一种地下储气库气井的储层温度预测方法与流程

1.本发明涉及储气库领域，尤其涉及一种地下储气库气井的储层温度预测方法。


背景技术：

2.地下储气库是保障天然气供给、维持管网平稳运行的重要设施，具有季节调峰和应急供气功能，受市场需求因素影响，储气库的日注采气量波动较大、峰值产量高，注采周期一般是注气7个月、采气4个月、注采转换1个月。常规气藏开发一般不太关注储层温度变化，工程上通常假设井底温度等于地层静温。储气库的注采强度是常规气藏的10～20倍，注采过程中近井带储层的压力梯度大，天然气在运移过程中体积膨胀吸热，导致储层温度显著变化，而高压低温条件容易形成天然气水合物。
3.储气库在采气期因降压吸热，导致井底流动温度下降，影响井温剖面及井筒水合物的预判；在注气期因注入温度低，在井周储层降压形成低温区，可能产生水合物冰堵。要规避这些不利因素的影响，需要预测井周储层的温度变化，判断出现水合物的注采条件，作为储气库的注采能力设计、合理配产的附加限制条件。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地下储气库气井的储层温度预测方法，用于规避不利因素的影响，预测井周储层的温度变化，判断出现水合物的注采条件，作为储气库的注采能力设计、合理配产的附加限制条件。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种地下储气库气井的储层温度预测方法，包括以下步骤：
7.s1：利用气井的产能方程，计算近井的压力分布p(r)，进行压力分布预测；
8.s2：根据近井的压力分布p(r)，确定压力梯度dp/dr；
9.s3：计算流体的比热c
p
、焦耳汤姆森系数cj、综合传热参数lr和热容项系数er；
10.s4：采用压力与温度的解耦方式求储层能量方程，进行储层温度场预测。
11.优选的，所述s1中计算近井的压力分布p(r)，进行压力分布预测具体包括以下子步骤：
12.s11：由产能系数a、b计算渗透率k、非达西流动系数d；
13.s12：以井底流压p
wf
为已知条件，推算地层压力pe；
14.s13：用地层压力pe计算井周的压力分布p(r)。
15.优选的，所述s3中：
16.热容项系数er定义为：
17.综合传热参数lr定义为：
18.其中，c
p
为天然气的定压比热，j/(kg.k)；r为以井筒中心为原点的径向坐标，m；h为储层厚度，m；ρe为储层岩石密度，kg/m3；ce为储层岩石比热，j/(kg.k)；ρg为天然气密度，
kg/m3； u
to
为总传热系数，w/m2；φ为储层孔隙度。
19.优选的，所述s4中，假设：储层水平等厚均质，气体在井周径向稳态流动；从高压向低压区的流动过程中，气体膨胀吸热降温，同时盖层隔层向储层及流体传热，温度变化处于不稳定过程；以井筒中心为原点的径向坐标r下的能量方程为：
[0020][0021]
天然气质量流量w为：
[0022]
w＝416.7
×qsc
γgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]
其中，tf为地层流体温度，k；te为地层静温，k；cj为天然气的焦耳汤姆森系数，k/mpa；w 为天然气质量流量，kg/hour；q
sc
为标准状态下天然气体积流量，104m3/d；γg为天然气的相对密度，无因次；t为注采时间，hour；p为储层的流体压力，mpa；
[0024]
采用角点网格形式，i＝1对应井筒网格，i＝n对应供给半径re处网格，网格i的半径为ri、压力为pi、温度为t
f，i
、天然气焦耳汤姆森系数为c
j，i
、天然气定压比热为c
p，i
、天然气密度为ρ
g，i
、综合传热参数为l
r，i
、热容项系数为e
r，i
，为网格i在l 1时步的温度，为网格i在l时步的温度，δt为时间步长，hour；
[0025][0026][0027]
注气条件下(w＜0)取能量方程(3)式离散化格式为：
[0028][0029]
i＝2，3，4，...，n
[0030]
取δri＝r
i-r
i-1
，
[0031]
下游节点温度为
[0032][0033]
设置内边界条件为注气的井底温度tw，利用(8)式依次计算注气过程中的储层温度
[0034]
采气条件下(w≥0)取能量方程(3)式离散化格式为：
[0035][0036]
i＝(n-1)，(n-2)，...，3，2，1
[0037]
取δri＝r
i 1-ri，，
[0038]
下游节点温度为
[0039][0040]
利用(10)式计算需要先确定边界节点n的温度在网格边界节点n处的温度梯度压力梯度较小，仅考虑地层传热影响，能量方程(9)式简化为
[0041][0042]
获得供给边界的温度为
[0043][0044]
在(10)式中代入边界温度依次计算采气过程中的储层温度
[0045]
优选的，所述s11中，由产能系数a、b，计算渗透率k、非达西流动系数d：
[0046][0047][0048]
其中，t为地层温度，k；为平均压力下的气体偏差因子，无因次；为平均压力下的气体粘度，mpa.s；k为储层渗透率，10-3
μm2；h为储层厚度，m；d为非达西流动系数， (104m3/d)-1
；re为供给半径，m；rw为井筒半径，m。
[0049]
优选的，所述s12中，以井底流压p
wf
为已知条件，推算地层压力pe；
[0050][0051]
优选的，所述s13中，用地层压力pe计算井周的压力分布p(r)：
[0052][0053]
其中，q
sc
为标准状态下天然气产量，104m3/d；采气产量q
sc
＞0，注气产量q
sc
＜0；t为地层温度，k；为平均压力下的气体偏差因子，无因次；为平均压力下的气体粘度，mpa.s；k为储层渗透率，10-3
μm2；h为储层厚度，m；d为非达西流动系数，(104m3/d)-1
。re为供给半径，m；rw为井筒半径，m；p
wf
为井底压力，mpa；pe为供给半径re处的地层压力，mpa。
[0054]
本发明的有益效果：采用温度、压力解耦方式进行储层温度预测，解决储气库的水合物堵塞预判问题；储气库在采气期因降压吸热、井底流动温度下降，影响井温剖面及井筒水合物预判；在注气期因注入温度低、在井周储层降压形成低温区，可能产生水合物冰堵；这类不利因素影响，将作为储气库的注采能力设计、合理配产的限制条件。
附图说明
[0055]
图1是本方案实现流程图；
[0056]
图2为本方案具体实施方式中的采气工况下的地层温度分布图；
[0057]
图3为本方案具体实施方式中的注气工况下的地层温度分布图。
具体实施方式
[0058]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0059]
本实施例中，如图1所示，由于储层中流动压力对温度不敏感，本案采用温度、压力解耦方式进行储层温度预测，预测方法上分解为两个步骤：一是预测井周储层的压力场，考虑储层中的达西渗流压降和井筒附近的高速紊流压降，二是预测井周储层温度场，考虑天然气流动、地层传热和焦耳汤姆森效应。
[0060]
(一)井周压力场预测
[0061]
井周压力场预测的目标是在指定的井底流压p
wf
、产量q
sc
下，计算半径r处的压力p(r)。具体方法是基于稳态渗流模式，根据气井产能评价的二项式产能方程(r)。具体方法是基于稳态渗流模式，根据气井产能评价的二项式产能方程的系数a、b，估计储层参数：地层压力pe、储层渗透率k、非达西流动系数d，用扩展二项式产能方程计算井周压力场分布。
[0062]
忽略表皮影响条件下，气井的理论产能方程为：
[0063][0064]
其中，q
sc
为标准状态下天然气产量，104m3/d；采气产量q
sc
＞0，注气产量q
sc
＜0。t为地层温度，k；为平均压力下的气体偏差因子，无因次；为平均压力下的气体粘度，mpa.s； k为储层渗透率，10-3
μm2；h为储层厚度，m；k为储层渗透率，10-3
μm2；d为非达西流动系数，(104m3/d)-1
。re为供给半径，m；rw为井筒半径，m；p
wf
为井底压力，mpa；pe为供给半径re处的地层压力，mpa。
[0065]
其中，产能方程右端的第一项反映的是达西流压降，第二项反映的是高速非达西流压降。与产能评价的二项式产能方程系数的对应关系为：
[0066][0067][0068]
给定供给半径re，由产能系数a用下列公式估计地层的视渗透率k；由产能系数b用下列公式估计视非达西流动系数d：
[0069][0070][0071]
以井底流压p
wf
为已知条件，推算供给半径re处的地层压力pe：
[0072][0073]
随流动半径的扩大，非达西流压降随半径r的倒数关系递减，在半径r处的扩展二
项式产能方程为：
[0074][0075]
井周的压力分布为：
[0076][0077]
(二)储层温度场预测
[0078]
假设储层水平等厚均质，气体在井周径向稳态流动；从高压向低压区流动过程中，气体膨胀吸热降温，同时盖层隔层向储层及流体传热，温度变化处于不稳定过程。以井筒中心为原点的径向坐标r下的能量方程为：
[0079][0080]
热容项系数er定义为：
[0081]
综合传热参数lr定义为：
[0082]
天然气质量流量w为：w＝416.7
×qsc
γgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0083]
其中，tf为地层流体温度，k；te为地层静温，k；u
to
为总传热系数，w/m2；ce为储层岩石比热，j/(kg.k)；c
p
为天然气的定压比热，j/(kg.k)；cj为天然气的焦耳汤姆森系数， k/mpa；ρe为储层岩石密度，kg/m3；ρg为天然气密度，kg/m3；φ为储层孔隙度；w为天然气质量流量，kg/hour；q
sc
为标准状态下天然气体积流量，104m3/d；γg为天然气的相对密度，无因次；t为注采时间，hour；p为储层的流体压力，mpa。
[0084]
能量方程(9)式也描述了关井期即w＝0的温度变化过程。地层中的流动压力受温度的影响较小，压力梯度dp/dr主要受流量和储层性质影响，压力梯度dp/dr随半径增长急剧下降。能力方程(9)中系数cj、lr和er均为变系数，难以解析求解，采用压力与温度的解耦方式求数值解，利用气井的产能方程计算近井的压力分布p(r)，确定压力梯度dp/dr。
[0085]
采用角点网格形式，网格i的半径为ri
，
压力为pi，温度为t
f，i
，天然气焦耳汤姆森系数为c
j，i
，天然气定压比热为c
p，i
，天然气密度为ρ
g，i
，综合传热参数为l
r，i
，热容项系数为e
r，i
，i＝1对应井筒网格，i＝n对应供给半径re处网格。为网格i在l 1时步的温度，k；为网格i在 l时步的温度，k；δt为时间步长，hour。
[0086][0087][0088]
注气条件下(w＜0)取能量方程(9)式离散化格式为：
[0089][0090]
i＝2，3，4，...，n
[0091]
取δri＝r
i-r
i-1
，
[0092]
下游节点温度为
[0093][0094]
设置内边界条件为注气的井底温度tw，利用(16)式依次计算注气过程中的储层温度
[0095]
采气条件下(w≥0)取能量方程(9)式离散化格式为：
[0096][0097]
i＝(n-1)，(n-2)，...，3，2，1
[0098]
取δri＝r
i 1-ri，
[0099]
下游节点温度为
[0100][0101]
利用(18)式计算需要先确定边界节点n的温度在网格边界节点n处的温度梯度压力梯度较小，仅考虑地层传热影响，能量方程(17)式简化为
[0102][0103]
获得供给边界的温度为
[0104][0105]
在(18)式中代入边界温度依次计算采气过程中的储层温度
[0106]
具体的，在本实施例中，根据xc22井基础参数见表1，分别计算3个注采流量下的井周地层温度分布。采气工况下的地层温度分布见图2、注气工况下的地层温度分布见图3。
[0107]
井周地层的温度变化特征：采气时井周形成低温漏斗，井底温度最低，产量越高温度越低；注气时井周形成凹型低温环，低温环的中部温度最低，注气量越高低温环越宽越凹。注气形成的低温环反映出两种机制的三个区域：近井高流速区以降压降温的节流效应为主，外围低流速区以地层加热升温为主，中间温度平坦段反映降压吸热与地层加热的相对平衡区。
[0108]
表1 xc22储层与气井基础参数
[0109][0110]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。