CN111353227A - 基于跨尺度多流动空间气体传输机制的co2强化页岩气藏开发动态仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，通过多组分多相三维数值模拟器建立双孔/双渗数值模型，同时采用局部网格加密技术对水力裂缝进行对数间隔加密，从而建立起页岩储层中基质、自然裂缝及水力裂缝三大流动空间，然后基于密度、粘度及分子量的计算公式分别计算单组分及多组分天然气的密度、粘度及分子量，从而计算出相应的单组分及多组分天然气的表观渗透率，在给定平均孔隙半径及某个压力区间，即可绘制出单组分及多组分天然气渗透率校正因子随压力的变化关系，多组分多相三维数值模拟器在各时间步基于计算出来的压力调用相应的天然气渗透率校正因子，这样达到修正达西本构的目的。

Description

基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO2强化页岩气藏开发 动态仿真方法

技术领域

本发明所属技术领域为页岩储层动态开发模拟仿真领域，具体涉及基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法。

背景技术

如何有效地利用化石燃料资源的同时减少二氧化碳排放对全球暖化及海洋酸化等环境问题的影响，一直是困扰我国可持续发展的关键问题之一。目前针对该问题的有效解决方案之一是二氧化碳捕获及封存(CCS)，该技术被全球广泛应用并有效地减少了二氧化碳的排放量。页岩对二氧化碳的吸附能力是对甲烷吸附能力的4-20倍，二氧化碳的注入不仅能补充地层能量而且可以有效置换页岩中的甲烷从而提高气井单井产量，虽然有一部分二氧化碳会随着甲烷生产出来，但并不是所有注入的二氧化碳全部被生产出来，久而久之，二氧化碳净封存效果明显，最终达到既减排又高效开发页岩气这一非常规能源的目的。微纳米尺度孔隙及裂隙大量发育的页岩气藏有着与常规气藏截然不同的储集方式、运移机制等特征，客观并高效地模拟二氧化碳强化页岩气藏开发这个动态过程，有助于量化气藏属性及工艺参数不确定性对提采与封存一体化过程的影响，能有效地降低现场先导实验的风险。目前针对二氧化碳强化页岩气藏的模拟仿真方法主要利用多组分多相三维数值模拟器建立双孔/双渗模型，同时采用局部网格加密技术进行对数间隔加密以表征水力裂缝，通过该方式能有效表征页岩储层基质、自然裂缝及水利裂缝不同流动空间之间的传质行为，但模拟器普遍基于达西本构，未考虑页岩储层因微纳米孔隙大量发育导致的非达西流动机理，由于二氧化碳在微纳米孔隙内的扩散及滑脱效应会导致更多的二氧化碳在封存过程中的突破，因此基于达西流动规律的二氧化碳封存结果预测会相对乐观，不能客观反映封存及开发效果。同时现有技术未考虑到气体组分变化对渗透率校正因子的影响，笼统地用一个渗透率校正因子对该过程进行模拟，因此无法准确地动态表征CO₂强化页岩气藏开发过程中涉及到的多组分、多尺度、多流动空间的传质力学行为。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，本发明能够有效克服现有仿真方法无法客观表征多尺度流动的局限性，同时兼顾了建模及计算成本，为二氧化碳强化页岩气藏开发动态模拟提供了一些新方法和新思路。

本发明采用的技术方案如下：

基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，包括如下过程：

通过多组分多相三维数值模拟器建立双孔/双渗数值模型，采用局部网格加密技术对水力裂缝进行对数间隔加密，从而建立起页岩储层中基质、自然裂缝及水力裂缝流动空间，然后基于真实气体的密度、真实粘度及分子量分别计算甲烷的密度、粘度及分子量及多组分天然气的密度、粘度及分子量，从而计算出相应的甲烷的表观渗透率及多组分天然气的表观渗透率，给定平均孔隙半径及预设压力区间，绘制出甲烷渗透率校正因子随压力的变化关系及多组分天然气渗透率校正因子随压力的变化关系，多组分多相三维数值模拟器在各时间步基于计算出来的压力调用相应的天然气渗透率校正因子，对达西本构进行修正，利用修正后的达西本构进行CO₂强化页岩气藏开发动态仿真。

优选的，所述多组分天然气中的包括甲烷和二氧化碳，在模拟仿真的过程中，刚开始页岩气藏泄压衰歇式开发，气体组分为100％的甲烷，此时使用甲烷渗透率校正因子，在衰竭开发一段时间后，注入二氧化碳，由于二氧化碳的注入，气体组分为甲烷和二氧化碳混合物，这时使用多组分渗透率校正因子。

优选的，真实单组分气体粘度μ_real为：

真实多组分天然气粘度μ_{real，mixture}为：

μ_{real，mixture}＝m₁μ_r，1+m₂μ_r，2+…+m_iμ_r，i+…+m_n-1μ_r，n-1+m_nμ_r，n

其中：μ为理想气体粘度；A₁、A₂、A₃为粘度拟合系数；T_r为对比温度；P_r为对比压力；m_i为多组分天然气中组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；μ_r，i为多组分天然气中组分i的真实粘度。

优选的，真实多组分天然气的分子量M_real为：

M_mul＝m₁M₁+m₂M₂+…+m_iM_i+…+m_n-1M_n-1+m_nM_n

其中，m_i为多组分天然气中组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；M_i为多组分天然气中组分i的分子量。

优选的，表观渗透率k_a为：

其中：μ为气体粘度；ρ_avg为气体平均密度；P_avg为毛管中的平均压力；R为气体常数；α为切向动量调节系数；T为温度；M为气体分子量；r_p为孔隙半径。

优选的，达西渗透率k为：

其中，r_p为孔隙半径。

优选的，渗透率校正因子β为：

其中，k为达西渗透率，k_a为表观渗透率。

本发明具有如下有益效果：

本发明基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，通过预置解析模型耦合数值模拟器(数值模拟器在各时间步调用解析模型修正后的渗透率)的模拟仿真方式，在保证计算效率的同时能有效客观还原气体在多尺度多流动空间的运移机制，客观反映封存及开发效果。本发明通过预置解析模型分步耦合数值模拟器的方式对多组分、多尺度、多流动空间的传质力学行为进行动态表征，本发明提出的仿真方法能够有效克服现有仿真方法无法客观表征多尺度流动的局限性，同时兼顾了建模及计算成本，为二氧化碳强化页岩气藏开发动态模拟提供了一些新方法和新思路。

进一步的，本发明提出了分步耦合的方式将预置解析模型与数值模拟器进行耦合，即在未注入二氧化碳开发页岩气藏之前，通过单组分(甲烷)传质解析模型耦合数值模拟器，在注入二氧化碳之后，通过多组分(甲烷-二氧化碳)传质解析模型耦合数值模拟器，这样分步耦合能更准确地表征多组分、多尺度、多流动空间的非稳态渗流规律，为CO₂强化页岩气藏开发提供了更准确地动态仿真方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明针对二氧化碳强化页岩气藏开发提出一种新的动态仿真模拟技术，该模拟技术通过预置解析模型分步耦合数值模拟器的方式对多组分、多尺度、多流动空间的传质力学行为进行动态表征，本发明提出的仿真方法有效克服现有仿真方法无法客观表征多尺度流动的局限性，同时兼顾了建模及计算成本，为二氧化碳强化页岩气藏开发动态模拟提供了一些新方法和新思路。

本发明的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，包括如下过程：

通过多组分多相三维数值模拟器建立双孔/双渗数值模型，同时采用局部网格加密技术对水力裂缝进行对数间隔加密，从而建立起页岩储层中基质、自然裂缝及水力裂缝三大流动空间，然后基于密度、粘度及分子量的计算公式分别计算单组分(甲烷)及多组分(甲烷-二氧化碳)天然气的密度、粘度及分子量，从而计算出相应的单组分(甲烷)及多组分(甲烷-二氧化碳)天然气的表观渗透率，在给定平均孔隙半径及某个压力区间，即可绘制出单组分(甲烷)及多组分(甲烷-二氧化碳)天然气渗透率校正因子随压力的变化关系，多组分多相三维数值模拟器在各时间步基于计算出来的压力调用相应的天然气渗透率校正因子，这样达到修正达西本构的目的。同时在模拟仿真的过程中，要考虑到刚开始页岩气藏泄压衰歇式开发，气体组分为100％的甲烷，此时需要使用单组分渗透率校正因子，在衰竭开发一段时间后，注入二氧化碳，由于二氧化碳的注入，气体组分为甲烷和二氧化碳混合物，这时需要使用多组分渗透率校正因子。这种预置解析模型分步耦合数值模拟器的方式能更准确地动态表征CO₂强化页岩气藏开发过程中涉及到的多组分、多尺度、多流动空间的传质力学行为，同时节省了建模及计算成本。

其中，上述方案中各参量的计算通过如下公式进行计算：

表观渗透率：

上式中：k_a：表观渗透率，m²；

μ：气体粘度，pa.s；

ρ_avg：气体平均密度，kg/m；

P_avg为毛管中的平均压力，单位为Pa；

R：气体常数；

α：切向动量调节系数；

T：温度，K；

M：气体分子量，kg/mol；

r_p：孔隙半径，m；

气体压缩因子Z：

Z_mixture＝m₁Z₁+m₂Z₂+…+m_iZ_i+…+m_n-1Z_n-1+m_nZ_n

其中P_r＝P/P_c

T_r＝T/T_c

上式中：P为绝对压力，Pa；P_c：临界压力，Pa；

P_r：对比压力；

T：绝对温度，K；T_c：临界温度，K；

T_r：对比温度；

m_i：组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；

Z_i：组分i的气体压缩因子，i取1，2，3……n；

真实气体状态方程：

PV＝ZnRT

其中n＝m/M；

ρ＝PM/ZRT

真实单组分气体粘度μ_real为：

真实多组分天然气粘度μ_{real，mixture}为：

μ_{real，mixture}＝m₁μ_r，1+m₂μ_r，2+...+m_iμ_r，i+...+m_n-1μ_r，n-1+m_nμ_r，n

其中：μ为理想气体粘度；A₁、A₂、A₃为粘度拟合系数；T_r为对比温度；P_r为对比压力；m_i为多组分天然气中组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；μ_r，i为多组分天然气中组分i的真实粘度。

真实多组分天然气的分子量M_real为：

M_mul＝m₁M₁+m₂M₂+...+m_iM_i+...+m_n-1M_n-1+m_nM_n

其中，m_i为多组分天然气中组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；M_i为多组分天然气中组分i的分子量。

达西渗透率：

渗透率校正因子：

本发明针对二氧化碳强化页岩气藏开发过程中涉及到的跨尺度多流动空间等特殊的传质行为，提出预置解析模型与数值模拟分步耦合仿真技术动态表征该过程，该方法在保证计算效率的同时亦能有效客观还原气体在多尺度多流动空间的运移机制，客观反映二氧化碳封存及页岩气藏开发效果。

Claims (7)

1.基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，包括如下过程：

通过多组分多相三维数值模拟器建立双孔/双渗数值模型，采用局部网格加密技术对水力裂缝进行对数间隔加密，从而建立起页岩储层中基质、自然裂缝及水力裂缝流动空间，然后基于真实气体的密度、真实粘度及分子量分别计算甲烷的密度、粘度及分子量及多组分天然气的密度、粘度及分子量，从而计算出相应的甲烷的表观渗透率及多组分天然气的表观渗透率，给定平均孔隙半径及预设压力区间，绘制出甲烷渗透率校正因子随压力的变化关系及多组分天然气渗透率校正因子随压力的变化关系，多组分多相三维数值模拟器在各时间步基于计算出来的压力调用相应的天然气渗透率校正因子，对达西本构进行修正，利用修正后的达西本构进行CO₂强化页岩气藏开发动态仿真。

2.根据权利要求1所述的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，所述多组分天然气中的包括甲烷和二氧化碳，在模拟仿真的过程中，刚开始页岩气藏泄压衰歇式开发，气体组分为100％的甲烷，此时使用甲烷渗透率校正因子，在衰竭开发一段时间后，注入二氧化碳，由于二氧化碳的注入，气体组分为甲烷和二氧化碳混合物，这时使用多组分渗透率校正因子。

3.根据权利要求1所述的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，真实单组分气体粘度μ_real为：

真实多组分天然气粘度μ_{real，mixture}为：

μ_{real，mixture}＝m₁μ_r，1+m₂μ_r，2+…+m_iμ_r，i+…+m_n-1μ_r，n-1+m_nμ_r，n

其中：μ为理想气体粘度；A₁、A₂、A₃为粘度拟合系数；T_r为对比温度；P_r为对比压力；m_i为多组分天然气中组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；μ_r，i为多组分天然气中组分i的真实粘度。

4.根据权利要求1所述的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，真实多组分天然气的分子量M_real为：

M_mul＝m₁M₁+m₂M₂+…+m_iM_i+…+m_n-1M_n-1+m_nM_n

其中，m_i为多组分天然气中组分i的摩尔分数，i取1，2，3……n；M_i为多组分天然气中组分i的分子量。

5.根据权利要求1所述的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，表观渗透率k_a为：

其中：μ为气体粘度；ρ_avg为气体平均密度；P_avg为毛管中的平均压力；R为气体常数；α为切向动量调节系数；T为温度；M为气体分子量；r_p为孔隙半径。

6.根据权利要求1所述的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，达西渗透率k为：

其中，r_p为孔隙半径。

7.根据权利要求1所述的基于跨尺度多流动空间气体传输机制的CO₂强化页岩气藏开发动态仿真方法，其特征在于，渗透率校正因子β为：

其中，k为达西渗透率，k_a为表观渗透率。