一种第一类天然气水合物数值模型平衡初始化方法与流程

1.本发明涉及天然气水合物矿体开采领域，更为具体地，涉及一种第一类天然气水合物数值模型平衡初始化方法。


背景技术：

2.天然气水合物是指在一定温度、压力条件控制的稳定域内，由甲烷为主的烃类气体与水形成的类冰状结晶化合物。常压下1m3的天然气水合物可以释放出0.8m3的水和164m3的天然气，是一种新型的清洁能源。目前天然气水合物矿体的分类主要有四类：第一类由含天然气水合物沉积层及其下伏含两相流沉积层组成。该类天然气水合物储层又细分为iw(含天然气水合物沉积物孔隙中充填液态水)与ig(含天然气水合物沉积物孔隙中充填游离气)两种模式。通常这一类型的天然气水合物储层底部位于或略高于水合物稳定带底界，小幅度的温度或压力变化即可导致天然气水合物分解，并且由于下伏游离气层的存在，当上覆天然气水合物不能被有效开采时，游离气层也能保证整个天然气水合物储层的开采效益，因此被认为是最有利开采的天然气水合物储层类型。第二类是由含天然气水合物沉积层(天然气水合物稳定带底界面之上)及其下伏含单相流(自由水)沉积层组成。含天然气水合物沉积层之下只发育含水沉积层。第三类指含天然气水合物沉积层之下不发育任何含游离相沉积层。第四类储层是指广泛发育于海洋环境的扩散型、低饱和度的天然气水合物储层，且往往缺乏不可渗透性的上、下盖层，使该类储层不具有开采价值的水合物层的储层类型。
3.模型平衡初始化是指在全部模拟井的产量(或注入量)都指定为0的情况下，进行一次模拟计算，油藏状态参数(压力场、温度场、饱和度场)应该没有任何明显的变化。如果发现状态变量发生明显变化，则表明模拟参数有问题。与常规油气藏的平衡初始化不同，第一类水合物藏初始平衡不仅仅需要考虑气水分布关系，还需要考虑水合物藏中的相态变化，即在全部模拟井未开井之前，水合物不分解，下部游离气层不合成水合物，且模型上部为水合物层，下部为游离气层。现有技术中，一种采用地震数值模拟勘探天然气水合物的方法(202011545296.7)将得到的参数变换为频率域波动方程，并基于此进行最优化变网格有限差分格式的建立，进一步通过该最优化差分格式构建大型稀疏方程组以实现海洋天然气水合物储层模型弹性波响应的高效求解，从而有效驱动频率域全波形反演，为天然气水合物资源的勘查的效率提高提供有效的技术保障。一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法(202010992536.1)综合考虑了电场加热过程的主要机理，流程简单、实用性强，可为低频电场加热开采天然气水合物藏的模拟分析。但上述技术均不涉及模型初始化平衡处理。
4.综上所述，在第一类天然气水合物矿体数值模拟研究过程中，如果所建立的地质模型未进行模型初始化平衡处理，初始地质模型饱和度分布关系及温度压力分布不满足实际地质特征，模拟结果会出现较大误差。目前针对第一类天然气水合物矿体数值模型平衡初始化还没有形成系统的方法，在数值模拟过程中缺少科学的初始化方法指导。面对此技
术问题，亟需形成一种建立第一类天然气水合物矿体平衡初始化数值模型的方法，为第一类水合物数值模拟研究奠定基础。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术无法解决建立水合物不分解，下部游离气层不合成水合物的第一类天然气水合物矿体平衡初始化数值模型的技术问题，提供第一类天然气水合物数值模型平衡初始化方法。
6.本发明是通过下述技术方案实现：第一类天然气水合物数值模型平衡初始化方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：根据实际第一类天然气水合物矿体储层地质特征及边界条件建立数值模拟地质模型；
6.步骤s2：通过数值模拟软件计算所述实际第一类天然气水合物矿体储层100％含水时的初始静水压力分布；
8.步骤s3：利用所述数值模拟软件修改初始饱和度分布满足所述实际第一类天然气水合物矿体储层饱和度分布特征，并将每个网格相渗曲线束缚水饱和度端点值设置为网格含水饱和度，得到满足所述第一类天然气水合物矿体储层气水分布关系的地质模型。
9.步骤s4：输出所述第一类天然气水合物矿体储层与下部游离气层界面处的压力，利用天然气水合物相平衡曲线计算所述界面处的温度；
10.步骤s5：根据所述实际第一类天然气水合物矿体储层地温梯度及所述交界面处的温度，利用vba编程计算得到所述实际第一类天然气水合物矿体储层温度分布，对比模型初始状态与全部模拟井关井后不同时间的储层饱和度、温度和压力分布，若饱和度、温度和压力均无明显变化，即可得到初始化平衡的第一类水合物数值模拟模型。
11.在本发明的一较佳实施方式中，在所述步骤s1中，建立所述数值模拟地质模型的方法为：
12.①
根据所述实际第一类天然气水合物矿体储层地质特征，确定所述储层几何边界范围及所述储层的物性条件，形成所述实际第一类天然气水合物矿体储层模型信息描述文件；
13.②
对所述实际第一类天然气水合物矿体储层模型进行网格剖分，考虑到模拟精度及模型运算速度，模拟网格数应适当；对于网格尺寸的设置，为明确模拟井周温压变化及考虑模型几何边界大小，在进行网格尺寸设置时，需进行网格加密处理，越接近模拟井位置的网格，尺寸越小；
14.③
如果需要进行压裂裂缝模拟，需要对压裂裂缝进行局部网格加密处理，越接近裂缝位置的网格，尺寸越小；对于裂缝渗透率的处理，定义裂缝无量纲导流能力为：
[0015][0016]
其中，c
fd
为裂缝无量纲导流能力；k
f
为裂缝渗透率，md；w
f
为裂缝宽度，m；k为实际气藏储层渗透率，md；x
f
为裂缝半长，m；
[0017]
④
将所述实际第一类天然气水合物矿体储层地质特征赋值到的网格中，完成所述地质模型的建立。
[0018]
在本发明的一较佳实施方式中，所述实际第一类天然气水合物矿体储层地质特征包括：孔隙度、渗透率、水合物饱和度、含气饱和度、生产井型、储层顶深和裂缝参数。
[0019]
在本发明的一较佳实施方式中，在所述步骤s4中，计算所述界面处的温度的方法为：
[0020]
①
导出所述地质模型中对应所述实际第一类天然气水合物矿体储层与所述游离气层交界面处的压力数值；
[0021]
②
利用天然气水合物pt关系，计算得到所述交界面处对应的温度值，所述天然气水合物pt关系为：
[0022][0023]
其中：p
e
，为实际第一类天然气水合物矿体储层与游离气层交界面处平衡压力，mpa；t
e
为实际第一类天然气水合物矿体储层与游离气层交界面处温度值，℃；a、b、c为系数，无因次。
[0024]
在本发明的一较佳实施方式中，在所述步骤s5中，所述对比模型初始状态与全部模拟井关井后不同时间的储层饱和度及温压分布的方法为：
[0025]
①
对于每一列网格，输出所述实际第一类天然气水合物矿体储层与游离气层交界面处网格温度及每个网格厚度；
[0026]
②
对于所述第一类天然气水合物矿体储层网格，根据所述地温梯度，所述温度分布计算公式为：
[0027][0028]
其中：n为最后一层水合物层垂向网格编号，h
i
为第i层水合物网格厚度，m；t
i
为第i层水合物网格温度，℃；h
n
为交界面处网格厚度，m；t
n
为交界面处网格温度，℃；dt为地温梯度，℃/100m。
[0029]
③
对于所述游离气层网格，根据所述地温梯度，所述温度分布计算公式为：
[0030][0031]
其中：k为地质模型垂向网格层数，n为水合物最后一层垂向网格层数，h
i
为第i层水合物网格厚度，m；t
i
为第i层水合物网格温度，℃；h
n
为交界面处网格厚度，m；t
n
为交界面处网格温度，℃；dt为地温梯度，℃/100m。
[0032]
④
将计算的每一列的所述温度分布赋值到所述地质模型中，并将所述模型中所述全部模拟井关闭后运行模型10
‑
20年；
[0033]
⑤
输出所述模型运行后各个时间步的饱和度及温度压力场图，根据观察场图较t＝0时刻是否发生变化判断所述数值模型的初始化平衡。
[0034]
本发明的有益效果是：提供了第一类天然气水合物数值模型平衡初始化方法，该方法不仅仅考虑了气水分布关系，还考虑水合物藏中的相态变化，即在全部模拟井未开井之前，水合物不分解，下部游离气层不合成水合物，且模型上部为水合物层，下部为游离气层；所建立的地质模型进行模型初始化平衡处理，初始地质模型饱和度分布关系及温度压力分布与实际天然气水合物地质特征符合度较高，模拟结果精度较高，可用于第一类天然
气水合物数值模拟开采。
附图说明
[0035]
图1本发明的第一类天然气水合物矿体数值模型平衡初始化方法流程示意图；
[0036]
图2本发明实施例的第一类天然气水合物矿体地质模型示意图；
[0037]
图3本发明实施例的第一类天然气水合物矿体初始压力分布场图；
[0038]
图4本发明实施例的第一类天然气水合物矿体初始含气饱和度分布变化场图；
[0039]
图5(a)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体初始状态压力场图；
[0040]
图5(b)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体模拟10年后压力场图；
[0041]
图5(c)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体初始状态温度场图；
[0042]
图5(d)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体模拟10年后温度场图；
[0043]
图5(e)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体初始状态含气饱和度场图；
[0044]
图5(f)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体模拟10年后含气饱和度场图；
[0045]
图5(g)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体初始状态水合物饱和度场图；
[0046]
图5(h)本发明实施例的第一类天然气水合物矿体模拟10年后水合物饱和度场图。
具体实施方式
[0047]
实施例1
[0048]
下面结合某第一类天然气水合物矿藏机理模型的具体实施例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
[0049]
图1示出了根据本发明的第一类天然气水合物矿体数值模型平衡初始化方法流程。
[0050]
如图1所示，本发明提供的第一类天然气水合物矿体数值模型平衡初始化方法具体实施流程如下：
[0051]
步骤s1：根据实际第一类天然气水合物矿体储层地质特征及边界条件建立数值模拟地质模型
[0052]
地质模型建立与网格加密设置：根据第一类水合物矿藏地质特征，建立相对应的地质模型。本实例设置模拟网格为径向网格，模拟网格数为41
×1×
60，水合物储层埋深1500m，储层平均孔隙度30％，渗透率为5md，水合物层厚度40m，游离气层厚度20m，纵向上每个网格1m，垂直生产井位于模型中部，水合物与游离气层全射孔，模拟时间为1000天。同时，为明确此类水合物矿藏开采过程中井周储层蠕变导致的温度、压力及饱和度等的变化，在井周区域局部网格加密处理。
[0053]
建立的第一类天然气水合物矿藏地质模型如图2所示。
[0054]
步骤s2：通过数值模拟软件计算所述实际第一类天然气水合物矿体储层100％含水时的初始静水压力分布
[0055]
计算储层100％含水时的静水压力分布，利用数值模拟软件将储层初始含水饱和度赋值为1，储层初始地层压力为14mpa，模拟时间为10年，并关闭所有模拟井，当储层压力场图不再发生改变时，即可得到初始压力场分布，如图3所示。计算结果如表1所示。
[0056]
表1
[0057]
步骤s3：得到满足所述第一类天然气水合物矿体储层气水分布关系的地质模型。
[0058]
本实例水合物层水合物饱和度为0.4，游离气层含气饱和度为0.3。利用数值模拟软件bswcrit关键字，将每个网格束缚水饱和度设置为每个网格的初始含水饱和度，以保证水合物层下部游离气不会在重力分异作用下运移至模型顶部。在关闭所有模拟井后运行模型，模拟时间为10年，图4为初始饱和度分布与模型运行10年后的储层饱和度分布，据图分析可知，该方法可有效标定储层初始饱和度，在所有模拟井注入/产出为0时，储层饱和度未发生明显变化，即得到满足所述第一类天然气水合物矿体储层气水分布关系的地质模型。
[0059]
步骤s4：输出所述第一类天然气水合物矿体储层与下部游离气层界面处的压力，利用天然气水合物相平衡曲线计算所述界面处的温度
[0060]
导出步骤s2中计算的交界面网格处的压力。本实例中交界面所在层数为第40层，根据步骤s2计算结果，p
40
＝14.0944mpa。根据相平衡计算公式：
[0061][0062]
令p
e
＝p
40
＝14.0944mpa，得到水合物层与下部游离气层界面处温度t
40
＝t
e
＝16.1739℃。
[0063]
步骤s5：得到初始化平衡的第一类天然气水合物数值模拟模型
[0064]
根据步骤s4计算得到的水合物层与下部游离气层界面处温度t
40
，即可计算整个储层的温度分布。本实例假设地温梯度为4℃/100m，则：
[0065]
水合物层自上往下温度计算公式为：
[0066]
[0067]
游离气层自上往下储层温度计算公式为：
[0068][0069]
计算结果如表2所示：
[0070]
将计算得到的储层温度分布赋值到对应的网格中，在关闭所有模拟井后运行模型10年，图5为模拟10年后储层温度、压力及饱和度与初始状态场图对比。由图可知，模拟10年后储层温压及饱和度分布均无明显变化，表明该数值模型已初始化平衡。
[0071]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例并非对本发明对任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术、方法实质上以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。