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天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模

万庭辉 王静丽 沙志彬 贺会策 李占钊 于彦江 梁前勇 黄宁

万庭辉,王静丽,沙志彬,等. 天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模[J]. 海洋地质前沿,2021,37(11):60-69 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.166
引用本文: 万庭辉,王静丽,沙志彬,等. 天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模[J]. 海洋地质前沿,2021,37(11):60-69 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.166
WAN Tinghui, WANG Jingli, SHA Zhibin, HE Huice, LI Zhanzhao, YU Yanjiang, LIANG Qianyong, HUANG Ning. TOUGH+MULTILATERAL WELL MODEL CONSTRUCTION BASED ON MVIEW IN NUMERICAL SIMULATION OF NATURAL GAS HYDRATE[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(11): 60-69. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.166
Citation: WAN Tinghui, WANG Jingli, SHA Zhibin, HE Huice, LI Zhanzhao, YU Yanjiang, LIANG Qianyong, HUANG Ning. TOUGH+MULTILATERAL WELL MODEL CONSTRUCTION BASED ON MVIEW IN NUMERICAL SIMULATION OF NATURAL GAS HYDRATE[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(11): 60-69. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.166

天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.166
基金项目: 广东省促进经济高质量发展专项资金“海洋经济发展项目”(GDOE(2019)A39);自然资源部海底矿产资源重点实验室开放基金(KLMMR-2018-A-05);广东省海洋经济发展专项资金项目“海洋天然气水合物开采一体化实时环境监测网关键节点建设”(GDNRC [2020] 043)
详细信息
    作者简介:

    万庭辉(1990—),男,在读硕士,工程师,主要从事天然气水合物数值模拟方面的研究工作. E-mail:825848651@qq.com

    通讯作者:

    王静丽(1987—),女,硕士,工程师,主要从事天然气水合物勘察开发方面的研究工作. E-mail:345856883@qq.com

  • 中图分类号: P744.4

TOUGH+MULTILATERAL WELL MODEL CONSTRUCTION BASED ON MVIEW IN NUMERICAL SIMULATION OF NATURAL GAS HYDRATE

  • 摘要: 天然气水合物分布广、埋藏浅、清洁无污染、储量巨大,是极具发展潜力的清洁能源。为实现天然气水合物商业化开采,急需探索基于多分支井的高效开采技术。在使用TOUGH+HYDRATE模拟器开展数值模拟中,复杂结构井建模是研究工作的难点。为此提出了基于mVIEW的复杂结构井快速建模方法,以多分支井为例简要介绍了建模流程;此外,结合TOUGH+HYDRATE模拟器,以中国地质调查局2017年在南海北部陆坡深水区白云凹陷神狐海域SHSC-4试采井测井曲线数据为基础,建立理想水合物藏分层地质模型,开展单一水平井和多分支井在水合物Ⅱ层中部的降压开采数值模拟。模拟结果表明:该建模方法提高了模拟器在复杂建模方面的能力,对天然气水合物高效开采数值模拟具有较好效果和参考意义;相较于单一水平井降压开采,多分支井开采技术能最大限度地增加天然气水合物藏的裸露面积和深度,有效提高水合物藏储量动用程度,是值得探索的高效开采技术方法。
  • 图  1  多分支井类型示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of multilateral well types

    图  2  地质体网格

    Figure  2.  Geometry grid

    图  3  多分支井在地质体的空间位置

    Figure  3.  The spatial position of multilateral well in geometry grid

    图  4  多分支井的主井和分支井的轨迹坐标

    Figure  4.  The trajectory coordinates of the main well and the branch wells of the multilateral well

    图  5  多分支井网格

    Figure  5.  Multilateral well grid

    图  6  SHSC-4井位置示意图[19]

    Figure  6.  Location diagram of SHSC-4 well[19]

    图  7  模型示意图[18]

    Figure  7.  Model diagram [18]

    图  8  生产井设计示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of production well design

    图  9  产气产水量随时间的变化关系

    Figure  9.  The relationship between gas production and water production over time

    图  10  开采60 d后温压等参数分布场

    Figure  10.  Distribution of parameters,such as temperature and pressure after 60 days of depressurization production

    表  1  储层特征参数和模拟计算参数

    Table  1.   Reservoir characteristic parameters and simulation calculation parameters

    参数
    类型
    参数参数值
    储层
    特征
    上覆层厚度30 m
    下伏层厚度30 m
    水合物Ⅰ层35 m
    水合物Ⅱ层15 m
    水合物Ⅲ层27 m
    上覆层、下伏层孔隙度0.3
    上覆层、下伏层渗透率k2×10−3 μm2
    水合物Ⅰ层渗透率k2.9×10−3 μm2
    水合物Ⅱ层渗透率k1.5×10−3 μm2
    水合物Ⅲ层渗透率k7.4×10−3 μm2
    水合物Ⅰ层、Ⅱ层和Ⅲ层的孔隙度、水合物饱和度、气体饱和度、水饱和度参考SHSC4测井曲线
    数据引用参考文献[18-19,21]
    地温梯度43.653 ℃/km
    颗粒骨架密度ρR2 600 kg·m−3
    干岩热导率kΘRD1.0 W·m−1·K−1
    湿岩热导率kΘRW3.1 W·m−1·K−1
    模型
    参数
    毛细管力模型Pcap = −P0[(S*−1/λ − 1]1− λ
    S* =(SASirA)/(SmxASirA
    毛细进气压力P0(Pa),1×104
    最大毛细压力Pmax(Pa),1×106
    孔隙分布指数m,0.45
    相对渗透率模型KrA= [(SA- SirA)/(1- SirA)]n
    krG=[(SG-SirG)/(1-SirA)]nG
    残余水饱和度SirA,0.6
    残余气饱和度SirG,0.02
    液相衰减指数n,3.75
    气相衰减指数nG,2.5
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    表  2  生产井设计、开采方式

    Table  2.   Production well design and exploitation method

    方案生产井设计开采方式
    Case1单一水平井布设在水合物Ⅱ层中部(Z=−72.5 m),
    水平段长300 m,半径0.1 m,裸眼完井
    全井筒降压,压降为7 Mpa,开采60 d
    Case2多分支井布设在水合物Ⅱ层中部(Z=−72.5 m),主井眼长300 m,
    分支井井眼长100 m×8,半径0.1 m,裸眼完井
    全井筒降压,压降为7 Mpa,开采60 d
    下载: 导出CSV
  • [1] MORIDIS G J, KOWALSKY M B, PRUESS K. TOUGH+HYDRATE v1.0 User's Manual: a code for the simulation of system behavior in hydrate-bearing geologic media[R]. Berkeley: LawrenceBerkeley National Laboratory, 2008.
    [2] RUTQVIS T J,MORIDIS G J. Numerical studies on the geomechanical stability of hydrate-bearing sediments[J]. SPE Journal,2009,14(2):267-282. doi:  10.2118/126129-PA
    [3] BIRKEDAL K A,FREEMAN C M,MORIDIS G J,et al. Numerical predictions of experimentally observed methane hydrate dissociation and reformation in sandstone[J]. Energy & Fuels,2014,28(9):5573-5586.
    [4] FENG J C,LI X S,LI G,et al. Numerical investigation of hydrate dissociation performance in the South China Sea with different horizontal well configurations[J]. Energies,2014,7(8):4813-4834. doi:  10.3390/en7084813
    [5] LI X S,YANG B,LI G,et al. Numerical simulation of gas production from natural gas hydrate using a single horizontal well by depressurization in Qilian Mountain Permafrost[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2012,51(11):4424-4432.
    [6] 苏正,吴能友,张可霓. 南海北部陆坡神狐天然气水合物开发潜力[J]. 海洋地质前沿,2011,27(6):16-23.
    [7] 李淑霞,刘佳丽,武迪迪,等. 神狐海域水合物藏降压开采的数值模拟[J]. 科学技术与工程,2018,18(24):38-43. doi:  10.3969/j.issn.1671-1815.2018.24.006
    [8] 李刚,李小森,ZHANG K N,等. 水平井开采南海神狐海域天然气水合物数值模拟[J]. 地球物理学报,2011,54(9):2325-2337. doi:  10.3969/j.issn.0001-5733.2011.09.016
    [9] 李刚,李小森. 单井热吞吐开采南海神狐海域天然气水合物数值模拟[J]. 化工学报,2011,62(2):458-468.
    [10] LI Y L,WAN Y Z,CHEN Q,et al. Large borehole with multi-lateral branches:A novel solution for exploitation of clayey silt hydrate[J]. China Geology,2019,2(3):333-341.
    [11] 苑珊珊,刘启国,熊景明. 多分支井技术发展综述[J]. 国外油田工程,2010,26(12):42-44,47.
    [12] 沈忠厚,黄洪春,高德利. 世界钻井技术新进展及发展趋势分析[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2009,33(4):64-70.
    [13] 王光颖. 多分支井钻井技术综述与最新进展[J]. 海洋石油,2006(3):100-104. doi:  10.3969/j.issn.1008-2336.2006.03.022
    [14] 张立平,纪哲峰,付广群. 多分支井的技术展望[J]. 国外油田工程,2001(11):36-37.
    [15] 万庭辉, 李占钊, AVIS J, 等. 天然气水合物开采数值模拟中基于mVIEW的水平井井眼轨迹建模[J]. 海洋地质前沿,2020,36(8):74-80.
    [16] WU N, YANG S, ZHANG H, et al. Gas Hydrate System of Shenhu Area, Northern South China Sea: Wire-line Logging, Geochemical Results and Preliminary Resources Estimates[C]//Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference, 2010.
    [17] 杨胜雄,梁金强,陆敬安,等. 南海北部神狐海域天然气水合物成藏特征及主控因素新认识[J]. 地学前缘,2017,24(4):1-14.
    [18] LI J F,YE J L,QIN X W,et al. The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea[J]. China Geology,2018,1(1):5-16. doi:  10.31035/cg2018003
    [19] MA X L,SUN Y H,LIU B C,et al. Numerical study of depressurization and hot water injection for gas hydrate production in China's first offshore test site[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2020:103530.
    [20] MORIDIS G J,KOWALSKY M B,PRUESS K. Depressurization-induced gas production from class-1 hydrate deposits[J]. Society of Petroleum Engineers Reservoir Evaluation Andengineering,2007,10(5):458-481.
    [21] SUN Y H,MA X L,GUO W,et al. Numerical simulation of the short- and long-term production behavior of the first offshore gas hydrate production test in the South China Sea[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2019,181:106196. doi:  10.1016/j.petrol.2019.106196
    [22] CHEN L,FENG Y C,OKAJIMA J,et al. Production behavior and numerical analysis for 2017 methane hydrate extraction test of Shenhu,South China Sea[J]. Journal of natural gas science and engineering,2018,53:55-66. doi:  10.1016/j.jngse.2018.02.029
    [23] SUN J X,NING F L,LIU T L,et al. Gas production from a silty hydrate reservoir in the South China Sea using hydraulic fracturing:a numerical simulation[J]. Energy ence & Engineering,2019,7(1):1106-1122.
    [24] MORIDIS G J,REAGAN M T,BOYLE K L,et al. Evaluation of the gas production potential of some particularly challenging types of oceanic hydrate deposits[J]. Transport in Porous Media,2011,90(1):269-299. doi:  10.1007/s11242-011-9762-5
    [25] SUN J X,ZHANG L,NING F L,et al. Production potential and stability of hydrate-bearing sediments at the site GMGS3-W19 in the South China Sea:a preliminary feasibility study[J]. Marine & Petroleum Geology,2017, 86:447-473.
    [26] YUAN Y L,XU T F,XIN X,et al. Multiphase flow behavior of layered methane hydrate reservoir induced by gas production[J]. Geofluids,2017:1-15.
    [27] SUN J X,NING F L,LI S,et al. Numerical simulation of gas production from hydrate-bearing sediments in the Shenhu area by depressurising:the effect of burden permeability[J]. Journal of Unconventional Oil and Gas Resources,2015(12):23-33.
    [28] FENG Y C,CHEN L,SUZUKI A,et al. Enhancement of gas production from methane hydrate reservoirs by the combination of hydraulic fracturing and depressurization method[J]. Energy Conversion And Management,2019(184):194-204.
    [29] MORIDIS G J,REAGAN M T,KIM S J,et al. Evaluation of the gas production potential of marine hydrate deposits in the Ulleung Basin of the Korean East Sea[J]. SPE Journal,2007,14(4):759-781.
    [30] MORIDIS G J, REAGAN M T. Strategies for gas production from oceanic class 3 hydrate accumulations[C]//Offshore Technology Conference, Houston, 2007: OTC 18865.
    [31] MORIDIS G J, REAGAN M T. Gas production from oceanic class 2 hydrate accumulations[C]//Offshore Technology Conference, Houston, 2007: OTC 18866.
    [32] MORIDIS G J, KOWALSKY M. Gas production from unconfined Class 2 hydrate accumulations in the oceanic subsurface[M]//MAX M, JOHNSON A H, DILLON W P, et al. Economic Geology of Natural Gas Hydrates. Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2006: 249-266.
    [33] SU Z, MORIDIS G, ZHANG K, et al. Numerical investigation of gas production strategy for the hydrate deposits in the Shenhu Area[C]//Offshore Technology Conference, Houston, 2010: OTC 20551.
    [34] LI G,MORIDIS G J,ZHANG K,et al. Evaluation of gas production potential from marine gas hydrate deposits in Shenhu Area of South China Sea[J]. Energy & Fuels,2010,24(11):6018-6033.
    [35] CATHLES L M. Changes in sub-water table fluid flow at the end of the Proterozoic and its implications for gas pulsars and MVT lead-zinc deposits[J]. Geofluids. 2007, 7(2): 209-226.
  • [1] 崔恩苹, 张永强, 祝琳, 马晓歌.  千里岩岛西部人工鱼礁建设对周边海域水动力影响的数值模拟 . 海洋地质前沿, 2021, 37(2): 10-20. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.040
    [2] 陈强, 刘琨, 梁宇, 孙建业, 李彦龙, 吴能友, 刘昌岭.  天然气水合物开采井CH4-CO2光纤气体传感监测仪器研发 . 海洋地质前沿, 2021, 37(10): 78-84. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.178
    [3] 唐常锐, 徐秀刚, 孙秉才, 姜瑞景.  天然气水合物分解诱发海底滑坡影响因素分析及致灾风险评价 . 海洋地质前沿, 2021, 37(5): 14-21. doi: 10.16028/j.1009-2722.2021.021
    [4] 孙运宝, 蔡峰, 李清, 闫桂京, 梁杰, 董刚, 骆迪, 李昂, 王星星, 钟伟杰.  海洋浅表层天然气水合物资源评价 . 海洋地质前沿, 2020, 36(9): 87-93. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.061
    [5] 卜庆涛, 刘圣彪, 胡高伟, 刘昌岭, 万义钊.  含水合物沉积物声学特性 . 海洋地质前沿, 2020, 36(9): 56-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.079
    [6] 万庭辉, 李占钊, AVISJohn, 王静丽, 陆程, 马超, 李柯良.  天然气水合物开采数值模拟中基于mVIEW的水平井井眼轨迹建模 . 海洋地质前沿, 2020, 36(8): 74-80. doi: 10.16028/j.1009-2722.2019.190
    [7] 宋怀荣, 林峰, 魏合龙, 苏国辉.  天然气水合物战略形势图服务组件设计与实现 . 海洋地质前沿, 2018, 34(3): 33-38. doi: 10.16028/j.1009-2722.2018.03006
    [8] 张立升, 闫义, 单业华, 陈文煌.  台湾弧前盆地构造反转的数值模拟 . 海洋地质前沿, 2017, 33(6): 24-33. doi: 10.16028/j.1009-2722.2017.06004
    [9] 龚建明, 廖晶, 孙晶, 杨传胜, 王建强, 何拥军, 田瑞聪, 程青松, 陈志强.  巴基斯坦马克兰增生楔天然气水合物的主控因素 . 海洋地质前沿, 2016, 32(12): 10-15. doi: 10.16028/j.1009-2722.2016.12002
    [10] 张洋, 李广雪, 刘芳.  天然气水合物开采技术现状 . 海洋地质前沿, 2016, 32(4): 63-68. doi: 10.16028/j.1009-2722.2016.04010
    [11] 刘杰, 孙美静, 苏明, 杨睿.  海底泥火山特征及其与天然气水合物的成矿关系 . 海洋地质前沿, 2015, 31(8): 53-61. doi: 10.16028/j.1009-2722.2015.08008
    [12] 彭佳龙, 陈广浩, 周蒂, 李鹏春, 吴建耀.  珠江口盆地惠州21-1构造二氧化碳地质封存数值模拟 . 海洋地质前沿, 2013, 29(9): 59-70.
    [13] 谭淋耘, 于兴河, 沙志彬, 徐铫, 苏丕波.  南海北部陆坡区水合物发育的水深、热流特征及盖层控制作用模拟 . 海洋地质前沿, 2013, 29(10): 41-46.
    [14] 赵仕俊, 安莹, 余霄鹏.  天然气水合物开发模拟实验技术与方法 . 海洋地质前沿, 2013, 29(5): 56-63.
    [15] 陈明波, 吴建政, 胡日军, 朱龙海.  莱州浅滩表层沉积物的分布特征及影响因素 . 海洋地质前沿, 2012, 28(9): 8-13.
    [16] 陈宏文, 王立飞, 邵长高, 梁建.  天然气水合物属性及空间数据库结构设计 . 海洋地质前沿, 2012, 28(5): 59-63.
    [17] 郭星旺, 祝有海.  永久冻土区天然气水合物饱和度评价技术 . 海洋地质前沿, 2011, 27(5): 59-66.
    [18] 窦斌, 秦明举, 蒋国盛, 李文斯, 范彬彬.  利用地热开采南海天然气水合物的技术研究 . 海洋地质前沿, 2011, 27(10): 49-52,58.
    [19] 董刚, 龚建明, 王家生.  从天然气水合物赋存状态和成藏类型探讨天然气水合物的开采方法 . 海洋地质前沿, 2011, 27(6): 59-64.
    [20] 苏正, 吴能友, 张可霓.  南海北部陆坡神狐天然气水合物开发潜力 . 海洋地质前沿, 2011, 27(6): 16-23.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-22
  • 网络出版日期:  2021-10-26
  • 刊出日期:  2021-11-18

天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.166
    基金项目:  广东省促进经济高质量发展专项资金“海洋经济发展项目”(GDOE(2019)A39);自然资源部海底矿产资源重点实验室开放基金(KLMMR-2018-A-05);广东省海洋经济发展专项资金项目“海洋天然气水合物开采一体化实时环境监测网关键节点建设”(GDNRC [2020] 043)
    作者简介:

    万庭辉(1990—),男,在读硕士,工程师,主要从事天然气水合物数值模拟方面的研究工作. E-mail:825848651@qq.com

    通讯作者: 王静丽(1987—),女,硕士,工程师,主要从事天然气水合物勘察开发方面的研究工作. E-mail:345856883@qq.com
  • 中图分类号: P744.4

摘要: 天然气水合物分布广、埋藏浅、清洁无污染、储量巨大,是极具发展潜力的清洁能源。为实现天然气水合物商业化开采,急需探索基于多分支井的高效开采技术。在使用TOUGH+HYDRATE模拟器开展数值模拟中,复杂结构井建模是研究工作的难点。为此提出了基于mVIEW的复杂结构井快速建模方法,以多分支井为例简要介绍了建模流程;此外,结合TOUGH+HYDRATE模拟器,以中国地质调查局2017年在南海北部陆坡深水区白云凹陷神狐海域SHSC-4试采井测井曲线数据为基础,建立理想水合物藏分层地质模型,开展单一水平井和多分支井在水合物Ⅱ层中部的降压开采数值模拟。模拟结果表明:该建模方法提高了模拟器在复杂建模方面的能力,对天然气水合物高效开采数值模拟具有较好效果和参考意义;相较于单一水平井降压开采,多分支井开采技术能最大限度地增加天然气水合物藏的裸露面积和深度,有效提高水合物藏储量动用程度,是值得探索的高效开采技术方法。

English Abstract

万庭辉,王静丽,沙志彬,等. 天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模[J]. 海洋地质前沿,2021,37(11):60-69 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.166
引用本文: 万庭辉,王静丽,沙志彬,等. 天然气水合物数值模拟中基于mVIEW的多分支井建模[J]. 海洋地质前沿,2021,37(11):60-69 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.166
WAN Tinghui, WANG Jingli, SHA Zhibin, HE Huice, LI Zhanzhao, YU Yanjiang, LIANG Qianyong, HUANG Ning. TOUGH+MULTILATERAL WELL MODEL CONSTRUCTION BASED ON MVIEW IN NUMERICAL SIMULATION OF NATURAL GAS HYDRATE[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(11): 60-69. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.166
Citation: WAN Tinghui, WANG Jingli, SHA Zhibin, HE Huice, LI Zhanzhao, YU Yanjiang, LIANG Qianyong, HUANG Ning. TOUGH+MULTILATERAL WELL MODEL CONSTRUCTION BASED ON MVIEW IN NUMERICAL SIMULATION OF NATURAL GAS HYDRATE[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(11): 60-69. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.166
    • 数值模拟可为天然气水合物藏开采方案的确定提供重要依据,特别对认识开发过程中各因素的敏感性、环境影响、水合物藏的产气量初步估计等方面都具有重要意义。数值模型可以充分利用野外和实验室内试验数据,定量计算压力、温度和天然气水合物化学的动力学转换关系,评价水合物的开采潜力,从而预测复杂系统的热-物理动力过程。

      美国劳伦斯伯克利国家实验室的TOUGH+HYDRATE是公认的世界上功能最强大的水合物模拟器之一[1],也是业界应用最为广泛的模拟器,可以模拟多组分多相态,模拟组分包括水合物、H2O、CH4、盐、添加抑制剂、热等,涉及26种可能相态组合。该模拟器既可以模拟平衡或动态分解过程,也可以模拟可能的降压、热、添加抑制剂及混合情况的分解过程。RUDQVIST和MORIDIS[2]将TOUGH+HYDRATE与FLAC3D耦合,用于评估天然气水合物开采过程中的地质力学稳定性。BIRKEDAL等[3]运用TOUGH+HYDRATE成功拟合了水合物分解的实验数据。

      近年来,相关研究人员利用该模拟器进行了大量的水合物开采数值模拟研究,但国内公开发表论文涉及开采井型大多为垂直井或水平井等简单井型[4-9]。提高原位水合物分解速率和扩大水合物分解面积是提高单井产能的2种基本方法。理论上讲,增加井底压降可以达到提高水合物分解速率的目的。但水合物储层强度较低,片面增大生产压差不能有效地提高生产效率,甚至有可能导致井眼塌陷、储层破坏等问题。因此,增大分解面积是提高产能,减轻因压降过大而引起储层破坏问题的有效途径,其中多分支井技术能最大限度地增加天然气水合物藏的裸露面积和深度[10]。为实现天然气水合物商业化开采,急需探索基于多分支井的天然气水合物高效开采技术,在使用TOUGH+HYDRATE进行水合物开采数值模拟过程中,困难的网格生成方法限制了数模人员开展基于复杂结构井的水合物开采产能评价研究工作。本文提出了基于mVIEW的复杂结构井快速建模技术,并结合TOUGH+HYDRATE模拟器,以中国地质调查局2017年在南海北部陆坡深水区白云凹陷神狐海域SHSC-4试采井测井曲线数据为基础,建立理想水合物藏分层地质模型,开展单一水平井和多分支井在水合物Ⅱ层中部的降压开采数值模拟研究。

    • 多分支井是指在一口主井眼的底部钻出2口或多口进入油气藏的分支井眼。主井眼可以是直井、定向斜井,也可以是水平井;分支井眼可以是定向斜井、水平井或波浪式分支井眼。该技术是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的一项新兴钻井技术,在有效提高油藏采收率的同时,还可大幅降低油藏开采成本,经济效益突出,应用前景广阔[11-14]。多分支井水平井按水平段几何形态可分为集束分支水平井(图1a)、径向分支水平井(图1b)、反向分支水平井(图1c)、叠状分支水平井(图1d)和鱼骨状分支水平井(图1e)。集束分支水平井是在一垂直井段钻多个辐射状分支井眼;径向分支水平井是在一垂直段钻出多个超短半径分支井眼;反向分支水平井,即一个分支井眼下倾,另一个分支井眼上倾,并且井眼方向相反;叠状分支井,用于开采2个不同产层或在1个低渗透阻挡层之上或之下开采油气;鱼骨状分支水平井,即在一主水平段两侧钻出多个分支井眼。

      图  1  多分支井类型示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of multilateral well types

    • mVIEW是一款专业非规则网格剖分软件,支持TOUGH+HYDRATE、MODFLOW等多种数值模拟软件,具有灵活的网格剖分方式和网格加密方法[15]。为实现复杂结构井建模,开发了单井三维几何体创建模块(create 3D layer for single well geometry)和单井三维几何体连接地质体模块(Connect 3D Well Geometry to Geology),允许创建任意类型多分支井。本文以多分支井为例介绍复杂结构井建模流程,首先根据研究区域的实际情况,创建合适的地质体网格,模拟区域为50 m×50 m×25 m的地质体,以笛卡尔坐标系进行网格离散划分。x方向上将模拟区域分为50个网格,y方向上将模拟区域分为50个网格,z方向上将模拟区域分为25个网格,整个模拟区域被划分成50×50×25=62 500个网格(图2)。

      图  2  地质体网格

      Figure 2.  Geometry grid

      完成地质体网格创建后,下一步创建多分支井网格,多分支井在地质体的空间位置(图3)。

      图  3  多分支井在地质体的空间位置

      Figure 3.  The spatial position of multilateral well in geometry grid

      多分支井的主井和分支井轨迹被描述为一系列的三维坐标点(图4)。将编辑好的多分支井空间轨迹分布信息导入mVIEW后插值平滑,每条轨迹第1个节点都将连接到在它之前任意轨迹最近的节点。

      图  4  多分支井的主井和分支井的轨迹坐标

      Figure 4.  The trajectory coordinates of the main well and the branch wells of the multilateral well

      之后用单井三维几何体创建模块(Create 3D Layer for Single Well Geometry)将插值后的多分支井三维轨迹坐标转换为三维几何体(图5),在该模块中可输入信息包括井坐标、默认平面方向、井半径等。

      生成多分支井网格后,使用合并三维几何体模块(Combine 3D Geometries)将多分支井添加至地质体网格中。整个模型创建最后一步是根据生产段实际长度,使用单井三维几何体连接地质体模块(Connect 3D Well Geometry to Geology),设置多分支井与地质体网格之间的连接面积。

      图  5  多分支井网格

      Figure 5.  Multilateral well grid

    • 南海神狐海域天然气水合物矿藏位于南海北部陆坡中段神狐暗沙东南海域附近,西沙海槽与东沙群岛之间的珠江口盆地珠二坳陷,该坳陷自中新世以来处于构造沉降阶段,沉积速率高,为该区天然气水合物发育创造了良好地质条件[16]。自2003年以来,中国地质调查局对神狐海域的天然气水合物资源进行评估,开展了天然气水合物地质、地球物理和钻探调查。自2007年起,中国地质调查局在南海先后完成了4次水合物钻探航次(图6),分别为:GMGS1(2007)、GMGS2(2013)、GMGS3(2015)和GMGS4(2016),取得了丰富的水合物储层特征数据,并获取了大量原位水合物实物样品[17]

      图  6  SHSC-4井位置示意图[19]

      Figure 6.  Location diagram of SHSC-4 well[19]

      2017年7月,在GMGS3航次钻探的W17站位,中国地质调查局组织实施了我国南海海域天然气水合物首次试采并取得了圆满成功。SHSC-4试采井自2017年5月10日试气点火以来,连续试开采60 d,累计产气超过30万m3,实现了我国天然气水合物勘探开发的历史性突破[18-19]

      W17站位海水深度1 266 m,水合物储层属于泥质粉砂型,沉积物平均粒径约12 μm,主要包含石英和长石(53%)、碳酸盐(16%)、蒙脱石和伊利石组成的黏土矿物(26%~30%)[18]。按照MORIDIS 等[20]提出水合物藏分类方法,W17站位天然气水合物系统属于Class1类水合藏,具体可细分为水合物Ⅰ层、水合物Ⅱ层和水合物Ⅲ层,包括水合物Ⅰ层(201~236 mbsf,其孔隙空间充满固态水合物和液态水),水合物Ⅱ层(236~251 mbsf,其孔隙空间填充了3个相态:固态水合物、游离气和液态水)和水合物Ⅲ层(251~278 mbsf,其孔隙空间充满2个相态:游离气和液态水);水合物Ⅰ层、水合物Ⅱ层和水合物Ⅲ层的孔隙度分别为35%、33%和32%,平均渗透率分别为2.9×10−3、1.5×10−3和7.4 ×10−3 μm2。水合物Ⅰ层和水合物Ⅱ层的平均水合物饱和度分别为0.34和0.31,水合物Ⅲ层的平均气体饱和度为7.8%。

    • 本文以SHSC-4井测井曲线数据为基础[18],建立理想水合物藏层间非均质地质模型(图7),开展单一水平井和多分支井在水合物Ⅱ层中部的降压开采产能模拟。

      图  7  模型示意图[18]

      Figure 7.  Model diagram [18]

      上述地质模型大小为380 m×630 m×137 m,天然气水合物储层由水合物Ⅰ层、水合物Ⅱ层和水合物Ⅲ层组成,厚度分别为35、15和27 m。受限于单机版TOUGH+HYDRATE最高支持50 000个网格,建立的数值模型重点考虑水合物藏的层间非均质性,因此,Z方向网格剖分较为精细,其中XYZ3个方向上的最小网格尺寸为Δx= 0.25 m、Δy= 20.0 m、Δz= 1.0 m,上覆层和下伏层厚度为30 m。整个数值模型离散为43 740个网格(X方向为20个网格,Y方向为27个网格,Z方向为81个网格),数值模型网格剖分如图7所示。

    • 根据生产测试井SHSC-4的测井曲线,提取每层(每层0.5 m)的地质数据,如孔隙度、水合物饱和度、气体饱和度和水饱和度,建立数值模型。上覆层和下伏层的孔隙度均设置为30%。水合物Ⅰ层、水合物Ⅱ层和水合物Ⅲ层的平均渗透率分别设置为2.9×10−3、1.5×10−3和7.9 ×10−3 μm2[18-19,21]。上覆层和下伏层的平均渗透率设置为2.0×10−3 μm2。这项研究中没有考虑渗透率各向异性对水合物生产的影响[22-24],因此将水合物储层、上覆层和下伏层在XYZ方向的渗透率设置为相等。由于覆盖层是可渗透的,天然气水合物储层中的孔隙水可以与海水交换,这意味着孔隙水压力是静水压力[25]。可通过以下公式(1)计算模拟的天然气水合物藏压力[26]

      $$ {P_{{\rm{pw}}}} = {P_{{\rm{atm}}}} + {\rho _{{\rm{sw}}}}{\rm{g}}H \times {10^{ - 6}} $$ (1)

      式中:PpwPatm分别为孔隙水的压力和标准大气压,Mpa;

      ρ为海水密度,kg/m3

      g为重力加速度,m/s2

      H为到海平面的距离,m。

      此外,可以基于静压公式和地热梯度来计算模型顶部和底部的温度和压力。整个模拟天然气水合物储层温度和压力可以通过软件的自平衡功能获得[27]。在数值模拟过程中,上下边界的温度和压力设置为恒定值[28]。天然气水合物藏主要性质详见表1

      表 1  储层特征参数和模拟计算参数

      Table 1.  Reservoir characteristic parameters and simulation calculation parameters

      参数
      类型
      参数参数值
      储层
      特征
      上覆层厚度30 m
      下伏层厚度30 m
      水合物Ⅰ层35 m
      水合物Ⅱ层15 m
      水合物Ⅲ层27 m
      上覆层、下伏层孔隙度0.3
      上覆层、下伏层渗透率k2×10−3 μm2
      水合物Ⅰ层渗透率k2.9×10−3 μm2
      水合物Ⅱ层渗透率k1.5×10−3 μm2
      水合物Ⅲ层渗透率k7.4×10−3 μm2
      水合物Ⅰ层、Ⅱ层和Ⅲ层的孔隙度、水合物饱和度、气体饱和度、水饱和度参考SHSC4测井曲线
      数据引用参考文献[18-19,21]
      地温梯度43.653 ℃/km
      颗粒骨架密度ρR2 600 kg·m−3
      干岩热导率kΘRD1.0 W·m−1·K−1
      湿岩热导率kΘRW3.1 W·m−1·K−1
      模型
      参数
      毛细管力模型Pcap = −P0[(S*−1/λ − 1]1− λ
      S* =(SASirA)/(SmxASirA
      毛细进气压力P0(Pa),1×104
      最大毛细压力Pmax(Pa),1×106
      孔隙分布指数m,0.45
      相对渗透率模型KrA= [(SA- SirA)/(1- SirA)]n
      krG=[(SG-SirG)/(1-SirA)]nG
      残余水饱和度SirA,0.6
      残余气饱和度SirG,0.02
      液相衰减指数n,3.75
      气相衰减指数nG,2.5
    • 按照黏性流体方程(Navier-Stokes equation)理论,模型井筒被看作“似孔隙”介质,井筒内部流体为达西流[29]。早期研究已经证实了这种近似的正确性[29-35]。这种“似孔隙介质”的孔隙度为1,在模型里面将井筒的等效成孔隙度为1,渗透率为10 000 μm2,毛细管力为0的伪多孔介质,相对渗透率是各相饱和度的线形函数,具有非常低的气体残余饱和度[29]

      模拟天然气水合物降压开采期间,由于气体节流膨胀效应和水合物分解吸热,井筒内部会生成二次水合物;实际施工过程中,可通过在井筒内部加热或注入抑制剂等流动保障技术,抑制井筒内部二次水合物生成。因此模拟假定井筒内部不生成二次水合物并对数值模型井筒网格状态进行固定,生产井设计和开采方式详见表2

      表 2  生产井设计、开采方式

      Table 2.  Production well design and exploitation method

      方案生产井设计开采方式
      Case1单一水平井布设在水合物Ⅱ层中部(Z=−72.5 m),
      水平段长300 m,半径0.1 m,裸眼完井
      全井筒降压,压降为7 Mpa,开采60 d
      Case2多分支井布设在水合物Ⅱ层中部(Z=−72.5 m),主井眼长300 m,
      分支井井眼长100 m×8,半径0.1 m,裸眼完井
      全井筒降压,压降为7 Mpa,开采60 d

      Case1水平井和Case2的多分支主井眼位于水合物Ⅱ层中部(X=190 m,Z=−72.5 m),起点位于y = 165 m,终点位于y = 465 m,如图8生产井设计示意图中的红色部分,8个分支井沿主井对称等间距分布,分支井长为100 m,分支井间距为60 m,分支井与主井的夹角为45°。

      图  8  生产井设计示意图

      Figure 8.  Schematic diagram of production well design

    • Case1和Case2产气产水情况如图9所示,Case1模拟开采60 d内产气速率基本稳定在450 000 m3/d以上,模拟开采60 d累积产气量约3200万m3,模拟开采60 d累积产水量约1 300 m3。Case2模拟开采60 d内产气速率基本稳定在700 000 m3/d以上,模拟开采60 d累积产气量约5500万m3,模拟开采60 d累积产水量约3 400 m3

      图  9  产气产水量随时间的变化关系

      Figure 9.  The relationship between gas production and water production over time

      忽略分支井长度、分支井数、分支间距、分支井与主井夹角等分支井参数对产能的影响,按照给定的模拟参数,同样的开采方式,Case2的模拟产能约为Case1的1.72倍;两个例子的日均产水都比实际产水偏高,因为在数值模型里面束缚水饱和度(毛管力和相渗)只能赋一个均值,而从公开发表的数据来看,不同岩性的束缚水饱和度差异还是比较大的。

    • 压降7 Mpa模拟开采60 d后,提取Case1和Case2在水合物Ⅱ层中部(Z=−72.5 m)XY平面的温压等参数分布场图(图10)。相较于单一水平井降压开采,多分支井外围等压线呈“心”形分布,压力传导范围明显更大。受分支井间干扰,多分支井内围等压线趋向于与井筒斜交。单一水平井井周温度较多分支井低,多分支井气体饱和度同样呈“心”形分布,近井筒周围气体饱和度较小。由于气体节流膨胀效应,开采60 d后Case1单一水平井跟部沿Y方向150~250 m、趾部沿Y方向410~470 m的近井筒储层2 m范围内生成了大量的二次水合物。Case2多分支井主井跟部沿Y方向160~210 m的近井筒储层0.7 m范围内也形成了二次水合物,相较于单一水平井,Case2的二次水合物量比较小、饱和度比较低。根据模拟结果温压等参数分布场图可知,与单一水平井降压开采相比,由主井带动分支井共同降压进行开采,多分支井压力传播范围较广,能最大限度增加天然气水合物藏的裸露面积和深度,有效提高水合物藏储量动用程度。

      图  10  开采60 d后温压等参数分布场

      Figure 10.  Distribution of parameters,such as temperature and pressure after 60 days of depressurization production

    • (1)利用TOUGH+HYDRATE开展天然气水合物高效开采数值模拟研究工作,复杂结构井建模是数值模拟的重要环节,在使用TOUGH+HYDRATE的过程中,困难的网格生成方法限制了数模研究人员开展多分支井等复杂结构井的水合物产能评价工作。本文提出的建模方法可有效提高TOUGH+HYDRATE模拟器在复杂建模方面的能力。

      (2)相较于单一水平井,多分支井开采技术能最大限度的增加天然气水合物藏的裸露面积和深度,有效提高水合物藏储量动用程度。研究人员可利用该建模方法进行多分支井分支参数优化设计,分析分支数、分支长度、分支间距、分支与主井筒夹角等参数对多分支井入流动态及产能的影响。

参考文献 (35)

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