一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，首先建立了固体颗粒脱落运移模型，随后根据热

【技术实现步骤摘要】
一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术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
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流
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力
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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。
[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]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：
[0009]步骤1，搭建固体颗粒脱落运移模型与热
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流
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力
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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：
[0010]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；
[0011]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
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流
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力
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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；
[0012]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；
[0013]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：
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]进一步地，所述步骤1.1中颗粒脱落模型具体表示为：
[0018]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：
[0019][0020]其中，m
ssi
为固体颗粒脱落质量，单位为kg/(m3)；t为时间，单位为s；为单位时间内固体颗粒脱落质量，单位为kg/(m3·
s)；λ为与地层塑性应变相关的出砂系数；为局部孔隙度；v
w
为水流速度，单位为m/s；ρ
s
为密度，单位为kg/(m3)；
[0021]式中地层塑性应变相关的出砂系数λ如公式(2)所示：
[0022][0023]其中为临界等效塑性应变，ε
p
为等效塑性应变，ε
p
用公式(3)表示：
[0024][0025]其中ε
pi
(i＝1,2,3)为三个主方向上的塑性应变。
[0026]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：
[0027][0028]其中c为液化砂的体积分数；v
w
为水流速度，单位为m/s；t为时间，单位为s；m
ssi
为固体颗粒脱落质量，单位为kg/(m3)；ρ
s
为密度，单位为kg/(m3)。
[0029]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：
[0030][0031][0032]其中为k时刻骨架颗粒脱落体积，单位为m3；V
ck
为k时刻地层内含有的砂粒体积，单位为m3；为k时刻出砂量，单位为m3；为k
‑
1时刻出砂量，单位为m3；为k时刻出砂速率，单位为m3/s。
[0033]进一步地，所述步骤1.2中建立颗粒脱落运移模型与热
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流
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力
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相变耦合模型的耦合关系，具体过程如下：
[0034]孔隙度的动态变化用公式(7)表示：
[0035][0036]其中，m
ssi
为固体颗粒脱落质量，单位为kg/(m3)；m
ssi0
为无颗粒脱离的完整骨架初始体积，单位为kg/(m3)；
[0037]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：
[0038][0039][0040][0041]其中，K
SH1
和K
SH0
分别为水合物饱和度为1和不含水合物时的体积模量，单位为MPa；G
SH
和G
SH0
为水合物饱和度为1和无水合物时的剪切模量，单位为MPa；C
SH1
和C
SH
分别为水合物饱和度为1和无水合物时的内聚力，单位为MPa；S
H
为水合物饱和度。
[0042]本专利技术的效果为，与现有技术相比本专利技术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，并基于现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1，搭建固体颗粒脱落运移模型及其与热
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流
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力
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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
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流
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力
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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，预测水合物开采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出砂行为，预测水合物开采过程中储层出砂规模。2.根据权利要求1所述一种水合物开采过程中储层出砂规模的预测方法，其特征在于，所述步骤1.1中颗粒脱落模型具体表示为：其中，m
ssi
为固体颗粒脱落质量，单位为kg/(m3)；t为时间，单位为s；为单位时间内固体颗粒脱落质量，单位为kg/(m3·
s)；λ为与地层塑性应变相关的出砂系数；为局部孔隙度；v
w
为水流速度，单位为m/s；ρ
s
为密度，单位为kg/(m3)；式中地层塑性应变相关的出砂系数λ表示为：其中为临界等效塑性应变，ε
p
为等效塑性应变：其中ε
pi

【专利技术属性】
技术研发人员：王大勇，李朋，王勇祺，赵良，宋永臣，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：