一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法

技术领域

本发明属于天然气水合物资源开发工程领域，特别涉及一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法。

背景技术

工业化的加速发展，带来了能源需求量的急速攀升，然而大量使用传统化石能源会释放大量二氧化碳等温室气体，进而带来一系列的环境污染问题，同时随着巨大的化石能源消耗和开采，也使得传统化石能源面临短缺的问题。与此同时，寻找清洁能源以替代传统化石能源的行动也迅速展开。天然气水合物在自然界主要分布于陆地多年冻土和深海沉积物中，是重要的清洁能源之一，其可观的储量也使得它成为未来重要的替代能源之一。

目前，全球已累计开展10余次天然气水合物试采工程，为其商业化开采提供了宝贵的现场经验。现有技术中通过搭建实验装置，使用气体、液体、固体等建立开采区域的储层模型用于模拟开采环境，进而在实验室尺度对天然气水合物开采的过程进行了实验模拟与分析。

然而，纵观各个水合物试采工程，几乎都遇到了出砂问题，甚至因为大量出砂导致了试采的提前终止。但是由于开采环境的复杂多样性，目前较难从场地尺度对开采过程中的含水合物储层进行有效的储层出砂规模定量分析，影响了含水合物储层长期开采安全性的评估以及防砂装置布置位置的选取。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，揭示了热-流-力-相变耦合模型以及固体颗粒脱落运移模型之间的耦合关系，综合考虑水流速度与塑性应变对出砂过程的共同作用，提出水合物开采出砂模型，建立场地尺度水合物开采出砂数值模拟平台，能够实现生产过程中储层出砂规模的定量分析和预测，克服了现有技术的缺陷。

本发明提出的一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，能够基于场地尺度水合物开采出砂数值模拟平台实时观测场地试采过程中含水合物储层颗粒脱落与运移特征；并能够定量计算水合物开采过程中骨架颗粒脱落量、储层液化砂量以及井筒出砂量，可量化水合物试采出砂过程，同时为模型提供验证条件。

本发明的技术方案为：

一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，包括步骤如下：

步骤1，搭建固体颗粒脱落运移模型与热-流-力-相变耦合模型之间的耦合关系，建立水合物开采出砂模型，并构建场地尺度水合物开采出砂数值模拟平台，具体包括以下子步骤：

步骤1.1，根据流体侵蚀准则与临界塑性应变准则建立含水合物地层的颗粒脱落模型，结合修正后的溶质运移方程与出砂量及出砂速率方程，获得固体颗粒脱落运移模型；

步骤1.2，根据沉积物力学参数与孔隙度的动态变化建立固体颗粒脱落运移模型与热-流-力-相变耦合模型的耦合关系，其中沉积物力学参数包括体积模量、剪切模量、内聚力，获得水合物开采出砂模型；

步骤1.3，根据所述水合物开采出砂模型，构建场地尺度水合物开采出砂数值模拟平台；

步骤2，对目标区域出砂行为进行定量分析，预测生产过程中储层出砂规模，具体包括如下子步骤：

步骤2.1，基于试采区域地质工况与开采工况，绘图建立目标区域天然气水合物藏储层模型；

步骤2.2，设置模型的初始条件与边界条件：包括温度、压力、饱和度以及应力，对所述目标区域天然气水合物藏储层模型进行网格划分；

步骤2.3，将所述网格划分后储层模型的储层主要物性参数输入至所述场地尺度水合物开采出砂数值模拟平台中进行计算求解，依据计算结果定量分析产砂行为，预测水合物开采过程中储层出砂规模。

进一步地，所述步骤1.1中颗粒脱落模型具体表示为：

岩石骨架剥蚀与局部孔隙度和水流速度直接相关，颗粒脱落模型如公式(1)所示：

其中，m

式中地层塑性应变相关的出砂系数λ如公式(2)所示：

其中

其中ε

进一步地，所述步骤1.1中修正后的溶质运移方程如公式(4)所示：

其中c为液化砂的体积分数；v

进一步地，所述步骤1.1中出砂量和出砂速率方程如公式(5)、(6)所示：

/>

其中

进一步地，所述步骤1.2中建立颗粒脱落运移模型与热-流-力-相变耦合模型的耦合关系，具体过程如下：

孔隙度

其中，m

沉积物的强度与水合物饱和度和完整骨架的体积成正比，如公式(8)、(9)、(10)所示：

其中，K

本发明的效果为，与现有技术相比本发明能够在天然气水合物资源开发过程中，应用水合物开采出砂模型，并基于现场地质勘探数据建立目标区域的天然气水合物藏储层模型，计算得到试采过程中含水合物沉积物储层砂粒脱落与运移特征、出砂量以及出砂速率，实现对生产过程中储层出砂规模的定量预测，证明了一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法的有效性和实用性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法的流程图。

图2为本发明实施例中热-流-力-相变耦合模型与固体颗粒脱落运移模型之间的耦合关系及水合物开采出砂模型图。

图3为本发明实施例中所选用的储层模型示例图。

图4为本发明实施例中网格划分示例图。

图5为本发明实施例中产气及出砂验证曲线图。

图6为本发明实施例中骨架颗粒脱落体积分数演化示意图。

图7为本发明实施例中储层液化砂体积分数演化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例中提供了一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，如图1，具体包括如下步骤：

S1：根据流体侵蚀准则与临界塑性应变准则建立含水合物地层的颗粒脱落模型；根据修正后的溶质运移方程(也可称为对流扩散方程)描述液化砂在地层内的运移过程；随后根据出砂量和出砂速率计算方程获得不同时刻出砂量和出砂速率，综合获得固体颗粒脱落运移模型，具体如下：

建立含水合物地层的颗粒脱落模型，如公式(1)所示：

式中，m

式中地层塑性应变相关的出砂系数λ具体表示如公式(2)所示：

式中

式中ε

修正后的溶质运移方程(也可称为对流扩散方程)描述液化砂在地层内的运移过程，如公式(4)所示：

式中c为液化砂的体积分数；v

出砂量和出砂速率的具体计算过程如公式(5)、(6)所示：

式中其中

固体颗粒脱落运移模型能够实现出砂量及出砂速率的计算，同时实现对骨架颗粒脱落演化、液化砂粒运移演化过程的定量描述。

S2：含水合物地层骨架颗粒的脱落与液化砂在孔隙内的运移会改变沉积物力学强度与孔隙度。根据沉积物力学参数(体积模量、剪切模量、内聚力等)与孔隙度的动态变化搭建固体颗粒脱落运移模型与热-流-力-相变耦合模型的耦合关系，具体如下：

孔隙度

式中m

沉积物的强度被认为与水合物饱和度和完整骨架的体积成正比，如公式(8)、(9)、(10)所示：

式中K

热-流-力-相变耦合模型通过水流速度、塑性应变影响固体颗粒脱落运移模型；固体颗粒脱落运移模型通过孔隙度、渗透率以及力学强度影响热-流-力-相变耦合模型。

S1～S2中构造的模型和方程构成场地尺度水合物开采出砂模型。热-流-力-相变耦合模型以及固体颗粒脱落运移模型之间的耦合关系，以及最终建立的水合物开采出砂模型如图2所示。

S3：利用COMSOL自带的PDE模块与固体力学模块，将水合物开采出砂模型输入，构建场地尺度水合物开采出砂数值模拟平台。

S4：建立模拟目标区域天然气水合物藏储层模型并进行初边界条件设置和网格划分。

选取日本Nankai海槽水合物藏为数值模拟对象，定量分析2013年海上试采过程中潜在的出砂区域及出砂规模，值得注意的是，模拟对象的选取并不是固定的。

本实施例选用的储层模型如图3所示，模拟目标区域的厚度共368m，包括62m厚的水合物储层以及厚度为276m的上覆地层与30m的下覆地层，其中含水合物储层位于海底面以下276m至338m处。基于含水合物层的岩性分布情况又将水合物储层分为三层，厚度分别为14m、15m和33m。考虑到实际试采过程时间较短(6天)，降压影响范围有限，模型水平方向上长度设置为200m。各层主要物性参数如表1所示。

模型的上、下及右边界在水合物开采过程中保持恒温恒压。承载海水的上边界可自由移动，侧边边界无垂直于边界方向的位移，下边界为固定约束。整个模拟目标区域被划分为12200个网格：在径向上，该区域被划分为100个网格，靠近降压口处的网格进行了密集化处理；沿轴向，含水合物层均匀划分为62个网格，下覆层和上覆层分别划分为50个网格和10个网格，如图4所示。

表1储层主要物性参数

S5：模型计算与结果输出：如图5所示，数值模拟6天的累计产气量为1.17×10

图6为骨架颗粒脱落体积分数演化示意图，图7为储层液化砂体积分数演化示意图。由数值模拟结果可知：含水合物层HBL1的上表面区域是较易发生固体颗粒脱落的位置，建议防砂装置布置在该区域以防井筒大量产砂。

本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方案进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。