The TOUGH2 is a set of seepage simulation software developed by the Lawrence Berkeley National Laboratory; its function has many common grounds with aspects of gas hydrate reservoir exploitation including gas and fluid seepage, mass and heat transferenc

孙福街

庞维新

李刚

李小森

李清平

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Institutional Repository of GuangZhou Institute of Energy Conversion, CAS

第27卷8期 2015年 8月 中 国 煤 炭 地 质 COAL GE0L0GY oF CHINA Vo1．27 No．08 Aug． 2015 doi：10．3969~．issn．1674—1803．2015．08．07 文章编号：1674—1803(2015)08—0031—07 天然气水合物藏开采数值模拟研究 庞维新 ，李清平 ，孙福街 ，李 刚。，李小森。 (1．中海油研究总院，北京 100027；2．中国海洋石油有限公司，北京 100010； 3．中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640) 摘 要：TOUGH2是美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的一套渗流模拟软件，其研究内容与水合物藏的开采在气液 渗流、质量和热量的传递等方面有很多的共同之处，但水合物的开采又涉及到固态水合物分解产生气体和液态水 或 固体冰的，与 TOUGH2现有内容有一定区别。为了将 TOUGH2软件应用于天然气水合物藏开采模拟 ，在对 TOUGH2的功能进行充分解读后，进行了以下三个主要修改：①针对天然气水合物三相变化的状态方程模块；②添 加天然气水合物分解速率和相平衡计算模块；③在TOUGH2程序的主体控制方程中，添加由天然气水合物分解引 起的变化量。通过上述修改和程序调试 ，形成了一套基于TOUGH2的水合物藏开采数值模拟软件。利用该软件对 神狐海域的水合物藏参数进行计算 ，其结果与劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物藏开采模拟软件(TOUGH+ HYDRATE)的计算结果进行对比，结果表明两者吻合很好，验证了软件的正确性。 关键词：TOUGH2；水合物开采；数值模拟；T0uGH+HYDRATE；对比 中图分类号：P618：P628"．3 文献标识码：A A Numerical Simulation Study on Natural Gas Hydrate Reservoir Exploitation Pang Weixin‘，Li Qingping Sun Fujie ，Li Gang and Li Xiaosen (1．Research Institute of China National Ofshore Oil Corporation，Beijing 100027；2．China National Ofshore Oil Corporation，Beijing 100010；3．Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou，Guangdong 510640) Abstract：The TOUGH2 is a set of seepage simulation software developed by the Lawrence Berkeley National Laboratory；its function has many common grounds with aspects of gas hydrate reservoir exploitation including gas and fluid seepage，mass and heat transfer— ence etc．but gas hydrate exploitation also involves solid hydrate decomposes into gas and liquid water or solid ice complicated chang— ing process，thus has certain differences with present available TOUGH2 function．To use the software on natural gas hydrate reservoir exploitation simulation，after fully unscrambled its function，caried out folowing three amendments：1)added natural gas hydrate 3 phases changing state equation module；2)added natural gas hydrate decomposition rate and phase equilibrium computation module；31 in TOUGH2 program principal control equation，adding natural gas hydrate decomposition caused variations．Through above amend— ment and program debug，formed a set of hydrate reservoir exploitation numerical simulation software based on TOUGH2．Using the software carried out Shenhu sea area，South China Sea hydrate reservoir parameters computation，compared this results with resuhs from hydrate reservoir exploitation simulation software the TOUGH+HYDRATE developed by Lawrence Berkeley National Laboratory， indicated both agreed very well，verified the correctness of amended software． Keywords：TOUGH2；natural gas hydrate exploitation；numerical simulation；T0UGH+HYDRATE：comparison 0前言 天然气水合物是轻质气体和水在一定温度和压 力下生成的一种固体晶体物质” 。由于每立方米水 合物可储存160～180 m 天然气，自然界的天然气水 基金项 目 ：重大专项课 题 (2011ZX05026—004)和国家专项课 题 (GZH201100309) 作者简介 ：庞维新(1979一)，男，2009年毕业于中国石油大学(北京) 化学工程专业 ，博士，主要从事油气工艺和水合物方面的 研究工作。 收稿 日期 ：2015—05—10 责任编辑 ：孙常长 合物藏被认为可能是 21世纪的重要后续能源 ，因 此，针对天然气水合物藏的开采，科研工作者进行了 大量的开采模拟研究，并开发出相应的数值模拟软 件[2_4_。 分析这些水合物藏开采数值模拟软件的发展历 程，大致可以分为两个阶段。第一阶段，主要是根据 实验手段获得的主观认识建立天然气水合物藏开采 模型，这一阶段的模型在热量传递、气液的渗流或水 合物分解动力学等方面考虑欠缺。第二阶段，随着 对天然气水合物藏开采研究的不断深入，发现水合 物藏和常规油气藏的开采有很多相似之处，开始在 32 中 国 煤 炭 地 质 第27卷 常规油气藏开采软件的基础上 ，构建天然气水合物 藏的开采数值模拟软件。这一阶段开发的软件由于 借鉴了前人的经验和成果，应用效果较好。 CMG是 目前普遍被大家接受和认可的常规油 气藏开发模拟软件，但很难获得其源代码，而美国劳 伦斯 伯克利 国家实验 室开发 的渗流模 拟软件 TOUGH2具有与CMG类似的功能 】，并且可以获得 其源代码。TOUGH2虽然不能直接应用于水合物开 采模拟，但对其源代码进行部分修改后，可以实现这 一 功能。劳伦斯伯克利国家实验室即在这一软件的 基础上开发了水合物开采模拟软件TOUGH+HY— DRATE。本研究也在TOUGH2的基础上，开发形成 了一套可用于降压、注剂／注热的天然气水合物藏开 采数值模拟软件。 1 TOUGH2简介和解读 TOUGH2是美国劳伦斯伯克利国家实验室针对 地热工程和环境等，于20世纪8O年代初开发的一套 渗流数值模拟软件，重点研究气液在地层的渗流状 况、质量和热量的传递等问题。 在近30a的时间里，TOUGH2源代码被不同研 究机构根据需要进行了修改，并在很多方面得到了 推广应用，如二氧化碳的地下埋藏等。根据应用结 果的反馈，其源代码得到了很大的修正，准确性也得 到了充分的验证。 TOUGH2的研究内容与水合物藏的开采有很多 的共同之处，如气液在地层的渗流、质量和热量的传 递等，但水合物的开采又涉及到固态水合物分解产 生气体和液态水或 固体冰的变化 ，其过程 比 TOUGH2现有的内容更为复杂。对比分析天然气水 合物藏开采数值模拟软件所需功能和TOUGH2现 有功能可知 ，将TOUGH2应用于水合物藏开采模 拟，主要存在三大问题：@TOUGH2中没有专门针对 天然气水合物体系的状态方程模块 ，这一模块主要 用于计算水合物体系的一些热力学性质，如渗透率、 毛细管压力等；②没有专门针对水合物体系的用于 计算水合物相平衡和分解速率的程序模块；③因缺 少专门针对天然气水合物的模块，在TOUGH2的质 量和能量平衡方程中，也就没有考虑水合物分解带 来的影响。虽然存在上述问题 ，但由于TOUGH2与 需要建立的天然气水合物藏开采数值模拟软件的整 体构架基本相同，因此 ，充分利用 TOUGH2的现有 优势，在TOUGH2的基础上开发一套解决上述问题 的专有模块，用于天然气水合物藏开采数值模拟是 可行的。 在TOUGH2软件的基础上，美国劳伦斯伯克利 国家实验室也于2008年研发了一套水合物藏开采 模拟软件 T0uGH+HYDRATE嘲，这套软件在 Malik 和Alaska等地的水合物藏试开采项目中都得到了实 际应用 ，被认为取得了较好的预测效果。本文开发 的软件将与之进行对比验证。 2基于TOUGH2的天然气水合物藏开采模 拟研究 基于对TOUGH2的认识 ，认为将TOUGH2应用 于天然气水合物藏开采的模拟，需要重点考虑以下 三个方面的修改或补充。 2．1天然气水合物体系参数 在TOUGH2中，针对不同的体系需要不同的状 态方程，用于计算体系中各相态的饱和度、相对渗透 率、黏度、密度、焓和毛细管压力等参数。这些参数 都是 质量和 能量平衡方 程 中需要 考虑 的 。而 TOUGH2中没有专门针对天然气水合物体系的状态 方程模块 ，因此需要重新编写一个状态方程模块并 与TOUGH2中的其它模块组合。 由于上述参数中的大部分计算都比较简单，有 些可以当作常数，有些(如水相的性质参数)可以直 接调用TOUGH2中原来的子程序进行计算，这里不 详细描述其计算过程。但是，有两个参数，即相对渗 透率和毛细管压力，需要根据水合物体系的特点，选 择合适的方程进行计算。 天然气水合物体系中，水合物本身为固态，它分 解后变成气体和液态水或固体冰。伴随着水合物的 分解或生成 、冰的形成或融解，气液两相的流动空间 的大小会发生变化，从而改变气体和水相的相对渗 透率规律。即水合物体系中的渗透率与水合物的饱 和度有关 。而在TOUGH2现有的相对渗透率和毛 细管压力计算方法中，没有适合水合物藏体系这一 特l生的计算模型，因此，在此采用了前人分析修改后 的Brooks—Corey模型来描述天然气水合物体系中的 相对渗透率规律 ： k 一- o( e*) ； =  ( ) ； Pc=p (s ； (1) (2) (3) 式中：ko、ko为相对渗透率曲线的末端值；nc、 Ftw分别为与气相、水相相对应的指数，p 为进VI毛细 管压力； 表示与孔隙结构相关的指数，进口毛细管 压力是孔隙结构的函数，且与有效孔隙度相关： f k。 e_p栅J (4) 8期 庞维新。等：天然气水合物藏开采数值模拟研究 33 P 与绝对渗透率ko和参考孔隙度‘Po相对应的 进口毛细管压力。s 、s：分别为有效饱和度的归 一 化形式，相对于常规的油气藏相对渗透率规律而 言，此处对饱和度做了重新的定义，即定义了有效孔 隙体积上的归一化气相、水相饱和度为， ， (5) s = 丢 ， (6) 1 —  r一  其中s：、S：为有效气相、水相饱和度，定义为： s：=— 一 ， (7) Sg+ S s e = —  一， (8) Sg 十 S 为建立在总体孔隙体积上的气相、水相饱 和度。s e、se ，分别为建立在有效孔隙体积上的残 余气 、束缚水饱和度。即： s = ÷ ， (9) 。 Sg 十 5 s e=÷ ， (10) 5gT 5 这些有效饱和度的定义，实际上是考虑了水合 物相和冰相对气、水相相对渗透率的影响。 根据上述公式编写天然气水合物体系的相对渗 透率和毛细管压力计算程序，在状态方程中调用子 程序即可。 2_2天然气水合物分解速率和相平衡条件 相对于常规油气藏而言 ，天然气水合物藏的一 个重要区别是存在水合物相 ，它在一定的温度压力 条件下会分解或生成。水合物的分解／生成涉及到 其分解／生成速率和相平衡条件的计算 ，因此 ，将 TOUGH2应用于天然气水合物藏开采模拟，需要添 加的另一个主要模块为天然气水合物的分解速率和 相平衡条件计算模块。 在动力学分解状态下，水合物分解过程中气体 的产生速率可由下式计算嘲： OM= pf (厶 )，⋯) 式中： 为水合物分解的速率常数；△E 为水合 物分解活化能 ； 为水合物分解面积 ；FA为分解面 积校正因子；． 为温度 下水合物的平衡压力对应 的逸度；，=，为水合物藏压力对应的逸度。 根据天然气水合物分解方程式中的系数关系， 天然气水合物的分解速率和水的产生速率可分别表 示为： m ^： 一 —Nm—M w+Mgm ， (12)  —面一 g lz ⋯ g m ， (13) ⋯ g 式中，Ⅳm为水合物数，即 1摩尔水合物中含有 的水的摩尔数。 天然气水合物分解的同时需要吸收热量，分解 热的计算如下式所示 ： Q =m △H。， (14) 其中，△ 。为水合物分解热。 上述天然气水合物分解速率 m 、气体产生速率 m  、水的产生速率 m 和分解热 Q 4个变量 ，主要取 决于体系所处的温度和压力条件，因此，程序需要根 据体系所处的相态穿插在状态方程中调用水合物分 解速率计算模块计算得到。 而体系中水合物是否分解，则取决于其相平衡 条件，即方程(11)中的 和 ，厶为温度T下水合 物的平衡压力对应的逸度，可以通过多孔介质和化 学剂对天然气水合物相平衡影响模型恻计算，．，=．为 水合物藏压力对应的逸度，采用P—T方程计算。 相对于TOUGH+HYDRATE软件中简单的经验 公式而言，本文添加的水合物相平衡条件考虑因素 更多，充分考虑了水中钠钙离子化合物等不同化学 剂对水合物相平衡的影响，其计算精度更高。 2．3主体控制方程 TOUGH2软件的主体控制方程是质量和能量平 衡方程，可分别表示如下： 气体质量平衡方程： 啬( S )十盖(p ) ， (15) 液体质量平衡方程： 茜( S )+盖( ) q ， (16) 能量平衡方程： 啬(c =V·TC pwkwVP )+V．( pgkgVP ]+V．( V )+mIAHI+ (17) 式中：‘P为孔隙度 ；P 和 P 分别为气体和液体 的密度；S 和．s 分别为气体和液体的饱和度； 和 分别为气体和液体在孔隙中的流速，可通过达西 定理计算；q 和q 分别表示气液的源汇项；C 为综 合有效比热；C 和 分别为液体和气体的比热；k 和 k 为气液相的渗透率； 和 为气液相的黏 

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