开采天然气水合物的油藏模拟.doc

开采天然气水合物的油藏模拟 Wim J 1A 1M 1Swinkels Rik J 1J 1Drenth 翻译王艳丽大港油田集团钻采工艺研究院校对周润才大庆油田设计院 摘 要分析模型不足以模拟天然气水合物储藏的开发。模型选用常规三维热油藏模拟软件模拟水合物顶气藏和天然气水合物的开发。该模型包括水合物相特性、热流和储层压实。应用油藏模拟软件可以进行实验数据的拟合、计算井的产能及评价开发方案。此外还可检验固态水合物层的开发方案。 主题词 油气藏开采 天然气水合物 模拟模型 产能 本文是发表在SPE 56550上Thermal 2Reservoir 2Simulation Model o f Production From Naturally Occurring Gas 2Hydrate Accumulations 一文的概要,感兴趣的读者 可据此进一步查阅。 一、引言 天然气是一种清洁的碳氢化合物燃料,由于需求量大,人们对天然气水合物越来越感兴趣。在天然气水合物的勘探和钻井技术取得进步的同时,必须更新远景储量丰富的天然气水合物储藏和水合物顶气藏的开发理论。大多数人尝试用分析模型模拟水合物顶气藏和天然气 水合物储藏的开采以得到数值解。 用常规三维热油藏软件模拟包括储 层特性在内的水合物顶气藏的储层 动态,这对大多数分析模型来说是 做不到的。这些储层特性包括流 入压降、储层流体与岩层间的热交 换、地温梯度、储层流体相态特 性、随压力下降而变化的压力/体 积/温度、储层几何尺寸和压实效 应。 这项研究充分说明,用常规三 维热油藏软件模拟水合物顶气藏的 可行性。在这项研究中,储层流体 分别为气、水合物、水相。系统中 的能量用存在于三种相态内的焓代替,以提供相变所需的热量。这种方法还可用于计算在开采水合物伴生气中起重要作用的焦耳-汤姆逊冷却效应。通过向网格分配导热性和热容量来模拟地层中的热流。 二、模拟模型 1,地质和几何尺寸 为了模拟水合物顶气藏的开采,选取的模型区域为1000m 500m 的拱形,并将其划分成151510的网格。该模型的顶层为水合物。假设储层均质,厚度为100m ,孔隙度为20,横向和纵向渗透率均为200md 。模型中包含了非储集层用以研究围岩层的热容效应。其中不包括含水层。 2,相态特性 模拟模型采用了三种物质成分甲烷、重气体、水,此外还有 焓,它也将作为一种成分进行模 拟。三相态用气、水合物、水来模 拟。图1示出了4个组分与三个相 态之间的关系。模型中不包含水的 固相,因为模拟的是海底的而不是 极地环境的水合物。如果模拟永冻 土层内或其下的水合物则需冰相。 流体成分作为压力和温度的函数, 在一定的平衡常数或K 值下组成 模型。并设定了各种成分在不同相 态中的焓值,用来确定比热和汽化 热。密度和粘度是温度的函数。混 合物的热力学特性则用标准的室内 相平衡软件包来计算 。 图1 相态与组分之间的关系 3,初始化 根据温度-深度表,用0103K /m 的地温梯度来初始化模型。 在储层温度和原始储层压力为80bar 条件下,压力梯度可以从相密 度中得到。水合物/气体界面为1050m 。原始气体储量为0193109m 3,其中0144109m 3储存于 水合物顶内。水面下水合物体积为2196106m 3,而游离水主要是原 生水的体积为1148106m 3。初始化之后,该模型模拟了1年未开采的平衡压力。由于孔隙体积具有压缩性,储层模拟中也考虑了地层压实。 4,模拟井 模拟井在1080m 处的水平段长为500m ,其中400m 射孔。在原始储层条件下,仅需几个巴的压差就可获得最大产量015106m 3/d 。 忽略水平井段的紊流压降,井的产量近似与水平段长度成正比。 在水合物的分解过程中,大量水变为可流动水。由于垂向渗透率可能变得比较大,导致气/水出现重力分离,估计只有少部分水直接 5 3王艳丽开采天然气水合物的油藏模拟 流入生产井。 5,模拟方法选择 建立储层模拟模型的主要目的 在于模拟和筛选开发方案。在水合物藏或水合物顶气藏中,井的空间结构和完井方式决定着开采过程的成功与失败。设计注入井和生产井是非常重要的,可使地层能量得以保护并获得最大产量。 三、水合物顶气藏的衰竭 每天以5105m 3/d 的稳定产气量大约可维持3年,在此期间储层压力BHP 从80bar 线性下降到50bar ,这说明水合物的分解没有产生压力。由于膨胀气而产生的焦耳-汤姆逊冷却效应,使得井底流动温度下降约1K 。当井的产量下降时,气体膨胀较少并且井底流温停止下降。冷却效应是有益的,因为较冷气流有助于保持井筒处水合物层封堵的完整性 。 图2 位于蒸汽注入井下面水合物层的开采动态 由于模型假定了水合物是完全封闭的,并且不能传递压力变化,因此生产井周围的压力下降不会传递到水合物层。储层压力分布取决于渗透率曲线。 模拟显示,即使储层下面的地层中聚集大量的热,由于气/水合物边界冷却,将减缓水合物顶的分解。模拟结果显示了在油藏开采全过程中,由于岩层传热太慢,而不能使水合物顶分解。 四、水合物层开采 为了模拟固态水合物开采,孔 隙系统被水合物充填。水平生产井穿过模拟区块的长度,水平注入井位于生产井之下10m 。为了提高压力和温度的分辨率,对生产井周围的网格尺寸进行调整。当水合物分解时,将产生大量的水并流过储层,如果再注入水蒸汽或热水,在开采固态水合物储层时将需要井下气/水分离。 1,相态分布 由于模拟海底以下的水合物层,因此没有考虑含冰的情况。所有相态的模型看上去最为直观,模型孔隙系统中包括水合物、气和液体。使用了与气体衰竭模型中相同的相态和组分。 2,注入情况 在这种情况下,检验了由水平生产井和与之平行的蒸汽注入井组成的系统。图2显示了位于蒸汽注 入井下面的水平生产井的开采动 态,图2所显示的模拟结果如下 1开采约450天后产量开始下降,井眼周围膨胀冷却结束,井底流温稳定。 2开始注水,产量停止下降。 3生产井中水的产量增加到300m 3/d ,暂时比注入井注入速度 要大,这是因为水前缘中包括水合物分解所产生的水到达生产井。 4井底压力近似反映了整个模型的储层压力。 5压力稳定在最小井底流动压力。 6由于膨胀冷却,导致生产井井底温度首先下降,然后稳定在低的生产速度下;当热注入流体突破进入生产井时,井底温度上升。 7当水和热突破进入生产井之后,气和水的生产速度稳定下来。 五、结论 1、在石油和天然气工业中, 可用标准热采模拟方法模拟水合物及水合物顶藏的压力和温度特性。 2、通过水平井模拟水合物顶储层的衰竭,表明了井筒周围焦耳-汤姆逊冷却效应的重要性。 3、由于气/水合物界面的冷却作用,水合物顶气藏内压力衰竭引起的水合物顶的分解将有相当程度 的下降。 4、从固态水合物中采气需要大量的生产井、许多水处理设备,还要注入大量的能量。 5、在与水合物有关的储层模 拟中,需要精确描述孔隙系统内天然气水合物的分布以及存在于天然气水合物中气体和水的基础数据。 资料来源于美国JPT 2000年4月 收稿日期 20010829 6 3国外油田工程 Foreig n Oilfield En gineerin g V ol 117N o 110 2001110