储层渗透率对水合物降压联合注热分解的影响
2018-11-02王帅梁海峰芦文浩孙敏赵彤彤张凯
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
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。
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:
(1)
式中:νg、νw为气、水流速,m/s;K为含水合物多孔介质绝对渗透率,m2;krg、krw为气、水相对渗透率,无因次;μg、μw为气、水黏度,Pa·s;pg、pw为气、水分压,Pa。
绝对渗透率模型为Masuda模型,其公式如下:
K=K0(1-Sh)N
(2)
式中:K0为不含水合物的多孔介质绝对渗透率,m2;N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:
(3)
式中:Sgr、Swr分别为气、水残余饱和度且Sgr=0.05、Swr=0.3,无因次;ng、nw分别为气、水相对渗透率指数且ng=2、nw=4,无因次;Sg、Sw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)×10-12m2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参数case1case2case3case4K0/(10-12 m2)0.100.711.0651.42
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。
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。
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。
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。
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。