 含蜡凝析气藏作为一种特殊的凝析气藏其流 体渗流具有复杂性表现在凝析气在露点压力和析 蜡温度线下发生反凝析和蜡析出凝析气的相态也 会随之发生转变凝析气藏的相变特性会导致储集 层内油气饱和度变化从而影响和改变气体渗流的 特性［1］．在开采过程中储集孔隙结构会影响凝析 油的形成、分布及流动规律［2－15］．文献对此现象记 载很少偶有描述也未提供详尽解释［3－4］．1973年 Sigmund 对凝析油气微观分布进行了实验研究在 微细玻璃珠填充模型中研究凝析油反蒸发时发现 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．037
.1352 北京科技大学学报 第31卷 随着玻璃珠尺寸的减小，凝析油反蒸发效率增 度为90.0℃，压力为31MPa,按配样压力高于露点 大可].实验表明，凝析油具有铺展于固相表面的现 压力配样。配制的流体样品组成质量分数为：甲烷 象，因而颗粒越小，气相与液相的接触面越大，从而 85%、正庚烷15%. 导致反蒸发效率越大.1995年Persoff和Pruess通 2复杂渗流微观可视化实验结果及分析 过可视化微观渗流模拟实验观测了裂缝性多孔介质 的气、水两相渗流规律，发现裂缝内润湿相开始聚 实验记录了压力为25~35MPa、温度为85℃ 集，并逐渐演变为段塞，在后续压力的作用下，气从 状态下凝析油的产状和流动规律，给出了微观模型 孔隙的轴心突破段塞，这个过程在实验过程中反复 流动过程中的微观图片（实验压力为28MPa,实验 出现[们].目前，国内外对凝析气藏气一液固渗流微 温度为85℃)，图中凹陷部分为岩石骨架，孔道中 观机理的研究相对较少，也没有能够确切描述凝析 大部分为凝析气，颜色渐深的部分为凝析油 气与多孔介质相互作用的直观的实验图片·本文在 2.1高温、高压下液体析出及凝聚过程 朱维耀等]研究的基础上，通过高温、高压可视化 在不含水模型中，液体析出后平铺在孔道壁上， 微观模拟实验，进一步研究了凝析气液固在微观 并在颗粒边缘聚集、运移.实验条件：凝析气配制压 模型中的渗流规律，并对凝析液和蜡沉积的形成、分 力为22MPa,温度为80℃；凝析液析出压力为 布规律及运移方式进行了深入的探讨 18MPa,温度为80℃.从图1可以看出，当模型中 1凝析气液固微观渗流实验方法 不含束缚水时，凝析液为润湿相，凝析液析出后，平 铺在孔道表面，因此不能观察到液滴的存在，由于 1.1实验流程 气、液、固界面现象，凝析液在颗粒（固体介质）周围 在实验中，采用了同一套实验流程，具体如下， 聚集，并在气体流动产生的携带作用下产生流动 (1)液、固两相析出及三相渗流过程.①首先 将气相组分和液相组分按照一定比例配制在高压容 器中；②将实验模型、装入气体的高压容器安装到实 验系统中；③将实验系统恒定到指定实验温度；④模 型用氮气升压到实验压力；⑤将装入气体的高压容 器升到实验压力；⑥打开高压容器与模型之间的阀 门，打开出口回压阀的出口阀门，让凝析气将模型中 的氮气排尽，并流过模型，记录两端压力；⑦观察液 相和气相的析出及气、液、固三相的流动过程并 录像， 图1不含水模型中凝析液析出及聚集过程 (2)析蜡点测试.①首先将气相组分和液相组 Fig.I Model of non-water liquid condensate and gathering process of precipitation 分按照一定比例打入高压容器中；②将实验模型、装 入气体的高压容器安装到实验系统中；③将实验系 在含水模型中束缚水较少的情况下，以液滴状 统升到指定实验温度；④模型中用氨气升压到实验 析出：当凝析液达到一定程度时，靠重力作用平铺在 压力：⑤将装入气体的高压容器升到实验压力；⑥打 孔道壁上，并由于毛管力作用在颗粒边缘聚集和发 开高压容器与模型之间的阀门和出口回压阀的出口 生运移.同图1实验条件，图2为含有少量束缚水 阀门，让凝析气将模型中的氮气排尽；⑦改变模型温 的条件下，凝析液以滴状存在的图像；这是因为少量 度，观察模型图像以便分析蜡是否析出 凝析液在颗粒表面存在时，由界面张力的作用而形 1.2微观仿真玻璃模型 成液滴.当凝析液较多时，依然会在水膜表面形成 选用具有储集层岩石孔隙系统集合形状和分布 凝析液膜，形成与不含水模型相似的聚集状态 特点的流动网格结构的微观仿真玻璃模型.模型的 (图3)· 尺寸大小为40mm×40mm,孔隙体积约为50L,平 2.2高温、高压下蜡的析出及凝聚 均孔径为100m,最小孔径可达10m,孔道截面为 2.2.1降压析蜡过程 椭圆形、 (1)蜡以片状在颗粒表面析出.实验条件：凝 1.3实验用凝析气 析气配制压力为22MPa,温度为80℃；凝析液析出 使用正庚烷和甲烷气配制流体样品，配样的温 压力为28.0MPa,温度为80℃.图4和图5为降压
随着玻璃珠尺寸的减小凝析油反蒸发效率增 大［5］．实验表明凝析油具有铺展于固相表面的现 象因而颗粒越小气相与液相的接触面越大从而 导致反蒸发效率越大．1995年 Persoff 和 Pruess 通 过可视化微观渗流模拟实验观测了裂缝性多孔介质 的气、水两相渗流规律发现裂缝内润湿相开始聚 集并逐渐演变为段塞在后续压力的作用下气从 孔隙的轴心突破段塞这个过程在实验过程中反复 出现［6］．目前国内外对凝析气藏气－液－固渗流微 观机理的研究相对较少也没有能够确切描述凝析 气与多孔介质相互作用的直观的实验图片．本文在 朱维耀等［15］研究的基础上通过高温、高压可视化 微观模拟实验进一步研究了凝析气－液－固在微观 模型中的渗流规律并对凝析液和蜡沉积的形成、分 布规律及运移方式进行了深入的探讨． 1 凝析气－液－固微观渗流实验方法 1∙1 实验流程 在实验中采用了同一套实验流程具体如下． （1） 液、固两相析出及三相渗流过程．①首先 将气相组分和液相组分按照一定比例配制在高压容 器中；②将实验模型、装入气体的高压容器安装到实 验系统中；③将实验系统恒定到指定实验温度；④模 型用氮气升压到实验压力；⑤将装入气体的高压容 器升到实验压力；⑥打开高压容器与模型之间的阀 门打开出口回压阀的出口阀门让凝析气将模型中 的氮气排尽并流过模型记录两端压力；⑦观察液 相和气相的析出及气、液、固三相的流动过程并 录像． （2） 析蜡点测试．①首先将气相组分和液相组 分按照一定比例打入高压容器中；②将实验模型、装 入气体的高压容器安装到实验系统中；③将实验系 统升到指定实验温度；④模型中用氮气升压到实验 压力；⑤将装入气体的高压容器升到实验压力；⑥打 开高压容器与模型之间的阀门和出口回压阀的出口 阀门让凝析气将模型中的氮气排尽；⑦改变模型温 度观察模型图像以便分析蜡是否析出． 1∙2 微观仿真玻璃模型 选用具有储集层岩石孔隙系统集合形状和分布 特点的流动网格结构的微观仿真玻璃模型．模型的 尺寸大小为40mm×40mm孔隙体积约为50μL平 均孔径为100μm最小孔径可达10μm孔道截面为 椭圆形． 1∙3 实验用凝析气 使用正庚烷和甲烷气配制流体样品．配样的温 度为90∙0℃压力为31MPa按配样压力高于露点 压力配样．配制的流体样品组成质量分数为：甲烷 85％、正庚烷15％． 2 复杂渗流微观可视化实验结果及分析 实验记录了压力为25～35MPa、温度为85℃ 状态下凝析油的产状和流动规律给出了微观模型 流动过程中的微观图片（实验压力为28MPa实验 温度为85℃）．图中凹陷部分为岩石骨架孔道中 大部分为凝析气颜色渐深的部分为凝析油． 2∙1 高温、高压下液体析出及凝聚过程 在不含水模型中液体析出后平铺在孔道壁上 并在颗粒边缘聚集、运移．实验条件：凝析气配制压 力为 22MPa温度为 80℃；凝析液析出压力为 18MPa温度为80℃．从图1可以看出当模型中 不含束缚水时凝析液为润湿相凝析液析出后平 铺在孔道表面因此不能观察到液滴的存在．由于 气、液、固界面现象凝析液在颗粒（固体介质）周围 聚集并在气体流动产生的携带作用下产生流动． 图1 不含水模型中凝析液析出及聚集过程 Fig．1 Model of non-water liquid condensate and gathering process of precipitation 在含水模型中束缚水较少的情况下以液滴状 析出：当凝析液达到一定程度时靠重力作用平铺在 孔道壁上并由于毛管力作用在颗粒边缘聚集和发 生运移．同图1实验条件图2为含有少量束缚水 的条件下凝析液以滴状存在的图像；这是因为少量 凝析液在颗粒表面存在时由界面张力的作用而形 成液滴．当凝析液较多时依然会在水膜表面形成 凝析液膜形成与不含水模型相似的聚集状态 （图3）． 2∙2 高温、高压下蜡的析出及凝聚 2∙2∙1 降压析蜡过程 （1） 蜡以片状在颗粒表面析出．实验条件：凝 析气配制压力为22MPa温度为80℃；凝析液析出 压力为28∙0MPa温度为80℃．图4和图5为降压 ·1352· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 朱维耀等：气液固变相态复杂渗流微观实验研究 ,1353 以液相中析出为主（左箭头所指处），颗粒表面析出 次之（右箭头指处），因此，蜡的析出位置同液相的 析出位置相对应 图2含水条件下凝析液以液滴状吸附在孔道表面 Fig-2 Aqueous liquid condensate droplet-like adsorbed on the pore 图5降压孔道表面蜡的析出过程图（絮状） surface Fig.5 Precipitation of wax on the surface of step down channels (flock) 图3含水条件下凝析液在颗粒边缘聚集 Fig-3 Aqueous liquid condensate accumulated on the edge of parti- 图6降压过程中液相中蜡的析出过程 cles Fig.6 Precipitation of wax in liquid phase during step-dow n process 过程中在颗粒表面固相蜡的析出过程图像，图4中， 蜡以类似结晶的过程析出， 图7其他几处析蜡位置 图4降压孔道表面蜡的析出过程（类似结晶） Fig.7 Other points of wax precipitation Fig.4 Precipitation of wax on the surface of step down channels 2.2.2降温析蜡过程 (similar to crystallization) 实验条件：凝析气配制压力为22MPa,温度为 (2)蜡在液相中以絮状物析出并影响液相流 70℃；凝析液析出压力为18MPa,温度为50℃. 动.图5中，析出的蜡以絮状零散地吸附在颗粒表 图8(a)为实验开始时的图像，(b)为降温后的图像. 面（见图5右框内），从图6中可以看出，在降压过 对比后发现孔道表面变暗，这是由于蜡析出吸附在 程中，液相首先析出，而后固相蜡逐渐在液相中析 颗粒表面造成的，其中黑色斑块为油液滴 出，形成絮状沉淀（见图5左框内），从而影响液相的 同降压过程蜡的析出机理比较，由于蜡的析出 流动过程 对温度比较敏感，在温度降低到一定程度时，会有大 (3)其他几处析蜡位置，图7为其他几处蜡的 量的蜡同时析出，这些蜡主要吸附在孔道表面，位置 析出图像.从图中可以看出，降压过程中，蜡的析出 的选择性较差
图2 含水条件下凝析液以液滴状吸附在孔道表面 Fig．2 Aqueous liquid condensate droplet－like adsorbed on the pore surface 图3 含水条件下凝析液在颗粒边缘聚集 Fig．3 Aqueous liquid condensate accumulated on the edge of particles 过程中在颗粒表面固相蜡的析出过程图像图4中 蜡以类似结晶的过程析出． 图4 降压孔道表面蜡的析出过程（类似结晶） Fig．4 Precipitation of wax on the surface of step-down channels （similar to crystallization） （2） 蜡在液相中以絮状物析出并影响液相流 动．图5中析出的蜡以絮状零散地吸附在颗粒表 面（见图5右框内）．从图6中可以看出在降压过 程中液相首先析出．而后固相蜡逐渐在液相中析 出形成絮状沉淀（见图5左框内）从而影响液相的 流动过程． （3） 其他几处析蜡位置．图7为其他几处蜡的 析出图像．从图中可以看出降压过程中蜡的析出 以液相中析出为主（左箭头所指处）颗粒表面析出 次之（右箭头指处）．因此蜡的析出位置同液相的 析出位置相对应． 图5 降压孔道表面蜡的析出过程图（絮状） Fig．5 Precipitation of wax on the surface of step-down channels （flock） 图6 降压过程中液相中蜡的析出过程 Fig．6 Precipitation of wax in liquid phase during step-down process 图7 其他几处析蜡位置 Fig．7 Other points of wax precipitation 2∙2∙2 降温析蜡过程 实验条件：凝析气配制压力为22MPa温度为 70℃；凝析液析出压力为18MPa温度为50℃． 图8（a）为实验开始时的图像（b）为降温后的图像． 对比后发现孔道表面变暗这是由于蜡析出吸附在 颗粒表面造成的其中黑色斑块为油液滴． 同降压过程蜡的析出机理比较由于蜡的析出 对温度比较敏感在温度降低到一定程度时会有大 量的蜡同时析出这些蜡主要吸附在孔道表面位置 的选择性较差． 第11期 朱维耀等： 气－液－固变相态复杂渗流微观实验研究 ·1353·
.1354 北京科技大学学报 第31卷 (a) 图8降温过程蜡的析出.(a)蜡析出：(b)液中含固态蜡 Fig-8 Wax precipitation during cooling process:(a)wax precipitation:(b)liquid phase including solid wax 3孔隙介质中气一液固（蜡）三相流动 3.1凝析油形成蝌蚪状流动 当温度较低，流体中虽然含有固体组分，但仍然 可以流动时，凝析液为非牛顿流体。此时，如果凝析 液量较少，凝析油以滴状沿水膜不连续流动 实验条件：凝析气配制压力为22MPa,温度为 70℃；凝析液析出压力为18MPa,温度为50℃.如 图9所示，在凝析液量较少的情况下，由于凝析液中 图10溪状流 存在固相，本身黏度增加，在界面张力和本身黏滞力 Fig-10 Stream flow 的作用下，以液滴状存在.在气体的携带作用下，以 束缚水很少或没有束缚水的条件下，析出的凝析液 蝌蚪状运移. 是平铺在孔道表面的，并在界面张力的作用下，聚集 在颗粒周围，在气体的携带作用下发生变形，随着周 围凝析液的聚集，变形会越来越大，最终一部分凝析 油被携带走，形成一次脉冲流动，而剩余的凝析液重 新开始一次聚集、变形和被携带走的过程.图11(a) 为脉冲开始阶段，11(b)为脉冲最后阶段 3.4凝析液的界面流 图12是凝析液流动过程中，凝析油发生界面的 合并，形成贾敏效应的过程，在某些条件下，即使两 图9凝析油形成蝌蚪状流动 个凝析油界面距离很近，界面依旧不能合并，图13 Fig.9 Tadpole shaped condensate flow 为凝析液在流动过程中形成的贾敏效应，从图中可 3.2溪状流 以看出，当有大量凝析油存在时，贾敏效应非常强 实验条件同3.1.当温度较低，流体中虽含有固 烈，在计算时必须考虑 体组分，但仍然可以流动时，凝析液为非牛顿流体， 3.5凝析液优先充满细小孔道 此时，如果凝析液较多，就以溪流状在孔道内发生流 实验条件同3.3.在毛管力作用下，凝析油会优 动（图10）. 先进入细小孔道（图14），并在这些位置形成堵塞， 3.3脉冲式流动 此时大孔道成为主要流动空间，只有在脉冲力大于 在束缚水较少或没有束缚水的条件下，凝析油 毛管力时，部分细小的毛细管才能打开 一般以环状连续存在于孔道中，并在颗粒边缘聚集， 3.6凝析液贴壁流动 随气体的流动，发生脉冲式流动 凝析气从孔隙的轴心突入，同时在孔壁上留下 实验条件：凝析气配制压力为22MPa,温度为 一层厚薄不同的油膜，形成的油膜沿孔隙壁爬行 80℃；凝析液析出压力为18MPa,温度为80℃.在 (图15箭头所指处)，原来被堵塞的孔隙重新成为凝
图8 降温过程蜡的析出．（a） 蜡析出；（b） 液中含固态蜡 Fig．8 Wax precipitation during cooling process：（a） wax precipitation；（b） liquid phase including solid wax 3 孔隙介质中气－液－固（蜡）三相流动 3∙1 凝析油形成蝌蚪状流动 当温度较低流体中虽然含有固体组分但仍然 可以流动时凝析液为非牛顿流体．此时如果凝析 液量较少凝析油以滴状沿水膜不连续流动． 实验条件：凝析气配制压力为22MPa温度为 70℃；凝析液析出压力为18MPa温度为50℃．如 图9所示在凝析液量较少的情况下由于凝析液中 存在固相本身黏度增加在界面张力和本身黏滞力 的作用下以液滴状存在．在气体的携带作用下以 蝌蚪状运移． 图9 凝析油形成蝌蚪状流动 Fig．9 Tadpole-shaped condensate flow 3∙2 溪状流 实验条件同3∙1．当温度较低流体中虽含有固 体组分但仍然可以流动时凝析液为非牛顿流体． 此时如果凝析液较多就以溪流状在孔道内发生流 动（图10）． 3∙3 脉冲式流动 在束缚水较少或没有束缚水的条件下凝析油 一般以环状连续存在于孔道中并在颗粒边缘聚集 随气体的流动发生脉冲式流动． 实验条件：凝析气配制压力为22MPa温度为 80℃；凝析液析出压力为18MPa温度为80℃．在 图10 溪状流 Fig．10 Stream flow 束缚水很少或没有束缚水的条件下析出的凝析液 是平铺在孔道表面的并在界面张力的作用下聚集 在颗粒周围在气体的携带作用下发生变形随着周 围凝析液的聚集变形会越来越大最终一部分凝析 油被携带走形成一次脉冲流动而剩余的凝析液重 新开始一次聚集、变形和被携带走的过程．图11（a） 为脉冲开始阶段11（b）为脉冲最后阶段． 3∙4 凝析液的界面流 图12是凝析液流动过程中凝析油发生界面的 合并形成贾敏效应的过程在某些条件下即使两 个凝析油界面距离很近界面依旧不能合并．图13 为凝析液在流动过程中形成的贾敏效应．从图中可 以看出当有大量凝析油存在时贾敏效应非常强 烈在计算时必须考虑． 3∙5 凝析液优先充满细小孔道 实验条件同3∙3．在毛管力作用下凝析油会优 先进入细小孔道（图14）并在这些位置形成堵塞 此时大孔道成为主要流动空间．只有在脉冲力大于 毛管力时部分细小的毛细管才能打开． 3∙6 凝析液贴壁流动 凝析气从孔隙的轴心突入同时在孔壁上留下 一层厚薄不同的油膜形成的油膜沿孔隙壁爬行 （图15箭头所指处）原来被堵塞的孔隙重新成为凝 ·1354· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 朱维耀等：气液固变相态复杂渗流微观实验研究 .1355, b 图11脉冲式流动.(a)脉冲开始阶段：(b)脉冲最后阶段 Fig-11 Pulsed flow:(a)initial stage:(b)last stage 变为下一个段塞.这个过程在凝析流动中循环往 复，周而复始 实验条件同3.3，在降压过程中，固相析出比较 缓慢.其中，少量吸附在颗粒表面；大部分的固相析 出遵循以下顺序：液相首先析出，然后固相再从液相 中逐渐析出，形成絮状物，阻塞凝析液的流动. 图12凝析液流动过程的气/液界面现象 Fig-12 Gas/liquid interfaces during the flow process of fluid conden- sate 图15贴壁流动 Fig.15 Adherent mobile 3.7凝析气液固相分布特征 降压实验结果表明，随着压力的降低，凝析油析 出，凝析油占据孔隙角隅、吸附在介质壁面，随着流 图13贾敏效应 动的进行，压力继续下降，蜡在孔隙介质表面析出， Fig.13 Jamin effect 图像变暗，清晰度变差，随着凝析油的增加，蜡析出 增加并富存在凝析油中，液体变黑，表明蜡增多 在压力低于露点压力的流体流动过程中，凝析 液不断析出，并吸附在固体表面，以液滴悬浮被气体 携带运移。凝析液滴以壁面吸附、悬浮携带方式流 动.凝析油析出以液滴状悬浮孔隙中随凝析气体悬 浮流动，并伴随着液滴的凝析增大，液滴由小液滴汇 聚成较大的液滴，继续悬浮运移。由于多孔介质的 弥散作用，凝析液吸附在孔隙介质表面，并随凝析液 的增加，饱和度增大，界面液体为连续状，随凝析液 图14凝析液优先充满细小孔道 的进一步增加，界面开始流动，表现为壁面流动.此 Fig-14 Liquid condensate firstly full of small pores 时，由于凝析液的增多，凝析液多以段塞和连续态流 析气流动的通道，当段塞被突破后，孔隙重新成为 动，新凝析出的小液滴悬浮流动并随大滴凝析液或 凝析气、液流动的通道，凝析油又开始聚集并逐渐演 连续液汇聚流动
图11 脉冲式流动．（a） 脉冲开始阶段；（b） 脉冲最后阶段 Fig．11 Pulsed flow：（a） initial stage；（b） last stage 图12 凝析液流动过程的气／液界面现象 Fig．12 Gas／liquid interfaces during the flow process of fluid condensate 图13 贾敏效应 Fig．13 Jamin effect 图14 凝析液优先充满细小孔道 Fig．14 Liquid condensate firstly full of small pores 析气流动的通道．当段塞被突破后孔隙重新成为 凝析气、液流动的通道凝析油又开始聚集并逐渐演 变为下一个段塞．这个过程在凝析流动中循环往 复周而复始． 实验条件同3∙3在降压过程中固相析出比较 缓慢．其中少量吸附在颗粒表面；大部分的固相析 出遵循以下顺序：液相首先析出然后固相再从液相 中逐渐析出形成絮状物阻塞凝析液的流动． 图15 贴壁流动 Fig．15 Adherent mobile 3∙7 凝析气－液－固相分布特征 降压实验结果表明随着压力的降低凝析油析 出．凝析油占据孔隙角隅、吸附在介质壁面随着流 动的进行压力继续下降蜡在孔隙介质表面析出 图像变暗清晰度变差．随着凝析油的增加蜡析出 增加并富存在凝析油中液体变黑表明蜡增多． 在压力低于露点压力的流体流动过程中凝析 液不断析出并吸附在固体表面以液滴悬浮被气体 携带运移．凝析液滴以壁面吸附、悬浮携带方式流 动．凝析油析出以液滴状悬浮孔隙中随凝析气体悬 浮流动并伴随着液滴的凝析增大液滴由小液滴汇 聚成较大的液滴继续悬浮运移．由于多孔介质的 弥散作用凝析液吸附在孔隙介质表面并随凝析液 的增加饱和度增大界面液体为连续状随凝析液 的进一步增加界面开始流动表现为壁面流动．此 时由于凝析液的增多凝析液多以段塞和连续态流 动新凝析出的小液滴悬浮流动并随大滴凝析液或 连续液汇聚流动． 第11期 朱维耀等： 气－液－固变相态复杂渗流微观实验研究 ·1355·
,1356 北京科技大学学报 第31卷 以上研究表明，凝析气一液固渗流过程中部分 crude.Acta Pet Sin,2003.24(2):105 蜡沉积吸附在多孔介质表面（图5），部分蜡沉积随 (刘敏.含蜡原油石蜡沉积模拟方法研究.石油学报，2003,24 气相流动（图6），蜡沉积在凝析液中随凝析液流动， (2):105) [5]Sigmund P M.Retrograde condensate in porous media.Soc Pet 凝析液随析出量的增加，表现为悬浮流、贴壁流、界 Emg,1973,3(4):93 面流、溪流、段塞流、连续流，小液滴随大液滴和液流 [6]Persoff P,Pruess K.Two phase flow visualization and relative 汇聚 permeability measurement in natural rough walled rock fractures 总体来看，凝析气复杂渗流可以分为三类：①当 Water Resour Res.1995,31(5):1175 温度和压力较高时，没有固相析出，凝析气藏中的流 [7]Mei H Y,Zhang MM,Sun L T,et al.The effect of pressure on wax precipitation temperature for an oil and gas system.ISouth- 体为气、液两相。其中，液相主要吸附在颗粒表面， west Pet1nt,2001,23(6):9 形成连续相，以脉冲式、贴壁式和段塞式流动为主； (梅海燕，张茂林，孙良田，等.压力对油气体系石蜡沉积温度的 ②当温度和压力降低到一定程度时，由于析出液中 影响.西南石油学院学报，2001,23(6)：9) 含有固相成分，析出的流体为非牛顿流体，少量流体 [8]Su C.Guo P,LiS L,et al.Investigation of the microvisual flow 析出时以滴状为主，在气体的携带作用下，形成蝌蚪 and relative permeability of condensate oil and gas.Nat Gas Ind, 2002,22(4):61 状流动，大量凝析液流动时则形成溪状流和段塞流： (苏畅，郭平，李士伦，等.凝析油气微观流动及相渗规律研究 ③当大量固相析出时，液相中的蜡将析出，使流动阻 天然气工业，2002,22(4)：61) 力增大，其中液相流动受较大的影响. [9]Hu Y L.Luo K.Zheng X T,et al.Experimental study on phase behavior of gas condensate systems with high-content wax.Acta 4结论 Pet Sin,2003,24(3):61 (胡永乐，罗凯，郑希潭，等.高含蜡凝析气相态特征研究·石油 在高温、高压下，通过仿真微观可视化模型模拟 学报，2003,24(3)：61) 地层凝析气液固三相流动，可直接观测凝析油的 [10]Zhong T X.Yuan S H Y,Hu Y L.et al.Complex phase behav- 流动规律，凝析油的流动方式主要有携带、贴壁爬 ior of gas condensate systems.Pet Explor Dev.2004.31(2): 行、界面流、脉冲流、段塞流、溪状流、连续流、小液滴 125 随大液滴和液流汇聚 (钟太贤，袁士义，胡永乐，等.凝析气流体的复杂相态.石油勘 探与开发，2004,31(2)：125) 蜡沉积有两种方式：①直接从气相中析出，并以 [11]Tang E G.Li X F.Tong M.et al.Research of condensate ac- 片状吸附在多孔介质表面，部分蜡由于凝析气中的 cumulation based on phase change of gas condensate.Pet Explor 重组分作用以类似结晶的过程析出，析出的蜡以絮 Dem,2005,32(5):105 状零散地吸附在多孔介质表面.②蜡在液相中以絮 (唐恩高，李相方，童敏，等.基于凝析气相变的凝析油聚集规 状物析出，并影响液相流动，降压过程中液相析出， 律研究.石油勘探与开发，2005,32(5).105) 然后固相蜡逐渐在液相中析出，形成絮状沉淀，从而 [12]Zhu W Y.Sun Y K.Xu J.et al.Investigation of production trend and effect factors of multiphase complex flow with phase 影响液相的流动 change and wax deposition.Nat Gas Geosci,2006,17(6):842 当大量固相蜡析出时，孔隙结构发生变化，孔隙 (朱维耀，孙玉凯，徐君，等。蜡沉积对凝析气田开发动态和 半径变小，出现气一液固多相流动，流动阻力增大， 生产的影响.天然气地球科学，2006,17(6)：842) 其中液相流动受较大的影响， [13]Gu LL.Shi Y F,Yu H R.Chaos analysis of gas-liquid sol id three phases co-current flow system./Sichuan Uniw Eng Sci Ed,2000,32(2):44 参考文献 (顾丽莉，石炎福，余华瑞.气一液一固三相并流体系的混沌识 [1]Zhu W Y.Liu X Y,Luo K,et al.Dynamic model of gas liquid- 别.四川大学学报：工程科学版，2000,32(2)：44) solid porous flow with phase change of condensate reservoirs.Nat [14]Li M.Wang DC,Jiang Y W,et al.Thermodynamic model of Gas Geosci,2005,16(3):364 predicting wax precipitation in condensate gas system.Nat Gas (朱维耀，刘学伟，罗凯，等，具有蜡沉积的凝析气藏气液固微尺 1nd,2004,27(4):62 度变相渗流动力学模型研究.天然气地球科学，2005,16(3)： (李闽，王道成，姜逸伟，等预测凝析油气体系蜡沉积热力学 364) 模型.天然气工业，2004,27(4)：62) [2]Bentsen R G.Effect of momentum transfer between fluid phases [15]Zhu W Y,Liu X W,Shi Z L,et al.Porous flow mechanism of on effective mobility.J Pet Sci Eng.1998.21(1/2):27 multiphase complex flow of condensate gas reservoirs with wax [3]Morrow N R.Interfacial Phenomena in Petroleum Recovery. deposition.Acta Pet Sin.2007,28(2):87 Monticello:Mercel Dekker Ine,1991 (朱维耀，刘学伟，石志良，等，蜡沉积凝析气一液一固微观渗流 [4]Liu M.Measurement and simulation of wax deposition in waxy 机理研究-石油学报，2007,28(2)：87)
以上研究表明凝析气－液－固渗流过程中部分 蜡沉积吸附在多孔介质表面（图5）部分蜡沉积随 气相流动（图6）蜡沉积在凝析液中随凝析液流动． 凝析液随析出量的增加表现为悬浮流、贴壁流、界 面流、溪流、段塞流、连续流小液滴随大液滴和液流 汇聚． 总体来看凝析气复杂渗流可以分为三类：①当 温度和压力较高时没有固相析出凝析气藏中的流 体为气、液两相．其中液相主要吸附在颗粒表面 形成连续相以脉冲式、贴壁式和段塞式流动为主； ②当温度和压力降低到一定程度时由于析出液中 含有固相成分析出的流体为非牛顿流体少量流体 析出时以滴状为主在气体的携带作用下形成蝌蚪 状流动大量凝析液流动时则形成溪状流和段塞流； ③当大量固相析出时液相中的蜡将析出使流动阻 力增大其中液相流动受较大的影响． 4 结论 在高温、高压下通过仿真微观可视化模型模拟 地层凝析气－液－固三相流动可直接观测凝析油的 流动规律．凝析油的流动方式主要有携带、贴壁爬 行、界面流、脉冲流、段塞流、溪状流、连续流、小液滴 随大液滴和液流汇聚． 蜡沉积有两种方式：①直接从气相中析出并以 片状吸附在多孔介质表面．部分蜡由于凝析气中的 重组分作用以类似结晶的过程析出析出的蜡以絮 状零散地吸附在多孔介质表面．②蜡在液相中以絮 状物析出并影响液相流动降压过程中液相析出 然后固相蜡逐渐在液相中析出形成絮状沉淀从而 影响液相的流动． 当大量固相蜡析出时孔隙结构发生变化孔隙 半径变小出现气－液－固多相流动流动阻力增大 其中液相流动受较大的影响． 参 考 文 献 ［1］ Zhu W YLiu X YLuo Ket al．Dynamic model of gas-liquidsolid porous flow with phase change of condensate reservoirs．Nat Gas Geosci200516（3）：364 （朱维耀刘学伟罗凯等．具有蜡沉积的凝析气藏气液固微尺 度变相渗流动力学模型研究．天然气地球科学200516（3）： 364） ［2］ Bentsen R G．Effect of momentum transfer between fluid phases on effective mobility．J Pet Sci Eng199821（1／2）：27 ［3］ Morrow N R．Interf acial Phenomena in Petroleum Recovery． Monticello：Mercel Dekker Inc1991 ［4］ Liu M．Measurement and simulation of wax deposition in waxy crude．Acta Pet Sin200324（2）：105 （刘敏．含蜡原油石蜡沉积模拟方法研究．石油学报200324 （2）：105） ［5］ Sigmund P M．Retrograde condensate in porous media．J Soc Pet Eng19733（4）：93 ［6］ Persoff PPruess K．Two-phase flow visualization and relative permeability measurement in natural rough-walled rock fractures． Water Resour Res199531（5）：1175 ［7］ Mei H YZhang M MSun L Tet al．The effect of pressure on wax precipitation temperature for an oil and gas system．J Southwest Pet Inst200123（6）：9 （梅海燕张茂林孙良田等．压力对油气体系石蜡沉积温度的 影响．西南石油学院学报200123（6）：9） ［8］ Su CGuo PLi S Let al．Investigation of the microvisual flow and relative permeability of condensate oil and gas．Nat Gas Ind 200222（4）：61 （苏畅郭平李士伦等．凝析油气微观流动及相渗规律研究． 天然气工业200222（4）：61） ［9］ Hu Y LLuo KZheng X Tet al．Experimental study on phase behavior of gas condensate systems with high-content wax．Acta Pet Sin200324（3）：61 （胡永乐罗凯郑希潭等．高含蜡凝析气相态特征研究．石油 学报200324（3）：61） ［10］ Zhong T XYuan S H YHu Y Let al．Complex phase behavior of gas condensate systems．Pet Explor Dev200431（2）： 125 （钟太贤袁士义胡永乐等．凝析气流体的复杂相态．石油勘 探与开发200431（2）：125） ［11］ Tang E GLi X FTong Met al．Research of condensate accumulation based on phase change of gas condensate．Pet Explor Dev200532（5）：105 （唐恩高李相方童敏等．基于凝析气相变的凝析油聚集规 律研究．石油勘探与开发200532（5）：105） ［12］ Zhu W YSun Y KXu Jet al．Investigation of production trend and effect factors of multiphase complex flow with phase change and wax deposition．Nat Gas Geosci200617（6）：842 （朱维耀孙玉凯徐君等．蜡沉积对凝析气田开发动态和 生产的影响．天然气地球科学200617（6）：842） ［13］ Gu L LShi Y FYu H R．Chaos analysis of gas-liquid-sol id three phases co-current flow system．J Sichuan Univ Eng Sci Ed200032（2）：44 （顾丽莉石炎福余华瑞．气－液－固三相并流体系的混沌识 别．四川大学学报：工程科学版200032（2）：44） ［14］ Li MWang D CJiang Y Wet al．Thermodynamic model of predicting wax precipitation in condensate-gas system．Nat Gas Ind200427（4）：62 （李闽王道成姜逸伟等．预测凝析油气体系蜡沉积热力学 模型．天然气工业200427（4）：62） ［15］ Zhu W YLiu X WShi Z Let al．Porous flow mechanism of multiphase complex flow of condensate gas reservoirs with wax deposition．Acta Pet Sin200728（2）：87 （朱维耀刘学伟石志良等．蜡沉积凝析气－液－固微观渗流 机理研究．石油学报200728（2）：87） ·1356· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
