CN115292870A - 一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,包括:通过南海水合物储层样品的启动压力梯度实验获取南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,结合南海水合物在低渗储层中的渗流过程,基于启动压力梯度完善水合物开采模拟控制模块中的质量守恒方程,根据启动压力梯度实验结果建立启动压力梯度模块;启动压力梯度模块耦合启动压力梯度测试结果,进而完善水合物开采模拟控制模块内的质量守恒方程,以南海SH2站位水合物储层的地层物性数据和水合物藏地质模型参数搭建所述水合物开采数值模型,模拟水合物开采过程。本发明解决了针对南海泥质粉砂水合物藏研究中没有考虑南海低渗水合物储层存在启动压力特点的问题。
Description
所属领域
本发明属于天然气水合物的开发领域,具体涉及一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法。
背景技术
天然气水合物(俗称可燃冰)是一种由气体和水在一定温压条件下形成的笼型结晶化合物,广泛存在于海底浅层沉积物及极地永久冻土层中。
我国南海神狐海域发现的水合物藏均属于典型的泥质粉砂型储层,广州海洋地质调查局在南海神狐海域水合物物探SH2、SH3和SH7 三个站位发现,水合物饱和度均超过20%,最高达47.3%,但地层岩芯分析表明,大粒径砂含量小于10%,而泥质粉砂含量高达80-90%,水合物产出层黏土含量大。
在对高黏土含量细粒沉积物渗流实验结果表明,在高黏土含量细粒沉积物中,孔隙水流动明显偏离Navier-Stokes方程描述的流动规律,不符合达西定律,流动速率与压力梯度呈非线性关系,且存在启动压力梯度,只有压力梯度大于最小启动压力梯度时,孔隙水才开始流动。因此,南海泥质粉砂水合物储层开发过程中储层启动压力梯度随地层渗流条件及流体性质的变化规律都值得探究与明确,并应用到矿场实际工作中。在低渗透油气藏开采过程中,启动压力梯度对产能影响较大,受启动压力梯度影响,低渗透油藏内渗流速度变化存在明显的延缓效应,渗流速度呈阶梯状变化,显著影响油藏内压力传导范围,油井后期产水率上升较快。如果井距过大或注采压差过小,受启动压力梯度影响,无法形成有效的注采联通关系。
目前随着中国南海水合物开发稳步推进,已有大量针对南海水合物藏的数值模拟研究工作。目前的研究中大多采用 TOUGH+HYDRATE水合物模拟器,该模拟器通过求解物质和能量守恒方程,模拟各种复杂地层条件下天然气水合物藏的气体不等温释放、相特征、流体流动和热量变化,可准确描述水合物分解的所有机理,包括降压、加热、化学抑制剂等计算。但是,当前的研究都没有考虑南海低渗水合物储层存在启动压力的特点。
发明内容
本发明提供的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,解决了南海泥质粉砂水合物藏研究中没有考虑南海低渗水合物储层存在启动压力特点的问题。
一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,包括:
步骤100、通过南海水合物储层样品的启动压力梯度实验获取南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,基于所述南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,采用拟启动压力梯度表征非达西渗流段,使用达西定律描述非达西渗流段的渗流过程;
步骤200、结合南海水合物在低渗储层中的渗流过程,基于启动压力梯度完善水合物开采模拟控制模块中的质量守恒方程,根据南海水合物储层样品的启动压力梯度实验结果建立启动压力梯度模块以控制启动压力梯度的大小,所述水合物开采模拟控制模块内的启动压力梯度由所述启动压力梯度模块控制大小;
步骤300、启动压力梯度模块耦合南海水合物储层样品的启动压力梯度测试结果,进而完善水合物开采模拟控制模块内的质量守恒方程,以南海SH2站位水合物储层的地层物性数据和水合物藏地质模型参数搭建所述水合物开采数值模型,模拟水合物开采过程。
在一个优选实施例中,步骤100中所述南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系方程为:
式中λ为启动压力梯度,MPa·m-1;k为渗透率,10-3μm2;μ为地层水的粘度是常数。
在一个优选实施例中,步骤100中所述使用达西定律描述非达西渗流段的渗流过程的方程为:
在一个优选实施例中,步骤200中南海水合物在低渗储层中的渗流过程为:采用拟启动压力梯度表征非达西渗流段,使用达西定律描述非达西渗流段的渗流过程。
在一个优选实施例中,步骤200中基于启动压力梯度完善水合物开采模拟控制模块中的质量守恒方程,具体为:
对液相组分守恒方程中的流动相进行修改完善,其中水组分w 质量守恒方程修改如下式,
式中:A为液相;I为冰相;G为气相;α为A或I或G;为孔隙度;Sα为各相饱和度;ρα为各相密度;Xw α为各相中水组分质量分数;qA为注入液相质量;qG为注入气相质量;Qw为水合物分解产水; k为绝对渗透率;krA、krG分别为水相、气相相对渗透率;μA、μG分别为液相、气相粘度;分别为液相、气相压力梯度;g为重力加速度;D为深度差;λ为启动压力梯度;t为开采时间;
液相甲烷m组分质量守恒方程修改如下式,
式中:Xm α为各相中甲烷组分质量分数;Qm为水合物分解产气;
盐、抑制剂等水溶性组分i组分质量守恒方程修改如下式:
式中:Xi α为各相中甲烷组分质量分数。
在一个优选实施例中,步骤200中所述启动压力梯度模块内启动压力梯度的方程为:
式中a、b为特征参数,特征参数a控制启动压力梯度的大小,特征参数b决定启动压力与储层参数关系,λ为启动压力梯度, MPa·m-1;k为渗透率,10-3μm2;μ为地层水的粘度是常数。
在一个优选实施例中,步骤300中所述搭建所述水合物开采数值模型中,具体为:以南海SH2站位水合物储层的地层物性数据为基础,模拟区域为柱状,采用非均匀网格剖分,近井处采用网格加密剖分,建立二维轴对称柱形网格的所述水合物开采数值模型。
在一个优选实施例中,所述水合物开采数值模型中包括开采井设计模块,
所述开采井设计模块采用固定生产压差方法,以形成注采连通关系。
在一个优选实施例中,步骤300中所述水合物藏地质模型参数包括相对渗透率模型和van Genuchten模型。
在一个优选实施例中,在建立完善的所述水合物开采数值模型内,进行启动压力梯度敏感性模拟试验,具体为,在所述启动压力梯度模块中设定不同的特征参数a值用来表征不同的启动压力梯度值的大小,然后分别模拟不考虑启动压力梯度和考虑启动压力梯度时的降压开采过程,分析启动压力梯度值和/或产水量和/或产气量和/或水合物完全分解区和/或储层三相区和/或底水锥进和/或井底压差之间的关系。
本发明和现有技术相比具有如下有益效果:
(1)南海泥质粉砂水合物储层渗流过程中存在启动压力梯度,本发明获取了启动压力梯度与样品渗透率-流体粘度的比值呈现较好的幂函数关系。
(2)本发明中,基于拟启动压力梯度模块,建立了相应的基于启动压力梯度的水合物开采数值模型,此模型可以应用于模拟软件并可在模拟软件中实现启动压力梯度功能,使用启动压力梯度功能后,可以增长模拟软件的运行时间。
(3)本发明分别模拟计算了不考虑启动压力梯度和考虑启动压力梯度时的降压开采过程。当考虑实验值启动压力梯度时,针对南海 SH2水合物站位,有预期外的增产效果,且5年内产气量持续增大,产水量逐渐下降,气水比状况良好。压力传递速度减慢,呈辐射状,压力波及前缘近乎垂直于水平线。压力波及范围内,压降程度更高。水合物完全分解区前缘位置并未有太大前移,但水合物分解区(气、水、水合物三相区)范围大大增加,这也造成储层内温度降幅的增大,低温区域(<12℃)范围扩大,甚至影响到下覆层的温度分布。相比于不考虑启动压力梯度,生产井段四周含水饱和度较高,考虑启动压力梯度时井段四周为低含水饱和度带。启动压力压力梯度的存在也限制了底水的锥进。
(4)经过本发明的模拟开采,发现启动压力梯度的存在可以抑制直井降压开采过程中底水锥进情况,启动压力梯度越大,侵入水体体积越小,入侵速率越低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是示例性的,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明中基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立流程示意图;
图2为本发明中启动压力梯度实验流程示意图;
图3为本发明中水合物开采物理模型示意图;
图4为本发明中考虑启动压力梯度对生产动态的影响示意图;
图5为本发明中启动压力梯度对瞬时气水比的影响示意图;
图6为本发明中启动压力梯度对储层压力分布的影响示意图;
图7为本发明中启动压力梯度对储层温度分布的影响示意图;
图8为本发明中启动压力梯度对水合物饱和度分布的影响示意图;
图9为本发明中启动压力梯度对含水饱和度分布的影响示意图;
图10为本发明中启动压力梯度对含气饱和度分布的影响示意图;
图11为本发明中不同启动压力产气速率对比的示意图;
图12为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天地层压力分布示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a=0.14, d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图13为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天地层温度分布示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a=0.14, d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图14为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天深度60m处近井100m范围内地层压力漏斗图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a=0.14,d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图15为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下定压差10MPa 开采1800天深度60m处近井100m范围内地层温度漏斗图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a=0.14,d)a=0.28,e)a=0.7, f)a=1.4;
图16为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天水合物饱和度分布示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c) a=0.14,d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图17为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天含水饱和度分布示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a= 0.14,d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图18为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天含气饱和度分布示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a= 0.14,d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图19为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下底水锥进演化对比示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a=0.14,d) a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图20为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下底水锥进演化对比3D图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07,c)a=0.14,d) a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图21为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天水合物分解区推进前缘示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07, c)a=0.14,d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4;
图22为本发明实施例中不同启动压力梯度条件下开采1800天水合物完全分解区推进前缘示意图,a)不考虑启动压力梯度,b)a=0.07, c)a=0.14,d)a=0.28,e)a=0.7,f)a=1.4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中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。
为探究南海泥质粉砂水合物藏启动压力梯度特征及其对降压开采过程中储层压力、温度、含气含水饱和度及水合物饱和度分布演化规律的影响,本发明针对水合物在低渗储层中实际渗流过程,建立了基于启动压力梯度的渗流数学模型,形成了可在数值模拟软件中实现启动压力梯度功能的方法,并耦合了南海神狐海域目标水合物储层样品启动压力梯度测试结果,通过对南海神狐海域SH2水合物站位的产能模拟,探究启动压力梯度在水合物藏开采过程中,对储层参数及生产动态的影响,进一步了解南海水合物开采特征,促进天然气水合物安全高效开发。
本发明提供了一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,如图1所示,包括如下步骤:
步骤100、通过南海水合物储层样品的启动压力梯度实验获取南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,基于所述南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,采用拟启动压力梯度表征非达西渗流段,使用达西定律描述非达西渗流段的渗流过程。
由于在泥质含量较高的介质中存在低速非Darcy渗流现象,启动压力梯度可以简明扼要地表述该现象。关于海水合物储层样品的启动压力梯度实验,具体为:实施例中采用原位储层岩心,所选的实验样品为广州海洋地质调查局钻探得到水合物分解后的实物储层岩心样品,选用盐水作为模拟地层注入流体,浓度3.5%,实验在室温常压下进行,其实验流程如图2所示。通过实验数据拟合明确了南海水合物储层的启动压力梯度数值,建立启动压力梯度与储层参数的定量关系。
实验结果表明启动压力梯度与渗透率-粘度的比值呈现较好的幂函数关系,采用幂函数回归分析,建立南海水合物储层拟启动压力梯度与渗透率-粘度比值关系方程为:
式中λ为启动压力梯度,MPa·m-1;k为渗透率,10-3μm2。通常认为地层水的粘度μ是个常数,启动压力梯度可简化一个简单的渗透率的幂函数。
本发明在渗流方程构建中,采用拟启动压力梯度表征非达西渗流段,即采用宾汉流体模拟方式进行模拟计算,通过使用有效势梯度方法,如式(2)所示,继续采用达西定律描述其渗流过程。
步骤200、结合南海水合物在低渗储层中的渗流过程,基于启动压力梯度完善水合物开采模拟控制模块中的质量守恒方程,根据南海水合物储层样品的启动压力梯度实验结果建立启动压力梯度模块以控制启动压力梯度的大小,所述水合物开采模拟控制模块内的启动压力梯度由所述启动压力梯度模块控制大小。
为了建立更为可靠的南海水合物开采数值模型,针对水合物在低渗储层中的实际渗流过程,考虑形成有效驱替的压力梯度,基于水合物开采模拟控制模块建立相应的水合物开采渗流数学模型,应用于模拟软件中形成了实现启动压力梯度功能的方法。
水合物开采数值模型中包括水合物开采模拟控制模块、启动压力梯度模块和开采井设计模块,水合物开采模拟控制模块中,结合南海水合物在低渗储层中的实际渗流过程,修改完善了水合物开采模拟控制方程。
水合物开采模拟控制方程,各个组分的质量守恒和能量守恒均可表达为:
式中,左侧为累积项,k代表不同的液相组分(水、甲烷、抑制剂等),F为物质及能量的流动相,q为源汇项,n为面元dτn的法向向量,方向指向Vn,t为开采时间,d;Vn为体积,L3;M为密度, kg/m3;τn为区域表面积。
气相渗流不考虑启动压力梯度的影响,本发明针对液相组分(水w、甲烷m、盐或抑制剂i)对守恒方程中的流动相做出修改完善。
其中,水组分w质量守恒方程修改如式(4),右侧液相流动相部分增加启动压力梯度λ。
式中:A为液相;I为冰相;G为气相;α为A或I或G;为孔隙度;Sα为各相饱和度;ρα为各相密度;Xw α为各相中水组分质量分数;qA为注入液相质量;qG为注入气相质量;Qw为水合物分解产水; k为绝对渗透率;krA、krG分别为水相、气相相对渗透率;μA、μG分别为液相、气相粘度;分别为液相、气相压力梯度;g为重力加速度;D为深度差;λ为启动压力梯度;t为开采时间。
液相甲烷m组分质量守恒方程修改如式(5),右侧液相流动相部分增加启动压力梯度λ。
式中:Xm α为各相中甲烷组分质量分数;Qm为水合物分解产气。
盐、抑制剂等水溶性组分i组分质量守恒方程修改如式(6):
式中:Xi α为各相中甲烷组分质量分数。
综上可得考虑启动压力梯度时的质量守恒方程,考虑启动压力梯度时,能量守恒方程中热对流部分方程做如下修改:
式中hA、hG为液相、气相的比焓;T为温度。
水合物开采模拟控制方程中的λ由启动压力梯度模块确定启动压力的大小。结合南海储层渗流实验结果,启动压力梯度随渗透率的降低而增大,在渗透率相对较高时,随着渗透率的降低,地层水启动压力梯度缓慢增大,在渗透率相对较低时,随着渗透率的降低,地层水启动压力梯度急剧增大。启动压力梯度与渗透率-粘度比值呈现较好的幂函数关系,因此,在启动压力梯度模块中采用幂函数形式表征启动压力梯度与渗透率-粘度比值关系方程,方程为:
式中a、b为特征参数,b一般为负值。参数a控制启动压力大小,参数b决定启动压力与储层参数关系。在该模块中输入a、b值,即可添加特定启动压力梯度曲线。
步骤300、启动压力梯度模块耦合南海水合物储层样品的启动压力梯度测试结果,进而完善水合物开采模拟控制模块内的质量守恒方程,以南海SH2站位水合物储层的地层物性数据和水合物藏地质模型参数搭建所述水合物开采数值模型,模拟水合物开采过程。
本实施例中以南海SH2水位站的地层物性数据为基础建立模型,模拟水合物的开采过程,对南海特定水合物藏产能模拟中采用实验值,即a=0.14,b=-0.28,更加贴合矿场实际。
神狐海域位于南海北部陆坡区,地处珠江口盆地白云凹陷区域,白云凹陷新生代沉积层厚度超过11km,油气生成地质条件优越。本发明以神狐海域SH2水合物储层为研究目标。根据广州海洋地质调查局SH2钻探和测井数据显示,SH2井位泥质粉砂水合物储层平均渗透率为10mD,含水合物沉积层厚度为10-43m,埋藏在海底以下 185-229m,泥线深度1235m,泥线温度3.9℃。发育的水合物矿体中水合物饱和度最高达48%,平均饱和度为16.5%。地层孔隙度为40%,水合物分解后产生的气体中甲烷体积占据96.1-99.82%。原位观测显示地温梯度为43-67.7℃/km。
参考以上地层物性数据,建立了二维轴对称柱形网格水合物矿体开采数值模型。图3描述了本发明模拟的南海神狐海域天然气水合物藏模型示意图,模拟区域为柱状,网格总数为120×110=13220。其中,纵向(z方向)网格数110,上下范围104m,采用非均匀网格剖分,纵向最大网格10m,纵向最小网格0.5m;横向(r方向)网格数120,最大半径1000m,近井处采用0.1m网格加密剖分。
水合物层厚度取44m,上覆层和下伏层厚度均取30m,水合物稳定域的底界面温度为15.01℃,压力15.22MPa,顶部、底部压力分别取14.5MPa和15.47MPa,温度分别取11.75℃和16.21℃。水合物层中包含两相,分别是水相和水合物相,其中水合物初始饱和度为16.5%。上覆层和下伏层完全饱和水,储层整体密度取为2600kg/m3,初始渗透率均设为10mD。相关地层参数和物理性质见表1。
表1水合物藏地质模型物理参数表
其中,krG、krA分别表示气体和水的相对渗透率,SA *、SG *分别表示含水饱和度和含气饱和度,SG和SA分别表示气体和水的饱和度, SirG和SirA分别表示束缚气和束缚水饱和度,Pcap表示毛管压力,P0 表示原始地层压力,v表示流速。
开采井设计模块中,开采井井口半径rw为0.1m,射孔段34m,位于水合物层的中间部位。开采采用固定生产压差方法,以形成注采连通关系,本发明从分析启动压力梯度的因素的角度考虑,设置了定井底流压4.5MPa的降压制度,分别模拟计算了不考虑启动压力梯度和考虑启动压力梯度时的降压开采过程,模拟时间为1800天。
图4给出了考虑及不考虑启动压力梯度情形下开采1800天时的产气量和产水量对比情况。从图5中可以看出,当不考虑启动压力梯度时,产气量从开井峰值(>3000sm3/d)快速滑落至200天的 1266sm3/d,并在剩余生产时间内缓慢下降,至模拟结束,产气量下降至不足800sm3/d。考虑启动压力梯度时,同样在开井后,产气急剧下降,但下降程度小于未考虑启动压力梯度,到第200天产气速率跌至1580sm3/d,但随后产气量却开始上升,到模拟结束,产气量攀升至2732sm3/d。图4c可以看出不考虑启动压力梯度时,5年内累计产气量仅为178.4×104sm3,而考虑启动压力梯度,产气总量达到 382.1×104sm3,超过前者两倍。同样,启动压力梯度对产水量有较大影响,从图4b中可以看出,不考虑启动压力梯度时,产水速率变化幅度不大,模拟期间从初期的320m3/d缓慢增长至末期的370m3/d。而考虑启动压力梯度情况下,地层水的流动受到限制,产水速率不断下降,模拟结束时,产水速率降至68m3/d,累计产水量仅18.2×104m3,远低于未考虑启动压力梯度情况(63.4×104m3)。
这样的结果是出乎意料的,意味着按照实验值指示的泥质粉砂储层的启动压力梯度有利于提高产能。直观地从生产瞬时气水比来看 (图5),考虑启动压力梯度,气水比随着生产时间逐渐增大,到模拟结束可超过40。而不考虑则气水比逐渐下降,到模拟结束接近2,过低的气水比对井下气水分离造成困难,这于实际生产中是极为不利的。
可以通过对储层参数演化过程的分析找出启动压力梯度对产能的影响原因。为了揭示启动压力梯度对水合物降压开采过程中分解前缘的推进影响,针对不考虑启动压力梯度和考虑启动压力梯度两种情况,分别选取了各自情形下开采第50天、第500天和第1800天时地层的压力、温度和饱和度分布场图,并进行对比分析。
启动压力梯度直接影响南海水合物储层的压力演化分布,图6a、 b、c分别是不考虑启动压力梯度情况下储层压力在第50、500、1800 天的分布,图6d、e、f分别是考虑启动压力梯度情况下储层压力在第50、500、1800天的分布。图中可以看出,二者差别很大。不考虑启动压力梯度情况下,压力扩散前缘近似水平,尽管压力波及范围大,但压力下降程度低,低压区域(<10MPa)前缘推进不足5m。考虑启动压力梯度时的一个明显特征是在降压开采的全过程中压降的传播以射孔段为中心呈辐射状传播。压力推进前缘几乎垂直,尽管波及范围仅至120m处,但上下覆层压力下降明显,且波及区域内压力下降程度大,低压区域(<10MPa)前缘推进至40m处,这对水合物分解相当有利。
水合物分解是典型的吸热反应,温度场变化往往可以准确预判出水合物分解情况,图7a、b、c分别是不考虑启动压力梯度情况下储层温度在第50、500、1800天的分布,图7d、e、f分别是考虑启动压力梯度情况下储层温度在第50、500、1800天的分布。不考虑启动压力梯度情况下,生产初期,近井1-3m内出现低温带(<12℃),随着生产持续,该低温带范围逐渐减小并逐渐转移至水合物储层上部近井位置,这意味着水合物分解量逐渐减小,这于产气量的下降相匹配。图6c可看出下覆层底水入侵也带来了生产井底部的温度上升及地温梯度线的上移。考虑启动压力梯度情况下,生产初期低温(<12℃) 范围扩展至0-10m,且在后续生产中逐步扩大,到模拟结束,低温区域前缘已延伸至储层内50m处,并影响上下覆层,并压制了底水上侵带来的温度升高。
水合物饱和度分布的变化是启动压力梯度的最终影响,图8a、b、 c分别是不考虑启动压力梯度情况下水合物饱和度在第50、500、1800 天的分布,图8d、e、f分别是考虑启动压力梯度情况下水合物饱和度在第50、500、1800天的分布。从不考虑和考虑启动压力梯度的对比中可以看出,各个生产阶段水合物分解完成区(仅存在气、水两相的区域)范围差别不大,差别在于水合物分解区(气、水、水合物三相共存区域)的范围,考虑启动压力梯度情况下,水合物分解区前缘伸展速度远高于不考虑启动压力梯度,图8f可看出,第1800天时分解区前缘已至80m处,并且分解区内,水合物分解程度更大。图8c 中,水合物上部储层近井处由于温度过低,存在水合物无法分解的情况,这在图8f中也未发生。
启动压力梯度也对含水、含气饱和度造成较大影响。图9a、b、c 分别是不考虑启动压力梯度情况下含水饱和度在第50、500、1800天的分布,图8d、e、f分别是考虑启动压力梯度情况下含水饱和度在第50、500、1800天的分布,这里重点关注图9c与图9f的对比。图 9c可看出,生产井段四周存在高含水饱和度带,造成井周的“水堵”。但启动压力梯度限制了远井地层水或分解水的运移,井周却是低含水饱和度带。图9f中,上下覆层的水侵体积均小于图c,不考虑启动压力,下部底水侵入井筒也造成后期产水量的上升。
图10a、b、c分别是不考虑启动压力梯度情况下含气饱和度在第 50、500、1800天的分布,图10d、e、f分别是考虑启动压力梯度情况下含气饱和度在第50、500、1800天的分布。考虑启动压力梯度情况下,井段四周气体富集程度高,储层与下覆层交接处存在富集带。
在已经建立完善的所述水合物开采数值模型内,还可以进行启动压力梯度敏感性模拟试验,评价启动压力梯度的大小对多相多场时空演化规律的影响。具体为,在所述启动压力梯度模块中设定不同的特征参数a值用来表征不同的启动压力梯度值的大小,然后分别模拟不考虑启动压力梯度和考虑启动压力梯度时的降压开采过程,分析启动压力梯度值和/或产水量和/或产气量和/或水合物完全分解区和/或储层三相区和/或底水锥进和/或井底压差之间的关系。
为了评价启动压力梯度的大小对多相多场时空演化的影响,基于本发明建立的水合物降压开采模型和根据实验测量拟合式得到的参数a、b,分别设定了一组不同的参数a值,用来表征不同的启动压力梯度大小。表2分别给出不同的a值对应的启动压力梯度大小。
表2模型参数及对应的启动压力梯度大小
参数a | 启动压力梯度(MPa·m<sup>-1</sup>) |
0 | 0 |
0.07 | 0.2542 |
0.14 | 0.5083 |
0.28 | 1.0166 |
0.7 | 2.5415 |
1.4 | 5.0831 |
图11为定井底流压下不同启动压力梯度下产气速率随时间变化情况,图中可以看出,不考虑启动压力梯度,产气速率是偏低的,且在不断下降。当a=0.28,λ=1.0166MPa/m,即实验值两倍时,生产效果最优,在第73天产气速率降至2129sm3/d后,逐渐增大,在800 天后稳定在2700sm3/d。当a继续提高至0.7,λ=2.5415MPa/m时,与不考虑启动压力梯度相同,产气速率呈不断下降态势,模拟结束时二者产气速率接近(772sm3/d、664sm3/d),但a=0.7时,初期产气速率下降幅度小,前1000天产量均保持在1000sm3/d以上。当a继续提高至1.4时,生产效果便不如未考启动压力梯度情况。
图12到图17分别给出了在考虑不同的启动压力梯度大小时,定井底流压4.5MPa开采1800天的地层压力、温度、水合物饱和度、含水饱和度以及含气饱和度的分布特征。可以看出当不考虑启动压力梯度时,随着开采的进行,压差以较快的速度向地层深处传递,从图12a中可以看出在开采1800天后,压差可有效传递至150m开外,同时从图13a中可以看出,由于水合物层顶部温度较低,降压开采过程中水合物优先从底部开始分解,并向远处延续。
当考虑启动压力梯度并当其从小到大变化时,压差的传递呈现出特别的模式。首先分析当启动压力梯度较小的情形,即a≤0.14时,这种特别的模式主要体现在两个方面:在横向上,压差的传递与不考虑启动压力梯度时有明显不同,在大压差生产条件下表现为辐射状传递,并向四周均匀推进;纵向上,考虑启动压力梯度时水合物层能有效“封锁”压差,具有类似聚焦的效用,使得压差仅在井周附近传递。对比图12a和图12b可以看出,当考虑启动压力梯度并当其较小时,近井周一定范围内压差有效传递,因此更多的水合物参与分解,储层温度急剧下降。但当启动压力梯度逐渐增大时,压差的横向传递逐渐受到封锁,导致水合物难以分解,特别的当a=1.4时(图13f),开采 1800天时水合物有效分解范围仅在20m以内,与之对应的,储层温度也仅在同样范围距离内减小。
图14和图15给出了不同启动压力梯度条件下开采1800天,深度60m处近井100m范围内地层压力漏斗图和温度漏斗图。从压力漏斗图中可以看出,在考虑启动压力梯度的情况下,随着启动压力梯度的增大,漏斗的半径越来越小,同时漏斗的形态也在发生变化。对图 15所示的温度漏斗图,尽管总体看来也呈现出启动压力梯度越大,漏斗半径越小的趋势,但通过比较可以看出从图15b-15d,11℃以下的温度漏斗半径呈现出随启动压力梯度增大而增大的趋势,然后随着启动压力梯度的进一步增大,漏斗半径开始减小。
图16-18给出了在考虑不同的启动压力梯度大小时,开采1800 天的水合物饱和度、含水饱和度和含气饱和度分布特征。当不考虑启动压力梯度开采1800天时,水合物层底部的分解前缘向远处延伸,其中有效分解区域达25m,其中完全分解区域为近井15m。当考虑启动压力梯度时,储层水合物区域大大延伸,即出现大范围气、水和水合物共存的三相区,图16b中,水合物分解区已扩展至离井口110m 处,但随着启动压力梯度值得逐步增大,三相共存区宽度相应减小,图16f中,几乎不存在三相区。图17中可以看出,不考虑启动压力梯度,生产井段四周存在高饱和度含水带,当启动压力梯度较小时(图 17b、c、d)井周高饱和度水带消失,取而代之的是含气富集区(图 18b、c、d),但压力梯度继续增大时,高饱和度含水带再次出现,但紧临井口附近仍然是气体富集区。
由于模拟中生产井并未贯穿水合物层,因此在结果出现底水锥进的现象,图19为不同启动压力梯度条件下底水锥进演化对比,图20 为3D效果图。未考虑启动压力梯度时,底水锥进明显,第1800天时,入侵水体高度可达7m,水锥半径超过25m,而图19b中,水锥高度无明显降低,但半径减至16m,随着启动压力值增大,入侵水体高度逐渐降低,水锥半径也快速缩小,图19e中高度已降至不足2m,半径缩至不足5m,而图19f中水锥现象甚至已经消失。
图22给出了不同启动压力梯度下,定井底流压生产1800天后,水合物分解区前缘的推进情况,即空白部分为水合物已开始分解的区域。对于存在启动压力梯度的情况下,启动压力梯度越小,水合物分解区域越大,相较于未考虑的情况,启动压力梯度可以有效改善储层上部水合物的动用情况。图22给出了不同启动压力梯度下,定井底流压生产1800天后,水合物完全分解区前缘的推进情况,即空白部分水合物饱和度为0。尽管不同启动压力条件下,储层的压力、温度、各相饱和度分布大相径庭,但完全分解区前缘位置大致相同,均在15m左右,区别仅在于储层与上下盖层交界面的水合物分解情况,当启动压力梯度对压力波及区压降起促进作用时,边界处的水合物由于受到上下盖层的热量供给,所以分解完全,也就是说图18中大片的水合物分解区受制于能量供给问题,分解速率慢,无法完全分解。联系图21和图22来看,随着a值增大,完全分解区前缘与分解区前缘距离越来越小,对于图18f和图19f而言,二者几乎重合。
本发明中,利用水合物开采数值模型进行了启动压力梯度敏感性分析,启动压力梯度有利于产能的扩大。但当启动压力梯度较大,产水受到进一步限制,从而导致压差无法有效传递、远井水合物无法分解,并最终使得产气量不断减小。在生产中,启动压力梯度对水合物完全分解区前缘的推进影响不大,仅对与上下盖层交界区域有影响。但对水合物分解区(三相区)边界存在强烈影响,启动压力梯度较小时,有利于三相区的扩展,而启动压力梯度逐渐增大,则会限制三相区的发展,影响产量。随着启动压力梯度的增大,三相区前缘逐渐贴近水合物完全分解区前缘。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例,不用于限制本申请,本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内,对本申请做出各种修改或等同替换,这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,包括:
步骤100、通过南海水合物储层样品的启动压力梯度实验获取南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,基于所述南海水合物储层启动压力梯度与储层参数的定量关系,采用拟启动压力梯度表征非达西渗流段,使用达西定律描述非达西渗流段的渗流过程;
步骤200、结合南海水合物在低渗储层中的渗流过程,基于启动压力梯度完善水合物开采模拟控制模块中的质量守恒方程,根据南海水合物储层样品的启动压力梯度实验结果建立启动压力梯度模块以控制启动压力梯度的大小,所述水合物开采模拟控制模块内的启动压力梯度由所述启动压力梯度模块控制大小;
步骤300、启动压力梯度模块耦合南海水合物储层样品的启动压力梯度测试结果,进而完善水合物开采模拟控制模块内的质量守恒方程,以南海SH2站位水合物储层的地层物性数据和水合物藏地质模型参数搭建所述水合物开采数值模型,模拟水合物开采过程。
4.根据权利要求1所述的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,步骤200中南海水合物在低渗储层中的渗流过程为:采用拟启动压力梯度表征非达西渗流段,使用达西定律描述非达西渗流段的渗流过程。
5.根据权利要求1所述的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,步骤200中基于启动压力梯度完善水合物开采模拟控制模块中的质量守恒方程,具体为:
对液相组分守恒方程中的流动相进行修改完善,其中水组分w质量守恒方程修改如下式,
式中:A为液相;I为冰相;G为气相;α为A或I或G;为孔隙度;Sα为各相饱和度;ρα为各相密度;Xw α为各相中水组分质量分数;qA为注入液相质量;qG为注入气相质量;Qw为水合物分解产水;k为绝对渗透率;krA、krG分别为水相、气相相对渗透率;μA、μG分别为液相、气相粘度;分别为液相、气相压力梯度;g为重力加速度;D为深度差;λ为启动压力梯度;t为开采时间;
液相甲烷m组分质量守恒方程修改如下式,
式中:Xm α为各相中甲烷组分质量分数;Qm为水合物分解产气;
盐、抑制剂等水溶性组分i组分质量守恒方程修改如下式:
式中:Xi α为各相中甲烷组分质量分数。
7.根据权利要求1所述的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,步骤300中所述搭建所述水合物开采数值模型中,具体为:以南海SH2站位水合物储层的地层物性数据为基础,模拟区域为柱状,采用非均匀网格剖分,近井处采用网格加密剖分,建立二维轴对称柱形网格的所述水合物开采数值模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,所述水合物开采数值模型中包括开采井设计模块,所述开采井设计模块采用固定生产压差方法,以形成注采连通关系。
9.根据权利要求1所述的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,步骤300中所述水合物藏地质模型参数包括相对渗透率模型和van Genuchten模型。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于启动压力梯度的水合物开采数值模型的建立方法,其特征在于,在建立完善的所述水合物开采数值模型内,进行启动压力梯度敏感性模拟试验,具体为,在所述启动压力梯度模块中设定不同的特征参数a值用来表征不同的启动压力梯度值的大小,然后分别模拟不考虑启动压力梯度和考虑启动压力梯度时的降压开采过程,分析启动压力梯度值和/或产水量和/或产气量和/或水合物完全分解区和/或储层三相区和/或底水锥进和/或井底压差之间的关系。
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2022
- 2022-05-10 CN CN202210505553.7A patent/CN115292870A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116882218A (zh) * | 2023-09-07 | 2023-10-13 | 北京大学 | 一种油藏数值模拟方法、装置、计算机设备及存储介质 |
CN116882218B (zh) * | 2023-09-07 | 2023-11-21 | 北京大学 | 一种油藏数值模拟方法、装置、计算机设备及存储介质 |
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