一种I类天然气水合物藏降压开发气态烃层气侵量的计算方法

一种i类天然气水合物藏降压开发气态烃层气侵量的计算方法
技术领域
1.本发明涉及一种i类天然气水合物藏降压开发气态烃层气侵量的计算方法，属于天然气水合物藏开发技术领域。


背景技术：

2.天然气水合物藏广泛存在于海底沉积物和冻土中，储量巨大，且具有清洁高效的优点，被视为“后石油时代”最具潜力的接替资源之一。
3.目前普遍认为具有下伏气态烃层的i类天然气水合物藏更具开发潜力，由于气态烃层的存在，当采用水平井降压开发且水平井位于水合物层时，气态烃层中的气态烃会侵入至水合物层中并被采出，目前气侵量仅能通过数值模拟方法进行测算，其模拟过程复杂且容易面临收敛性问题，尚没有建立一种简便快速的气侵量计算方法，严重制约了i类天然气水合物藏的合理开发。为此本发明将物质平衡原理、能量守恒原理和水合物分解动力学理论相结合，提出了一种i类天然气水合物藏降压开发气态烃层气侵量的计算方法，其具有计算简单方便、原理清晰的优点，可为i类天然气水合物藏的气侵量指标的计算提供参考方法。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本发明的目的是提供一种i类天然气水合物藏降压开发气态烃层气侵量的计算方法，包括以下步骤：
5.步骤s1：收集目标i类天然气水合物藏水合物层和气态烃层的基础地质参数和开发参数，并假设目前水合物层中的水合物分解率，假设的水合物分解率取值范围应为0.2～0.8；
6.步骤s2：根据物质平衡方程和假设的分解率计算水合物层和气态烃层的剩余水、剩余气体积以及气态烃层进入水合物层的侵入气体积；
7.具体计算步骤如下：
8.(1)根据物质平衡原理，水合物层中的初始水量与水合物分解产生的水量之和减去产出水量应等于水合物藏中的剩余水量，则水合物层中的剩余水量可通过下式得到：
9.w
r1
＝v
w1
+vh×r×vwd-w
p
ꢀꢀꢀ
(1)
10.式中，w
r1
为水合物层中的剩余水量；v
w1
为水合物层中的初始水量；vh为水合物层中水合物的初始体积；r为水合物分解率；v
wd
为单位体积水合物分解生成的水的体积；w
p
为产出水的体积；
11.(2)水合物层的孔隙体积由水、气和固态水合物所充满，因而水合物层中的剩余气体积应等于孔隙体积减去水和固态水合物的体积，即：
12.13.式中，g
r1
为水合物层中的剩余气的地下体积；v
p1
为水合物层初始孔隙体积；c
p
为岩石压缩系数；pi为水合物层初始压力；为目前水合物层平均地层压力；
14.(3)产出的气体体积与水合物层中的剩余气的地下体积之和应等于水合物分解产生的气体积、水合物层中的初始气体体积和由气态烃层侵入到水合物层中的气体体积之和，由此可得：
15.g
i1
＝g
p
×bg
+g
r1-vh×r×vgd
×bg-v
g11
ꢀꢀꢀ
(3)
16.式中，g
i1
为气侵量在目前水合物层温度、压力下的体积；g
p
为产出气的地面体积；bg为天然气的体积系数；v
gd
为单位体积水合物分解生成的甲烷的地面体积；v
g11
为水合物层中的初始气体在目前水合物层温度、压力下的地下体积；
[0017]vg11
可根据水合物层初始气体的地下体积和状态方程计算得到：
[0018][0019]
式中，v
g1
为水合物层初始气体的地下体积；z
2h
为气在目前水合物层温度、压力下的压缩因子；为目前水合物层的平均地层温度；z
1h
为气在水合物层初始温度、初始压力下的压缩因子；t
ih
为水合物层初始温度；
[0020]
(4)对于气态烃层，气态烃层中剩余气的体积应等于气态烃层中气的初始体积与气侵量的差，即：
[0021]gr2
＝v
g21-g
i2
ꢀꢀꢀ
(5)
[0022]
式中，g
r2
为气态烃层中剩余气的地下体积；v
g21
为气态烃层初始气体在目前气态烃层温度、压力下的地下体积；g
i2
为气侵量在目前气态烃层温度、压力下的体积；
[0023]vg21
可根据气态烃层中初始气体的地下体积和状态方程计算得到：
[0024][0025]
式中，v
g2
为气态烃层中初始气体的地下体积；z
2g
为气态烃层目前温度、压力下的气体压缩因子；为目前气态烃层的平均地层温度；z
1g
为气体在气态烃层初始温度、初始压力下的压缩因子；为气态烃层目前平均地层压力；t
ig
为气态烃层初始温度。
[0026]gi2
可根据g
i1
和状态方程计算得到：
[0027][0028]
(5)气态烃层中仅包含气和水，因而气态烃层中剩余水的体积应等于孔隙体积与剩余气体积之差，即：
[0029][0030]
式中，w
r2
为气态烃层剩余水的体积；v
p2
为气态烃层初始孔隙体积。
[0031]
步骤s3：根据能量守恒原理，气态烃层向水合物层的热交换量与目前时刻气态烃层中总热能之和应等于初始时刻气态烃层中总热能与底盖层向气态烃层传入的热能之和，因而根据步骤s2得到的气态烃层剩余水、剩余气体积可以计算得到气态烃层向水合物层的
热交换量为：
[0032]
he＝h
ig
+h
cg-h
rg
ꢀꢀꢀ
(9)
[0033]
式中，he为气态烃层向水合物层的热交换量，h
ig
为初始时刻气态烃层中岩石和流体的热能之和；h
cg
为底盖层向气态烃层传入的热能；h
rg
为目前时刻气态烃层中岩石和流体的热能之和；
[0034]
根据热力学原理，h
ig
的计算方法为：
[0035][0036]
式中，t0为参考温度；cg为气体的体积热容；vm为气体的摩尔体积；为参考温度下的气体的余焓；为气态烃层初始温度下的气的余焓；v
w2
为气态烃层中初始水的地下体积；cw为水的体积热容；v
rg
为气态烃层中岩石基质的体积；cr为岩石基质的体积热容；
[0037]
同理，h
rg
的计算方法为：
[0038][0039]
式中，为目前时刻气态烃层平均地层温度下气体的余焓；
[0040]
假设底盖层向气态烃层中的传热为半无限大物体非稳态导热，则h
cg
的计算方法为：
[0041][0042]
式中，a为气态烃层与底盖层的接触面积；λ为盖层导热系数；t为生产时间；
[0043]
步骤s4：根据步骤s3中气态烃层向水合物层的热交换量和水合物层能量守恒原理计算水合物的总分解热：
[0044]
hd＝h
ih
+he+h
ch-h
p-h
rh
ꢀꢀꢀ
(13)
[0045]
式中，hd为水合物的总分解热；h
ih
为初始时刻水合物层中水合物相、气相、水相以及岩石基质的热能之和；h
ch
为顶盖层向水合物层的传入热能；h
p
为产出的气与水的热能之和；h
rh
为目前时刻水合物层中水合物相、气相、水相以及岩石基质的热能之和。
[0046]hih
的计算方法为：
[0047][0048]
式中，ch为水合物的体积热容；为水合物层初始温度下气体的余焓；v
rh
为水合物层中岩石基质的体积；
[0049]hch
的计算方法为：
[0050][0051]hp
的计算方法为：
[0052][0053]
式中，v
pw
为产出水的总体积；t
p
为产出温度；v
pg
为产出气体的总体积；为产出温度下气体的余焓；
[0054]hrh
的计算方法为：
[0055][0056]
式中，v
hr
为目前时刻水合层中水合物的总体积；为目前时刻水合物层平均地层温度下气体的余焓。
[0057]
步骤s5：根据步骤s4中得到的水合物的总分解热得到新的水合物分解率，即：
[0058][0059]
式中，r
new
为新的水合物分解率；n
hd
为分解的水合物的总摩尔数；h
dm
为单位摩尔水合物的分解热；n
hi
为初始时刻水合物层的水合物总摩尔数；
[0060]
步骤s6：计算新的水合物分解率与将计算出的新的水合物分解率之间差值的绝对值ε，若ε大于设定的精度要求0.001，则将新的水合物分解率替代步骤s1中假设的分解率并重复步骤s2～s5，当ε小于等于0.001时退出计算，步骤s2中的侵入气体积即为最终得到的由气态烃层侵入至水合物层的气体体积。
[0061]
本发明的有益效果及优点在于：
[0062]
将物质平衡、能量守恒以及水合物分解动力学理论相结合，建立i类天然气水合物藏气侵量计算方法，具有计算简单方便、原理清晰的优点。
附图说明
[0063]
图1是计算流程图；
[0064]
图2是产气量曲线；
[0065]
图3是产水量曲线；
[0066]
图4是产出流体温度曲线。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明的实施范围。
[0068]
如图1所示，本发明提出的是一种i类天然气水合物藏降压开发气态烃层气侵量的计算方法，包括如下步骤：
[0069]
步骤s1：收集目标i类天然气水合物藏水合物层和气态烃层的基础地质参数和开发参数，并假设目前水合物层中的水合物分解率，假设的水合物分解率取值范围应为0.2～0.8；
[0070]
步骤s2：根据物质平衡方程和假设的分解率计算水合物层和气态烃层的剩余水、
剩余气体积以及气态烃层进入水合物层的侵入气体积；
[0071]
具体计算步骤如下：
[0072]
(1)根据物质平衡原理，水合物层中的初始水量与水合物分解产生的水量之和减去产出水量应等于水合物藏中的剩余水量，则水合物层中的剩余水量可通过下式得到：
[0073]wr1
＝v
w1
+vh×r×vwd-w
p
ꢀꢀꢀ
(1)
[0074]
式中，w
r1
为水合物层中的剩余水量；v
w1
为水合物层中的初始水量；vh为水合物层中水合物的初始体积；r为水合物分解率；v
wd
为单位体积水合物分解生成的水的体积；w
p
为产出水的体积；
[0075]
(2)水合物层的孔隙体积由水、气和固态水合物所充满，因而水合物层中的剩余气体积应等于孔隙体积减去水和固态水合物的体积，即：
[0076][0077]
式中，g
r1
为水合物层中的剩余气的地下体积；v
p1
为水合物层初始孔隙体积；c
p
为岩石压缩系数；pi为水合物层初始压力；为目前水合物层平均地层压力；
[0078]
(3)产出的气体体积与水合物层中的剩余气的地下体积之和应等于水合物分解产生的气体积、水合物层中的初始气体体积和由气态烃层侵入到水合物层中的气体体积之和，由此可得：
[0079]gi1
＝g
p
×bg
+g
r1-vh×r×vgd
×bg-v
g11
ꢀꢀꢀ
(3)
[0080]
式中，g
i1
为气侵量在目前水合物层温度、压力下的体积；g
p
为产出气的地面体积；bg为天然气的体积系数；v
gd
为单位体积水合物分解生成的甲烷的地面体积；v
g11
为水合物层中的初始气体在目前水合物层温度、压力下的地下体积；
[0081]vg11
可根据水合物层初始气体的地下体积和状态方程计算得到：
[0082][0083]
式中，v
g1
为水合物层初始气体的地下体积；z
2h
为气在目前水合物层温度、压力下的压缩因子；为目前水合物层的平均地层温度；z
1h
为气在水合物层初始温度、初始压力下的压缩因子；t
ih
为水合物层初始温度；
[0084]
(4)对于气态烃层，气态烃层中剩余气的体积应等于气态烃层中气的初始体积与气侵量的差，即：
[0085]gr2
＝v
g21-g
i2
ꢀꢀꢀ
(5)
[0086]
式中，g
r2
为气态烃层中剩余气的地下体积；v
g21
为气态烃层初始气体在目前气态烃层温度、压力下的地下体积；g
i2
为气侵量在目前气态烃层温度、压力下的体积；
[0087]vg21
可根据气态烃层中初始气体的地下体积和状态方程计算得到：
[0088][0089]
式中，v
g2
为气态烃层中初始气体的地下体积；z
2g
为气态烃层目前温度、压力下的气体压缩因子；为目前气态烃层的平均地层温度；z
1g
为气体在气态烃层初始温度、初始压力下的压缩因子；为气态烃层目前平均地层压力；t
ig
为气态烃层初始温度。
[0090]gi2
可根据g
i1
和状态方程计算得到：
[0091][0092]
(5)气态烃层中仅包含气和水，因而气态烃层中剩余水的体积应等于孔隙体积与剩余气体积之差，即：
[0093][0094]
式中，w
r2
为气态烃层剩余水的体积；v
p2
为气态烃层初始孔隙体积。
[0095]
步骤s3：根据能量守恒原理，气态烃层向水合物层的热交换量与目前时刻气态烃层中总热能之和应等于初始时刻气态烃层中总热能与底盖层向气态烃层传入的热能之和，因而根据步骤s2得到的气态烃层剩余水、剩余气体积可以计算得到气态烃层向水合物层的热交换量为：
[0096]
he＝h
ig
+h
cg-h
rg
ꢀꢀꢀ
(9)
[0097]
式中，he为气态烃层向水合物层的热交换量，h
ig
为初始时刻气态烃层中岩石和流体的热能之和；h
cg
为底盖层向气态烃层传入的热能；h
rg
为目前时刻气态烃层中岩石和流体的热能之和；
[0098]
根据热力学原理，h
ig
的计算方法为：
[0099][0100]
式中，t0为参考温度；cg为气体的体积热容；vm为气体的摩尔体积；为参考温度下的气体的余焓；为气态烃层初始温度下的气的余焓；v
w2
为气态烃层中初始水的地下体积；cw为水的体积热容；v
rg
为气态烃层中岩石基质的体积；cr为岩石基质的体积热容；
[0101]
同理，h
rg
的计算方法为：
[0102][0103]
式中，为目前时刻气态烃层平均地层温度下气体的余焓；
[0104]
假设底盖层向气态烃层中的传热为半无限大物体非稳态导热，则h
cg
的计算方法为：
[0105][0106]
式中，a为气态烃层与底盖层的接触面积；λ为盖层导热系数；t为生产时间；
[0107]
步骤s4：根据步骤s3中气态烃层向水合物层的热交换量和水合物层能量守恒原理计算水合物的总分解热：
[0108]
hd＝h
ih
+he+h
ch-h
p-h
rh
ꢀꢀꢀ
(13)
[0109]
式中，hd为水合物的总分解热；h
ih
为初始时刻水合物层中水合物相、气相、水相以及岩石基质的热能之和；h
ch
为顶盖层向水合物层的传入热能；h
p
为产出的气与水的热能之和；h
rh
为目前时刻水合物层中水合物相、气相、水相以及岩石基质的热能之和。
[0110]hih
的计算方法为：
[0111][0112]
式中，ch为水合物的体积热容；为水合物层初始温度下气体的余焓；v
rh
为水合物层中岩石基质的体积；
[0113]hch
的计算方法为：
[0114][0115]hp
的计算方法为：
[0116][0117]
式中，v
pw
为产出水的总体积；t
p
为产出温度；v
pg
为产出气体的总体积；为产出温度下气体的余焓；
[0118]hrh
的计算方法为：
[0119][0120]
式中，v
hr
为目前时刻水合层中水合物的总体积；为目前时刻水合物层平均地层温度下气体的余焓。
[0121]
步骤s5：根据步骤s4中得到的水合物的总分解热得到新的水合物分解率，即：
[0122][0123]
式中，r
new
为新的水合物分解率；n
hd
为分解的水合物的总摩尔数；h
dm
为单位摩尔水合物的分解热；n
hi
为初始时刻水合物层的水合物总摩尔数。
[0124]
步骤s6：计算新的水合物分解率与将计算出的新的水合物分解率之间差值的绝对值ε，若ε大于设定的精度要求0.001，则将新的水合物分解率替代步骤s1中假设的分解率并重复步骤s2～s5，当ε小于等于0.001时退出计算，步骤s2中的侵入气体积即为最终得到的由气态烃层侵入至水合物层的气体体积。
[0125]
下面给出具体实施例对本发明的内容做进一步说明：
[0126]
实施例
[0127]
假设天然气水合物藏水合物层的初始温度为10.2℃，气态烃层初始温度为11.2℃，初始压力为7.8mpa，孔隙度为0.35，水合物层由水合物和气及少量水组成，其中初始水合物饱和度为0.5，初始气饱和度为0.48，初始水饱和度为0.02，气态烃层由气和水组成，其中初始气饱和度为0.5，初始水饱和度为0.5，岩石的体积压缩系数为2
×
10-3 1/mpa，1体积水合物分解生成0.79地面体积的水和187地面体积的甲烷，岩石的体积热容为2.12
×
106j/m3/℃，水合物体积热容为1.471
×
106j/m3/℃，水合物的摩尔密度为7694mol/m3，水的体积
热容为4.2
×
106j/m3/℃，水的摩尔密度为55556mol/m3，岩石热导率为3.92j/m/s/℃。中间一口生产井降压开发。
[0128]
假设水合物的分解率是25％，根据物质平衡方程和水合物的分解率可以计算出侵入水合物层的气为243935m3，根据得到的气态烃层剩余水、气体积和气态烃层的能量守恒原理计算气态烃层向水合物层的热交换量为2.784
×
10
12
j，根据水合物层能量守恒原理计算水合物的总分解热为3.4973
×
10
13
j，计算得到对应的新的分解率为22.5％，水合物分解率的误差设为0.1％，以得到的新分解率替代假设的分解率循环迭代，当迭代至第4次时分解率的误差为0.08％，满足精度要求，退出计算，计算得到的气侵量占气态烃层气体体积的42.38％。数模中气侵量占气态烃层气体体积的52.33％。
[0129]
上述实施例仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。