天然气水合物藏开采数值模拟研究 -.pdf

第2 7 卷 8 期 2 0 1 5 年 8月 中国煤炭地质 COAL GE0L0GY oF CHI NA Vo 1 ． 2 7 No ． 08 Au g ． 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 6 7 4 1 8 0 3 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ．0 7 文章编号 1 6 7 4 1 8 0 3 2 0 1 5 0 8 0 0 3 1 0 7 天然气水合物藏开采数值模拟研究 庞维新 ， 李清平 ， 孙福街 ， 李 刚。 ， 李小森。 1 ． 中海油研究总院， 北京 1 0 0 0 2 7 ； 2 ． 中国海洋石油有限公司， 北京 1 0 0 0 1 0 ； 3 ． 中国科学院广州能源研究所， 广东 广州 5 1 0 6 4 0 摘 要 T O U G H 2 是美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的一套渗流模拟软件， 其研究内容与水合物藏的开采在气液 渗流、 质量和热量的传递等方面有很多的共同之处， 但水合物的开采又涉及到固态水合物分解产生气体和液态水 或 固体冰的， 与 T O U G H2 现有内容有一定区别。为了将 T O U G H2 软件应用于天然气水合物藏开采模拟 ， 在对 T O U G H 2 的功能进行充分解读后 ， 进行了以下三个主要修改 ①针对天然气水合物三相变化的状态方程模块； ②添 加天然气水合物分解速率和相平衡计算模块 ； ③在T O U G H2 程序的主体控制方程中， 添加由天然气水合物分解引 起的变化量。通过上述修改和程序调试 ， 形成了一套基于T O U G H2 的水合物藏开采数值模拟软件。利用该软件对 神狐海域的水合物藏参数进行计算 ， 其结果与劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物藏开采模拟软件 T O U G H HY D R A T E 的计算结果进行对比， 结果表明两者吻合很好， 验证了软件的正确性。 关键词 T O U G H2 ； 水合物开采； 数值模拟； T 0 u G H HY D R A T E； 对比 中图分 类号 P 6 1 8 P 6 2 8 “ ． 3 文献标识码 A A Num e r i c a l Si mul a t i o n St udy o n Na t ur a l G a s Hydr at e Re s e r v o i r Exp l o i t a t i o n P a n g We i x i n ‘ ， L i Q i n g p i n g S u n F u j i e ， L i G a n g a n d L i X i a o s e n 1 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a N a t i o n a l O ff s h o r e O i l C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 7 ； 2 ． C h i n a N a t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 0 ； 3 ． Gu a n g z h o u I n s t i t u t e o f E n e r g y Co n v e r s i o n ， Ch i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ， G u a n g z h o u ， G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 0 Ab s t r a c t T h e TOUGH2 i s a s e t o f s e e p a g e s i mu l a t i o n s o f t wa r e d e v e l o p e d b y t h e L a w r e n c e B e r k e l e y Na t i o n a l L a b o r a t o r y ； i t s f u n c t i o n h a s ma n y c o mmo n g r o u n d s wi t h a s p e c t s o f g a s h y d r a t e r e s e r v o i r e x p l o i t a t i o n i n c l u d i n g g a s a n d fl u i d s e e p a g e ，ma s s a n d h e a t t r a n s f e r e n c e e t c ． b u t g a s h y d r a t e e x p l o i t a t i o n a l s o i n v o l v e s s o l i d h y d r a t e d e c o mp o s e s i n t o g a s a n d l i q u i d wa t e r o r s o l i d i c e c o mp l i c a t e d c h a n g i n g p r o c e s s ， t h u s h a s c e r t a i n d i f f e r e n c e s wi t h p r e s e n t a v a i l a b l e T OUGH2 f u n c t i o n ． To u s e t h e s o ft wa r e o n n a t u r a l g a s h y d r a t e r e s e r v o i r e x p l o i t a t i o n s i mu l a t i o n ， a f t e r f u l l y u n s c r a m b l e d i t s f u n c t i o n ， c a r r i e d o u t f o l l o w i n g t h r e e a m e n d me n t s 1 a d d e d n a t u r a l g a s h y d r a t e 3 p h a s e s c h a n g i n g s t a t e e q u a t i o n m o d u l e ； 2 a d d e d n a t u r a l g a s h y d r a t e d e c o mp o s i t i o n r a t e a n d p h a s e e q u i l i b ri u m c o mp u t a t i o n mo d u l e ； 3 1 i n TOUGH2 p r o g r a m p r i n c i p a l c o n t r o l e q u a t i o n ，a d d i n g n a t u r a l g a s h y d r a t e d e c o mp o s i t i o n c a u s e d v a r i a t i o n s ． T h r o u g h a b o v e a me n d me n t a n d p r o g r a m d e b u g ， f o r me d a s e t o f h y d r a t e r e s e r v o i r e x p l o i t a t i o n n u me r i c a l s i mu l a t i o n s o f t w a r e b a s e d o n TOUGH2 ． Us i n g t h e s o ft w a r e c a r r i e d o u t S h e n h u s e a a r e a ，S o u t h Ch i n a S e a h y d r a t e r e s e r v o i r p a r a me t e r s c o mp u t a t i o n ， c o mp a r e d t h i s r e s u l t s w i t h r e s u h s f r o m h y d r a t e r e s e rvo i r e x p l o i t a t i o n s i mu l a t i o n s o ft wa r e t h e T OUGH HYDRA TE d e v e l o p e d b y L a wr e n c e B e r k e l e y Na t i o n a l L a b o r a t o r y ， i n d i c a t e d b o t h a g r e e d v e r y w e l l ， v e ri fie d t h e c o r r e c t n e s s o f a me n d e d s o f t w a r e ． Ke y wo r d s T OUGH2 ； n a t u r a l g a s h y d r a t e e x p l o i t a t i o n ； n u me ric a l s i mu l a t i o n ； T 0UGH HYDRA TE c o mp a r i s o n 0 前 言 天然气水合物是轻质气体和水在一定温度和压 力下生成 的一种 固体晶体物质” 。由于每立方米水 合物可储存 1 6 0 ～1 8 0 m 天然气， 自 然界的天然气水 基 金 项 目 重 大 专 项 课 题 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 4 和 国 家 专 项 课 题 GZH2 01 1 0 03 0 9 作者简介 庞维新 1 9 7 9 一 ， 男 ， 2 0 0 9 年毕业 于 中国石油 大学 北京 化学工程专业 ， 博士 ， 主要从 事油气工艺 和水 合物方面 的 研究工作 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 1 0 责任编辑 孙 常长 合物藏被认 为可能是 2 1 世纪 的重 要后续能源 ， 因 此 ， 针对天然气水合物藏的开采 ， 科研工作者进行了 大量的开采模拟研究 ， 并开发出相应的数值模拟软 件[ 2 _ 4 _。 分析这些水合物藏开采数值模拟软件的发展历 程 ， 大致可以分为两个阶段。第一 阶段 ， 主要是根据 实验手段获得的主观认识建立天然气水合物藏开采 模型， 这一阶段的模型在热量传递、 气液的渗流或水 合物分解动力学等方面考虑欠缺。第二阶段， 随着 对天然气水合物藏开采研究 的不断深入 ， 发现水合 物藏和常规油气藏的开采有很多相似之处 ， 开始在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 中 国 煤 炭地 质 第2 7 卷 常规油气藏开采软件 的基础上 ， 构建天然气水合物 藏的开采数值模拟软件。这一阶段开发的软件 由于 借鉴 了前人的经验和成果 ， 应用效果较好。 C MG是 目前普遍被大家接受和认可 的常规油 气藏开发模拟软件 ， 但很难获得其源代码 ， 而美 国劳 伦 斯 伯 克 利 国 家 实 验 室 开 发 的 渗 流 模 拟 软 件 T O U G H2 具有与 C MG类 似的功能 】 ， 并且可 以获得 其源代码。T O U G H2 虽然不能直接应用于水合物开 采模拟 ， 但对其源代码进行部分修改后 ， 可 以实现这 一 功能 。劳伦斯伯克利国家实验室即在这一软件的 基 础上开 发 了水合 物 开采模拟 软件 T O U G H H Y D R A T E 。本研究也在 T O U G H2 的基础上 ， 开发形成 了一套可用于降压 、 注剂／ 注热的天然气水合物藏开 采数值模拟软件 。 1 T OU GH 2 简 介和解读 T O U G H2 是美 国劳伦斯伯克利 国家实验室针对 地热工程和环境等 ， 于 2 0 世纪 8 O 年代初开发的一套 渗流数值模拟软件 ， 重点研究气液在地层 的渗流状 况 、 质量和热量的传递等问题 。 在 近 3 0 a的时间里 ， T O U G H 2源代 码被不 同研 究机构根据需要进行 了修改 ， 并在很多方面得到了 推广应用 ， 如二氧化碳的地下埋藏等。根据应用结 果 的反馈 ， 其源代码得到了很大的修正， 准确性也得 到了充分的验证 。 T O U GH 2 的研究内容与水合物藏的开采有很多 的共同之处 ， 如气液在地层的渗流 、 质量和热量 的传 递等 ， 但水合物的开采又涉及 到固态水合物分解产 生气体 和 液态 水或 固体冰 的变 化 ， 其过 程 比 T O U G H2 现有的内容更为复杂 。对 比分析天然气水 合物藏开采数值模拟软件所需功能和T O U G H 2 现 有 功 能可知 ， 将 T O U G H 2应用 于水合 物藏 开采模 拟， 主要存在三大问题 T O U G H 2 中没有专门针对 天然气水合 物体系的状态方程模块 ， 这一模块主要 用于计算水合物体系的一些热力学性质 ， 如渗透率 、 毛细管压力等 ； ②没有专 门针对水合物体系的用于 计算水合物相平衡和分解速率的程序模块； ③因缺 少专 门针对天然气水合物的模块 ， 在 T O UG H 2的质 量和能量平衡方程 中， 也就没有考虑水合物分解带 来的影响 。虽然存在上述问题 ， 但 由于T O U G H2 与 需要建立的天然气水合物藏开采数值模拟软件的整 体构架基本相 同 ， 因此 ， 充分利用 T O U G H2 的现有 优势 ， 在 T O U G H2 的基础上开发一套解决上述 问题 的专有模块 ， 用于天然气水合物藏开采数值模拟是 可行 的。 在 T O U G H2 软件 的基础上 ， 美 国劳伦斯伯克利 国家实验室也于 2 0 0 8 年研发 了一套水合物藏开采 模拟 软件 T 0 u G H H Y D R A T E 嘲 ， 这套 软件在 Ma l l i k 和 A l a s k a 等地 的水合物藏试开采项 目中都得到了实 际应用 ， 被认 为取得了较好 的预测效果 。本文开发 的软件将与之进行对 比验证 。 2 基 于 T OU GH 2的天然气 水合物藏 开采模 拟研 究 基于对 T O U G H2 的认识 ， 认 为将 T O U GH 2 应用 于天然气水合物藏开采 的模拟 ， 需要重点考虑 以下 三个方面的修改或补充。 2 ． 1天然气水合物体系参数 在 T O U G H2 中 ， 针对不同的体系需要不 同的状 态方程 ， 用于计算体系中各相态的饱和度 、 相对渗透 率 、 黏度 、 密度 、 焓和毛细管压力等参数 。这些参数 都 是 质 量 和 能 量 平 衡 方 程 中需 要 考 虑 的 。而 T O U G H2 中没有专门针对天然气水合物体系的状态 方程模块 ， 因此需要重新编写一个状态方程模块并 与 T O U G H 2中的其它模块组合。 由于上述参数中的大部分计算都比较简单， 有 些可 以当作常数 ， 有些 如水相 的性质参数 可以直 接调用 T O U G H 2中原来的子程序进行计算 ， 这里不 详细描述其计算过程 。但是 ， 有两个参数 ， 即相对渗 透率和毛细管压力 ， 需要根据水合物体系的特点 ， 选 择合适的方程进行计算。 天然气水合物体系中， 水合物本身为固态 ， 它分 解后变成气体和液态水或 固体冰。伴随着水合物的 分解或生成 、 冰的形成或融解 ， 气液两相的流动空间 的大小会发生变化 ， 从而改变气体和水相 的相对渗 透率规律。即水合物体系中的渗透率与水合物的饱 和度有关 。而在 T O U G H2 现有 的相对 渗透率 和毛 细管压力计算方法中 ， 没有适合水合物藏体系这一 特 l生的计算模型， 因此 ， 在此采用了前人分析修改后 的B r o o k s C o r e y 模型来描述天然气水合物体系 中的 相对渗透率规律 k 一-- o e* ； ； P c p s ； 1 2 3 式中 k o、 k o为相对渗透率曲线的末端值 ； n c 、 F t w 分别为与气相 、 水相相对应的指数 ， p 为进 V I 毛细 管压力 ； 表示与孔隙结构相关的指数 ， 进 口毛细管 压力是孔隙结构的函数 ， 且与有效孔隙度相关 f k 。 e_ p 栅 J 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 期 庞维新。 等 天然气水合物藏开采数值模拟研究 3 3 P 与绝对渗透率 k o 和参考孔 隙度‘ P o 相对应 的 进口毛细管压力。 s 、 s 分别为有效饱和度的归 一 化形式 ， 相对于常规的油气藏相对渗透率规律而 言 ， 此处对饱和度做了重新 的定义 ， 即定义 了有效孔 隙体积上的归一化气相 、 水相饱和度为 ， ， 5 s 丢， 6 1 r一 其 中 s 、 S 为有效气相 、 水相饱和度 ， 定义为 s 一， 7 Sg S s e 一 ， 8 Sg 十 S 为建立在总体孔 隙体积上 的气相 、 水相饱 和度 。 s e、 s e ， 分别 为建立在有效孔 隙体积 上的残 余气 、 束缚水饱和度。即 s ， 9 。 Sg 十 5 s e ， 1 0 5g T 5 这些有效饱 和度的定义 ， 实际上是考虑了水合 物相和冰相对气 、 水相相对渗透率的影响。 根据上述公式编写天然气水合物体系的相对渗 透率和毛细管压力计算程序 ， 在状态方程 中调用子 程序即可。 2 _ 2天然气水合物分解速率和相平衡条件 相对于常规油气藏而言 ， 天然气水合物藏的一 个重要区别是存在水合物相 ， 它在一定 的温度压力 条件下会分解或生成 。水合物 的分解／ 生成 涉及 到 其 分解／ 生成 速率 和相 平衡 条 件 的计算 ， 因此 ， 将 T O U G H2 应用于天然气水合物藏开采模拟 ， 需要 添 加的另一个主要模块为天然气水合物的分解速率和 相平衡条件计算模块。 在动力学分解状态下 ， 水合物分解过程中气体 的产生速率可由下式计算嘲 O M p f 厶 ， ⋯ 式 中 为水合物分解的速率常数 ； △ E 为水合 物分解活化能 ； 为水合物分解 面积 ； F A 为分解面 积校正因子 ； ． 为温度 下水合物 的平衡压力对应 的逸度 ；， ， 为水合物藏压力对应 的逸度。 根据天然气水合物分解方程式 中的系数关系 ， 天然气水合物的分解速率和水 的产生速率可分别表 示为 m 一 Nm M wM g m ， 1 2 m 一 面一g ， l z ⋯g m ， 1 3 ⋯g 式 中， Ⅳm 为水合物数 ， 即 1 摩尔水合物 中含有 的水的摩尔数。 天然气水合物分解的同时需要吸收热量 ， 分解 热的计算如下式所示 Q m △ H。 ， 1 4 其 中， △ 。 为水合物分解热。 上述天然气水合物分解速率 m 、 气体产生速率 m 、水的产生速率 m 和分解热 Q 4 个变量 ， 主要取 决于体系所处的温度和压力条件 ， 因此 ， 程序需要根 据体系所处的相态穿插在状态方程中调用水合物分 解速率计算模块计算得到。 而体系 中水合物是否分解 ， 则取决于其相平衡 条件， 即方程 1 1 中的 和 ， 厶 为温度T 下水合 物的平衡 压力对应的逸度 ， 可 以通过多孔介质和化 学剂对天然气水合物相平衡影响模 型恻 计算 ， ．， ． 为 水合物藏压力对应的逸度， 采用P T 方程计算。 相对于 T O U G H H Y D R A T E软件 中简单 的经验 公式而言 ， 本文添加的水合物相平衡条件考虑 因素 更多， 充分考虑了水中钠钙离子化合物等不同化学 剂对水合物相平衡的影响， 其计算精度更高。 2 ． 3主体控制方程 T O U G H 2 软件的主体控制方程是质量和能量平 衡方程 ， 可分别表示如下 气体质量平衡方程 啬 S 十 盖 p ， 1 5 液体质量平衡方程 茜 S 盖 q ， 1 6 能量平衡方程 啬 c V TC p wkwVP V ． p gkgVP ] V ． V m IA H I 17 式 中 ‘ P 为孔 隙度 ； P 和 P 分别 为气体 和液体 的密度； S 和 ．s 分别为气体和液体的饱和度； 和 分别为气体和液体在孔隙中的流速， 可通过达西 定理计算； q 和 q 分别表示气液的源汇项； C 为综 合有效比热； C 和 分别为液体和气体的比热； k 和 k 为气液相的渗透率； 和 为气液相的黏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m