天然气水合物储层降压开采及稳定性数值模拟研究

作     者：吴浩泽 

作者单位：汕头大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵仲辉

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：天然气水合物 热-流-力-化耦合 数值模拟 开采效率 储层稳定 

摘      要：目前已经探明天然气水合物中的碳含量是传统化石能源（煤炭、石油等）的2倍,其为解决世界能源危机提供了可能。鉴于水合物现场开采试验难度大、室内试验受制于试验尺度等不利因素,数值模拟已成为研究水合物开采相关问题的重要工具。以往的数值模拟研究往往只注重产能分析,对于水合物开采过程中不可避免的储层力学问题至今仍不够关注。本文基于COMSOL Multiphysis建立了水合物开采的热-流-力-化耦合模型,并通过标准考题以及室内尺度的含水合物土柱试验证明了模型的可靠性。基于验证的土柱试验,本文对影响降压开采的因素进行了参数分析并研究了含水合物沉积物变形对开采结果的影响。而后本文建立了现场尺度的含水合物储层模型以对实际生产工况下的开采结果进行分析,如长期产气、产水、水合物饱和度变化以及储层沉降等。最后本文建立了二维含水合物边坡模型,重点研究了降压开采过程中含水合物边坡稳定性的变化规律。本文的主要结论如下:含水合物沉积物的有效渗透率由水合物饱和度和孔隙率决定,降压开采过程中水合物饱和度以及储层的变形会不断变化,若不考虑沉积物的变形,则会高估沉积物的渗透率。同时沉积物的变形会影响水合物化学分解场、渗流场以及传热场,因此热-流-力-化耦合模型可以更加真实地模拟水合物的开采过程;降压幅度越大,则降压后储层压力与水合物相平衡压力之间的差值越大,越有利于天然气水合物的分解;含水合物沉积物的渗透率越大,越有利于储层中流体的流动,因此降压开采效果更好;含水合物储层中初始气体饱和度越大,越有利于气体的流动,使得天然气水合物更快地发生分解。降压开采过程中含水合物沉积物的有效应力增大,同时水合物的分解会降低含水合物沉积物的弹性模量,导致含水合物沉积物的变形,进而影响水合物的开采效率;室内尺度和现场尺度模拟结果均表明降压开采的产气和产水速率峰值均出现在开采初期,而后产气和产水速率趋于稳定,含水合物储层下部水合物分解速率快于储层上部,但降压开采存在后期生产效率较低的不足。含水合物储层下伏游离气的存在有利于开采过程中产气量的提高。在历时1000天的降压开采过程中,前60天的储层沉降占总沉降的50%以上;降压开采过程中,含水合物储层的黏聚力不断降低,导致含水合物边坡的安全系数逐渐减小,在历时5年的降压开采过程中,含水合物边坡的安全系数由1.63降低到1.29,若水合物储层完全分解,则边坡的安全系数为0.94,边坡趋于失稳。研究结果表明,降压开采过程中天然气水合物的分解是影响边坡稳定的关键因素。