CN113327647B - 一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了天然气水合物藏开发模拟领域中一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其主要步骤包括：根据地质资料建立Ⅰ类水合物藏的三维地质模型、划分网格、然后采用数值模拟技术、建立天然气水合物分解与生成模型、分别标记自由甲烷与分解甲烷组分、定义自由甲烷与分解甲烷生成水合物的反应方程式与水合物分解生成分解甲烷的反应方程式；计算水合物藏开发的自由甲烷产量与其在储层中的分布。该方法可以完全区分Ⅰ类水合物藏开发中分解甲烷与自由甲烷，从而明确储层中自由甲烷与分解甲烷的运移规律，从而能对Ⅰ类水合物藏的开发机理有更明确的认识，对水合物藏的开发水平与潜力进行评价。

Description

一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物藏开发模拟技术领域，尤其涉及一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，适用于含有下伏气层的Ⅰ类水合物藏开发模拟。

背景技术

天然气水合物是在一定温度、压力下甲烷等气体与水作用形成的笼形晶体化合物，广泛分布在永久冻土层以及海洋大陆斜坡和深海地层或沉积物中，储量大、能量密度高，受到了世界各国的普遍重视和研究。我国两次在南海神狐海域成功实施天然气水合物试采，表明降压法可以有效开采海洋深水天然气水合物，但也暴露出了目前水合物降压开采单井产量低，难以达到经济性的难题。天然气水合物藏可根据地质构造和储层条件分为四类，其中根据多航次的勘探资料表明，南海海域分布着大量的Ⅰ类水合物藏(由上部的水合物储层与下部的自由甲烷层组成)，对于Ⅰ类水合物藏开发数值模拟的研究对于南海神狐海域天然气水合物藏的开发效率提高与开发方案设计都有着重要的意义。

在Ⅰ类天然气水合物藏开发中，由于水合物储层下部有自由甲烷层，在开发中井位及射孔位置对于开发效果有着显著的影响；为了提高水合物的产出效率并制定相应的开发方案，需要对储层中的自由甲烷与分解甲烷的产出情况与分布情况进行监测与调整，因此在前期数值模拟的过程中需要对储层中分解甲烷进行标记。而目前常用的水合物藏开发数值模拟软件并未将分解甲烷与储层中原始存在的自由甲烷区分开，因而在模拟开发过程中无法模拟实时的分解甲烷与自由甲烷流向以及采出甲烷中分解甲烷的占比多少，使得水合物藏开发过程的物理状态动态较为模糊，无法准确的根据储层水合物分解情况调整开发方案并维持储层稳定性。因此，建立一种可以模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法。

发明内容

为了区分分解甲烷与自由甲烷，更明确细致的刻画水合物藏开发过程中的气水动态，本发明提供了一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，该方法将分解甲烷定义为与自由甲烷物理性质完全相同的不同组分，并且分别定义分解甲烷生成水合物、自由甲烷生成水合物的反应方程式，从而在初始状态、反应过程中都能明确的追踪储层中分解甲烷的流向。

为了实现上述目的，本发明技术方案具体步骤如下：

步骤S1：定义组分模型，将自由甲烷与分解甲烷定义为所有物理、化学性质完全相同的两个不同组分，同时自由甲烷水合物与分解甲烷水合物也定义为两个物理、化学性质相同的不同组分；

步骤S2：定义水合物分解与生成反应方程式，使得模拟中分解甲烷与自由甲烷分别进行不同的分解与生成反应。反应方程式如下：

步骤S3：根据水合物藏的实际钻探地质资料，建立Ⅰ类水合物藏降压开采储层的地质模型；

步骤S4：在所建立地质模型的基础上划分网格；

步骤S5：建立Ⅰ类水合物藏降压开采的三相五组分热-流-化耦合数学模型，包括自由甲烷与分解甲烷水合物分解及合成反应方程、质量守恒方程、能量守恒方程；其中五组分包括：自由甲烷mf、分解甲烷md、自由甲烷水合物hf、分解甲烷水合物hd、水w；

步骤S6：在建立的网格系统上，利用有限体积法对三相五组分热-流-化耦合数学模型进行离散，并用牛顿拉普森方法对离散后的三相五组分热-流-化耦合方程组进行数值求解；

步骤S7：根据生产制度对天然气水合物藏的生产动态进行分析，得出不同气源的甲烷分别在储层中的运移规律。

进一步地，所述步骤S3的具体步骤包括：

S31.将Ⅰ类水合物储层划分为水合物层与下伏自由甲烷层，其中水合物层的残余气设置为分解甲烷，参与水合物层中的动态平衡。

S32.初始储层中的水合物均为分解甲烷水合物，开发中由下伏自由甲烷层中自由甲烷生成的水合物则为自由甲烷水合物。

进一步地，所述步骤(4)的具体步骤包括：

S41.将地质模型的井筒内边界与水合物藏外边界的几何信息输入；

S42.以储层几何特征为基础，对整个模型进行网格离散话处理得到笛卡尔网格系统，并厘清不同网格之间的联系；

进一步地，所述步骤S5的自由甲烷与分解甲烷水合物分解及合成反应方程、质量守恒方程、能量守恒方程、相平衡方程等数学模型分别为：

①自由甲烷与分解甲烷水合物分解及合成反应方程

水合物(自由甲烷水合物)的分解反应方程式采用Kim-Bishinoi动力学模型，其表达形

式为：

式中，

为水合物分解所产出的气的摩尔速率，

为分解速率常数，ΔE为活化能，R为通用气体常数，T为温度，A_HS为水合物的比表面积，φ_f为流体孔隙度，S_H为水合物饱和度，f_eH为气-水合物-液的平衡逸度，f_G为气体逸度。

②水合物的生成反应方程式采用Vysniauskas-Bishinoi动力学模型，其表达形式为：

式中,

为生成水合物所消耗的气的摩尔速率，

为生成速率常数，S_w为水相饱和度，p_g为气相压力，p_e为平衡压力。

③质量守恒方程

其中：φ是储层孔隙度；S_H、S_A、S_G分别为水合物相、液相、气相饱和度；ρ_H、ρ_A、ρ_G分别为水合物相、液相、气相密度；

分别为水相中分解甲烷组分、自由甲烷组分、水组分的质量分数；

分别为液相和气相流速；q_A、q_G分别为注采井中水相与气相的注采量；

分别为水合物摩尔反应速率；▽为哈密顿算子；

分别为分解甲烷组分、自由甲烷组分、水组分、分解甲烷水合物、自由甲烷水合物的摩尔质量；N为水合数。

④能量守恒方程

其中：φ是储层孔隙度；ρ_R、ρ_H、ρ_A、ρ_G分别是分别为岩石、水合物相、液相、气相密度；U_R、U_A、U_G、U_H分别为岩石、液相、气相、水合物相的比内能；H_A、H_G分别为液相、气相的比焓；▽为哈密顿算子；K_ave为储层等效热传导系数；T为储层温度；

为水合物生成与分解的热晗；q_A、q_G分别为注采井中水相与气相的注采量。

⑤相平衡方程

其中，T为储层温度；P_e为储层平衡压力。高于此压力则储层发生水合物生成反应，低于此压力则储层发生水合物分解反应。

进一步地，所述步骤S6中，离散化之前，先将井筒附近网格，即存在源汇项的附近网格进行加密处理。数学模型离散后的质量守恒方程与能量守恒方程分别为：

其中，上标n代表迭代计算时间步；下标i，j代表网格单元序号；Δt为时间步长；V_i为网格单元的体积；A_ij为第i个网格单元与第j个网格单元交界面的面积。

本发明具有以下有益效果及优点：

(1)建立的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法将天然气水合物藏的开发过程中物理与化学性质完全相同的分解甲烷与自由甲烷完全区分开来，可以精确的追踪水合物开发过程中气相中的自由甲烷采出与运移规律。

(2)建立的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的水合物藏数值模拟模型考虑了水合物开发过程中存在的相变、多孔介质中的多相多组分渗流、水合物分解与生成可逆反应、热对流、热传导等过程，可以对水合物藏的开发进行较为精确的模拟，较为真实的反应Ⅰ类水合物藏开发过程中的动态演化过程。

附图说明

图1为一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法建立的流程图

图2为Ⅰ类水合物藏中自由甲烷运移规律示意图

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

本实施例中提供一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，通过将自由甲烷与分解甲烷定义为物理与化学性质完全相同的两个组分，来实现对储层中自由甲烷的精确追踪，包括以下步骤：

步骤S1：定义组分模型，将自由甲烷与分解甲烷定义为所有物理、化学性质完全相同的两个不同组分，同时自由甲烷水合物与分解甲烷水合物也定义为两个物理、化学性质相同的不同组分；

步骤S2：定义水合物分解与生成反应方程式，使得模拟中分解甲烷与自由甲烷分别进行不同反应，从而在不断地动态生成分解后仍能区分两种气源的甲烷。反应方程式如下：

步骤S3：根据水合物藏的实际钻探地质资料，建立Ⅰ类水合物藏降压开采储层的地质模型；

①将Ⅰ类水合物储层划分为水合物层与下伏自由甲烷层，其中水合物层的残余气设置为分解甲烷，参与水合物层中的动态平衡。

②初始储层中的水合物均为分解甲烷水合物，开发中由下伏自由甲烷层中自由甲烷生成的水合物则为自由甲烷水合物。

步骤S4：在所建立地质模型的基础上划分网格；

①将地质模型的井筒内边界与水合物藏外边界的几何信息输入；

②以储层几何特征为基础，对整个模型进行网格离散话处理得到笛卡尔网格系统，并厘清不同网格之间的联系；

步骤S5：建立Ⅰ类水合物藏降压开采的三相五组分热-流-化耦合数学模型，包括自由甲烷与分解甲烷水合物分解及合成反应方程、质量守恒方程、能量守恒方程、相平衡方程；其中五组分包括：自由甲烷mf、分解甲烷md、自由甲烷水合物hf、分解甲烷水合物hd、水w；

在步骤S5中，所述的自由甲烷与分解甲烷水合物分解及合成反应方程、质量守恒方程、能量守恒方程、相平衡方程具体建立过程如下：

①水合物(自由甲烷水合物)的分解反应方程式采用Kim-Bishinoi动力学模型，其表达形式为：

式中，

为水合物分解所产出的气的摩尔速率，

为分解速率常数，ΔE为活化能，R为通用气体常数，T为温度，A_HS为水合物的比表面积，φ_f为流体孔隙度，S_H为水合物饱和度，f_eH为气-水合物-液的平衡逸度，f_G为气体逸度。

②水合物的生成反应方程式采用Vysniauskas-Bishinoi动力学模型，其表达形式为：

式中,

为生成水合物所消耗的气的摩尔速率，

为生成速率常数，S_w为水相饱和度，p_g为气相压力，p_e为平衡压力。

③考虑自由甲烷、分解甲烷、水、自由甲烷水合物、分解甲烷水合物(原生水合物)的三相五组分质量守恒方程为：

其中：φ是储层孔隙度；S_H、S_A、S_G分别为水合物相、液相、气相饱和度；ρ_H、ρ_A、ρ_G分别为水合物相、液相、气相密度；

分别为水相中分解甲烷组分、自由甲烷组分、水组分的质量分数；

分别为液相和气相流速；q_A、q_G分别为注采井中水相与气相的注采量；

分别为水合物摩尔反应速率；▽为哈密顿算子；

分别为分解甲烷组分、自由甲烷组分、水组分、分解甲烷水合物、自由甲烷水合物的摩尔质量；N为水合数。

④考虑储层中热对流、热传导、水合物分解与生成焓变以及热量源汇项的能量守恒方程为：

其中：φ是储层孔隙度；ρ_R、ρ_H、ρ_A、ρ_G分别是分别为岩石、水合物相、液相、气相密度；U_R、U_A、U_G、U_H分别为岩石、液相、气相、水合物相的比内能；H_A、H_G分别为液相、气相的比焓；▽为哈密顿算子；K_ave为储层等效热传导系数；T为储层温度；

为水合物生成与分解的热晗；q_A、q_G分别为注采井中水相与气相的注采量。

⑤相平衡方程为：

其中，T为储层温度；P_e为储层平衡压力。高于此压力则储层发生水合物生成反应，低于此压力则储层发生水合物分解反应。

步骤S6：在建立的网格系统上，利用有限体积法对三相五组分热-流-化耦合数学模型进行离散，并用牛顿拉普森方法对离散后的三相五组分热-流-化耦合方程组进行数值求解；

离散化之前，先将井筒附近网格，即存在源汇项的附近网格进行加密处理，构成局部加密网格。数学模型离散后的质量守恒方程与能量守恒方程分别为：

其中，上标n代表迭代计算时间步；下标i，j代表网格单元序号；Δt为时间步长；V_i为网格单元的体积；A_ij为第i个网格单元与第j个网格单元交界面的面积。

步骤S7：根据生产制度对天然气水合物藏的生产动态进行分析，得出不同气源的甲烷分别在储层中的运移规律。

①通过数值模拟求解出设定生产制度下的天然气水合物藏的生产动态，通过对自由甲烷与分解甲烷的分别定义得出两种甲烷的产出规律；

②通过两种甲烷在不同时间步的饱和度场，根据实时温压条件换算出各时间步的单位体积摩尔量，以此得出自由甲烷与分解甲烷的运移轨迹。

Claims (8)

1.一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：定义组分模型，将自由甲烷与分解甲烷定义为所有物理、化学性质完全相同的两个不同组分，同时自由甲烷水合物与分解甲烷水合物也定义为两个物理、化学性质相同的不同组分；

步骤S2：定义水合物分解与生成反应方程式，使得模拟中分解甲烷与自由甲烷分别进行不同的分解与生成反应，反应方程式如下：

步骤S3：根据水合物藏的实际钻探地质资料，建立Ⅰ类水合物藏降压开采储层的地质模型；

步骤S4：在所建立地质模型的基础上划分网格；

步骤S5：建立Ⅰ类水合物藏降压开采的三相五组分热-流-化耦合数学模型，包括自由甲烷与分解甲烷水合物分解及合成反应方程、质量守恒方程、能量守恒方程、相平衡方程；其中五组分包括：自由甲烷mf、分解甲烷md、自由甲烷水合物hf、分解甲烷水合物hd、水w；

步骤S6：在建立的网格系统上，利用有限体积法对三相五组分热-流-化耦合数学模型进行离散，并用牛顿拉普森方法对离散后的三相五组分热-流-化耦合方程组进行数值求解；

步骤S7：根据生产制度对天然气水合物藏的生产动态进行分析，得出不同气源的甲烷分别在储层中的运移规律。

2.如权利要求1中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S5步骤中的分解反应方程式采用Kim-Bishinoi动力学模型，其表达形式为：

式中，

为水合物分解所产出的气的摩尔速率，

为分解速率常数，ΔE为活化能，R为通用气体常数，T为温度，A_HS为水合物的比表面积，φ_f为流体孔隙度，S_H为水合物饱和度，f_eH为气-水合物-液的平衡逸度，f_G为气体逸度。

3.如权利要求2中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S5步骤中的水合物生成反应方程式采用Vysniauskas-Bishinoi动力学模型，其表达形式为：

式中,

为生成水合物所消耗的气的摩尔速率，

为生成速率常数，S_w为水相饱和度，p_g为气相压力，p_e为平衡压力。

4.如权利要求1中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S5步骤中的三相五组分的数学模型中自由甲烷mf，分解甲烷md，水w，自由甲烷水合物hf，分解甲烷水合物hd各组分的质量守恒方程表达为：

其中：φ是储层孔隙度；S_H、S_A、S_G分别为水合物相、液相、气相饱和度；ρ_H、ρ_A、ρ_G分别为水合物相、液相、气相密度；

分别为水相中分解甲烷组分、自由甲烷组分、水组分的质量分数；

分别为液相和气相流速；q_A、q_G分别为注采井中水相与气相的注采量；

分别为水合物摩尔反应速率；

为哈密顿算子；

分别为分解甲烷组分、自由甲烷组分、水组分、分解甲烷水合物、自由甲烷水合物的摩尔质量；N为水合数。

5.如权利要求4中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S5步骤中的能量守恒方程表达为：

其中：φ是储层孔隙度；ρ_R、ρ_H、ρ_A、ρ_G分别是分别为岩石、水合物相、液相、气相密度；U_R、U_A、U_G、U_H分别为岩石、液相、气相、水合物相的比内能；H_A、H_G分别为液相、气相的比焓；

为哈密顿算子；K_ave为储层等效热传导系数；T为储层温度；

为水合物生成与分解的热晗；q_A、q_G分别为注采井中水相与气相的注采量。

6.如权利要求1中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S5步骤中的相平衡方程为：

其中，T为储层温度；P_e为储层平衡压力，高于此压力则储层发生水合物生成反应，低于此压力则储层发生水合物分解反应。

7.如权利要求1中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S6步骤中，对三相五组分热-流-化耦合数学模型进行离散及求解的具体过程为：

①运用有限体积法对数学模型在时间和空间上进行离散，建立离散后的数值模拟模型；

②联立质量守恒方程与能量守恒方程组，对三相五组分水合物储层系统的数值模拟模型进行求解，获得每一个网格处的压力、温度、各相饱和度及各相内各组分质量分数；

③根据模拟时间、时间步长，循环执行步骤②，直到达到设置的总模拟时间。

8.如权利要求5中所述的一种模拟水合物藏中不同来源甲烷运移轨迹的方法，其特征在于S6步骤中的数学模型离散后为：

其中，上标n代表迭代计算时间步；下标i，j代表网格单元序号；Δt为时间步长；V_i为网格单元的体积；A_ij为第i个网格单元与第j个网格单元交界面的面积。

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