CN111680445B - 一种煤层气-致密气合采的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气‑致密气合采的数值模拟方法。包括以下步骤：收集原始数据，建立煤系地层三维地质模型，并将建立的所述三维地质模型剖分为单重介质模型网格；根据前述的模型，建立三重介质数值模型，所述三重介质数值模型中的三重介质分别为：基质系统、裂缝系统和孔洞系统，并将三维地质模型与三重介质数值模型相耦合；根据煤层与砂岩层的连通关系设置不同的三重介质的窜流系数与传导系数；结合S3的属性值、S4的计算结果以及生产条件，通过渗流方程计算合层共采的产气量和产水量。本发明通过设置三重介质模型，减少了模型中砂岩层在纵向上的网格划分，进而减少了模型总体网格数量，优化了模型大小，加快了运算速率，节约了运算时间。

Description

一种煤层气-致密气合采的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及油气开采技术领域，具体涉及一种利用三重介质模型等效模拟煤层气-致密气 合采的数值模拟方法。

背景技术

煤系地层往往发育多个煤层和致密砂岩层，纵向上砂岩层与煤层叠置互层分布，因此赋 存大量的煤层气、致密砂岩气非常规气体。煤系地层非常规天然气资源丰富，全国非常规天 然气储量的30％以上赋存在煤系地层或者与煤系地层相关，煤系地层煤层气和致密气开发前 景可观。而煤层和致密砂岩层都属于低渗气藏，单层开采时产气量较低，只有将煤层气-致密 气合层开采，才能使采气效益最大化。

气藏工程的研究离不开数值模拟，在数值模拟研究中模型的选取与应用至关重要。致密 砂岩气藏一般采用常规单一介质进行模拟。而煤层气藏模拟通常采用双重介质，采用双孔单 渗数学模型。其中基质为吸附气，是气体的储集空间，代表煤岩基质。而裂缝代表煤岩割理 系统，是流体流动空间和储集空间。双重介质模型中基质为煤层吸附气储集空间，裂缝为水 和自由气的储集空间和流动通道。其中基质具有向裂缝窜流的特性而不具备流动性，基质系 统和裂缝系统具有双向的传质作用，如图1所示。

一般在进行煤层气致密气合采模拟时，由于商业模拟器只能采用一种模型(单重介质模 型或者双重介质模型)，研究人员往往采用双重介质模型进行处理，并将煤岩和致密砂岩通 过岩性分区来表示。将砂岩层的基质和裂缝系统进行统一的赋值处理，使双重介质表示的砂 岩层等效为单一介质模型，从而进行合采的模拟研究工作，如图1、2所示。如果只采用单重 介质模型模拟煤层气-致密气合采，则不能够准确描述煤层气的解吸扩散过程；如果采取双重 介质模型模拟煤层气-致密气合采，则需要将砂岩层设置为双重介质，增加了计算时的网格数 量，延长了运算时间。

发明内容

针对目前的煤层气致密气合采模拟方法的缺点，本发明提出了一种煤层气-致密气合采的 数值模拟方法，通过建立三重介质模型，在建立数值模型时不需要将砂岩层设置为基质和裂 缝，而且减少模型在纵向上的网格划分，大大减少了建模时的网格数量，提高运算效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种煤层气-致密气合采的数值模拟方法，包括 以下步骤：

S1、收集原始数据，建立煤系地层三维地质模型，并将建立的所述三维地质模型剖分为 网格；

S2、根据S2建立的模型，建立三重介质数值模型，所述三重介质数值模型中的三重介质 分别为：基质系统、裂缝系统以及孔洞系统或孔隙系统，并将三维地质模型的孔隙度、渗透 率、饱和度属性参数相应地赋值为三重介质数值模型的孔隙度、渗透率、饱和度属性；

S3、根据煤层与砂岩层的连通关系设置不同的三重介质的窜流系数与传导系数；

S4、结合S3的属性值、S4的计算结果以及生产条件，通过渗流方程计算合层共采的产气 量和产水量。

本发明通过设置三重介质模型来模拟煤致合采，相对于传统的双重介质模拟，无需砂岩 层设置为基质和裂缝，且其划分的网格数更少，计算效率更高。

本发明有益效果如下：

1、通过设置三重介质模型，减少了模型中砂岩层在纵向上的网格划分，进而减少了模型 总体网格数量，优化了模型大小；

2、由于本发明的网格数量相对于双重介质较少，因此能够缩减计算时间，提高运算效率， 且避免了砂岩层吸附解吸的过程，提高了模型计算的收敛性；

3、本发明无需设计新的数值模拟软件，仅需在现有的商用数值模拟软件上设置相应的网 格耦合关系、同时通过设置砂岩层的相关系数即可。

附图说明

图1为不同煤致合采模型示意图；

图2为双重介质煤致合采模型图；

图3为煤层与砂岩层连通时的三重介质煤致合采模型图；

图4为煤层与砂岩层未连通时的三重介质煤致合采模型图；

图5为通过本发明的三重介质模型进行模拟时的产气和产水量曲线图；

图6为通过常规的双重介质模型进行模拟时的产气和产水量曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

在本发明中，三重介质为：基质系统，裂缝系统，孔洞系统或孔隙系统。

实施例1：

一种煤层气-致密气合采的数值模拟方法，包括以下步骤：

S1、收集原始数据，并通过原始数据建立煤系地层三维地质模型，并将建立三维地质模 型剖分为网格；

具体的，收集的数据包括：地层属性和流体属性，其中，地层数据包括：孔隙度、渗透 率、饱和度、储层压力、储层厚度、含气量。将建立的三维地质模型划分为多个网格，模型网格分布根据三维地质模型的大小和计算需求来剖分，其剖分精度根据实际的地层需求来确 定。

S2、根据S1建立的模型，建立三重介质数值模型，三重介质数值模型中的三重介质分别 为：基质系统、裂缝系统和以及孔洞系统或孔隙系统，并将三维地质模型与三重介质数值模 型相耦合。

具体的，将三维地质模型的孔隙度、渗透率、饱和度属性参数相应地赋值为三重介质数 值模型的孔隙度、渗透率、饱和度属性；

S3、根据煤层与砂岩层的连通关系设置不同的三重介质的窜流系数与传导系数；

具体的，煤层和砂岩层的连通关系根据测井资料和地质模型判断，其判断方式可根据煤 层和砂岩层直观的得出，在此不予赘述。

根据煤层和砂岩层的连通关系不同，对三重模型的设置也有所不同：煤层和砂岩层连通 时，将三重介质模型中的基质系统所在网格和裂缝系统所在网格设置为煤层，将孔洞系统或 孔隙系统所在网格设置为砂岩层，基质层和裂缝层之间设置为相互传质，煤层和砂岩层相互 接触的网格设置为相互传质，基质系统与孔洞系统或孔隙系统不能相互传质，裂缝系统所代 表的网格之间可相互流动并与井筒连接，孔洞系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连 接。

煤层与砂岩层不连通时，将三重介质中的基质系统所在网格和裂缝系统所在网格设置为 煤层，将孔洞系统或孔隙系统所在网格设置为砂岩层，同时设置基质系统和裂缝系统之间可 相互传质，基质系统与孔洞系统或孔隙系统不能相互传质，裂缝系统与孔洞系统或孔隙系统 之间也不能相互传质，裂缝系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连接，孔洞系统或孔 隙系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连接。

S4、结合S2的属性值、S3的计算结果以及生产条件，通过渗流方程计算合层共采的产 气量和产水量。

煤层所在网格设置z轴正方向在坐标位置为(I，J，K)处的传导率T_Z+(I，J，K)为0，砂岩层网格设置z轴负方向在位置坐标为(I，J，K+1)处的传导率T_z-(I，J，K+1)为0， 流动系数为0。这样的设置是可以避免煤层和砂岩层之间流体交换，使砂岩层作为独立的储 层并用孔洞网格系统表示。

具体的，当煤层和砂岩层连通时，基质系统与裂缝系统的煤层气传质用以下公式表示：

式中：t——时间，d；

σ——形状因子，m^-2；

G——几何因子，m³；

τ——吸附时间，d；

D——扩散系数，m²/d；

C_m——平均吸附浓度，m³/m³；

C_E——吸附气体浓度，m³/m³，

q_mf——基质与裂缝之间传质的煤层气量，m³/d；

由于基质系统与孔洞系统或孔隙系统不能相互传质，则基质和孔洞系统或孔隙系统的流 动为0，通过设置扩散系数和传导率为0来实现。

裂缝系统设置煤层的参数包括：相渗曲线和毛管压力，孔洞系统或孔隙系统设置砂岩层 的参数包括：相渗曲线和毛管压力，合采时总的产气量为：

Q_g＝q_g+q_gt，

合采时总的产水量为：

Q_w＝q_w+q_wt，

式中，Q_g、Q_w——合采时总产气、产水量，m³/d；

q_g、q_w——煤层产气、产水量，m³/d；

q_gt、q_wt——砂岩层产气、产水量，m³/d。

在本发明中，采用渗流方程计算q_g、q_w、q_gt、q_wt。具体的，分别通过计算煤层的渗流方 程和砂岩层的渗流方程来计算，其计算方式如下：

煤层的渗流方程如下：

气相渗流方程：

水相渗流方程：

上述计算式中，K_x、K_y、K_z——分别为煤层x、y、z方向上的储层绝对渗透率，mD；

K_rg、K_rw——分别为煤层中气相、液相的相对渗透率，mD；

B_g、B_w——分别为气相、液相体积系数，无因次；

μ_g、μ_g——分别为气相、液相粘度，mPa·s；

P_g、P_w——分别为煤层气相、液相压力，MPa；

ρ_g、ρ_w——分别为气相、液相的密度，g/cm³；

P_g、P_w——分别为煤层气相、液相压力，MPa；

ρ_gsc、ρ_wsc——分别为标准状态下的气相、液相的密度，g/cm³；

H——深度，m；

g——重力加速度，m/s²；

S_g、S_w——分别为煤层中气相、液相的饱和度，％；

φ——孔隙度，％；

砂岩层的渗流方程如下：

气相渗流方程：

水相渗流方程：

上述计算式中，K_xt、K_yt、K_zt——分别为砂岩层x、y、z方向上的储层绝对渗透率，mD；

K_rgt、K_rwt——分别为砂岩层中气相、液相的相对渗透率，mD；

P_gt、P_wt——分别为砂岩层中气相、液相压力，MPa；

H_t——砂岩层深度，m；

S_gt、S_wt——分别为砂岩层中气相、液相的饱和度，％；

φ_t——砂岩层孔隙度，％。

实施例2：

本实施例以煤层和致密砂岩层合采为例：

在本实施例中，作为对比的双重介质模型的模拟方法采用的李勇等在《煤系气合采产出 数值模拟研究》一文中提出的方法，当然也可以采用其他的双重介质模型模拟方法，图1揭 示了不同煤致合采的模型，从图1中可以看出，在同等水平下，若采用双重介质模型进行数 值模拟，则其所需的网格相对于三重介质模型的网格要多。

图2、图3以及图4分别揭示了模拟煤致合采时的双重介质模模型、煤层与砂岩层连通 时的三重介质模型、煤层与砂岩层不连通时的三重介质模型，同时描述了不同介质网格表示 的方式。

砂岩层位于煤层上部，砂岩层和煤层不接触，且两个储层之间相隔2m，采用水平井多 段压裂方式将煤层气和致密气进行合采，煤层和砂岩层通过压裂缝和井筒相连通，具体模拟 参数如表1所示。

表1数值模拟模型参数

数值模型参数	致密砂岩层	煤层	单位
				三重介质平面网格数量	100×100	100×100	个
双重介质平面网格数量	100×100	100×100	个
				三重介质垂向网格数量	4	4	个
双重介质垂向网格数量	8	4	个
				平面网格步长	10	10	m
垂向网格步长	2	2	m
				扩散系数	/	1	m<sup>2</sup>/d
形状因子	/	0.1	m<sup>-2</sup>
				储层孔隙度	6	5	％
煤层含气量	/	13.5	m<sup>3</sup>/t
				储层渗透率	0.5	2.3	mD
储层压力	16.28	16.41	MPa
				储层厚度	8	4	m
兰氏体积	/	31	m<sup>3</sup>/t
				兰氏压力	/	2.3	MPa
初始含水饱和度	50	100	％

根据煤层和砂岩层的分布关系、储层厚度等条件先建立模拟所需的三维地质模型并设置 合理的网格分布。对于双重介质模型，其需要用基质和裂缝都来表示砂岩层，而对于本发明 来说仅需要利用孔洞系统或孔隙系统来表示砂岩层，因此本发明所需要的的网格数量相对于 双重介质模型来说，其所需的网格数减少三分之一。进一步根据储层孔隙度，渗透率，饱和 度，煤层含气量，煤层扩散系数，等温吸附曲线等建立并完善相应的数值模型。模型采用水 平井进行煤层气致密气合采，水平井连通煤层和砂岩层，通过设置内边界条件为产水量20m³/d 为基础。

计算时采用全隐式求解方法进行求解计算。最终的计算结果如表2以及图5和图6所示。

表2模型计算时间对比

介质类型	总网格数量	第1次计算	第2次计算	第3次计算	平均用时
						双重介质	120000个	145秒	148秒	149秒	147.3秒
三重介质	80000个	117秒	118秒	117秒	117.3秒

通过图5和图6可知，三重介质模型与双重介质模型在模拟煤层气-致密气合采时计算结 果基本接近，说明采用本发明的三重介质模型，在网格数量减少三分之一的情况下，其精度 和双重介质模型的模拟精度几乎相同。通过表2可知，三重介质模型的3次计算的平均时间 为117.3s，而采用双重介质模型的3次计算的平均时间为147.3s，通过计算时间对比，同一 个配置的计算机在计算三重介质模型时比计算双重介质模型节省了30秒的计算时长，计算效 率大大提高，若计算大型模型，则计算效率提高更明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本 发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在 不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变 化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施 例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种煤层气-致密气合采的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、收集原始数据，建立煤系地层三维地质模型，并将建立的所述三维地质模型剖分为网格；

S2、根据S1建立的模型，建立三重介质数值模型，所述三重介质数值模型中的三重介质分别为：基质系统、裂缝系统以及孔洞系统或孔隙系统，并将三维地质模型的孔隙度、渗透率、饱和度属性参数相应地赋值为三重介质数值模型的孔隙度、渗透率、饱和度属性；

S3、根据煤层与砂岩层的连通关系设置不同的三重介质的窜流系数与传导系数；

S4、结合S2的属性值、S3的计算结果以及生产条件，通过渗流方程计算合层共采的产气量和产水量；

步骤S4中，所述煤层的渗流方程如下：

气相渗流方程：

水相渗流方程：

上述计算式中，K_x、K_y、K_z——分别为煤层x、y、z方向上的储层绝对渗透率，mD；

K_rg、K_rw——分别为煤层中气相、液相的相对渗透率，mD；

B_g、B_w——分别为气相、液相体积系数，无因次；

μ_g、μ_w——分别为气相、液相粘度，mPa·s；

P_g、P_w——分别为煤层气相、液相压力，MPa；

ρ_g、ρ_w——分别为气相、液相的密度，g/cm³；

P_g、P_w——分别为煤层气相、液相压力，MPa；

ρ_gsc、ρ_wsc——分别为标准状态下的气相、液相的密度，g/cm³；

H——深度，m；

g——重力加速度，m/s²；

S_g、S_w——分别为煤层中气相、液相的饱和度，％；

φ——孔隙度，％；

q_g、q_w——煤层产气、产水量，m³/d；

所述砂岩层的渗流方程如下：

气相渗流方程：

水相渗流方程：

上述计算式中，K_xt、K_yt、K_zt——分别为砂岩层x、y、z方向上的储层绝对渗透率，mD；

K_rgt、K_rwt——分别为砂岩层中气相、液相的相对渗透率，mD；

P_gt、P_wt——分别为砂岩层中气相、液相压力，MPa；

H_t——砂岩层深度，m；

S_gt、S_wt——分别为砂岩层中气相、液相的饱和度，％；

φ_t——砂岩层孔隙度，％

q_gt、q_wt——砂岩层产气、产水量，m³/d。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，收集的数据包括：地层属性、流体属性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述煤层和所述砂岩层的连通关系根据测井资料和地质模型判断。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，将所述煤层所在网格设置z轴正方向在坐标位置为(I，J，K)处的传导率T_Z+(I，J，K)为0，所述砂岩层网格设置z轴负方向在位置坐标为(I，J，K+1)处的传导率T_z-(I，J，K+1)为0，流动系数为0。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述煤层和所述砂岩层连通时，将所述三重介质模型中的基质系统所在网格和所述裂缝系统所在网格设置为煤层，将孔洞系统或孔隙系统所在网格设置为砂岩层，所述基质层和所述裂缝层之间设置为相互传质，所述煤层和所述砂岩层相互接触的网格设置为相互传质，所述基质系统与所述孔洞系统或孔隙系统不能相互传质，所述裂缝系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连接，所述孔洞系统或孔隙系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连接。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述煤层和所述砂岩层连通时，所述基质系统与裂缝系统的煤层气传质用以下公式表示：

式中：t——时间，d；

σ——形状因子，m^-2；

G——几何因子，m³；

τ——吸附时间，d；

D——扩散系数，m²/d；

C_m——平均吸附浓度，m³/m³；

C_E——吸附气体浓度，m³/m³，

q_mf——基质与裂缝之间传质的煤层气量，m³/d；

由于所述基质系统与所述孔洞系统或孔隙系统不能相互传质，则所述基质系统和所述孔洞系统或孔隙系统的流动为0，通过设置扩散系数和传导率为0来实现。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述煤层与所述砂岩层不连通时，将所述三重介质中的基质系统所在网格和裂缝系统所在网格设置为煤层，将孔洞系统或孔隙系统所在网格设置为砂岩层，同时设置基质系统和裂缝系统之间可相互传质，所述基质系统与所述孔洞系统或孔隙系统不能相互传质，所述裂缝系统与所述孔洞系统或孔隙系统之间也不能相互传质，裂缝系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连接，孔洞系统或孔隙系统所代表的网格之间可相互流动并与井筒连接。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，合采时总的产气量为：

Q_g＝q_g+q_gt，

合采时总的产水量为：

Q_w＝q_w+q_wt，

式中，Q_g、Q_w——合采时总产气、产水量，m³/d；

q_g、q_w——煤层产气、产水量，m³/d；

q_gt、q_wt——砂岩层产气、产水量，m³/d。

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