開采天然氣水合物的油藏模擬

1、 開采天然氣水合物的油藏模擬Wim J 1A 1M 1Swinkels Rik J 1J 1Drenth翻譯:王艷麗(大港油田集團(tuán)鉆采工藝研究院校對:周潤才(大慶油田設(shè)計(jì)院摘要:分析模型不足以模擬天然氣水合物儲藏的開發(fā)。模型選用常規(guī)三維熱油藏模擬軟件模擬水合物頂氣藏和天然氣水合物的開發(fā)。該模型包括水合物相特性、熱流和儲層壓實(shí)。應(yīng)用油藏模擬軟件可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合、計(jì)算井的產(chǎn)能及評價(jià)開發(fā)方案。此外還可檢驗(yàn)固態(tài)水合物層的開發(fā)方案。主題詞油氣藏開采天然氣水合物模擬模型產(chǎn)能本文是發(fā)表在SPE 56550上Thermal 2Reservoir 2Simulation Model o f Product

2、ion From Naturally Occurring Gas 2Hydrate Accumulations 一文的概要,感興趣的讀者可據(jù)此進(jìn)一步查閱。一、引言天然氣是一種清潔的碳?xì)浠衔锶剂?由于需求量大,人們對天然氣水合物越來越感興趣。在天然氣水合物的勘探和鉆井技術(shù)取得進(jìn)步的同時(shí),必須更新遠(yuǎn)景儲量豐富的天然氣水合物儲藏和水合物頂氣藏的開發(fā)理論。大多數(shù)人嘗試用分析模型模擬水合物頂氣藏和天然氣水合物儲藏的開采以得到數(shù)值解。用常規(guī)三維熱油藏軟件模擬包括儲層特性在內(nèi)的水合物頂氣藏的儲層動態(tài),這對大多數(shù)分析模型來說是做不到的。這些儲層特性包括:流入壓降、儲層流體與巖層間的熱交換、地溫梯度、儲層流體

3、相態(tài)特性、隨壓力下降而變化的壓力/體積/溫度、儲層幾何尺寸和壓實(shí)效應(yīng)。這項(xiàng)研究充分說明,用常規(guī)三維熱油藏軟件模擬水合物頂氣藏的可行性。在這項(xiàng)研究中,儲層流體分別為氣、水合物、水相。系統(tǒng)中的能量用存在于三種相態(tài)內(nèi)的焓代替,以提供相變所需的熱量。這種方法還可用于計(jì)算在開采水合物伴生氣中起重要作用的焦耳-湯姆遜冷卻效應(yīng)。通過向網(wǎng)格分配導(dǎo)熱性和熱容量來模擬地層中的熱流。二、模擬模型1,地質(zhì)和幾何尺寸為了模擬水合物頂氣藏的開采,選取的模型區(qū)域?yàn)?000m ×500m 的拱形,并將其劃分成15×15×10的網(wǎng)格。該模型的頂層為水合物。假設(shè)儲層均質(zhì),厚度為100m ,孔隙度為2

4、0%,橫向和縱向滲透率均為200md 。模型中包含了非儲集層用以研究圍巖層的熱容效應(yīng)。其中不包括含水層。2,相態(tài)特性模擬模型采用了三種物質(zhì)成分甲烷、重氣體、水,此外還有焓,它也將作為一種成分進(jìn)行模擬。三相態(tài)用氣、水合物、水來模擬。圖1示出了4個(gè)組分與三個(gè)相態(tài)之間的關(guān)系。模型中不包含水的固相,因?yàn)槟M的是海底的而不是極地環(huán)境的水合物。如果模擬永凍土層內(nèi)或其下的水合物則需冰相。流體成分作為壓力和溫度的函數(shù),在一定的平衡常數(shù)或K 值下組成模型。并設(shè)定了各種成分在不同相態(tài)中的焓值,用來確定比熱和汽化熱。密度和粘度是溫度的函數(shù)?；旌衔锏臒崃W(xué)特性則用標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)相平衡軟件包來計(jì)算 。圖1相態(tài)與組分之間的關(guān)

5、系3,初始化根據(jù)溫度-深度表,用0103K /m 的地溫梯度來初始化模型。在儲層溫度和原始儲層壓力為80bar 條件下,壓力梯度可以從相密度中得到。水合物/氣體界面為1050m 。原始?xì)怏w儲量為0193×109m 3,其中0144×109m 3儲存于水合物頂內(nèi)。水面下水合物體積為2196×106m 3,而游離水主要是原生水的體積為1148×106m 3。初始化之后,該模型模擬了1年未開采的平衡壓力。由于孔隙體積具有壓縮性,儲層模擬中也考慮了地層壓實(shí)。4,模擬井模擬井在1080m 處的水平段長為500m ,其中400m 射孔。在原始儲層條件下,僅需幾個(gè)巴的

6、壓差就可獲得最大產(chǎn)量015×106m 3/d 。忽略水平井段的紊流壓降,井的產(chǎn)量近似與水平段長度成正比。在水合物的分解過程中,大量水變?yōu)榭闪鲃铀Ｓ捎诖瓜驖B透率可能變得比較大,導(dǎo)致氣/水出現(xiàn)重力分離,估計(jì)只有少部分水直接53王艷麗:開采天然氣水合物的油藏模擬 流入生產(chǎn)井。5,模擬方法選擇建立儲層模擬模型的主要目的在于模擬和篩選開發(fā)方案。在水合物藏或水合物頂氣藏中,井的空間結(jié)構(gòu)和完井方式?jīng)Q定著開采過程的成功與失敗。設(shè)計(jì)注入井和生產(chǎn)井是非常重要的,可使地層能量得以保護(hù)并獲得最大產(chǎn)量。三、水合物頂氣藏的衰竭每天以5×105m 3/d 的穩(wěn)定產(chǎn)氣量大約可維持3年,在此期間儲層壓力(

7、BHP 從80bar 線性下降到50bar ,這說明水合物的分解沒有產(chǎn)生壓力。由于膨脹氣而產(chǎn)生的焦耳-湯姆遜冷卻效應(yīng),使得井底流動溫度下降約1K 。當(dāng)井的產(chǎn)量下降時(shí),氣體膨脹較少并且井底流溫停止下降。冷卻效應(yīng)是有益的,因?yàn)檩^冷氣流有助于保持井筒處水合物層封堵的完整性 。圖2位于蒸汽注入井下面水合物層的開采動態(tài)由于模型假定了水合物是完全封閉的,并且不能傳遞壓力變化,因此生產(chǎn)井周圍的壓力下降不會傳遞到水合物層。儲層壓力分布取決于滲透率曲線。模擬顯示,即使儲層下面的地層中聚集大量的熱,由于氣/水合物邊界冷卻,將減緩水合物頂?shù)姆纸?。模擬結(jié)果顯示了在油藏開采全過程中,由于巖層傳熱太慢,而不能使水合物頂分

8、解。四、水合物層開采為了模擬固態(tài)水合物開采,孔隙系統(tǒng)被水合物充填。水平生產(chǎn)井穿過模擬區(qū)塊的長度,水平注入井位于生產(chǎn)井之下10m 。為了提高壓力和溫度的分辨率,對生產(chǎn)井周圍的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)水合物分解時(shí),將產(chǎn)生大量的水并流過儲層,如果再注入水蒸汽或熱水,在開采固態(tài)水合物儲層時(shí)將需要井下氣/水分離。1,相態(tài)分布由于模擬海底以下的水合物層,因此沒有考慮含冰的情況。所有相態(tài)的模型看上去最為直觀,模型孔隙系統(tǒng)中包括水合物、氣和液體。使用了與氣體衰竭模型中相同的相態(tài)和組分。2,注入情況在這種情況下,檢驗(yàn)了由水平生產(chǎn)井和與之平行的蒸汽注入井組成的系統(tǒng)。圖2顯示了位于蒸汽注入井下面的水平生產(chǎn)井的開采動態(tài),

9、圖2所顯示的模擬結(jié)果如下:(1開采約450天后產(chǎn)量開始下降,井眼周圍膨脹冷卻結(jié)束,井底流溫穩(wěn)定。(2開始注水,產(chǎn)量停止下降。(3生產(chǎn)井中水的產(chǎn)量增加到300m 3/d ,暫時(shí)比注入井注入速度要大,這是因?yàn)樗熬壷邪ㄋ衔锓纸馑a(chǎn)生的水到達(dá)生產(chǎn)井。(4井底壓力近似反映了整個(gè)模型的儲層壓力。(5壓力穩(wěn)定在最小井底流動壓力。(6由于膨脹冷卻,導(dǎo)致生產(chǎn)井井底溫度首先下降,然后穩(wěn)定在低的生產(chǎn)速度下;當(dāng)熱注入流體突破進(jìn)入生產(chǎn)井時(shí),井底溫度上升。(7當(dāng)水和熱突破進(jìn)入生產(chǎn)井之后,氣和水的生產(chǎn)速度穩(wěn)定下來。五、結(jié)論1、在石油和天然氣工業(yè)中,可用標(biāo)準(zhǔn)熱采模擬方法模擬水合物及水合物頂藏的壓力和溫度特性。2、通過水平井模擬水合物頂儲層的衰竭,表明了井筒周圍焦耳-湯姆遜冷卻效應(yīng)的重要性。3、由于氣/水合物界面的冷卻作用,水合物頂氣藏內(nèi)壓力衰竭引起的水合物頂?shù)姆纸鈱⒂邢喈?dāng)程度的下降。4、從固態(tài)水合物中采氣需要大量的生產(chǎn)井、許多水處理設(shè)備,還要注入大量的能量。5、在