石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (5): 74-78
储层渗透率对水合物降压联合注热分解的影响
王帅 , 梁海峰 , 芦文浩 , 孙敏 , 赵彤彤 , 张凯     
太原理工大学化学化工学院
摘要:储层渗透率是影响水合物降压与注热联合法分解的重要因素。建立了包含守恒方程、反应动力学方程和辅助方程的三维水合物联合法分解模型,重点研究了不同储层初始渗透率条件下联合法解离过程,考察了压力、水合物分解及气、水饱和度变化特性。结果表明:储层渗透率越大,压力传播速度越快,储层压力水平越低;流体流动阻碍越小,注入热量热损失越小,反应时间越短;液相相对渗透率越大,液相流动性越强。但储层渗透率对气体饱和度变化影响不大。
关键词水合物分解    初始渗透率    联合法    
Effect of reservoir permeability on hydrate decomposition under depressurization combined with heat injection
Wang Shuai , Liang Haifeng , Lu Wenhao , Sun Min , Zhao Tongtong , Zhang Kai     
Department of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi, China
Abstract: The reservoir permeability is an important factor affecting the hydrate decomposition under depressurization combined with heat injection. Through establishing a 3D model of hydrate combination decomposition method including conservation equations, reaction dynamics equations and auxiliary equations, the combination method of hydrate decomposition under different initial reservoir permeability conditions has been reached, investigating the changes of pressure, hydrate decomposition and gas and water saturation. The results show that the higher the reservoir permeability is, the faster the pressure propagation velocity is; the lower the reservoir pressure level is, the smaller the flow hindrance is; the smaller the loss of heat injection is, the shorter the reaction time is; the greater the relative permeability of liquid phase is, the stronger the liquid phase fluidity is. But the reservoir permeability has a little effect on the change of gas saturation.

天然气水合物因高发热量、高储量、无污染特点[1],受到各国青睐,并且各国也投入巨资来推动其发展。加拿大、日本[2]、中国[3],都进行了降压法或注热法的试采。降压法、注热法及两者联合法是最有前景的开采方法[4-5]

Xiaosen Li[6]、李淑霞[7]、冯景春[8]等利用不同开采方式对水合物联合法分解过程进行了实验研究,结果表明联合法是有效可行的。J.Phirani[9]、白玉湖[10]、刘笛[11]等建立了相对完善的水合物联合法分解模型,研究表明产气过程主要受注热温度、注井压力和生产井压力影响,联合法能提高开采速度。实际开采过程中,水合物储层地质条件复杂[12],储层渗透率成为影响水合物分解的重要因素。Xuke Ruan[13]、Jiafei Zhao[14]等研究了储层渗透率对水合物降压分解的影响,发现储层渗透率主要影响水合物分解过程中流体流动,对沉积物中压降控制起着重要作用,水合物解离过程中的传热也受储层渗透率影响。但储层渗透率对联合法分解影响的模拟还不多见,因此,通过建立水合物联合法开采模型,从压力、水合物分解和气、水饱和度变化方面探究了储层初始渗透率对联合法分解的影响。

1 数学模型

本研究物理模型是基于李淑霞联合法分解实验的简化模型[7],其为长0.8 m、直径0.08 m的圆柱模型。为了减少计算量,只取了水合物岩心圆柱模型的1/12,模型和计算网格如图 1所示,水合物联合法分解实验数据见文献[7]。岩心模型左端为压力出口边界,右端为速度进口边界,下部为对流传热边界(模拟壁面与水浴之间的自由对流传热,非滑移边界),中心轴的两侧面为对称边界。中心轴上5点A、B、C、D、E沿x轴的位置分别为0.08 m、0.24 m、0.40 m、0.56 m、0.72 m。

图 1     水合物的岩心模型和计算网格 Figure 1     Core model and computational grid of hydrate

本研究模型和假设是在前人的基础上建立的[11, 13-15],模型考虑水合物、气、水三组分和气、液、固三相,将质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、水合物分解动力学方程、气液运动方程和辅助方程相结合,建立多孔介质中水合物解离的三维数学模型。计算多孔介质域采用有限体积法进行离散,利用全隐式耦合算法进行数值求解。

水合物饱和度变化会对渗透率产生影响,而气液流动受渗透率控制,影响水合物分解,故采用以下模型[15]。根据假设气液流动符合达西定律,其公式如下:

$ {\nu _{{\rm{gi}}}} = - \frac{{K{k_{{\rm{rg}}}}}}{{{\mu _{\rm{g}}}}}\frac{{\partial {p_{\rm{g}}}}}{{\partial i}}\left( {i = x, y, z} \right), {\nu _{{\rm{wi}}}} = - \frac{{K{k_{{\rm{rw}}}}}}{{{\mu _{\rm{w}}}}}\frac{{\partial {p_{\rm{w}}}}}{{\partial i}}\left( {i = x, y, z} \right) $ (1)

式中:νgνw为气、水流速,m/s;K为含水合物多孔介质绝对渗透率,m2krgkrw为气、水相对渗透率,无因次;μgμw为气、水黏度,Pa·s;pgpw为气、水分压,Pa。

绝对渗透率模型为Masuda模型,其公式如下:

$ K = {K_0}{(1 - {S_{\rm{h}}})^N} $ (2)

式中:K0为不含水合物的多孔介质绝对渗透率,m2N为渗透率下降指数且N=9,无因次;Sh为水合物饱和度,无因次。

相对渗透率模型为Corey模型,其公式如下:

$ {k_{{\rm{rg}}}} = {〔 {\frac{{\frac{{{S_{\rm{g}}}}}{{{S_{\rm{g}}} + {S_{\rm{w}}}}} - {S_{{\rm{gr}}}}}}{{1 - {S_{{\rm{gr}}}} - {S_{{\rm{wr}}}}}}} 〕^{{n_{\rm{g}}}}}, {k_{{\rm{rw}}}} = {〔 {\frac{{\frac{{{S_{\rm{w}}}}}{{{S_{\rm{g}}} + {S_{\rm{w}}}}} - {S_{{\rm{wr}}}}}}{{1 - {S_{{\rm{gr}}}} - {S_{{\rm{wr}}}}}}} 〕^{{n_{\rm{w}}}}} $ (3)

式中:SgrSwr分别为气、水残余饱和度且Sgr=0.05、Swr=0.3,无因次;ngnw分别为气、水相对渗透率指数且ng=2、nw=4,无因次;SgSw分别为气、水饱和度,无因次。

2 结果与讨论

本研究主要研究储层初始渗透率K0对联合法开采生产的动态影响,由勘探得出水合物砂质储层渗透率在(0.1~1.0)×10-12 m2之间[16],故此次模拟的K0取值如表 1所列。以下部分主要是研究K0对压力、水合物分解及气、水饱和度的影响。

表 1    不同算例的储层初始渗透率 Table 1    Initial reservoir permeability K0 of different examples

2.1 储层初始渗透率对压力变化的影响

4个模拟岩心压力(pc)变化趋势类同,图 2所示为case2在不同时刻下pc的分布变化。出口处压力下降是由于自由水和气体的流出;进口处压力先升高后下降,是因为初始时有流体注入,孔隙流体增多,导致压力升高,但当左端压降传播到右端时, 压力降低。之后,当水合物相平衡压力大于岩层内气体分压时, 水合物开始分解,压力持续降低。当水合物完全分解后,压力保持稳定。此外,case2的最大岩心压力为3.55 MPa,而case1、case3和case4的分别为3.86 MPa、3.51 MPa和3.49 MPa。图 3给出case1、case2、case3和case4中点C处pc变化曲线, pc变化速率逐渐增大,在同一时刻的pc逐渐降少。结果表明, 随着K0的增加,岩心内流体流动就越有效,使压力沿岩层的传播速度加快,压力变化速率也随之加快,同时可以降低岩心的最大压力。

图 2     case2在不同时刻下岩心压力分布变化 Figure 2     Core pressure distribution of case 2 at different times

图 3     case1、2、3和4中点C处岩芯压力变化曲线 Figure 3     Core pressure variation curves at midpoint C of case1, 2, 3 and 4

2.2 储层初始渗透率对水合物分解的影响

4个模拟水合物饱和度(Sh)变化趋势类同,图 4给出了case2在不同时刻下Sh的分布变化。在初始阶段,由于岩层内压力在水合物相平衡压力之上,水合物还未分解, 故Sh没有变化。但当压力减少到水合物相平衡压力之下时水合物开始分解,导致Sh不断减少。case1、case2、case3和case4分别在96 s、91 s、90 s和89 s时水合物完全分解。图 5给出case1、case2、case3和case4中点C处的Sh变化曲线, Sh变化速率前期基本一致,但后期逐渐增大。结果表明,水合物前期分解吸收的热量由岩层显热提供,而后期由注入的热量提供,这是因为前期岩层显热能为水合物吸热解离及时提供能量,故水合物分解速率在前期一致,而后期随着显热消耗殆尽,主要由注入的热量来提供,故水合物分解速率不一致;随着K0增大,流体流动性变强,使注入热量在输运过程中热损失变小,用于水合物分解的热量增多,从而也缩短了水合物解离时间。

图 4     case2在不同时刻下水合物饱和度分布的变化 Figure 4     Hydrate saturation distribution of case 2 at different times

图 5     case1、2、3和4中点C处水合物饱和度变化曲线 Figure 5     Hydrate saturation variation curves at midpoint C of case1, 2, 3 and 4

2.3 储层初始渗透率对气、水饱和度的影响

4个模拟气体饱和度(Sg)变化趋势类同,图 6给出case2五点处Sg变化曲线,靠近出口处Sg先增加,Sg增加界面逐渐向右移动。这是由于气体黏度远小于水的黏度,气体流动性大于水的流动性,故岩层自由气在初始阶段就向左流动,导致出口处Sg增加。后续由于水合物开始分解,产生气体和水,整个岩层气体量增加,出现了Sg增加界面向右移动的现象。靠近出口处的Sg变化速率大于靠近进口处的。结果表明,水合物的降压分解作用要比注热分解的明显。图 7给出case1、case2、case3和case4中点C处的Sg变化曲线,Sg变化速率小幅度变大,气体残留量略有减小。结果说明,K0变化对Sg的影响作用不明显。

图 6     case2五点处气体饱和度变化曲线 Figure 6     Gas saturation variation curves at five points of case 2

图 7     case1、2、3和4中点C处气体饱和度变化曲线 Figure 7     Gas saturation variation curve at midpoint C of case1, 2, 3 and 4

4个模拟水饱和度Sw变化趋势类同,图 8给出了case2五点处的Sw变化曲线,靠近出口处Sw先减少后增加;靠近进口处Sw一直在增加。图 9给出case1、case2、case3和case4中点C处的Sw变化曲线,可以看出,Sw在前期由下降趋势转为逐渐升高,达到最大值后,在后期又逐渐降低。这是由于在前期降压作用比注热作用更显著,水的出口流出量大于进口流入量,致使Sw不断降低,但随着注热持续进行和水合物开始分解产生水的双重作用,导致Sw逐渐升高,但到后期水合物基本上完全分解,不再有水产出,水的来源只有注热作用,故Sw会在达到最大值后开始逐渐减小。且Sw变化速率逐渐增大,这说明K0值增大,液相相对渗透率变大,使液相流动性增强。

图 8     case2五点处水饱和度变化曲线 Figure 8     Water saturation variation curves at five points of case 2

图 9     case1、2、3和4中点C处水饱和度变化曲线 Figure 9     Water saturation variation curves at midpoint C of case1, 2, 3 and 4

3 结论

本研究建立了水合物联合法分解模型,重点研究了储层初始渗透率对联合法分解的影响,得到的结论如下:

(1) 初始渗透率越大,压力沿岩层的传播速度越快,压力变化速率也越快,储层最大压力也越低。

(2) 水合物分解吸收的热量前期由岩层显热提供,后期由注入的热量提供。初始渗透率越大,流体流动阻碍越小,使注入热量热损失越小,用于水合物分解的热量越多,反应时间也越短。

(3) 水合物降压分解作用要强于注热分解作用,渗透率对气体饱和度变化的影响不大,但初始渗透率越大,液相相对渗透率变大,液相流动性增强,水饱和度变化越快。

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