高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法及系统与流程

1.本发明属于天然气勘探开发技术领域，具体涉及一种高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法及系统。


背景技术：

2.在天然气气藏形成过程中，天然气（ch4）与伴生的co2与储层中的水以及构成输导层/储层岩石的各种矿物会发生各种复杂的地球化学反应。地球化学反应的发生会导致水相中的各成分、ph值的变化，同时输导层/储层岩石矿物成分可能发生溶解和沉淀从而改变储层孔隙度和渗透率等基本性质，另外，气相中会发生气体的溶解和析出，也可能有新的气体成分的产生。这一系列的变化会直接影响天然气的运移和成藏。准确计算地下高温高压条件下气-水-岩化学平衡与反应动力学，能够有效帮助理解天然气运移成藏过程，进而为有效的天然气勘探发现奠定基础。
3.目前国外开发了一些水岩反应的软件包，如phreeqc和tougreact。但是，这些软件包存在着一些不足。例如，当气体组分加入体系中，尤其是气相中存在h2o的条件下，会发生计算不稳定的情况。常规的气体-水溶液的相互溶解度计算也不能够处理水-岩石间的地球化学反应计算问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法及系统，用于解决高温高压条件下含co2的天然气-水-岩相互作用计算不准确的问题。
5.本发明第一方面，公开一种高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法，所述方法包括：s1、获取所要计算的流体体系的组分含量、温度、压力、水溶液中的离子成分与含量、矿物组成与含量；s2、计算平衡状态下气体-水溶液的相互溶解度，得到水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数；s3、通过phreeqc模型计算水溶液与岩石矿物的热力学平衡或动力学，得到水岩反应后水相中各组分的摩尔分数；s4、比较水岩反应前后，溶解在水溶液中的各气体组分的摩尔分数的变化率，若所述变化率小于第一预设阈值，计算结束，输出各相各组分含量；否则返回步骤s2。
6.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s2中，计算平衡状态下气体-水溶液的相互溶解度的依据为气-水平衡状态下每个组分在不同的相中的化学势相等。
7.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s2具体包括：s21、获取给定的气体-水溶液体系各组分的摩尔分数，其中c为总的组分数；
s22、对水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数进行初值估计；s23、计算当前气相中各组分的逸度系数和水相中各组分的活度系数，并计算当前平衡常数；s24、通过rachford-rice方程求解气相摩尔分数；s25、基于当前平衡常数和气相摩尔分数，更新水相和气相中各组分的摩尔分数和；s26、重复步骤s23，更新平衡常数，并计算更新前后平衡常数的变化率，若平衡常数的变化率小于第二预设阈值，则计算结束，否则返回步骤s24。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤s22具体包括：对于溶解在水里的气体组分的摩尔分数，推荐初始值0.01；对于气相中的h2o，推荐初始值，其中为给定温度下的水的饱和蒸气压，p为气压。
9.在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s23具体包括如下分步骤：s231、基于气相中各组分的摩尔分数的初值估计，通过peng-robinson模型计算当前气相中各组分的逸度系数；s232、通过phreeqc模型计算当前水相中各组分的活度系数；s233、利用每个组分在不同的相中的化学势相等的原理计算当前平衡常数。
10.在以上技术方案的基础上，优选的，所步骤s233具体包括：对于每个组分在不同的相中，化学势相等：nw为1kg水中h2o的摩尔数，利用现有的和来计算平衡常数，。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，所步骤s25具体包括：利用如下公式更新水相中组分的摩尔分数：利用如下公式更新气相中组分的摩尔分数：
为气体-水溶液体系中组分的总摩尔分数。
12.本发明第二方面，公开一种高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算系统，所述系统包括：数据获取模块：用于获取所要计算的流体体系的组分含量、温度、压力、水溶液中的离子成分与含量、矿物组成与含量；溶解度计算模块：用于计算平衡状态下气体-水溶液的相互溶解度，得到水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数；水岩反应计算模块：用于通过phreeqc模型计算水溶液与岩石矿物的热力学平衡或动力学，得到水岩反应后水相中各组分的摩尔分数；相互作用判断模块：用于比较水岩反应前后，溶解在水溶液中的各气体组分的摩尔分数的变化率，若所述变化率小于第一预设阈值，计算结束，输出各相各组分含量；否则重复溶解度计算模块、水岩反应计算模块。
13.本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如本发明第一方面所述的方法。
14.本发明第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现如本发明第一方面所述的方法。
15.本发明相对于现有技术具有以下有益效果：1）本发明将气体-水溶液相互溶解度计算与phreeqc地球化学计算软件包进行耦合，能够进行气-水-岩地球化学热力学与动力学的准确计算，弥补了高温高压条件下含co2的天然气-水-岩相互作用计算不稳定、不准确的不足；2）本发明通过peng-robinson模型计算气体各成分的逸度系数，通过phreeqc模型计算当前水溶液中各组分的活度系数，然后基于气-水平衡状态下每个组分在不同的相中的化学势相等的原理计算当前平衡常数，提高了计算气体-水溶液的相互溶解度的准确度；3）本发明实现了给定温度、压力、气体组分、水溶液组分以及岩石矿物构成条件下计算流体与岩石矿物达到平衡状态时或反应过程中产生各个流体相的物质组成以及矿物含量的变化，有效助力天然气运移成藏过程分析，为天然气勘探发现奠定基础。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法流程图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
19.请参阅图1，本发明提出一种高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法，所述方法包括：s1、获取所要计算的流体体系的组分含量、温度、压力、水溶液中的离子成分与含量、矿物组成与含量。
20.s2、计算平衡状态下气体-水溶液的相互溶解度，得到水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数。
21.气-水平衡状态下每个组分在不同的相中的化学势相等，本发明以此原理计算气体-水溶液的相互溶解度，得到水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数。
22.步骤s2具体包括如下分步骤：s21、获取给定的气体-水溶液体系中各组分的摩尔分数，其中c为总的组分数。
23.s22、对水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数进行初值估计。
24.具体的，对于溶解在水里的气体组分的摩尔分数，推荐初始值0.01；对于气相中的h2o，推荐初始值，其中为给定温度下的水的饱和蒸气压，p为气压。
25.s23、计算当前气相中各组分的逸度系数和水相中各组分的活度系数，并计算当前平衡常数。
26.步骤s23具体包括如下分步骤：s231、基于气相中各组分的摩尔分数的初值估计，通过peng-robinson模型计算当前气相中各组分的逸度系数；s232、通过phreeqc模型计算当前水相中各组分的活度系数；phreeqc模型最简单的应用就是计算溶液中各种化学物质的分布，以及溶液中矿物质与气体的饱和状态，本发明借助phreeqc模型计算当前水相中各组分的活度系数，用于步骤s233的平衡常数计算。
27.s233、利用每个组分在不同的相中的化学势相等的原理计算当前平衡常数。
28.具体的，对于每个组分在不同的相中，化学势相等：nw为1kg水中h2o的摩尔数，nw=55.508，利用现有的和来计算平衡常数，。
29.s24、通过rachford-rice方程求解气相摩尔分数，rachford-rice方程的公式为：根据已知的求解。
30.s25、基于当前平衡常数和气相摩尔分数，更新水相和气相中各组分的摩尔分数和；利用如下公式更新水相中组分的摩尔分数：利用如下公式更新气相中组分i的摩尔分数：：为气体-水溶液体系中组分的总的摩尔分数。
31.s26、重复步骤s23，更新平衡常数，将更新后的平衡常数记为，将更新前的平衡常数记为，计算更新前后平衡常数的变化率，记变化率为，若平衡常数的变化率小于第二预设阈值，比如，则计算结束，否则返回步骤s24，重复步骤s24~s26，直到平衡常数的变化率小于第二预设阈值，此时达到气-水平衡，输出两相中各组分的摩尔分数和的最终值，从而获得新的水溶液中各物质组成，作为水岩反应前水溶液中各组分的摩尔分数。
32.s3、通过phreeqc模型进行水溶液与岩石矿物的热力学平衡或动力学计算，得到水岩反应后水相中各组分的摩尔分数。
33.高温高压条件下，水和岩石之间发生的化学反应会导致水相中的各成分、ph值的变化，phreeqc模型可以进行地球化学反应模拟计算，基于化学反应前水溶液中各组分的摩尔分数进行水岩反应计算，通过水溶液与岩石矿物的热力学平衡或动力学计算，得到水溶液中各组分、物质含量。
34.s4、比较水岩反应前后，溶解在水溶液中的各气体组分的摩尔分数的变化率，记水岩反应前水溶液中的各气体组分的摩尔分数为，记水岩反应后水溶液中的各气体组分的摩尔分数为，记各气体组分的摩尔分数的变化率为，若所述变化率
小于第一预设阈值，比如，计算结束，输出各相各组分含量；否则返回步骤s2，重新进行气体-水溶液的相互溶解度计算和水岩反应计算。
35.本发明有效耦合气体-水溶液相互溶解度计算模型和phreeqc水岩反应计算软件包，使其能够精确有效的实现计算。实现了给定温度、压力、气体组分、水溶液组分以及岩石矿物构成条件下计算流体与岩石矿物达到平衡状态时或反应过程中产生各个流体相的物质组成以及矿物含量的变化，有效助力天然气运移成藏过程分析，为天然气勘探发现奠定基础。
36.本发明的计算方法通过计算机语言c 实现，以下给出两个具体的算例，证明计算方法的有效性。
37.算例1.温度：313.15k，压力：200bar给定水溶液：1kgh2ona离子：1.0mole/kgwcl离子：1.0mole/kgw矿物含量：方解石（calcite，caco3）1.0mole气相组成：co25mole通过本发明的高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法计算平衡状态下给各相的物质组成以及矿物含量的变化，计算结果如下：co2=1.23723mole/kgwca=0.0404822mole/kgwph=4.77728na=1.00071mole/kgwhco
3-=0.0809636mole/kgwcalcite=0.959561mole算例2.温度：473.15k，压力100bar给定水溶液：1kgh2oca2.2e-2mole/kgwcl0.68mole/kgwk1.3e-2mole/kgwna6.16e-1mole/kgwmg5.0e-3mole/kgw矿物含量：calcite1.355molechalcedony136.365molek-feldspar2.295moleillite0.36molekaolinite2.01mole通过本发明的高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算方法计算平衡状态下
各相的物质组成以及矿物含量的变化，结果如下：ph=5.04752na=0.615968 mole/kgwmg=0.000378 mole/kgwca=0.023844 mole/kgwk=0.021549 mole/kgwcl=0.682964 mole/kgwcalcite=1.35314 molechalcedony=136.376 molek-feldspar=2.27616 moleillite=0.377816 molekaolinite=1.99893 mole溶解的ch4=0.083359 mole/kgw溶解的co2=0.122786 mole/kgw其中，mole/kgw为质量摩尔浓度，calcite 为方解石，chalcedony 为玉髓，k-feldspar为钾长石，伊illite为利石，kaolinite为高岭石由以上两个算例可知，本发明可以在给定温度、压力、气体组分、水溶液组分以及岩石矿物构成条件下计算获得流体与岩石矿物达到平衡状态时或反应过程中产生各个流体相的物质组成以及矿物含量的变化。本发明的计算方法能够实现计算程序的稳定收敛，且各组分满足平衡条件。
38.与上述方法实施例相对应，本发明还提出一种高温高压条件下天然气-水-岩相互作用计算系统，所述系统包括：数据获取模块：用于获取所要计算的流体体系的组分含量、温度、压力、水溶液中的离子成分与含量、矿物组成与含量；溶解度计算模块：用于计算平衡状态下气体-水溶液的相互溶解度，得到水相中各组分的摩尔分数和气相中各组分的摩尔分数；水岩反应计算模块：用于通过phreeqc模型计算水溶液与岩石矿物的热力学平衡或动力学，得到化学反应后水相中各组分的摩尔分数；相互作用判断模块：用于比较反应前后，溶解在水溶液中的各气体组分的摩尔分数的变化率，若所述变化率小于第一预设阈值，计算结束，输出各相各组分含量；否则重复溶解度计算模块、水岩反应计算模块。
39.以上系统实施例和方法实施例是一一对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。
40.本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。
41.本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存
储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器rom、随机存取存储器ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
42.以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。