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        儲層滲透率對水合物降壓聯(lián)合注熱分解的影響

        2018-11-02 06:26:00王帥梁海峰蘆文浩孫敏趙彤彤張凱
        石油與天然氣化工 2018年5期
        關鍵詞:水合物巖層飽和度

        王帥 梁海峰 蘆文浩 孫敏 趙彤彤 張凱

        太原理工大學化學化工學院

        天然氣水合物因高發(fā)熱量、高儲量、無污染特點[1],受到各國青睞,并且各國也投入巨資來推動其發(fā)展。加拿大、日本[2]、中國[3],都進行了降壓法或注熱法的試采。降壓法、注熱法及兩者聯(lián)合法是最有前景的開采方法[4-5]。

        Xiaosen Li[6]、李淑霞[7]、馮景春[8]等利用不同開采方式對水合物聯(lián)合法分解過程進行了實驗研究,結(jié)果表明聯(lián)合法是有效可行的。J.Phirani[9]、白玉湖[10]、劉笛[11]等建立了相對完善的水合物聯(lián)合法分解模型,研究表明產(chǎn)氣過程主要受注熱溫度、注井壓力和生產(chǎn)井壓力影響,聯(lián)合法能提高開采速度。實際開采過程中,水合物儲層地質(zhì)條件復雜[12],儲層滲透率成為影響水合物分解的重要因素。Xuke Ruan[13]、Jiafei Zhao[14]等研究了儲層滲透率對水合物降壓分解的影響,發(fā)現(xiàn)儲層滲透率主要影響水合物分解過程中流體流動,對沉積物中壓降控制起著重要作用,水合物解離過程中的傳熱也受儲層滲透率影響。但儲層滲透率對聯(lián)合法分解影響的模擬還不多見,因此,通過建立水合物聯(lián)合法開采模型,從壓力、水合物分解和氣、水飽和度變化方面探究了儲層初始滲透率對聯(lián)合法分解的影響。

        1 數(shù)學模型

        本研究物理模型是基于李淑霞聯(lián)合法分解實驗的簡化模型[7],其為長0.8 m、直徑0.08 m的圓柱模型。為了減少計算量,只取了水合物巖心圓柱模型的1/12,模型和計算網(wǎng)格如圖1所示,水合物聯(lián)合法分解實驗數(shù)據(jù)見文獻[7]。巖心模型左端為壓力出口邊界,右端為速度進口邊界,下部為對流傳熱邊界(模擬壁面與水浴之間的自由對流傳熱,非滑移邊界),中心軸的兩側(cè)面為對稱邊界。中心軸上5點A、B、C、D、E沿x軸的位置分別為0.08 m、0.24 m、0.40 m、0.56 m、0.72 m。

        本研究模型和假設是在前人的基礎上建立的[11,13-15],模型考慮水合物、氣、水三組分和氣、液、固三相,將質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、水合物分解動力學方程、氣液運動方程和輔助方程相結(jié)合,建立多孔介質(zhì)中水合物解離的三維數(shù)學模型。計算多孔介質(zhì)域采用有限體積法進行離散,利用全隱式耦合算法進行數(shù)值求解。

        水合物飽和度變化會對滲透率產(chǎn)生影響,而氣液流動受滲透率控制,影響水合物分解,故采用以下模型[15]。根據(jù)假設氣液流動符合達西定律,其公式如下:

        (1)

        式中:νg、νw為氣、水流速,m/s;K為含水合物多孔介質(zhì)絕對滲透率,m2;krg、krw為氣、水相對滲透率,無因次;μg、μw為氣、水黏度,Pa·s;pg、pw為氣、水分壓,Pa。

        絕對滲透率模型為Masuda模型,其公式如下:

        K=K0(1-Sh)N

        (2)

        式中:K0為不含水合物的多孔介質(zhì)絕對滲透率,m2;N為滲透率下降指數(shù)且N=9,無因次;Sh為水合物飽和度,無因次。

        相對滲透率模型為Corey模型,其公式如下:

        (3)

        式中:Sgr、Swr分別為氣、水殘余飽和度且Sgr=0.05、Swr=0.3,無因次;ng、nw分別為氣、水相對滲透率指數(shù)且ng=2、nw=4,無因次;Sg、Sw分別為氣、水飽和度,無因次。

        2 結(jié)果與討論

        本研究主要研究儲層初始滲透率K0對聯(lián)合法開采生產(chǎn)的動態(tài)影響,由勘探得出水合物砂質(zhì)儲層滲透率在(0.1~1.0)×10-12m2之間[16],故此次模擬的K0取值如表1所列。以下部分主要是研究K0對壓力、水合物分解及氣、水飽和度的影響。

        表1 不同算例的儲層初始滲透率Table 1 Initial reservoir permeability K0 of different examples參數(shù)case1case2case3case4K0/(10-12 m2)0.100.711.0651.42

        2.1 儲層初始滲透率對壓力變化的影響

        4個模擬巖心壓力(pc)變化趨勢類同,圖2所示為case2在不同時刻下pc的分布變化。出口處壓力下降是由于自由水和氣體的流出;進口處壓力先升高后下降,是因為初始時有流體注入,孔隙流體增多,導致壓力升高,但當左端壓降傳播到右端時,壓力降低。之后,當水合物相平衡壓力大于巖層內(nèi)氣體分壓時,水合物開始分解,壓力持續(xù)降低。當水合物完全分解后,壓力保持穩(wěn)定。此外,case2的最大巖心壓力為3.55 MPa,而case1、case3和case4的分別為3.86 MPa、3.51 MPa和3.49 MPa。圖3給出case1、case2、case3和case4中點C處pc變化曲線,pc變化速率逐漸增大,在同一時刻的pc逐漸降少。結(jié)果表明,隨著K0的增加,巖心內(nèi)流體流動就越有效,使壓力沿巖層的傳播速度加快,壓力變化速率也隨之加快,同時可以降低巖心的最大壓力。

        2.2 儲層初始滲透率對水合物分解的影響

        4個模擬水合物飽和度(Sh)變化趨勢類同,圖4給出了case2在不同時刻下Sh的分布變化。在初始階段,由于巖層內(nèi)壓力在水合物相平衡壓力之上,水合物還未分解, 故Sh沒有變化。但當壓力減少到水合物相平衡壓力之下時水合物開始分解,導致Sh不斷減少。case1、case2、case3和case4分別在96 s、91 s、90 s和89 s時水合物完全分解。圖5給出case1、case2、case3和case4中點C處的Sh變化曲線,Sh變化速率前期基本一致,但后期逐漸增大。結(jié)果表明,水合物前期分解吸收的熱量由巖層顯熱提供,而后期由注入的熱量提供,這是因為前期巖層顯熱能為水合物吸熱解離及時提供能量,故水合物分解速率在前期一致,而后期隨著顯熱消耗殆盡,主要由注入的熱量來提供,故水合物分解速率不一致;隨著K0增大,流體流動性變強,使注入熱量在輸運過程中熱損失變小,用于水合物分解的熱量增多,從而也縮短了水合物解離時間。

        2.3 儲層初始滲透率對氣、水飽和度的影響

        4個模擬氣體飽和度(Sg)變化趨勢類同,圖6給出case2五點處Sg變化曲線,靠近出口處Sg先增加,Sg增加界面逐漸向右移動。這是由于氣體黏度遠小于水的黏度,氣體流動性大于水的流動性,故巖層自由氣在初始階段就向左流動,導致出口處Sg增加。后續(xù)由于水合物開始分解,產(chǎn)生氣體和水,整個巖層氣體量增加,出現(xiàn)了Sg增加界面向右移動的現(xiàn)象??拷隹谔幍腟g變化速率大于靠近進口處的。結(jié)果表明,水合物的降壓分解作用要比注熱分解的明顯。圖7給出case1、case2、case3和case4中點C處的Sg變化曲線,Sg變化速率小幅度變大,氣體殘留量略有減小。結(jié)果說明,K0變化對Sg的影響作用不明顯。

        4個模擬水飽和度Sw變化趨勢類同,圖8給出了case2五點處的Sw變化曲線,靠近出口處Sw先減少后增加;靠近進口處Sw一直在增加。圖9給出case1、case2、case3和case4中點C處的Sw變化曲線,可以看出,Sw在前期由下降趨勢轉(zhuǎn)為逐漸升高,達到最大值后,在后期又逐漸降低。這是由于在前期降壓作用比注熱作用更顯著,水的出口流出量大于進口流入量,致使Sw不斷降低,但隨著注熱持續(xù)進行和水合物開始分解產(chǎn)生水的雙重作用,導致Sw逐漸升高,但到后期水合物基本上完全分解,不再有水產(chǎn)出,水的來源只有注熱作用,故Sw會在達到最大值后開始逐漸減小。且Sw變化速率逐漸增大,這說明K0值增大,液相相對滲透率變大,使液相流動性增強。

        3 結(jié) 論

        本研究建立了水合物聯(lián)合法分解模型,重點研究了儲層初始滲透率對聯(lián)合法分解的影響,得到的結(jié)論如下:

        (1) 初始滲透率越大,壓力沿巖層的傳播速度越快,壓力變化速率也越快,儲層最大壓力也越低。

        (2) 水合物分解吸收的熱量前期由巖層顯熱提供,后期由注入的熱量提供。初始滲透率越大,流體流動阻礙越小,使注入熱量熱損失越小,用于水合物分解的熱量越多,反應時間也越短。

        (3) 水合物降壓分解作用要強于注熱分解作用,滲透率對氣體飽和度變化的影響不大,但初始滲透率越大,液相相對滲透率變大,液相流動性增強,水飽和度變化越快。

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