一种基于多场耦合的天然气水合物开采热效率计算方法及系统

本发明属于天然气水合物开发，涉及一种利用地热开采天然气水合物的热效率计算方法及系统，具体涉及一种基于地热开采天然气水合物的模型，同时考虑储层多场耦合复杂问题，利用理论公式和数值模拟相结合的方式，建立了一种天然气水合物开采系统的热效率计算方法及系统。

背景技术：

1、天然气水合物储层本身存在易扰动性，但只是利用降压和压裂的开采技术，储层会随着地层能量下降而二次生成水合物堵塞流动通道。热激法更适合水合物开采，其核心评价指标是热效率。电加热热激法对地表需求能源太大，系统热效率较低，动用范围很小。燃烧水合物热激法则浪费储层原有的能源。利用地热热激法是一种比较高效的热激开采方法，但需要使热流体在储层中流动起来，才能提高开采效率，所以对储层进行射孔或压裂改造后再利用热流体循环加热储层进行开采是可行的。但将地热层与储层作为一个整体系统进行计算，多场耦合效应则使系统热效率计算方法变得复杂，需要设计一种既考虑储层多场耦合影响，又能考虑加热端与生产端相互影响的计算方法。由于利用地热，该系统不需要通过地表或者海洋注入热源，只需要提供驱动热流体流动的水泵所需求的电能，进而将产出天然气热值与地表提供给水泵电能做比较，来评价水合物储层开采热效率。

2、中国专利文献cn107420083b公开了一种利用地热能开发水合物藏的井组结构与方法；中国专利文献cn107130944b公开了一种利用流体循环方式动用地热能开采天然气水合物藏的方法；这两篇专利文献中公开的方法与本发明设计的利用地热加热开采方法类似，但该专利为一种开采方案的设计，其开采热效率并未给出，同时没有考虑储层改造问题。

3、中国专利文献cn112525799a公开了一种气体水合物分解过程中多孔介质渗透率变化的确定方法；该方法涉及一种利用lbm方法计算水合物分解过程中渗透率变化的计算方法，属于储层微观结构的计算方法，并未考虑宏观储层的多场耦合效应。

4、中国专利文献cn113914829a公开了一种利用大洋钻探井深部地热开发水合物的方法；该方法设计了一种井筒结构，并未涉及储层开采方法及计算方法。

5、中国专利文献cn1776191公开了一种天然气体水合物水下注热开采装置；该方法设计了一种天然气水合物水下注热开采装置，通过压缩机系统从海底海水中吸取热量来加热储层，但未考虑海水地温会导致压缩机过冷无法工作，同时是一种装置系统，并未提供系统设计参数计算方法。

技术实现思路

1、针对目前利用地热开采天然气水合物方法中，无法准确快速预测储层开采热效率的问题，本发明创新性的提出一种基于多场耦合的天然气水合物开采热效率计算方法。该方法所设计的计算方法可用于不同水合物热激开采方案之间的热效率比较，其计算结果准确描述了天然气水合物储层的多场耦合效应，同时也增加了地热段设计方案对水合物开采热效率的影响，综合考虑了井筒周围环境与储层多场耦合的关联性，使利用地热开采水合物的热效率计算更加准确，可更好的解决水合物开采产能预测问题。

2、本发明还提出了一种基于多场耦合的天然气水合物开采热效率计算系统。

3、术语解释：

4、1、格子玻尔兹曼方法(lattice boltzmann method，lbm)：是一种基于离散玻尔兹曼统计方程的数值计算方法。

5、2、d2q9，是lbm方法在二维模型中使用的一种假设空间离散结构，d2为二维空间，q9为9个速度方向的格子。

6、本发明的技术方案为：

7、一种基于多场耦合的天然气水合物开采热效率计算方法，包括：

8、利用lbm方法计算基于多场耦合的水合物平均渗透率与平均热扩散率随饱和度变化关系表达式；

9、建立加压加热段的运动方程和能量方程；

10、建立水合物开采段运动方程和能量方程；

11、利用数值模拟方法计算水合物储层多场耦合流动及热对流状态；

12、计算开采系统的产气能力和热效率。

13、开采系统由上至下依次包括上覆层、水合物储层、下覆层及地热层；

14、水合物储层内间隔设置有储层射孔，储层注入段和储层采出段均设置在水合物储层中，加压加热段包括循环水注入段、循环水返排段及水平加热段；

15、加压加热段是指：经过气水分离器后的循环水作为热媒，经过加压泵多级加压后与地热层换热，环空套管中的循环水已经被加热加压，再通过储层注入段注入到水合物储层及储层射孔中。

16、根据本发明优选的，利用lbm方法计算基于多场耦合的水合物平均渗透率与平均热扩散率随饱和度变化关系表达式，包括：

17、1)设计一个含水合物的微观多孔介质模型；

18、2)利用考虑溶解过程的双分布模型和d2q9模型来模拟共轭对流；其中，密度场控制方程如式(i)所示：

19、

20、式(i)中，ρ＝∑fa，ρu＝∑faea，(x,t)为当前的空间和时间坐标，(x+δx,t+δt)为碰撞迁移后空间和时间坐标，在d2q9模型中δx和δt都取1，fa表示格子密度分布，其角标a取值从1至9，faeq为平衡状态下的格子密度分布，τf为密度松弛时间，ρ表示格子密度，u表示格子速度，ea表示d2q9模型的格子速度分布，υ为格子运动粘度，p为格子压力，式(i)内物理量皆为无量纲；

21、温度场控制方程如式(ii)所示：

22、

23、式(ii)中，t＝∑ga，t表示格子温度，ga表示格子温度分布，gaeq为平衡状态下的格子温度分布，ωa为权函数，τt为温度松弛时间，α为格子热扩散率，st为热源汇项，δh为水合物潜热，ch为水合物的比热容，水合物饱和度变化率，式(ii)内物理量皆为无量纲；

24、而d2q9模型的相关参数表达式如下：

25、

26、

27、

28、gaeq＝ρωa[1+3ea·u]；

29、3)计算得到不同水合物饱和度sh的平均渗透率k(sh)和平均热扩散率αk(sh)；微观多孔模型的进、出口横截线之间长度为lx，分别统计当前饱和度sh条件下的压力场分布p在进、出口横截线位置的平均值pkin和pkout，以及温度场分布在进、出口横截线位置的平均值tkin和tkout，和速度场u的平均流速以及温度场t的平均温度用达西定律计算平均渗透率k(sh)，如式(iii)所示：

30、

31、式(iii)中，μ为水的动力粘度；

32、用对流方程计算平均热扩散率αk(sh)，如式(iv)所示：

33、

34、式(iii)即基于多场耦合的水合物平均渗透率随饱和度变化关系表达式；式(iv)即基于多场耦合的水合物平均热扩散率随饱和度变化关系表达式。

35、根据本发明优选的，建立加压加热段的运动方程和能量方程，包括：

36、以循环水为研究目标，以气水分离器为压力基准，循环水注入段、循环水返排段、水平加热段即加压加热段的运动方程如式(v)所示(伯努利方程)：

37、

38、式(v)中，z1为气水分离器与返排水注水口高程差，p0为气水分离器的基准压力，p1为返排水注水口压力，pp为加压泵提供的压力差，pp＝ηpn/qv，η为加压泵工作效率，pn为加压泵的输入功率，qv为循环水体积流速，γ为水的重度，a1、a0分别为返排水注水口、气水分离器的管道截面积，hf、hr分别为沿程阻力、局部阻力损失，k是流量模数，局部阻力损失hr包括加压泵、转弯、盲端，根据查询经验表格取系数ζ，盲端处取ζ＝4.5。

39、采用综合垂直流动和水平流动的统一公式式(vi)来计算循环水返排温度：

40、

41、式(vi)中，tout为循环水返排温度，tin为气水分离器处循环水温度，te为气水分离器处地层温度，rm为加压加热段的综合热阻，包括套管内、环空中和地层的综合热阻，zh、zl分别为加压加热段垂向深度、水平长度，th为地温梯度，cp、ρw分别为循环水的比热容、密度；

42、加压加热段的热阻rm通过式(vii)算：

43、

44、式(vii)中，r1、r2、re分别为套管半径、环空半径、地层恒温半径，λe为地层导热系数，h1、h2分别为套管、环空的换热系数，其中，h1r1＝λwnu1，h2r2＝λwnu2，λw为循环水导热系数，nu1、nu2分别为套管内、环空中流体的努塞尔数；式(vii)即加压加热段的能量方程。

45、根据本发明优选的，建立水合物开采段运动方程和能量方程；包括：

46、水合物开采段运动方程应用达西方程，如式(viii)所示：

47、

48、式(viii)中，k(sh)为随水合物饱和度变化的平均渗透率，a为储层采出段的等效截面，μ、ρw分别为储层溶解水平均粘度、平均密度；

49、储层内对流传热控制方程如式(ix)所示：

50、

51、式(ix)中，ux、uy分别为储层内渗流速度分量，αk(sh)为随饱和度变化的平均热扩散率，st为温度源项，只有对应的格子同时符合从固态区到可流动区的温度t和压力p条件时，δh为水合物潜热，ch为水合物的比热容，水合物饱和度变化率，而其他温度压力条件下st＝0；式(ix)即水合物开采段能量方程。

52、根据本发明优选的，利用数值模拟方法计算水合物储层多场耦合流动及热对流状态，包括：

53、对流动区域进行网格划分后，根据公式(v)设置返排热水段和采出段的压力边界条件和流速边界条件，即：返排热水段的压力边界条件为公式(v)中的p1，采出段的压力边界条件为公式(v)中的p1，返排热水段和采出段的流速边界条件都为公式(v)中的qv；根据公式(vii)设置返排热水段的温度边界条件和采出段的温度边界条件，即：返排热水段的温度边界条件为公式(vi)中的tout，采出段的温度边界条件为tin，计算得到稳定流动边界条件下的不同时间中储层产气热速率pg，如式(x)所示：

54、

55、式(x)中，δv为水合物溶解的储层体积变化，φ为储层基质孔隙度，qg为天然气热值。

56、根据本发明优选的，计算开采系统的产气能力和热效率，包括：

57、根据上述公式计算得到的产气热速率pg与加压泵的输入功率pn的比值，得到当前设计工况的热效率ηh，如式(xi)所示：

58、ηh＝pg/pn  (xi)。

59、一种基于多场耦合的天然气水合物开采热效率计算系统，包括：

60、水合物平均渗透率与平均热扩散率随饱和度变化关系表达式计算模块，被配置为：利用lbm方法计算基于多场耦合的水合物平均渗透率与平均热扩散率随饱和度变化关系表达式；

61、加压加热段的运动方程和能量方程建立模块，被配置为：建立加压加热段的运动方程和能量方程；

62、水合物开采段运动方程和能量方程建立模块，被配置为：建立水合物开采段运动方程和能量方程；

63、水合物储层多场耦合流动及热对流状态计算模块，被配置为：利用数值模拟方法计算水合物储层多场耦合流动及热对流状态；

64、产气能力和热效率计算模块，被配置为：计算开采系统的产气能力和热效率。

65、本发明的有益效果为：

66、1、本发明涉及一种利用地热开采天然气水合物的系统热效率计算流程，建立了一套可以预测经过储层改造的热效率计算方法，可以用于不同开采方案之间的比较，提高利用地热的开采效率。

67、2、本发明引入了天然气水合物储层的多场耦合问题，并利用lbm方法给出了储层渗透率及热扩散率随水合物饱和度变化的表达式，可以提高水合物储层渗流及热对流的预测准确性。

68、3、本发明综合了加热端和开采端运动量和能量的关联性，进而提出一种以天然气产出热值与水泵耗能进行比较的热效率表征方法，该表征方法更节能低碳，可以更准确描述不同水合物开采方案之间的热效率比对方法。