（油气井工程专业论文）天然气水合物注热降压开采储层温压场模拟研究.pdf

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开始时都会有一个拐点，此拐点代表降压已经完成，然后进行注热的过程：同时，水合 物的产气速率是呈曲线变化的，可以分为三个阶段，即产气下降、上升，再次下降的阶 段。 最后通过对储层绝对渗透率、储层温度等因素的敏感性分析，结果表明：绝度渗透 率通过改变压力降的传播速率影响着水合物分解速率，而地层温度通过改变水合物平衡 压力进而影响到水合物分解速率；若储层绝对渗透率越大，地层温度越高，则水合物分 解越快，产气速率指标也就越大。 关键字：天然气水合物；数值模型；注热降压开采；温度压力变化 叶；r t h er e s e r v o i r t e m p e r a t u r e - p r e s s u r em o d e l i n gs t u d y o fg a s h y d r a t ee x p l o i t a t i o nb yh e a ti n j e c t i o na n dd e p r e s s u r i z a t i o n d uj i n j i n ( o i l & g a sw e l ld r i l l i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gw e i d o n g a b s t r a c t h y d r a t eh a sc e r t a i nt e m p e r a t u r ea n d 芦e s s u r e ，w h e nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec h a n g e ，t h e h y d r a t e sw i l lb r e a kd o w n a sar e s u l t , n o to n l yt h es t r e s sb u ta l s ot h et e m p e r a t u r ew i l lc h a n g e d u r i n ge x p l o i t a t i o n b ys i m u l a t i n gt h eh e a ti n j e c t i o na n dd e p r e s s u r i z a t i o nm i n i n gm o d e l ，t h i s p a p e rs t u d i e dt h ec h a n g el a w so ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed u r i n gh y d r a t e se x p l o i t a t i o n f i r s t l y , v a r i o u sm o d e l so f h y d r a t e se x p o i t a t i o na l es u m m a r i z e d i nt h i sp a p e r s i m u l a t e d f r o mt h eh y d r a t e sd e p r e s s u r i z a t i o nm i n i n gm o d e l ，t h ec h a n g e so ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei n r e s e r v i o ra r ea n a l y z e d ：a sh y d r a t e sd e c o m p o s i t i o n , t h er e s e r v i o rt e m p e r a t u r ef r o mw e l l b o r et o d e c o m p o s ef r o n t i e rr i s e so v e rt i m e , t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n td e c l i n e s ；p r e s s u r e 硒t h e w e l l b o r et ot h ed e c o m p o s ef r o n t i e ri n c r e a s e so v e rt i m e ，t h ep r e s s u r eg r a d i e n td e c l i n e st o o b yc o n s i d e r i n gt h et h eh e a ti n j e e t i o na n dt h ed e p r e s s u r i z a t i o nm i n i n gm o d e l c o m p r e h e n s i v e l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h eh e a ti n j e c t i o na n dd e p r e s s u r i z a t i o nm i n i n g p h y s i c a lm o d e l i nt h i sm o d e l ，aq u a l i t ya n de n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o na n d i t sd y n a m i c e q u a t i o na r ea n a l y e d ，t h eh y d r a t ep h y s i c a lp a r a m e t e r sa r ee a c u l a t e d , t h ep r e s s u r ea n dt h e s a t u r a t i o na r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ed i f f e r e n c ec o m p u t a t i o no f q u a l i t ye q u a t i o n ，t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i nf o r m a t i o n sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ed i f f e r e n c ec o m p u t a t i o no f e n e g ye q u a t i o n t h u sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e n e x ts i m u l a t i o n i nt h eh e a ti n j e c t i o na n dd e p r e s s u r i z a t i o nm o d e l ，t h ec h a n g e si nt e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n d s a t u r a t i o nd u r i n gt h ef i r s ta n dt h es e c o n dc y c l e sa r es i m u l a t e d ，a n dt h er e l a t i o no ft h eh y d r a t e s d e c o m p o s i t i o nv e r s u st i m ei sa n a l y z e d r e s e a r c hs h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n d s a t u r a t i o nh a v eai n f l e c t i o np o i i l tw h e nt h ed e p r e s s u r i z a t i o nc o m p l e t e so rt h eh e a ti n j e c t i o n s t a r t s ，t h ei n f l e c t i o np o i n tr e p r e s e n t sd e p r e s s u r i z a t i o nh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dt h e nt h eh e a t i n j e c t i o np r o c e s sb e g i n s ；m e a n w h i l e , t h eg a sp r o d u c t i o nr a t ec h a n g e d i nac u r v e ，a n di tc a nb e d i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：d r o p ，r i s e ，d r o pa g a i n n l _ l ， k ： ， f i n a l l y , t h i sp a p e rm a d et h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so ff a c t o r ss u c ha st h ep e r m e a b i l i t ya n dt h e t e m p e r a t u r e , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r m e a b i l i t ya f f e c tt h ed e c o m p o s i t i o nr a t eb y c h a n g i n gt h es p r e a dr a t eo ft h ep r e s s u r ed r o p ，a n dt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c et h e d e c o m p o s i t i o n r a t eb yc h a n g i n gt h eb a l a n c ep r e s s u r eo f h y d r a t e s t h eh i g h e rt h ea b s o l u t e p e r m e a b i l i t ya n dt h et e m p e r a t u r ea r e , t h ef a s t e ri st h eh y d r a t e sd e c o m p o s i t i o na n dt h eg a s p r o e u e t i o nr a t e k e y w o r d s ：g a sh y d r a t e ，n u m e r i c a lm o d e l ，h e a ti n j e c t i o n d e p r e s s u r i z a t i o nm e t h o d ；， t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec h a n g e、 k ! t 目录 第一章绪论。l 1 1 研究的目的及意义1 1 2 天然气水合物的研究现状1 1 2 1 水合物藏开采天然气一2 1 2 2 数值模拟3 1 2 3 天然气水合物开采的数学模拟模型5 1 3 研究的主要内容及技术路线1 3 1 3 1 研究的主要内容1 3 1 3 2 研究的技术路线1 3 第二章用降压法开采模拟温压场的分布1 4 2 1 模型假设1 4 2 2 数学模型15 2 3 坐标变换法19 2 4 温压场模拟结果2 1 2 5 小结2 2 第三章注热降压法开采的模型及求解2 3 3 1 天然气水合物开采数学模型2 3 3 1 1 模型条件假设2 3 3 1 2 质量守恒方程2 4 3 1 3 能量守恒方程2 5 3 1 4 动力学方程2 7 3 1 4 辅助方程2 8 3 1 5 初始边界条件2 9 3 2 天然气水合物物性参数的计算2 9 3 2 1 渗透率及毛管力2 9 3 2 2 水合物的分解热3 0 3 2 1 3 相平衡曲线3l 3 3 天然气水合物开采数值模型求解3 1 i v 3 3 1 网格的划分3 2 3 3 2 隐式求解压力3 2 3 3 3 显示求解饱和度3 6 3 3 4 能量差分方程的求解3 6 3 4 小结3 7 第四章注热降压法开采的模拟分析3 8 4 1 水合物开采的所使用的物性参数。3 8 4 2 注热降压的温压场模拟结果3 9 4 3 水合物的分解和时间的变化关系4 l 4 4 影响产气速率的因素分析4 3 4 4 1 储层绝对渗透率的影响一4 3 4 4 2 地层温度的影响4 3 4 5 小结4 4 第五章结论4 5 参考文献4 6 致谢5 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 天然气水合物是一种类冰状化合物，是在高压低温条件下气体分子在水分子笼中圈 闭形成的。水合物要么存在于陆上冻土，要么存在于近海沉积层，这些地方的温度、压 力等许多条件满足天然气水合物稳定存在的要求。近几年，由于水合物在气体传输、潜 在危害、全球气候和潜在能源等方面的重要性，人们已经对天然气水合物产生了极大的 兴趣。与在标准温度和大气压力( s t p ) 条件下的纯甲烷气体相比，相同量的甲烷水合 物含有的气体含量是纯甲烷的1 6 4 倍。就其他类型的水合物，其体积系数会有一定程度 的不同，但仍然很大。虽然有很多不同的评价结果，但是全世界范围内的水合物圈闭的 气体总含量仍然不确定。但是，从这些评价中可以得出一个共同的结论，即：天然气水 合物含有的天然气储量是很大的。其中，由k e v e n v o d e n 1 】得到的评价结果得到大家广泛 认可，他认为在标准温度和大气压下，天然气水合物中的甲烷气体含量可高达 2 1 x 1 0 1 5 m 3 ( 约合1 5 x 1 0 4 g t ) ，这一数值大约是世界其它化石能源储层含碳量的2 倍。而 m i l k o v 等人认为在标准温度和大气压下天然气水合物中的甲烷气体含量会小一点，大约 为3 - 5 x 1 0 1 5 m 3 ( 约合2 1 3 6 x 1 0 3 g - t ) ，这一数值比k e v e n v o d e n 所估测的数值小4 7 倍， 但仍然很大。被圈闭在水合物中的大量烃气含量，为世界范围内不断增长的能源需求和 不断减少的石油天然气储量等问题提供了一个前景广阔的解决方法。而且，自1 9 6 9 年 起，在前苏联m e s s o y a k h ar i v e r 和y e n i s e ir i v e r 交界处，天然气已被成功开采了1 9 年。 但是，这只是迄今为止从水合物中开采天然气唯一成功的案例。为了大范围的开采水合 物，有许多问题需要解决。其中，水合物在多孔介质中的合成和分解问题是这些问题中 较为关键的问题之一。 本文针对水合物开采进行研究，采用数值模拟的方式对水合物藏进行注热降压开 采，从而研究水合物在开采过程中地层中各种参数的变化，而对水合物的商业开采作出 指导。 1 2 天然气水合物的研究现状 水合物的合成和分解是复杂的过程，受水体移动、热量传递、反应动力学和热力学 因素控制。在多孔介质中，由于介质的复杂特性，水合物合成和分解的过程更加复杂。 第一章绪论 近年来，进行了许多关于水合物合成和分解的研究。与合成和分解相关的基本因素已在 实验室进行了研究，包括天然气水合物的热力学和动力学。这些基本因素和地质条件、 地球化学条件及地球物理学条件共同限制水合物在世界的分布。现今，已经提出了一些 从水合物藏开采天然气的策略。 1 2 1 水合物藏开采天然气 如今学者们已经提出了许多开采方案来开采水合物藏中的天然气。所有这些方案可 以分为三种，这三种方式分别是降压开采，注热开采和注抑制剂开采。降压开采是前苏 联m e s s o y a k h a 气田开采的主要的开发方式，这是最简单经济可行的方案，也是目前一 段时期内唯一被用于水合物藏开采的方案。在降压过程中，生产井的压力值保持在低于 三相平衡压力值，这一压力值被液流传递到储层，使水合物发生分解。降压开采需要考 虑两点：首先，它要求地层有足够高的渗透率以便于生产井的低压能够传到储层内部； 其次，它还要求有足够的能量供给来提供潜在水合物分解热以便于分解的不断进行。另 外两个开采方案是注热和注抑制剂开采。在注热开采中，水合物藏的温度升至水化温度 以上来引发水合物分解。理论上，水合物分解的能量平衡对水合物藏天然气的开采有利。 对于s i 甲烷水合物，假设没有热量损失，来自天然气水合物中的能量比水合物分解所 需能量要大1 5 倍。过去提出了许多技术来进行注热开采，如注入水和电磁加热。注热 开采的困难在于从工作边界到储层内部的能量传递。例如，当进行了热水注入后，必须 具备足够高渗透率的流动通道，以便于热水在不形成高压力的情况下能流到水合物区。 抑制技术是指在水合物藏中注入抑制剂，使三相平衡曲线向上偏移或者使平衡压力p e 增加。如果p 。值增加到比储层压力大，那么水合物就开始分解。注抑制剂技术已经在 m e s s o y a k h a 2 气田某些生成阶段应用，并发现在一些情况下，该技术能够在短期内提高 产气速率。类似于注热开采中的注热水开采，抑制剂的注入也要求有较高的渗透率通道 以便于抑制剂能流入水合物区。在许多情况下，注热开采和注抑制剂开采与降压开采结 合使用。采气方案必须根据储层条件进行优化。 在过去，m e s s o y a k h a 气田是水合物藏开采天然气唯一成功的案例。其他气田也进行 了开发，但是要么生成情况较差，要么仍然在产前评估阶段。在英国大陆架南部盆地的 h y d e 气田，生产开始于1 9 9 3 年9 月，此后5 个月之后，即1 9 9 4 年1 月，观察到了地 层水较高的生产速率，而且产气速度降低的速率比预期的要快的多，对于优化该地区未 来气田发展的深入研究仍在进行。在加拿大t e r r i t o r i e s 西北部m a c k e n z i e 三角洲的m a u i k 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地区，一口天然气水合物调查井，m a l l i k2 l - 3 8 ，早在1 9 9 8 年就已钻成。通过井底测井 技术，在地表以下8 8 0 1 1 2 0 m 直井段探测到了一些含水合物的区域，不同区域水合物的 饱和度不同，范围在5 0 8 0 之间。此后，在2 0 0 1 年1 2 月开始进行生产调查计划，包 括一口主要的生产调查井和两口临近的科学观察井，并在2 0 0 2 年3 月中旬继续进行该 计划。从这一研究计划中收集到了许多信息，并用具有e o s h y d 2 模块的t o u g h 2 通 用模拟程序对各种产气情况进行分析。数值模拟结果表明，水合物藏中有很大的产气潜 力。在南海海槽，日本西南近海，1 9 9 9 年后期和2 0 0 0 年初期钻了一口探井，名为 t m e t i - n a n k a it r o u g h ，并在海底2 1 1 - 2 7 0 m 渗透性砂层探测到了水合物饱和度为 4 0 8 0 的水合物区。为了研究水合物区内天然气的开采潜能，计划进行大量研究。 m i l k o v 和s a s s e n ( 2 0 0 2 ) 认为从南海海槽开发天然气的主要难点是由较大水深引起的较 高的经济费用。 总的来说，水合物藏有生产大量天然气的潜能。然而，在商业性生产前有许多问题 要解决。 1 2 2 数值模拟 为了模拟连续分离规模的多孔介质中水合物的形成和分解过程，必须建立一组方 程，此方程要基于物质和能量守恒和其它必要的物理模型【3 1 ，例如：运动方程，质量和 热能传输模型，热力学模型和动力学模型。这些方程是高度耦合的非线性偏微分方程 ( p d e s ) 。只有在一系列的对实际情况相符合的的假设前提下，这些偏微分方程才能被 简化到可以求出解析解。为了得到更逼真的模型，一般是使用数值解法。 为了寻求数值解，偏微分方程组首先转化为一个通过空间离散和时间离散的非线性 代数方程集，之后，这些非线性代数方程组用数值计算方法来解决。有两种方法可以用 于空间离散：有限差分法和有限元法。最近，提出了一个新的空间离散方法，即有限体 积差分方法( f v d m ) ，并且成功的使用在模拟研究中，它结合了与有限元法( 灵活的 网格画分) 和有限差分法( 初步解释了质量传输和热量传输) 的优点，在有限体积差分 方法中模拟区域划分成一个由多个接口连接的网络格块，每个网格块形成一个控制体积 单元，其中方程的积分形式是通过集成在块体体积的偏微分方程构造。这些控制方程是 关于时间的常微分方程( o d e s ) 。对于时间偏微分方程的离散，隐式压力显式饱和度 ( 蹦p e s ) 方法和全隐式方法被广泛应用在石油天然气工业的仿真模拟中，i m p e s 方案 相较于数值解法，挑战性较低，但是在模拟过程中的前进步长受限于 3 第一章绪论 c o u r a n t - f d e d r i c h s l e w y ( c f l ) 条件，作为稳定性标准。在水合物的形成和分解的过程 中，涉及到的相变必须考虑到c f l 条件，以及正常考虑中的传输过程，这使得系统高 度僵硬，如果使用在i m p e s 中，前进步长将变得非常小。基于以上考虑，使用全隐方 法是在本系统仿真模拟中是更好的选择，因为它是绝对稳定的数值方法。在全隐式方法 中，时间偏导数逼近落后欧拉方法，这意味着控制方程中的所有的变量在当前时间步长 的参数值都进行隐评估。在空间和时间离散之后，偏微分方程转化为一系列的非线性代 数方程，这些方程高度耦合于任何一个网格块与不同网格块之间的质量和能量的传输的 物理模型中。 为了解决耦合的非线性代数方程，n e w t o n - r a p h s o n 方法被认为是一个很有效的算 法。n e w t o n - r a p h s o n 方法是基于控制方程系统的泰勒级数展开。在模拟的每一步中， n e w t o n - r a p h s o n 迭代进行，直到控制方程的解决。迭代开始初步猜测一般来源于融合整 合方案的最后一步模拟。在每一步的n e w t o n - r a p h s o n 迭代中，控制方程和雅可比矩阵 的余差在每一步当前迭代中进行估计。增量的获得，是通过求解的雅可比矩阵形成的线 性方程和方程的余差。之后这一增量加到当前结果候选中去更新结果。当某一个收敛标 准满足后，这一更新解法被视为当前仿真步骤的收敛的结果，同时，n e w t o n - r a p h s o n 迭代结束。 在模拟工作中，雅克比通常是离散的线性矩阵。这一离散线性矩阵的求解对于 n e w t o n - r a p h s o n 法的成功应用十分重要。解决这一线性系统最可靠的方法是以雅克比矩 阵的l u 分解为基础直接求解。然而，对于需要较大存储空间和使用直接法时计算速度 较慢限制了它在大型模拟工作中应用。对于较大的线性系统，迭代法是比直接法更有效， 一般是以共轭或双共轭梯度法为基础。过去形成了许多迭代法，如i t p a c k 2 c 和 t 2 s o l v 。迭代法中有个重要的问题是与雅克比矩阵对角占优有关。理论上，只有当雅 克比式正定或对角元素占优时，迭代法的收敛性才能有保障。但是，实际模拟工作中遇 到的雅克比式可能非常不规则，常常没有对角占优。为了解决这个问题，m o r i d i s 和p r u e s s 提出了许多雅克比矩阵的预处理程序，这些程序已经成功用于众所周知的t o u g h 2 模 拟系统。 在数值模拟中，与水合物合成和分解系统相关的一个重要的问题是复杂的相变。为 了解决相变，必须谨慎选择主要变量，这些变量是控制方程能够直接解出的主要的未知 数。目前，可以采用两种可能的方法来处理这个问题。一个方法是采用一组独立于相态 的变量，例如，每一网格块的总体密度和内能，作为主要变量。这一方法的缺点在于物 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 理模型通常是建立在“自然”变量的基础上，如温度、压力、相饱和度和浓度。所以，为 了评价模型，从主要未知数中获得“自然”变量的值，内部迭代是不可避免的，但就计算 效率来看，这是很难实现的。第二个处理相变的方法是所谓的主要变量转换法( p v s m ) 。 在这一方法中，主要未知数一般从“自然”变量中选出，并根据相条件转换。在一个模拟 系统中，对于不同网格模块，主要的未知数是不同的，这取决于模块中的相条件。对于 某一网格模块，主要未知数也会随着该模块中相条件的变化而变化。在过去，p v s m 【4 】 已经被证明是一种稳健有效的技术，在注蒸汽过程中可以处理气相和液相之间的相变。 在目前的工作中，这一技术被用于处理水合物合成和分解中更复杂的相变。 1 2 3 天然气水合物开采的数学模拟模型 近年，开然气水合物越来越成为人们研究的重点，水合物层所含有的大量天然气被 认为能缓解如今油气枯竭的现状。由于对水合物开采的不甚理解，所以产生了几种可行 的模拟模型。下面就按时间顺序列举几种模型。 ( 1 ) h o l d e r , g a n da n g e r t 这种模型用来研究水合物地层中气体的产量，把水合物分解时考虑成一个个的立方 体来分解，把气体区域放在水合物层的下面，并且水合物层是不可渗透的。气体的流动 仅发生在地层中含有气体的部分，分解仅发生在水合物和气体的胶接面上，这个胶接面 在有相同深度的水合物区域。这个模型是气体在水合物层中的一维模拟，并且分解产生 的水不带出地面。 在这个模型中水合物分解所需要的热量合理的提供给地层，并且这个热量是通过热 传导传到接触面的。 在气体生产阶段，随着水合物的分解，水合物和气体的接触面逐渐移到表面，虽然 深度改变了，但是仍然认为接触面是均匀的，在水合物的分解面上，温度和压力被认为 达到了分解平衡。 水合物生产的气体产量被认为在1 0 0 0 天的时间里，从地层中得到的气体的产量， 结果表明，从地层中产出的气体能达到总量的百分之二十到百分之三十，并且，由于热 量流到水合物区，导致了接触面的温度降低，从而进一步的促进了水合物的继续分解。 ( 2 ) b u r s h e a r s ，o b r i e n ，a n dm a l o n e 此模型在开采过程过考虑到天然气水合物包裹着气体，并且采用三维两相流的地层 进行模拟，气体的开采导致在接触面上气体压力减小，此模型主要是确定压力降低是否 5 第一章绪论 在开始和此后能持续开采水合物，另外就是确定从水合物中分解出的气体产量。水合物 分解产生的水也会被研究，比如，水气比例增加、气体相对渗透率的减小等。 在此研究中，地层中央有一口生产量，生产井完全穿过气体层，气体就从这口井中 生产出来，气体的气产率是个精确的常数。另外，在自由气体区，气体流向井底。在接 触面上任一点的温度被认为在此点和压力平衡，并且热量的流动是从水合物和气体接触 面层流向水合物和气体的接触面。在此模型中【5 1 ，由于水合物的分解，水合物和气体的 接触面向上移动，深度也随之变化，所以，用接触面的平均深度也确定气体层的体积。 水合物的分解只发生在接触面上，水合物层被认为不可渗透的。运用下式方程来表示。 在大区域的现实模拟中，我们认为水合物没有能量源也能发生分解，例如，地层中 合理的热量就能提供水合物分解所必需的热量。从水合物中分解的水不会导致水气比的 上升，也不会把气体的流动减小到一个非常小的值。结论表明，当水合物的深度大于 2 3 0 0 1 1 ( 7 0 1 m ) 时，降压开采是个可行的办法。 ( 3 ) y o u s i f , a b a s s ，a n ds e l i m 此研究用的是一维三相流模型，用降压开采来模拟b e r e a 岩样所含的水合物中水的 生产情况。在所有以前的模型中，水合物区的流动方程并没有完全的考虑质量和能量方 程。此研究的一个目的就是在水合物降压开采过程中，考虑到多孔介质中的三相( 气、 水、水合物) 质量和动量的方程。 此模型用了试验数据，为了得到与实验相符数据，绝对渗透率、相对渗透率和反应 速度常数都是变化的。例如，为了使系统渗透性更好，水的相对渗透率曲线上升了2 0 ； 使系统的渗透率比气更小，气体的相参渗透率曲线上升了3 ；对于纯水合物分解，分 解速度常数从1 0 1 1 下降n l o - 1 6k m o l ( m 2 p a s ) 。 ( 4 ) c h u a n g ，g o o d a r z ，a n do u a n e m a k o g o n 使用了一个一维线性的模型进行分析，水合物层和气体层的温度和压力分 布表明不同的井底压力和地层温度分布。此研究假设水合物分解不是发生在整个区域， 只发生在一个面的范围，称之为分解前缘。这个移动的面把水合物层分成两个不同的相 区。在井筒附近，只有气体和水的存在，而在远离井的区域，水合物和气体存在。对于 一维的模型，用经典的s t e f a n 问题来解决地层中压力的分布。研究还假定了另外几方面， 一是在分解前缘处任意点的压力和温度是关于水合物分解的压力和温度方程；水合物层 是可渗的并且存在自由的气体；当分解面移动时，由于水合物的分解吸热，热量会提供 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 到分解面上：在分解中，分解出的水在多孔介质中是不移动的。以下为此模型的控制方 程。 通过此研究解决两个问题：一是在水合物层钻开一口井，能否通过降压开采生产 天然气；二是影响天然气生产的参数有哪些，气体的产热控制什么等。 作者通过这些问题得到以下的结论：在有利的情况下，通过降压井可以从地层生产 出气体；气体生成速率受到地层物理条件、温度及井压的影响；气体的对流能提供水合 物分解所需要的热量；在无限大的水合物地层，水合物分解的压力和温度是固定的，它 们仅与地层情况和井压有关；对于固定的地层压力和温度，当地层温度降低时，气体生 产速度会大大降低；对于均匀的水合物地层，地层渗透率对对流热的转移率有较大影响， 结果影响到气体生产的速率。 对于固定的孔隙度，地层的渗透率越高，气体生产速率就越大，分解面进入地层的 速度就越快。但是，渗透率的改变对分解面的温度和压力作用却是很小的。 ( 5 ) m o r i d i s 在此研究中，作者用了e o s h y d r 2 软件来描述开采水合物的不同机理，e o s h y d r 2 是t o u g h 2 的个模块，这个软件可以模拟多组份、多相流和地层的热流动。 e o s h y d r 2 能建立非热平衡气体的流动，相态变化、流体流动和常规天然气水合物的 热变化。 e o s h y d r 2 包含了水合物的形成和分解平衡和运动模型，此模型包括了四相( 气 相、流体相、冰相和水合物相) ，涉及了九种组分。 在此研究中【6 】，从四个测试的问题来描述开采水合物藏的不同机理和方式，结果表 明，从水合物藏中开采气体可以用简单的方式并且这种方式很有潜力。特别的，热开采 如果与降压开采相结合的话会得到更好的效果。 ( 6 ) s u n , n a n c h a r y , a n dm o h a n t y 此研究运用了一维三相的热采数值模型，用来描述降压开采的两种情况。作者提出 了一种新的参数命名，流动分解的时间比率，足，用来定义两种情况，分解控制和流动 控制情况，在此工作中，作者用了几种有限方程，它们涉及到水相和气相的饱和度，压 力，温度和水合物的饱和度，这些方程如下表所述。这种模型一向用来与实验数据相拟 合，但分解速率常数，多相流参数和热流交换参数需要调整。 通过此研究得出几个重要的结论： 7 第一章绪论 参数足，用来定义水合物分解过程是分解控制还是流动控制，通常此过程是用流动 控制，但是在实验室或者渗透率较高情况下还是用分解控制较好。在流动控制过程中， 生产率不会随着运动率的变化而产生较大的变化。 在生产井中不同的温度边界条件气体生产速率不会有较大的变化。 在一维线性的地层中，气体生产速率会比周围的热交换系数和热对流系数更敏感。 ( 7 ) s u na n dm o h a n t y 此研究中，对水合物的研究建立在对相转移方程的积累上，研究了四相( 水合物相、 气相、溶液相和冰相) 两组分( 气组分和水组分) 。模型中质量运移包含两相流和分子 的运动，热量转移通过对流和交换。用几个不同的方法描述控制方程，然后用 n c w t o n - r a p h s o n 全隐式方法求解。 在此研究中，用了近海的水合物藏、降压法开采水合物藏和热模拟方式。近海水合 物模拟结果与以前所有的预测相一致，模拟研究可以更经济的开采水合物。 ( 8 ) m o r i d i s 此研究中用了t o u g h f x 软件，模拟包括水合物的形成和分解的平衡、运动模型， 主要的数学方程如m o r i d i s 控制方程。与前面的模型不同，这个模型考虑了自由气体和 液体之间的压力关系，即毛管力压力。 此研究的主要目的是证明用降压方式开采第一类水合物藏的开采潜力，并且找出影 响它的因素和情况。此研究有以下几点发现： 在第一类水合物藏中，用简单的降压开采方式能得到大量的高产率的气体。 在整个生产的过程和部分水合物间隔中，井筒的热量是生产所必须的，是为了防止 在井筒周围水合物的重新形成。 在第一类水合物藏中，有高于6 5 的生产速率和4 5 的累积产量会从水合物分解产 生的气体中得到补偿。 用降压开采第一类水合物藏时，有一种单一的气体形成了第二平面的水合物接触 面，并且这个接触面开始在顶部，然后开始向下降。 1 g 储存的水合物藏，气体的产量随着时间没什么变化，水合物的分解会有多于7 5 的气体生产率和5 4 的气体增量得到补充。1 g 水合物藏会慢于是l w 的水合物藏，但 是效果会随着时间而增加。 第一类水合物藏的长时间开采，热量被水合物的分解所吸引，所以会导致地层温度 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 降低，热量的降低会有少量冰相形成的风险。 第一类水合物长时间的开采，水的产量仍然会很低。 在多孔介质中，相对渗透率和毛管压力是个复杂的进程，这个进程在水合物的开采 中扮演了一个决定性的角色。新的模型描述了它在多孔介质中可湿性的效果。 在气体开采中毛管力有重要的作用，水合物透镜的作用就像冻胀的过程。在水合物 层中毛管吸力很强大，由于孔隙度很小，所以水会向下移动，导致在边缘重新形成水合 物，这样会最终在地层中会显示出水合物的饱和度交替的出现大小情况。 在液体不渗透的情况下，描述高饱和度水合物分解能力有限，那此预期的方法可能 会有限制。 ( 9 ) h o n ga n dp o o l a d i d a r v i s h 此研究用了一个二维的柱状模型，模型包括两相流方程、热对流和交换方程及水合 物分解动力学。此模拟用来研究第一类水合物藏，生产井钻进自由气层。检查了各种影 响到气体开采的参数及上层水合物层对下层气体开采的影响。模型使用下列的方程。此 模拟得出的结果如下所述【7 】： 上层水合物层中的气体对下层水合物藏的开采起了非常重要的作用。 ， 岩石间的热对流比热交换对水合物的开采影响更大。 降压开采中的热对流和水合物区合理的热对气体的产生有着重要的作用。 岩石的渗透率对气体的生产作用很大，但是长时间的开采受到供给水合物热量的影 响，并且影响很大。 通过模拟，分解前缘处仍然平衡，也就是说，固有的分解速度方程是不需要的。 井底压力低有助于水合物的分解和产气率，但是，井底压力太低会导致地层温度降 到零度，从而会形成冰相，堵住流体的流动。 ( 10 ) g e r a m ia n dp o o l a d i d a r v i s h 此研究中第一次把第一类水合物藏当成罐箱类型物质平衡模型，质量平衡和能量平 衡方程通过分析和模拟解决，也解决了物质平衡问题。解出了这些方程得到了平均地层 压力和水合物层的分解气，这些是气体产量的方程，是一个定产量的地层条件。 物质平衡模型是基于以下的假设： 地层中最多有三相( 水合物相、气相和水相) 存在； 1 m o l 的水合物分解产生l m o l 的气体和ht o o l 的水，为水合物常数； 9 第一章绪论 气体和岩石的膨胀采用平均压缩系数； 液体可以流动； 地层中仍一区域的孔隙度和饱和度是相同的； 从地层中开采气体包括不同流动机理，热量运移和水合物分解的热动力学。这些非 线性方程需要通过数值方式求解，所以，要通过分析方法得到模型，下面为所做的一此 假设： 罐形模型用来表示平均地层压力，也就是说，系统中的压力和温度是瞬时平均的； 地温梯度和静水压力忽略不计； 忽略热对流作用； 水合物分解满足三相平衡关系； 自由气区的温度保持在开始时的地层温度； 没有水的流动，钻井液的体积变化忽略不计； 水合物、地层和周围的基岩热物理性质在开采阶段保持不变。 对于能量平衡方程的计算，水合物多孔介质中水合物周围的岩石和钻井液的感热， 基岩的热对流是水合物分解所需能量的两个来源，岩石的热对流控制方程用f o d e r 的热 对流定理来定义【8 1 。 此模型用来研究重要的参数( 地层孔隙度、岩石的热对流、生产速率、水合物层厚 度、自由气区厚度、地层半径、地层渗透率和初始地层温度) 在生产中的性质。初始自 由气g ，和初始地层水合物厚度h ，可以使用与模型求解相反的方式得到。 以下为此模型得出的结论： 水合物区的温度近似线性的降低，温度下降率是气产率、地层体积、储层热物理性 质的方程，并且与产气时间有点关系。 对于降压方式，水合物的分解对水合物层的产气量有重要的影响。