一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，包括以下步骤：1)根据天然气水合物藏的地质资料，建立目标区块地质模型，并进行网格划分；2)考虑电流流动、水合物化学反应、多相多组分渗流、热传导和热对流，建立低频电场加热开采天然气水合物藏的数学模型；3)采用有限体积法对数学模型进行耦合求解；4)根据生产井的生产制度、电极分布和电场加热模式，对低频电场加热生产过程进行模拟分析。本发明专利技术提出的模拟方法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提供理论依据和技术手段，具有很好的矿场应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法
本专利技术涉及一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，属于天然气水合物藏开采

技术介绍
天然气水合物是甲烷分子和水分子在高压、低温条件下形成的一种结晶状的笼型化合物，其广泛分布在海底浅层沉积物和大陆永久冻土带中。据初步估算，世界范围内天然气水合物藏中蕴藏的总有机碳含量是目前已发现的常规油气藏中总有机碳含量的两倍左右。作为一种清洁能源，由于其储量丰富、分布范围广、能量密度高的特点，被视为常规油气最有潜力的替代能源。降压法由于经济高效、操作简单的特点，是开采天然气水合物藏的首选方法。然而水合物分解反应是吸热的过程，单一的降压法开采所需热量来源于水合物层的潜热和盖层的热传递，随着降压过程的进行，水合物分解速率会大幅递减，最终造成水合物藏的采收率低；此外，井筒附近由于水合物的大量分解吸热甚至发生水合物二次生成或者冰生成，从而堵塞孔道。热激法可为水合物藏的生产提供额外的能量补充，常规的热激方法(注热水或注蒸汽)从海上平台或者地面至水合物层的井筒热损失大，并且注热能力受井深、水合物层渗透率、水合物饱和度的限制，往往很难满足经济开采的要求。低频电场加热是一种典型的原位热激方法，由于将热源直接放置在井底，能够消除常规热激法中的井筒热损失，显著提高注热效率。因此，将低频电场加热结合降压法开采水合物藏能够发挥两者的协同效应，从而显著提高水合物藏的开采效率，近年来受到了极大的关注。然而，低频电场加热开采水合物藏的过程非常复杂，涉及到水合物藏内的电流传导、水合物化学反应、多相多组分渗流，以及热传导和热对流。目前现有技术中没有低频电场加热的数值模拟方法，无法为低频电场加热在水合物藏开采中的应用提供技术指导，为此，本专利技术提供了一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的目的是提供一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，从而为低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟分析提供技术手段，包括以下步骤：步骤S1：根据天然气水合物藏的钻井、测井、地震和似海底反射资料，建立目标区块的天然气水合物藏地质模型，并进行网格划分；步骤S2：考虑低频电场加热过程中的电流流动、水合物化学反应、4相4组分渗流、热传导和热对流，建立低频电场加热开采天然气水合物藏的数学模型；所述4相包括气相、水相、水合物藏、冰相；所述4组分包括甲烷、水、水合物、盐；步骤S3：采用有限体积法对步骤S2建立的数学模型进行耦合求解；步骤S4：根据生产井的生产制度、电极分布和低频电场加热模式，对天然气水合物藏的生产过程进行模拟分析。所述步骤S2中，所述数学模型包括质量守恒方程、能量守恒方程和电流守恒方程，具体建立过程如下：①确定甲烷、水、水合物和盐四种组分的质量守恒方程：式中：▽为哈密顿算子；分别为水相中甲烷组分、水组分和盐组分的质量分数；分别为气相中甲烷组分和水组分的质量分数；分别为水相和气相的流动速度；qA、qG分别为生产井中水相和气相的产量；QH为水合物化学反应速率；Mm、Mw、Mh分别为甲烷、水和水合物的摩尔质量；t为时间；φ为孔隙度；SA、SG、SH、SI分别为水相、气相、水合物相和冰相的饱和度；ρA、ρG、ρH、ρI分别为水相、气相、水合物相和冰相的密度；nH为水合数；其中，水合物化学反应速率使用Kim-Bishnoi方程计算：式中：K0为水合物固有反应速率常数，取3.6×104mol/(m2·Pa·s)；ΔEa为活化能，取8.1×104J/mol；R为通用气体常数，8.314J/mol/K；AHS为单位体积储层内水合物颗粒反应表面积；feq为水合物相平衡条件下对应的逸度；fG为储层温压条件下对应的气相逸度；②考虑储层内的热传导、热对流、水合物反应热、生产井生产引起的热量变化以及低频电场加热的影响，确定能量守恒方程：式中：λe为储层等效热传导系数；T为储层温度；HA、HG分别为水相和气相的比焓；ΔHh为水合物化学反应热；qele为低频电场加热产热速率；、ρR为岩石的密度；UR、UA、UG、UH、UI分别为岩石、水相、气相、水合物相和冰相的比内能；③基于如下假设：交流电频率小于1MHz时，可以忽略位移电流；电导率、介电常数和磁导率与电场或磁场的强度无关；采用准静态近似，即单一频率电势产生的最小波长远大于储层最大物理长度，可以忽略变化的磁场产生的电场；由此确定储层内的电流守恒方程：式中：σ为储层电导率；ψR为电势实部；ψI为电势虚部；JR为电极的电流实部；JI为电极的电流虚部。储层电导率为温度、孔隙度、含水饱和度及地层水矿化度的函数，使用阿尔奇公式计算：式中：σw为地层水电导率；φf为流体孔隙度，φf＝φ(SA+SG)；a为岩性系数；b为岩性指数；m为胶结指数；n为饱和度指数；温度和地层水含盐量对地层水电导率的影响通过下式计算：式中：Ms为地层水中盐组分的摩尔质量；式(3)中的低频电场加热产热速率使用下式进行计算：式中：x、y、z分别为沿着x方向、y方向和z方向的坐标。所述步骤S3中对数学模型的耦合求解过程如下：①采取有限体积法对所述数学模型在空间和时间上进行离散，根据设置的总模拟时间及时间步长，循环执行步骤②-⑤；其中，离散后的质量守恒方程为：式中：上标n代表迭代时间步；下标i、j代表网格单元序号；Δt为时间步长；Vi为第i个网格单元的体积；Aij为第i个网格单元和第j个网格单元交界面的面积；离散后的能量守恒方程为：离散后的电流守恒方程为：②根据当前时间步的压力、温度、孔隙度、各相饱和度及各组分质量分数，使用阿尔奇公式计算每一个网格内的储层电导率；③数值求解电流守恒方程，获得模拟区域内的电势分布；④计算每一个网格内的低频电场加热产热速率；⑤将低频电场加热产热速率代入能量守恒方程中，联立质量守恒方程和能量守恒方程进行数值求解，获得每一个网格内的压力、温度、各相饱和度及各组分质量分数。本专利技术的有益效果及优点在于：(1)建立的低频电场加热开采天然气水合物藏数值模拟方法流程简单、实用性强，为低频电场加热开采天然气水合物藏的可行性分析、产量预测及生产制度优化提供了理论依据和技术手段，具有很好的矿场应用价值。(2)建立的数值模拟方法综合考虑了低频电场加热开采天然气水合物藏中存在的基本机理，包括电流传导、水合物化学反应、多相多组分渗流，以及热传导和热对流，能够真实反映出天然气水合物藏在低频电场加热条件下的动态特征。附图说明图1是天然气水合物藏低频电场加热开采数值模拟方法建立的流程图；图2是天然气水合物藏三维地质模型示意图；图3是X-Z平面上沿着W1和W2井地质模型示意图；图4是天然气水合物藏不同开采方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：根据天然气水合物藏的钻井、测井、地震和似海底反射资料，建立目标区块的天然气水合物藏地质模型，并进行网格划分；/n步骤S2：考虑低频电场加热过程中的电流流动、水合物化学反应、4相4组分渗流、热传导和热对流，建立低频电场加热开采天然气水合物藏的数学模型；所述4相包括气相、水相、水合物藏、冰相；所述4组分包括甲烷、水、水合物、盐；/n步骤S3：采用有限体积法对步骤S2建立的数学模型进行耦合求解；/n步骤S4：根据生产井的生产制度、电极分布和低频电场加热模式，对天然气水合物藏的生产过程进行模拟分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据天然气水合物藏的钻井、测井、地震和似海底反射资料，建立目标区块的天然气水合物藏地质模型，并进行网格划分；
步骤S2：考虑低频电场加热过程中的电流流动、水合物化学反应、4相4组分渗流、热传导和热对流，建立低频电场加热开采天然气水合物藏的数学模型；所述4相包括气相、水相、水合物藏、冰相；所述4组分包括甲烷、水、水合物、盐；
步骤S3：采用有限体积法对步骤S2建立的数学模型进行耦合求解；
步骤S4：根据生产井的生产制度、电极分布和低频电场加热模式，对天然气水合物藏的生产过程进行模拟分析。


2.如权利要求1所述的一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立的数学模型包括质量守恒方程、能量守恒方程和电流守恒方程，具体建立过程如下：
①确定甲烷、水、水合物和盐四种组分的质量守恒方程：



式中：为哈密顿算子；分别为水相中甲烷组分、水组分和盐组分的质量分数；分别为气相中甲烷组分和水组分的质量分数；分别为水相和气相的流动速度；qA、qG分别为生产井中水相和气相的产量；QH为水合物化学反应速率；Mm、Mw、Mh分别为甲烷、水和水合物的摩尔质量；t为时间；φ为孔隙度；SA、SG、SH、SI分别为水相、气相、水合物相和冰相的饱和度；ρA、ρG、ρH、ρI分别为水相、气相、水合物相和冰相的密度；nH为水合数；
②考虑储层内的热传导、热对流、水合物反应热、生产井生产引起的热量变化以及低频电场加热的影响，确定能量守恒方程：



式中：λe为储层等效热传导系数；T为储层温度；HA、HG分别为水相和气相的比焓；ΔHh为水合物化学反应热；qele为低频电场加热产热速率；、ρR为岩石的密度；UR、UA、UG、UH、UI分别为岩石、水相、气相、水合物相和冰相的比内能；
③确定储层内的电流守恒方程：



式中：σ为储层电导率；ψR为电势实部；ψI为电势虚部；JR为电极的电流实部；JI为电极的电流虚部。


3.如权利要求2所述的一种低频电场加热开采天然气水合物藏的数值模拟方法，其特征在于，所述质量守恒方程中水合物化学反应速率使用Kim-Bishnoi方程计算：



式中：K0为水合物固有反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯健，赵二猛，刘永革，纪云开，杜庆军，韦贝，白雅洁，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37