煤层气藏数值模拟垂向网格优化_王超文.pdf

第 46 卷 第 5 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.5 2018 年 10 月COALGEOLOGY numerical simulation; vertical grid; grid optimization; differentiation of gas and water 油气藏数值模拟是研究煤层气开发动态必不 可少的研究方法，而模型网格的剖分，网格类型的 选择及网格步长的优化对模拟结果至关重要[1-3]。 若模型垂向网格步长较大，则无法准确反映煤层 压降漏斗展布和垂向上流体流动规律以及气水分 异现象，对模拟煤层气开发过程影响较大，从而 导致预测结果不准确。因此，煤层气藏数值模拟 垂向网格精细化尤为重要，有必要对垂向网格进 行优化研究。 以往在煤层地质建模及数值模拟工作时，学者 通常忽略煤层垂向网格尺寸及网格密度[4-6]，绝大多 数情况下将几米厚的煤层设为 1 层网格[7-11]， 只有个 ChaoXing 118煤田地质与勘探第 46 卷 别学者因为煤层较厚将垂向网格设置为 2 层或 3 层 [12-13]，然而并没有说明设置依据或划分原理。 煤层气赋存方式特殊，绝大多数煤层气吸附于 煤基质表面，只存在极少数的游离气和溶解在煤层 水中的溶解气。煤层气藏与常规气藏相比较，除赋 存方式不同外， 储集体的不同决定了开采难度不同。 一般情况下，煤层初始状态饱含水，可将整个煤层 看作水层水体，初始不含自由气，而解吸出来的 气体相当于水中出现了一个气泡，由于气水密度相 差较大，气泡在浮力的作用下很容易克服毛管力向 上运动，从而出现明显的气水分异现象。 1数值模拟器及方法选取 正是由于煤层气生产过程中存在明显的气水分 异现象，排采过程中气水两相渗流会影响煤层压降 及气井产能。因此煤层气藏数值模拟必须考虑煤层 流体在垂向上的流动变化，尤其在垂向上的网格剖 分必须要达到模拟精度的要求，从而更加精确地进 行历史拟合和产能预测。 为了能够精确模拟煤层气开发过程及气井产能 的变化， 笔者采用斯伦贝谢公司的 Eclipse 数值模拟 软件和 Rock Flow DynamicsRFD/科吉思公司的 tNavigator 数值模拟软件建立数值模型并模拟运算， 对垂向上不同网格步长的模型进行对比分析。 水力压裂是目前煤层气开发必不可少的增产措 施。在数值模拟方法中，常见的模拟压裂缝的方法 有局部网格加密方法[14]，网格渗透率等效方法， 水平井等效压裂缝方法[15-16]以及 tNavigator 模拟器 自带压裂缝模拟技术等。而水平井等效模拟压裂缝 的方法只适用于垂向上只有 1 层网格的煤层， 因此， 本文采用另外 3 种方法精确模拟垂向网格步长对煤 层气开发的影响。 2数值模拟 2.1模型参数的选取 本文采用 3 种不同的方法模拟压裂缝进行数值 模拟， 每种方法都有 5 个方案， 一共模拟 15 组方案。 建立平面网格数量为 12060 的数值模拟模型，网 格步长为 5 m，垂向上煤层厚度为 6m，分别设置网 格步长为 1 m、1.5 m、2 m、3 m、6 m 共 5 种方案。 模型建立时考虑煤层气的非瞬时解吸–扩散过程以 及煤岩应力敏感性，同时考虑毛细管压力影响，采 用双孔单渗黑油模型建立煤层气数值模拟模型，模 拟采取的具体参数如表 1 所示。 表 1模拟基本参数表 Table 1Basic parameters of simulation 储层参数数值储层参数数值储层参数数值 参考深度/m600 地下气体黏度/mPas0.013 5 煤岩密度/kgm-31 500 参考压力/MPa5 地下气体密度/kgm-340 地层水密度/kgm-31 025 储层有效厚度/m6 气体体积系数0.017地层水黏度/mPas0.5 X、Y、Z 方向储层渗透率/10-3μm21储层气体扩散系数/m2d-10.025地层水压缩系数/ MPa-12.410-4 储层孔隙度/5 Langmuir 压力/MPa2.3地层水体积系数1 储层平均含气量/m3t-116 Langmuir 体积/m3t-135.8裂缝含水饱和度/100 2.2模拟方案对比 2.2.1tNavigator 压裂缝数值模拟方案 tNavigator 软件是 RFD 公司研发的新一代油气 藏数值模拟器，是一款将全三维交互用户界面与创 纪录的超级并行计算引擎动态结合的行业领先产 品，可以实现精细模型运算常态化，目前已在全球 各大油田得到广泛应用。 tNavigator 模拟器集成有自己研发的压裂缝处 理方法，在模拟水力压裂时，可以全面考虑井数据、 支撑剂性质和裂缝性质缝长，缝宽，缝高，裂缝走 向和裂缝倾角等。采用 tNavigator 模型建立 5 组方 案，分别模拟当煤层厚度为 6 m 时，垂向网格步长 为 1 m垂向上 6 层、1.5 m垂向上 4 层、2 m垂向 上 3 层、3 m垂向上 2 层、6 m垂向上 1 层不同 情形。5 组方案在模型大小和参数完全相同的情况 下，只有垂向网格步长不同。 通过模拟计算结果图 1可知，当垂向上只有 1 层网格时，产气量最小，当垂向上划分为 2 层时， 产气量最大。随着垂向网格数目的增加产气量随之 下降，当垂向网格为 3 层和 4 层时，两者产气量基 本接近。根据模拟结果可以明显看到由于垂向网格 步长的不同，产气量变化差异较大。 2.2.2Eclipse 网格局部加密数值模拟方案 Eclipse软件是油藏工程师常用的一款数值模拟 软件，在行业内具有较为广泛的应用。在处理水力 压裂缝模拟时，局部网格加密是一种普遍运用的方 法。本次方案在模拟水力压裂缝过程中采用局部网 格加密方法，由于本方案平面网格步长为 5 m，在设 ChaoXing 第 5 期王超文等 煤层气藏数值模拟垂向网格优化119 图 1tNavigator 压裂缝数值模拟方案产气量对比图 Fig.1Comparison of gas productions in tNavigator with fracturing 计压裂缝时， 考虑到网格尺寸的合理性以及模型运算 的收敛情况， 将压裂缝所在的网格步长设置为 0.5 m， 压裂缝长度为 300 m。局部网格加密模拟压裂缝方案 同前面一致， 模型包含 5 组方案， 分别模拟当煤层厚 度为 6 m 时， 垂向网格步长为 1 m、 1.5 m、 2 m、 3 m、 6 m 共 5 种情形。5 个方案在模型大小和参数完全相 同的情况下，只有垂向网格步长不同。 通过模拟结果图 2可知， 当垂向上只有 1 层网 格时，模型产气量最小，当垂向网格数增加时，产 气量增加。当垂向上存在多层网格时26 层，6 层 网格的模型产气量最小，而 2 层、3 层、4 层网格数 的模型产气量较为接近，只是产气高峰和递减速率 有所不同。 图 2Eclipse 网格局部加密数值模拟方案产气量对比图 Fig.2Comparison of gas productions in Eclipse with LGR 2.2.3Eclipse 网格渗透率等效压裂缝数值模拟方案 应用 Eclipse 软件模拟压裂缝时， 有时为了计算 方便， 直接更改压裂缝所在网格属性， 比如改变网格 的渗透率， 让更改属性的网格等效模拟压裂缝。 本次 方案采用直接更改网格渗透率等效模拟压裂缝的方 法。方案平面网格步长为 5 m，在设计压裂缝时，将 压裂缝所在的网格渗透率设置为 5010-3μm2，压裂 缝长度为 300 m。渗透率等效模拟压裂缝方案同前 面一致，模型包含 5 组方案，分别模拟当煤层厚度 为 6 m 时，垂向网格步长为 1 m、1.5 m、2 m、3 m、 6 m 的情形。 5 个方案在模型大小和参数完全相同的 情况下，只有垂向网格步长不同。 通过模拟计算结果图 3可知，当垂向上只有 1 层网格时，模型产气量最小，当垂向网格数增加时， 产气量增加。当垂向上存在多层网格时26 层，模 型产气量较为接近，在产气高峰值之前基本一致。 在产气高峰及产气下降阶段，垂向上划分为 4 层和 6 层的模型曲线基本重合，而到产气中后期1 800 d 之后，3 层、4 层和 6 层的模型产气曲线基本一致。 图 3Eclipse 网格渗透率等效数值模拟方案 Fig.3Comparison of gas productions in Eclipse with permeability equivalent 3结果分析 a. 通过数值模拟结果可以明显看出垂向网格 的精细化程度对煤层气数值模拟影响较大，网格步 长的变化影响模拟结果的准确性。通过对 3 组模型 15 个方案结果的综合比较，当网格步长达到 1.5 m 时，模拟结果最为精确。 b. 通过对垂向网格的精细划分，可以更加直观 和精确地呈现煤层流体流动过程，体现气水分异现 象，如图 4 所示。当垂向网格精细划分后，模型可 以表现出来气液分离现象以及煤层压降漏斗的扩 展，进一步将煤层中煤层顶部气体单相流，煤层底 部气液两相流的特点呈现出来，使模拟过程更加贴 近于实际排采，模拟结果更加真实可靠。 c. 当忽略毛细管压力时，气泡由于重力分异向 上渗流速度为[17] vwg g kρg ν μ  1 式中 v 为气泡渗流速度，m/ms；kV为垂向渗透率， μm2；μg为气体黏度，mPas；∆ρwg为气水密度差， g/cm3；g 为重力加速度，m/s2。 模型中气体密度为 40 kg/m3， 水的密度为 1 025 kg/m3，气水密度相差较大，因此煤层中会出现明显 的气水分异现象。根据流线模拟模型图 5可以看 出，煤层中解吸出来的气体在压差驱动下流动，但 ChaoXing 120煤田地质与勘探第 46 卷 图 4不同模型生产 5 a 裂缝含气饱和度栅状图垂向上放大 10 倍 Fig.4The fence diagram of gas saturation in fracture for different models after 5 years production 图 5不同模型生产 5 a 裂缝气体流动流线模拟图垂向上放大 10 倍 Fig.5The streamline simulation of gas flow in fracture for different models after 5 years production 同时受浮力影响向上运动，距离压裂缝或井筒较远 区域，压差较小，气体受浮力作用强于压差的驱动 力，有明显向上运动的轨迹。当垂向上只有一层网 格时，模型无法体现出层间流动过程，随着垂向上 网格层数的增多，层间流动表现的越清楚，当模型 有多层时，气体流动轨迹可以清晰反映出层间和层 内流动，距离压裂缝较远区域，浮力作用大于压差 驱动力，气体明显先向上运动，随后流入井筒。 ChaoXing 第 5 期王超文等 煤层气藏数值模拟垂向网格优化121 通过 3 维栅状图和流线模拟图可直观地看到垂 向网格精细程度对模拟的影响较大，垂向上 1 层网 格并不适用于煤层气模型，因此，垂向网格的精细 划分对煤层气数值模拟至关重要。 4实例应用 沁水盆地柿庄南区块某井区采用直井压裂开采 3 号煤层，该井区所在煤层平均压力为 3.07 MPa， 平均含气量为 13.11 m3/t，平均孔隙度为 5.37，平 均渗透率为 0.8210-3μm2， 煤层厚度平均为 6.6 m。 根据实际煤层资料建立三维地质模型，在三维地质 模型的基础上设置不同垂向网格步长的数值模拟模 型，并进行历史拟合等数值模拟研究。井场实际井 距约为 300 m，模型中平面网格步长设置为 15 m， 垂向上分别建立 1 层层厚 6.6 m， 4 层层厚 1.65 m 和 6 层层厚 1.1 m的 3 个数值模型，在不同的数值 模型基础上分别进行历史拟合。模型按照定井底流 压方式进行历史拟合，在模型拟合初期，只调整相渗 曲线、扩散系数等全局参数后，所有单井未进行任何 参数及地质属性更改的前提下进行运算，将计算结果 与历史生产数据进行对比，如图 6、图 7 所示，从图中 明显看出， 当垂向网格步长为 4 层层厚 1.65 m时效果 最好，也最有利于进行下一步的历史拟合及方案预测， 可见垂向网格优化对煤层气藏数值模拟至关重要。 图 6JK 井日产气量拟合图 Fig.6Matching curves of daily gas production of well JK 图 7JK 井日产水量拟合图 Fig.7Matching curves of daily water production of well JK 5结 论 a. 煤层气藏数值模拟垂向网格精细划分对模 拟过程和结果至关重要，合理的网格步长能够精确 模拟煤层中气水流动过程，煤层压降情况，以及气 水分异现象，更加精确、直观地反映开采过程中煤 层的动态变化。 b. 垂向网格精细程度对煤层气藏数值模拟结 果影响较大，不能忽视垂向网格精细程度对模拟结 果的影响，在建模过程中必须要注意垂向上网格步 长的合理选取。 c. 通过精细数值模拟方案对比，当垂向网格步 长达到 1.5 m 时可满足煤层气藏数值模拟网格精度 的要求，模拟结果准确可信。 致谢感谢斯伦贝谢公司和 RFD/科吉思公司提 供软件支持， 感谢科吉思谭琳玮工程师提供技术帮助。 参考文献 [1] GONZALEZ K G. 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